带数字诊断功能的小封装光模块设计方案第1章 、绪论1.1 课题概述小型封装可插拔光模块简称SFP模块,它采用先进的精密光学及电路集成工艺制作,尺寸只有普通双工SC<1×9>型光纤收发模块的一半,因此在同样空间可以增加一倍的光端口数,可以增加线路端口密度,降低每端口成本SFP模块还支持热插拔功能,即无需切断电源,光模块即可以与设备连接或断开,网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统,对用户不造成影响热插拔功能也简化了总的维护工作,并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块智能SFP模块,即具有数字诊断功能的SFP光模块,数字诊断控制器所带的存储空间分为两部分一部分用于储存器件型号、制造商名称、序列号、器件的数据速率等基本信息,另一部分用于存储监控报警、校准常数与实时监控数据等数字诊断与监控相关信息智能SFP模块是各厂商技术升级换代的标志性产品,它所特有的数字诊断功能可以实时监测光收发模块的温度、供电电压、激光偏置电流以及发射光功率和接收光功率通过这些参数的测量,管理单元能迅速找出光纤链路中发生错误的具体位置,以简化维护工作,提高系统的可靠性可以预见在今后两三年智能SFP光模块将成为市场的主要需求。
本课题研究带数字诊断功能的小封装可热插拔光模块,课题来源于华工正源光子技术的"2.5G带数字诊断功能的小封装光模块"重点攻关项目,该项目的工作主要分为器件、电路和结构三个部分,笔者有幸参与了电路部分的设计、PCB绘制、光模块测试与数字诊断软件调试等方面的工作,这些也是论文阐述的重点1.2 光模块研究现状及发展方向通信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断提高使得光纤通信成为现代信息网络的主要传输手段,在现在的光通信网络中,如广域网、城域网、局域网所需要的作为核心光电子器件之一的光收发模块的种类越来越多,要求越来越高,复杂程度也以惊人的速度发展目前的光通信市场竞争越来越激烈,通信设备要求的体积越来越小,接口板包含的接口密度越来越高传统的激光器和探测器分离的光模块,己经很难适应现代通信设备的要求为了适应通信设备对光器件的要求,光模块正向高度集成的小封装发展,SFF小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺,尺寸只有普通双工SC<1×9>型光纤收发模块的一半,在同样空间可以增加一倍的光端口数,可以增加线路端口密度,降低每端口的系统成本。
又由于SFF小封装光模块采用了与铜线网络类似的MT-RJ接口,大小与常见的电脑网络铜线接口相同,有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长此外,热插拔也是光模块的一个发展方向未来的光模块必须支持热插拔,即无常切断电源,模块即可以与设备连接或断开,由于光模块可热插拔,网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统,对用户不会造成什么影响热插拔性也简化了总的维护工作,并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块同时,由于这种热交换性能,该模块可使网络管理人员能根据网络升级要求,对收发成本、链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划,而无需对系统板进行全部替换支持热插拔功能的光模块目前有GBIC和SFP,由于SFP与SFF的外型大小相当,它可以直接插在电路板上,在封装上较省空间,其未来的发展趋势值得期待通信设备的体积越来越小,接口板包含的接口密度越来越高,要求光电器件向低成本、低功耗的方向发展目前光器件一般均采用混合集成工艺和气密封装工艺,下一步的发展将是非气密的封装,需要依靠无源光耦合<非X-Y-Z方向的调整>等技术进一步提高自动化生产程度,降低成本。
随着光收发模块市场需求的迅速增长,功能电路、部分专用集成电路的供应商也逐渐增多,供应商在规模化、系列化方面的积极投资使得此类IC的性能越来越完善,成本也越来越低,从而缩短了光收发模块的开发周期,降低了成本尤其是处理高速、小信号、高增益的前置放大器采用的是GaAs工艺和技术,SiGe技术的发展,使得这类芯片的成品率及制造成本得到很好的控制,同时可进一步降低功耗另外采用非制冷激光器也进一步降低了光模块的制造成本目前的小封装光模块也都采用低电压3.3v供电,保证了端口的增加不会提高系统的功耗人们对信息量要求越来越多,对信息传递速率要求越来越快,作为现代信息交换、处理和传输主要支柱的光通信网,一直不断向超高频、超高速和超大容量发展,传输速率越高、容量越大,传送每个信息的成本就越来越小长途大容量方面当前的热点是10Gbit/s和40Gbit/s,最新市场研究表明,10Gbit/s数据通信收发模块的全球总消费量将从2001年的1.57亿美元增长到2010年的90亿美元2001年早期使用10Gbit/s数据通信收发器的数量不到10万个,但到2003年,10Gbit/s数据通信收发模块将增加到200万个。
在整个消费领域,继10-gigabit光纤通道之后,10-gigabit以太网将会有强烈的影响目前SDH单通道光系统正向40Gbit/s冲击高速系统和器件方面,很多公司今年推出了40Gbit/s系统40Gbit/s方面目前的重点产品技术是：大功率波长可调/固定激光器、40G调制器、高速电路、波长锁定器、低色散滤波器、动态均衡器、喇曼放大器、低色散开关、40Gbit/sPD、可调色散补偿器组件,前向纠错等从现阶段电路技术来说,40Gbit/s已接近"电子瓶颈"的极限速率再高,引起的信号损耗、功率耗散、电磁辐射<干扰>和阻抗匹配等问题难以解决,即使解决,则要花费非常大的代价CWDM技术兼备并行结构的低成本和单纤传输的优点,必将在未来的体系结构中起重要作用该技术在保持较高的总数据速率的同时,充分利用传统的光技术,对收发器的设计是一种功能强且经济实用的方案事实上,即使使用低速率的组件,CWDM收发器也能在成本、尺寸、功率预算比传统串行方案低的前提下,达到较高的数据速率。
CWDM也是替代其它昂贵的WDM解决方案的可行之策较宽的光邻道间隔提供健壮的性能,而无需像DWDM系统那样使用昂贵的温度控制机制基本上,国外那些传统的大通信公司如安捷伦、飞博创、飞通、电信器件公司等都有自己的各种类型的CWDM光模块值得一提的是现在又出现了一种单纤三向模块,这种新型模块不仅能在单一的光纤上进行双向数字通信,而且还有模拟影像信号接收器它以三个不同的波长运作,以此消除此类应用常所需的额外纤线的成本它的第三个波长用于播放模拟影像信号,第二个光探测器接收标准的共享天线电视影像信号,在一个光载波上进行调制除了用于宽频被动光纤网络系统外,若干衍生的模块还能用于千兆位被动光纤网络,混合光纤同轴电缆系统、以及点对点网络等不同的系统解决方案中目前,国外英飞凌公司已有相关产品1.3 本文研究的主要容及所做的工作本文研究的对象是带数字诊断功能的光收发一体模块本文研究的主要容及所做的工作有：1>光收发一体模块原理的研究:光收发一体模块发射部分、接收部分的组成、原理介绍并以MAXIM公司的激光器驱动芯片max3735、后放max3748和前放max3744为例,对构成光收发一体模块的各主要部分和主要电路进行介绍。
2>介绍激光器和激光器驱动电路的耦合方式3>介绍光收发模块热插拔功能的实现技术4>分析分立元件构成的自动功率控制电路与自动温度控制电路原理5>介绍数字诊断光模块设计的理论基础,包括主机与数字诊断光模块通信的I2C总线技术；定义数字诊断光模块技术要求与设计规的SFF-8472协议6>给出数字诊断光模块的硬件电路实现,详细介绍了用DALLIS MAXIM公司的DSl859与激光器驱动芯片max3735、跨阻放大器芯片max3744以及限幅放大器芯片max3748设计出的这款高性价比的数字诊断光模块解决方案7>介绍带数字诊断光模块的测试技术,先介绍一般光电指标包括发射光功率、消光比、光眼图、接收灵敏度以及高低告警值的测试原理与方法,并对常见的光眼图劣化现象的原因和解决方法进行分析,最后重点介绍了光模块数字诊断与监控功能的测试方法与实现,包括测试系统硬件电路的设计以及监控校准软件的介绍与具体实现方法第2章 、光收发一体模块及其设计2.1 光收发一体模块简介光收发一体模块由光发射器与光接收器组成,其主要功能是进行电/光与光/电信号的相互转换光发射器的功能是将电信号转换成光信号,有用信号通过电端机进行模/数转换等相应处理,转换为数字NRZ码信号,此信号加入激光器驱动电路,并由驱动电路输出偏置电流与调制电流,以直接调制的方式驱动激光器产生相应的光信号。
光接收器的功能是将光信号转换为电信号,它由探测器、跨阻放大器与限幅放大器组成其中探测器的作用是将收到的光信号转换成微小的电流信号再通过跨阻放大器将微小的电流信号转化成一定幅度的电压信号,最后通过限幅放大器限制信号电平落在所需要的准位,输出给接收电端机光收发合一模块原理框图如图2.1所示：接收机部分图2.1光收发合一模块原理框图2.2 光发射部分光发射模块在光传输过程中起到一个电-光转换的作用,光发射模块输入的是电信号,输出的是光信号,部的激光器驱动芯片首先将输入的电信号调制成满足数字光纤通信系统传输要求的激光器驱动信号,激光器在驱动信号的驱动下发出相应的光信号,光信号被耦合进光纤中并传输到接收端在数字光纤通信中,光源发出的光可以看作是光频载波,通过调制使其载荷,一般采用强度调制的方式光发射模块主要由包含APC功能的激光驱动器,带背光探测器的激光器组件以及偏置和调制电路组成,如图2.2所示光发射模块依靠光源器件LD将电信号转变成光信号,因此LD是光发射模块中的核心元件,它的性能直接影响着光发射模块的主要指标激光器驱动电路是光发射模块的主要电路,它将电信号通过电流强度调制的方式调制到半导体激光器上使之发出脉冲光信号,驱动电路还有自动光功率控制的功能,它能使发射模块有更稳定的输出,并对激光器起到保护作用。
监控电路主要是对激光器的一些主要工作指标进行实时监控,包括背光功率监控电路和偏置电流监控,它能及时反映激光器的工作状态图2.2 光发射模块框图2.2.1 激光器原理光源是光纤通信最重要的部分,也是价格最昂贵的部分光纤通信用光源应满足以下要求：<1>体积小,与光纤之间有较高的耦合效率；<2>发射的光波波长应位于光纤的低损耗窗口,即0.85um、1.31um或1.55um波段；<3>可以进行光强度调制；<4>可靠性高,要求它工作寿命长、工作稳定性好；<5>发射的光功率足够高,以便可以传输较远的距离；<6>温度稳定性好,温度变化时输出光功率以及波长变化应在允许围光纤通信用光源的激射波长应在低损耗窗口波段,光源的发射功率要大,调制特性要好,可靠性高,适应性强,且价格要便宜半导体光源满足以上要求,是目前光通信系统中最为重要的光源1、半导体光源分类半导体光源分为FP法布里一珀罗激光器、分布布拉格反射激光器、分布反馈激光器DFB-LD、垂直腔面发射激光器及可调谐激光器各种半导体激光器的分类比较见表2.1：表2.1 半导体激光器分类2、半导体激光二极管LD工作特性LD通过正向偏压下PN结中载流子的受激辐射复合而发出相干光,最简单的激光器组件是包括LD,PD和尾纤的组件。