4.25 Gbps 小型可熱插拔光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)與測(cè)試

劉 希 ，薛 原，徐紅春

(武漢電信器件有限公司 光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074)

1 引 言

近年來(lái)，隨著光纖到戶(hù)、全光網(wǎng)絡(luò)等熱點(diǎn)應(yīng)用的興起，通信業(yè)正面臨帶寬和速度的巨大挑戰(zhàn)，大容量、高速率、高質(zhì)量的光纖通信已成為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在此背景下，作為網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備關(guān)鍵部件的光收發(fā)一體模塊也呈現(xiàn)出高速化、智能化、小型化和集成化等特點(diǎn)。本文研究的4.25 Gbps 小型可熱插拔( SFP) 模塊是一種極具代表性的光通信模塊，目前主要應(yīng)用于各種存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)( SAN)［1］，這種網(wǎng)絡(luò)依托光纖通道為服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備的連接提供更高的吞吐能力，支持更遠(yuǎn)的距離和更可靠的連通，并且不需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行全面升級(jí)，適用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能要求高、系統(tǒng)升級(jí)方面具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)容量可擴(kuò)展性和靈活性的企事業(yè)單位。光模塊在其中主要完成光源驅(qū)動(dòng)、光電轉(zhuǎn)換及告警輸出等功能［2］。

本文研究和設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)速率達(dá)到4.25 Gbps的高速SFP 光模塊，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)分析數(shù)據(jù)結(jié)果，驗(yàn)證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性和個(gè)體一致性，證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的可行性，為高速SFP光模塊的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)原理

4.25 Gbps SFP 光模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)劣取決于其能否滿(mǎn)足性能需求，輸出平均光功率和消光比是最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)［3］。輸出平均光功率定義為光輸出為高時(shí)的功率P1與光輸出為低時(shí)的功率P0的平均值，即:

而激光器的光功率為激光器的斜效率η 與通過(guò)激光器的電流的乘積I，即:

為了獲得較高的儲(chǔ)備峰值以驅(qū)動(dòng)高速電流開(kāi)關(guān)，激光二極管與驅(qū)動(dòng)電路之間可采用交流耦合方式連接。此時(shí)，當(dāng)光輸出為高時(shí)，通過(guò)激光器的電流I1為:

式中:IBIAS為偏置電流，IMOD為調(diào)制電流，Ith為閾值電流。

當(dāng)光輸出為低時(shí)，通過(guò)激光器的電流I0為:

消光比定義為全“1”時(shí)的平均光功率P1與全“0”時(shí)的平均光功率P0之比，即:

4.25 Gbps SFP 光模塊的輸出平均光功率和消光比的設(shè)計(jì)值為PAVG= - 5.5 dBm ( 即0.28 mW) ，Ex=6 dB。由式( 1) 可得，P1+P0=0.56 mW; 由式( 5) 可得，P1/P0=4; 所以P1=0.448 mW，P0=0.112 mW。

經(jīng)查閱資料，本次設(shè)計(jì)所需要的垂直腔面發(fā)射激光器( VCSEL) 在-40、25 和85 ℃下的典型斜效率η 分別為0.15、0.11 和0.06 mW/mA，閾值電流Ith約為2 mA，則:

(1) -40 ℃時(shí)，由式(2) 、(3) 和(4) 可得:

由上述計(jì)算可知，輸出平均光功率僅與偏置電流IBIAS有關(guān)，而與調(diào)制電流IMOD無(wú)關(guān)。因此，通過(guò)控制自動(dòng)功率控制( APC) 回路即可實(shí)現(xiàn)輸出平均光功率的穩(wěn)定。但隨著溫度上升，激光器的斜效率逐漸降低，為了保證輸出平均光功率不變，偏置電流要相應(yīng)增大，如果調(diào)制電流不變，那么消光比就會(huì)降低。為了使消光比穩(wěn)定，有必要對(duì)調(diào)制電流也進(jìn)行補(bǔ)償，本文是通過(guò)微控制器的寄存器設(shè)置對(duì)調(diào)制電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹?/p>

3 設(shè)計(jì)方案

對(duì)4.25 Gbps SFP 光模塊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了討論，其結(jié)構(gòu)由獨(dú)立的發(fā)射、接收和控制部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical module structure

3.1 發(fā)射部分設(shè)計(jì)

模塊發(fā)射部分由光發(fā)射組件( TOSA) 及激光器驅(qū)動(dòng)電路組成，而TOSA 由激光二極管( LD) 及背光二極管( PD) 組成。LD 采用的是VCSEL，驅(qū)動(dòng)電路的作用是驅(qū)動(dòng)和控制LD。輸入模塊的電數(shù)據(jù)信號(hào)首先由LD 驅(qū)動(dòng)電路接收，并調(diào)制到LD的驅(qū)動(dòng)電流( 包括偏置電流和調(diào)制電流) 上，驅(qū)動(dòng)LD 發(fā)出帶有數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)的激光。LD 驅(qū)動(dòng)電路具備自動(dòng)功率控制( APC) 功能［4］，可根據(jù)監(jiān)控LD發(fā)光大小的背向光輸出電流，確定加給LD 的驅(qū)動(dòng)電流的大小。通過(guò)APC 電路，激光器驅(qū)動(dòng)電路可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的大?。?］。

本文采用的TOSA 是一種TO-46 封裝、帶LC連接器的850 nm VCSEL，它能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)速率高達(dá)4.25 Gbps 的光信號(hào)，其圓形光束能為50/125 μm 和62.5/125 μm 多模光纖提供最佳的功率耦合效率，在-40 ～85 ℃的環(huán)境溫度下，仍然具有很高的可靠性，可滿(mǎn)足4.25 Gbps 光收發(fā)模塊的需求。

激光器驅(qū)動(dòng)芯片采用4 mm ×4 mm 小型貼片，20 引腳QFN 封裝，包括一個(gè)集成的APC 回路以支持激光器安全特性和收發(fā)器管理系統(tǒng)，同時(shí)提供一個(gè)2 線(xiàn)接口，允許調(diào)制電流和偏置電流的數(shù)字控制，是一種多功能、寬工作溫度的高速VCSEL驅(qū)動(dòng)。

3.2 接收部分設(shè)計(jì)

光接收組件( ROSA) 及限幅放大器組成了光模塊的接收部分，其中ROSA 又由PD 及前置放大器( 即互阻放大器) 組成。從模塊光接收端輸入的光信號(hào)，通過(guò)模塊內(nèi)部的PD 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入到前置放大器進(jìn)行放大。前置放大器具備自動(dòng)增益控制( AGC) 功能，即對(duì)小功率輸入光轉(zhuǎn)換后的小幅度電信號(hào)采用大增益的放大倍數(shù)，而對(duì)大功率輸入光轉(zhuǎn)換后的大幅度信號(hào)采用小增益的放大倍數(shù)，從而使其輸出電信號(hào)的波動(dòng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入光信號(hào)的波動(dòng)幅度。最后，主放大器接收經(jīng)前置放大器放大后的信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，輸出模塊的電數(shù)據(jù)信號(hào)。

與TOSA 相匹配，本文選用的850 nm LC ROSA具備較高的多模光纖耦合效率及寬泛的工作溫度等特點(diǎn)，可靠性較高。3.3 V 供電時(shí)，其典型工作電流僅為15 mA，能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)速率高達(dá)4.25 Gbps 的電信號(hào)，較好地滿(mǎn)足了高速光纖通信的需要。值得注意的是，這款ROSA中的TIA 具有較低的輸入噪聲、2.8 GHz 帶寬、AGC 功能、3.2 kΩ 互阻和接收信號(hào)強(qiáng)度指示( RSSI) 等特點(diǎn)，使其能用作4.25 Gbps 光接收器的高速互阻放大器。

限幅放大器提供一個(gè)2 線(xiàn)接口，帶寬、輸出幅度和LOS 閾值校準(zhǔn)均允許數(shù)字式調(diào)整，單3.3 V供電，能在-40 ～85 ℃環(huán)境溫度下正常工作。

3.3 控制部分設(shè)計(jì)

EEPROM 單元主要用于存儲(chǔ)模塊類(lèi)型、接口形式、傳輸特性、產(chǎn)品型號(hào)、流水號(hào)及制造日期等信息，而帶自動(dòng)診斷監(jiān)測(cè)( DDM) 功能的SFP 模塊除了存儲(chǔ)上述基本信息外，還有微控制器和一系列的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于模塊的電壓、溫度、激光器偏置電流、輸入光功率和輸出光功率等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控［6］。這5 個(gè)DDM 參數(shù)首先由采集電路采集轉(zhuǎn)換，然后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入端，5 個(gè)模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)譯碼電路存于支持DDM 的存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址位上［7］。

SFP 的控制功能由常用的DS1859 和EEPROM 單元實(shí)現(xiàn)。DS1859 包含2 個(gè)50 kΩ 或2 個(gè)20 kΩ 的256 級(jí)線(xiàn)性可變電阻，3 個(gè)模擬監(jiān)視器輸入端以及直接數(shù)字化溫度傳感器［6］。這款雙路溫控器件可對(duì)偏置電壓和電流進(jìn)行設(shè)置和溫度補(bǔ)償，非常適合于需要小尺寸電路的控制應(yīng)用。可變電阻的設(shè)置保存在EEPROM 存儲(chǔ)器中，通過(guò)I2C串行總線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

3． 4 印刷電路板(PCB)布板設(shè)計(jì)

考慮到此款4.25 Gbps 光收發(fā)模塊傳輸速率非常高，電路板的設(shè)計(jì)除了應(yīng)滿(mǎn)足高速設(shè)計(jì)的一般要求外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1) 發(fā)射和接收部分的直流電源與接地端必須各自獨(dú)立，電源與地應(yīng)都設(shè)計(jì)成單一平面，同時(shí)發(fā)射地與接收地最好區(qū)分開(kāi)來(lái)。

(2) 同一組差分信號(hào)盡量處于同一平面以對(duì)稱(chēng)方式布線(xiàn)，兩線(xiàn)之間的間距應(yīng)考慮電路的阻抗匹配，使其信號(hào)變異性降至最低。

(3) IC 的濾波或去耦電容盡量靠近電源并與芯片處于同一平面，考慮PCB 布板空間有限，去耦電容可以放置于另一平面對(duì)應(yīng)的IC 下方，以過(guò)孔連接，從而使傳導(dǎo)路徑達(dá)到最短，降低寄生效應(yīng)。

(4) 信號(hào)路徑越短越好，當(dāng)遇到轉(zhuǎn)折處時(shí)以圓弧或45°角方式連接，避免阻抗變化。

(5) 由于在電路中傳輸?shù)氖歉哳l信號(hào)，應(yīng)將信號(hào)線(xiàn)與周?chē)娐犯綦x，并在其周?chē)啻虻乜?，以減小干擾［8］。

4 模塊性能測(cè)試及分析

根據(jù)本設(shè)計(jì)方案，研制了4.25 Gbps SFP 光模塊樣品，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試及數(shù)據(jù)分析。

4.1 測(cè)試方法

測(cè)試平臺(tái)連接方式如圖2 所示。將SFP 光模塊插入測(cè)試板，測(cè)試板與一個(gè)穩(wěn)壓電源連接，提供模塊所需的3.3 V 供電電壓。激光器的輸出信號(hào)經(jīng)光衰減器衰減后由分路器一分為二，一路連接到示波器的光口，測(cè)試發(fā)射光眼圖。另一路作為光源，輸入到光模塊的接收端。與示波器同步的誤碼儀用來(lái)產(chǎn)生和接受4.25 Gbps 的PRBS-23 數(shù)據(jù)流，對(duì)比測(cè)試后計(jì)算出傳輸誤碼率。電腦通過(guò)串口，并口或USB 接口與測(cè)試板相連接，通過(guò)測(cè)試軟件對(duì)模塊進(jìn)行監(jiān)控和讀寫(xiě)操作［6］。

圖2 測(cè)試平臺(tái)Fig.2 Test platform

對(duì)于發(fā)射端，主要測(cè)試模塊在-40 ～85 ℃環(huán)境溫度下的平均光功率、消光比、波長(zhǎng)等參數(shù)，接收端方面則測(cè)試靈敏度、告警點(diǎn)和告警恢復(fù)點(diǎn)等，并且需要考慮在寬溫工作范圍內(nèi)光電參數(shù)的穩(wěn)定性和各模塊之間的性能一致性［9］。

值得注意的是，圖2 中測(cè)試板的TX-端沒(méi)有連接時(shí)，應(yīng)接上匹配頭或在TX-端與地之間串聯(lián)一個(gè)50 Ω 匹配電阻以保證差分信號(hào)傳輸質(zhì)量，這有利于更好地測(cè)試模塊性能［10］。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

表1 列舉了樣品模塊以4.25 Gbps 傳輸速率分別在-40、25 和85 ℃環(huán)境溫度下的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

從表1 可以看到，SFP 樣品模塊在- 40 ～85 ℃環(huán)境溫度下工作時(shí)，輸出光功率均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且變化幅度不超過(guò)1 dBm，消光比和靈敏度也比較穩(wěn)定。在寬溫范圍內(nèi)告警和告警恢復(fù)基本保持了2 dBm 的功率間隔，有效避免了某些情況下光模塊在告警點(diǎn)上的反復(fù)報(bào)警。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab．1 Test data

為了驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方案的性能一致性，需要測(cè)試批量樣品模塊在寬溫下的性能表現(xiàn)，主要包括光功率、消光比和靈敏度等參數(shù)指標(biāo)。

圖3 為10 支SFP 光模塊在-40、25 和85 ℃環(huán)境溫度下的光功率變化趨勢(shì)。從圖3 可以看到，寬溫環(huán)境下各模塊的光功率相對(duì)集中，-40、25 和85 ℃3 個(gè)溫度點(diǎn)下的變化幅度控制在1 dBm以?xún)?nèi)，且各支模塊的變化趨勢(shì)基本一致，APC 回路發(fā)揮了較大作用。值得注意的是，-40 ℃時(shí)的功率集中程度最好，這是由于溫度較低時(shí)激光器的斜效率較高，要達(dá)到額定光功率所需的偏置電流IBIAS較小，激光器的差異不會(huì)明顯表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度升高時(shí)激光器斜效率降低，偏置電流IBIAS和調(diào)制電流IMOD相應(yīng)增加，LD 工作活性增強(qiáng)，放大了模塊個(gè)體的性能差異。

圖3 光功率變化趨勢(shì)Fig.3 Change trend of optical power

圖4 為10 支SFP 光模塊在-40、25 和85 ℃環(huán)境溫度下的消光比變化趨勢(shì)。在環(huán)境溫度改變時(shí)，模塊個(gè)體消光比的集中度較好，即使從-40 ℃上升到85 ℃，變化幅度也不超過(guò)1 dB。

圖4 消光比變化趨勢(shì)Fig.4 Change trend of extinction ratio

圖5 為10 支SFP 光模塊在-40、25 和85 ℃環(huán)境溫度下的靈敏度變化趨勢(shì)。3 個(gè)工作溫度下的靈敏度分別集中于 - 19.5、- 18.5 和-18 dBm，且變化趨勢(shì)基本相同，符合協(xié)議要求，表現(xiàn)出較好的接收性能。

圖5 靈敏度變化趨勢(shì)Fig.5 Change trend of sensitivity

從以上各參數(shù)變化趨勢(shì)可以看出，樣品模塊在其工作溫度和電壓范圍內(nèi)各項(xiàng)性能指標(biāo)變化幅度較小，性能非常穩(wěn)定。另一方面，模塊個(gè)體之間的性能區(qū)別較小，一致性較好。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并研制了SFP 模塊樣品，該模塊符合光纖通道、SFP MSA 及SFF-8472 標(biāo)準(zhǔn)，光功率、消光比和靈敏度等性能參數(shù)符合典型值，即使在環(huán)境溫度大范圍變化情況下仍能穩(wěn)定工作，參數(shù)變化幅度很小，并且小批量試產(chǎn)后模塊個(gè)體一致性較好，具有較高的可行性，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的調(diào)試及改進(jìn)，通過(guò)中試優(yōu)化后即可大規(guī)模生產(chǎn)并投入市場(chǎng)。

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