2.5Gbps速率光模塊原理分析和設(shè)計(jì)調(diào)試

趙莉

（淮南文峰航天電纜有限公司，安徽 淮南 232000）

0 引言

由于受電磁干擾、碼間串?dāng)_和損耗等方面因素的影響，金屬線的電互聯(lián)傳輸受到了極大的限制，在傳輸系統(tǒng)中使用過(guò)多的電纜布線會(huì)增加系統(tǒng)重量，且布線復(fù)雜度的增加也使其整體成本隨之上升。與電傳輸相比，光傳輸具有大容量、高帶寬、易集成、損耗低、無(wú)串?dāng)_、電磁兼容性好、小體積、重量很輕等優(yōu)點(diǎn)，因而光傳輸被廣泛的應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)之中[1]。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

本文提出的2.5Gbps光模塊中包含兩個(gè)通道：發(fā)射通道和接收通道，它們之間相互獨(dú)立，并不會(huì)產(chǎn)生干擾，而且兩個(gè)通道的傳輸速率都可以達(dá)到2.5Gbps的速率，其工作原理框圖如圖1所示。

模塊發(fā)射通道由電信號(hào)輸入接口、激光器驅(qū)動(dòng)電路、阻抗匹配電路和激光器組件TOSA組成。電信號(hào)是由發(fā)射通道的電接口輸入，途經(jīng)電接口電路完成電信號(hào)的耦合，然后經(jīng)過(guò)發(fā)射通道中激光器驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)阻抗匹配部分進(jìn)行阻抗匹配，完成信號(hào)的調(diào)制和驅(qū)動(dòng)，最后送入激光器（TOSA）電光轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行光信號(hào)傳輸。

在光信號(hào)傳輸通信的系統(tǒng)中，由激光器發(fā)出的數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)可看作是光頻載波，一般采用強(qiáng)度調(diào)制的方法進(jìn)行光調(diào)制[2]。激光器上所需要產(chǎn)生的調(diào)制電流和光頻載波驅(qū)動(dòng)電流，都是由調(diào)制電路和激光驅(qū)動(dòng)電路提供的。由此可見(jiàn)，要想使激光器正常工作，激光器驅(qū)動(dòng)電路一定要提供充足的驅(qū)動(dòng)電流，滿足輸出光功率正常，同時(shí)要提供具有足夠的調(diào)試電流，從而確保合適的調(diào)制度。自動(dòng)偏置電路控制（APC）電路通過(guò)監(jiān)測(cè)控制TOSA中背光二極管輸出電流的大小，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)激光器驅(qū)動(dòng)電流的大小，實(shí)現(xiàn)輸出光功率的穩(wěn)定。

因此，為了使光模塊發(fā)射部分的光功率和消光比能在其正常工作溫度和工作周期范圍內(nèi)穩(wěn)定不變，光模塊激光驅(qū)動(dòng)器必須提供充足的偏置電流與調(diào)制電流，還應(yīng)具有溫度控制、APC功能，從而確保光模塊發(fā)射部分滿足系統(tǒng)苛刻的工作環(huán)境要求[3]。

光信號(hào)接收通道由光探測(cè)器組件ROSA、阻抗匹配電路、限幅放大電路和電信號(hào)輸出接口電路組成。同時(shí)接收通道還有丟光檢測(cè)電路，當(dāng)接收信號(hào)過(guò)弱或光路不通時(shí)，會(huì)輸出告警信號(hào)。ROSA包含光電探測(cè)二極管（PIN）、跨阻放大器（TIA）。PIN將采集來(lái)的光信號(hào)成正比例的轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，TIA將此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)放大到所需幅度，經(jīng)阻抗匹配電路傳輸給限幅放大器電路完成信號(hào)的再次放大和與整形，提高信噪比，減少誤碼率，最后電接口電路完成信號(hào)輸出。

1.2 部分電路設(shè)計(jì)

1.2.1 電源電路設(shè)計(jì)

為了克服用戶板上電時(shí)產(chǎn)生浪涌電流對(duì)光模塊的干擾，進(jìn)行緩慢啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

當(dāng)用戶給2.5Gbps光模塊上電時(shí)，為了確保激光器在電源電壓在達(dá)到光模塊門限電壓之前處于關(guān)閉的狀態(tài)，控制偏置電流和調(diào)制電流應(yīng)該緩慢上升，避免過(guò)沖減少激光器壽命或者將其直接損壞。如圖2，圖中Q1為P溝道MOSFET，閾值電壓為2.5V，C30和R21組成RC充電電路，由公式（1）計(jì)算出時(shí)間常數(shù)t≈1.5ms，符合設(shè)計(jì)要求：

1.2.2 激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

激光器驅(qū)動(dòng)有單端驅(qū)動(dòng)和差分驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式，設(shè)計(jì)中采用美信公司提供的MAX3738芯片[4]進(jìn)行交流耦合差分驅(qū)動(dòng)的模式如圖3，差分驅(qū)動(dòng)相對(duì)單端驅(qū)動(dòng)有著明顯改善激光器的產(chǎn)品指標(biāo)及光學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)[5]。

1.2.3 耦合接口電路設(shè)計(jì)

為了將傳輸信號(hào)中抖動(dòng)減到最小，設(shè)計(jì)中在輸入接口和輸出接口分別都采用了交流耦合的設(shè)計(jì)模式如圖4所示。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了有利于光模塊能夠在有重量要求和惡劣的環(huán)境下正常工作，因此，2.5Gbps速率光模塊采用金屬合金殼體進(jìn)行封裝[6-7]。為了增強(qiáng)電接口引腳的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，采用10針貼片式鍍金引腳。采用焊接方式進(jìn)行電裝，有利于提高信號(hào)輸入、輸出的可靠性。為了便于安裝，在殼體底部設(shè)計(jì)有兩個(gè)安裝固定螺孔，以便增強(qiáng)模塊的機(jī)械穩(wěn)定性能。

2 模塊調(diào)試

2.1 調(diào)試條件

（1）硬件材料條件：電路原理圖和相應(yīng)的PCB圖紙，準(zhǔn)備焊接光器件和電引腳排針完成后合格的2.5Gbps速率無(wú)殼體光模塊，相應(yīng)的2.5G模塊殼體。（2）設(shè)備條件：誤碼儀、寬帶眼圖示波器、光衰減器、高精度穩(wěn)壓直流電源、光功率計(jì)及測(cè)試板、測(cè)試跳線等其他材料。（3）環(huán)境條件：需要在無(wú)塵、防靜電、恒溫恒濕的環(huán)境下進(jìn)行，而且設(shè)備必須接地。

2.2 調(diào)試步驟

（1）開(kāi)啟電源、誤碼儀、示波器、光功率計(jì)、光衰減器等設(shè)備，并檢查設(shè)備是否接地及是否正常工作。（2）調(diào)試人員佩戴防靜電手腕，將焊接完成的光模塊插入測(cè)試板上觀察光模塊工作電流是否正常。正常模塊的工作電流一般為110～120mA，如果只有80mA左右，說(shuō)明模塊接受通道沒(méi)有正常工作，如果只有40mA左右，則說(shuō)明模塊發(fā)射通道沒(méi)有正常工作，可以通過(guò)更換光器件來(lái)確定是電路板的問(wèn)題還是光器件的問(wèn)題。（3）根據(jù)模塊具體的性能指標(biāo)要求，確定模塊所需的發(fā)射光功率。參照RAPCSET的計(jì)算值，進(jìn)行微調(diào)。（4）對(duì)于2.5Gbps速率光模塊，消光比一般調(diào)節(jié)為8～11，如果消光比過(guò)大或過(guò)小，可以適當(dāng)調(diào)整RMODSET電阻，從而達(dá)到指標(biāo)范圍內(nèi)。（5）在調(diào)試過(guò)程中如果遇到光眼圖不清晰或無(wú)法打開(kāi)的光眼圖，并且存在明顯的過(guò)沖，可能是由偏置電流（IBIAS）調(diào)節(jié)的大小不合適引起的，通過(guò)減小偏置電流調(diào)節(jié)電阻RAPCSET來(lái)增加偏置電流，減小過(guò)沖，使波形上移，直到光眼圖變清晰為止[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中光功率、消光比和接收靈敏度是主要影響光模塊性能的指標(biāo)，且這三個(gè)參數(shù)相互影響，所以調(diào)試過(guò)程中主要通過(guò)調(diào)試偏置電流和調(diào)制電流，進(jìn)而達(dá)到整體性能的最優(yōu)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試、測(cè)試、驗(yàn)證，完成了滿足性能指標(biāo)的2.5Gbps速率光模塊。