中距光模塊穩(wěn)定性設(shè)計研究

胡 亮

（江蘇奧雷有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

0 引言

光模塊是光纖通信系統(tǒng)的核心器件之一，是光通信設(shè)備最重要的組成部分，主要作用是實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）建設(shè)驅(qū)動光模塊市場增長。企業(yè)方面，中國光模塊廠商有望進(jìn)一步提升在全球市場的份額，下游運營商對光模塊的需求較大。整體而言，中國光模塊市場規(guī)模增速有望趕超全球。光模塊應(yīng)用場景豐富，具體可分為電信市場和數(shù)通市場，涵蓋了數(shù)據(jù)寬帶、電信通信、數(shù)據(jù)中心、光纖接入、安防監(jiān)控以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，其中數(shù)通市場近年來逐漸成長為驅(qū)動光模塊市場增長的主要細(xì)分領(lǐng)域。

1 光模塊系統(tǒng)原理

光模塊系統(tǒng)原理如圖1 所示。光模塊主要由光發(fā)射組件（Transmitter Optical Subassembly，TOSA）、光接收組件（ReceiverOptical Subassembly，ROSA）、高速收發(fā)一體驅(qū)動芯片、控制器（Microcontroller Unit，MCU）組成。TOSA 將電信號變成光信號，ROSA 將光信號變成電信號，高速收發(fā)驅(qū)動芯片負(fù)責(zé)驅(qū)動光發(fā)射組件和光接收組件。MCU 主要有三個功能[5]：一是與主機(jī)設(shè)備（Host）實時進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對整個模塊系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，管理控制信號邏輯輸入輸出，對驅(qū)動芯片功能引腳進(jìn)行配置，寫入初始化配置參數(shù)；二是讀取環(huán)境溫度，實時更新驅(qū)動芯片的偏置電流和調(diào)制電流，對激光器進(jìn)行溫度補償，保證輸出的光信號始終滿足傳輸鏈路的要求；三是反饋激光器工作情況，針對異常情況報警，實現(xiàn)鏈路的智能監(jiān)控。

圖1 光模塊系統(tǒng)原理

具體工作過程如下：模塊供電后，MCU 控制器開始工作，負(fù)責(zé)配置驅(qū)動芯片，設(shè)置參數(shù)；高速收發(fā)驅(qū)動芯片設(shè)置完參數(shù)后開始正常工作，將從Host接收到的高速差分電信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動激光器的偏置電流和調(diào)制電流，驅(qū)動TOSA 發(fā)光并傳送光信號；從ROSA 接收到的光信號經(jīng)ROSA 轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送至高速收發(fā)驅(qū)動芯片限幅放大器進(jìn)行放大，然后送給Host 處理；MCU 對驅(qū)動芯片的工作參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，控制TOSA 在各種環(huán)境條件下保持工作狀態(tài)穩(wěn)定。MCU 通過輸入/輸出（I/O）接口及I2C 數(shù)據(jù)接口與驅(qū)動芯片互連。

2 光模塊器件特性

2.1 激光器的類型

目前，TOSA 內(nèi)部的半導(dǎo)體激光器（Laser diode，LD）種類很多。按照結(jié)構(gòu)分類，可分F-P型LD（以下簡稱FP-LD）、分布反饋（Distributed Feedback，DFB）LD（以下簡稱DFB-LD）、分布Bvragg 反射器（DBR）LD、量子阱（Quantum Well，QW）LD 以及垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）。在光纖通信中，F(xiàn)-P型LD、分布反饋（DFB）LD 以及垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是使用最普遍的光器件。F-P 型LD和分布反饋（DFB）LD 屬于單模器件，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）屬于多模器件。F-P 型LD 和分布反饋（DFB）LD 的主要區(qū)別在于F-P 型LD有一個集總反射諧振腔反射鏡，而分布反饋（DFB）LD 的反射機(jī)構(gòu)是由源區(qū)波導(dǎo)上的Bragg 光柵提供的，這種反射機(jī)構(gòu)是一種分布式反饋機(jī)構(gòu)。因有了Bragg 光柵，其具有更好的偏振特性，故它的譜線寬度非常窄。在光纖通信中，DFB-LD 是中長距離應(yīng)用的主要光器件。FP-LD 和DFB-LD 的性能比較如表1、圖2、圖3 所示。

圖2 光譜對比圖

圖3 過纖對比圖

從表1 中的數(shù)據(jù)對比得出，DFB-LD 的譜寬要遠(yuǎn)小于FP-LD，其譜寬＜1 nm，通過長距離10 km光纖后DFB-LD 的光眼圖優(yōu)于FP-LD 的光眼圖，根據(jù)光纖傳輸公式，帶寬距離積為：

表1 DFB-LD 與FP-LD 的性能對比

式中：BSMF為帶寬，L為距離。從式（1）可以得出，光譜越小，傳輸距離越遠(yuǎn)。從性能穩(wěn)定角度看，選擇DFB 激光器更合適。

2.2 激光器的特性

激光器存在溫度特性[1]，表現(xiàn)在其閥值隨著溫度升高而增加，如圖4 所示。當(dāng)激光器中的工作電流小于其閥值電流Ith時，激光器僅能發(fā)出極微弱的非相干光，這相當(dāng)于激光器中的諧振腔未產(chǎn)生振蕩。而當(dāng)激光器中的工作電流大于其閥值電流Ith時，激光器會發(fā)出譜線狹窄的激光，此時激光器中的諧振腔產(chǎn)生了振蕩。故在不同的溫度下，給激光器預(yù)置大于閥值Ith的工作電流，激光器才能穩(wěn)定工作。

圖4 激光器溫度特性曲線

2.3 ROSA 的特性

ROSA 由銦鎵砷（InGaAs）材料的PIN 光電二極管或PN 結(jié)雪崩光電二極管APD 加上寬帶跨阻放大器（Trans Impedance Amplifiers，TIA）構(gòu)成，前者起到將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的作用，后者放大電信號。PIN 和APD 的區(qū)別是PIN 光電二極管不能使原信號光電流發(fā)生倍增，靈敏度性能一般，但價格便宜，不需額外增加電路設(shè)計，可以增加可靠性。而APD 能夠使原信號光電流發(fā)生倍增，從而使接收機(jī)的靈敏度增加，但價格比較貴，需要增加額外的升壓電路給APD且電路復(fù)雜，同時也是個干擾源。在設(shè)計電路時，要考慮隔絕此干擾源問題，避免給PCB 電路布局（LAYOUT）帶來麻煩，降低可靠性。

TIA 的作用是將PIN 轉(zhuǎn)換過來的10 Gb·s-1電信號進(jìn)行放大輸出，所以輸出端采用阻抗100Ω 高速對稱差分信號輸出，有利于抗干擾，傳輸高速率信號。

中距10 Gb·s-1光接收系統(tǒng)在誤碼率為1×10-12的條件下的接收靈敏度要求為-14.4 dBm[2]。故通過對比發(fā)現(xiàn)，采用PIN/TIA 的組合即可滿足需求，性價比高。

3 光模塊硬件設(shè)計

3.1 PCB 信號完整性設(shè)計

目前10 Gb·s-1光模塊的驅(qū)動芯片內(nèi)集成了發(fā)射激光器調(diào)制電路和接收限幅整形放大電路。為了能傳輸10 Gb·s-1高速信號，芯片發(fā)射和接收輸入/輸出端采用高速差分對稱輸入/輸出方式。發(fā)射部分信號輸入端阻抗為100 Ω，輸出端驅(qū)動50 Ω；接收部分信號輸入端阻抗100 Ω，輸出端阻抗100 Ω。故在PCB 設(shè)計時，需考慮如下幾個方面。

（1）選用低介電常數(shù)，低介電損耗板材。根據(jù)式（2）：

式中：εγ為介電常數(shù)，v為信號傳播速度?？梢姡琍CB 設(shè)計選擇介電常數(shù)損耗板材越低越好，傳播速度越快，有利于傳輸10 Gb·s-1高速信號。

（2）采用多層板設(shè)計，第一層放置關(guān)鍵走線如四組高速差分輸入/輸出阻抗線，第二層放置參考層地，可以控制高速差分線阻抗，而且高速信號走過信號線后，其回流必在走線正下方，這樣的疊層設(shè)計可以減少高頻信號的回流路徑。高頻信號流過信號線的損耗變小，抗電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）也可以提高。電源要求完整，可以布在一個層面，根據(jù)電路功能進(jìn)行分割，避免電源間相互干擾。在相鄰層放地層可以增加耦合，將電源上的干擾源耦合到地，提高抗干擾性能，使模塊工作穩(wěn)定。走線按照間距3W 原則，避免線間干擾。

（3）阻抗匹配。根據(jù)傳輸線理論定義[3]，如圖5 所示，當(dāng)驅(qū)動器將信號發(fā)送到傳輸線上時，信號初始幅度Vi等于驅(qū)動源電壓乘以傳輸線特征阻抗與源電阻之比，如式（3）所示，初始電壓Vi會沿傳輸線傳播。

圖5 傳輸線負(fù)載不匹配反射圖

式中：Vi是傳輸線初始電壓，Vs是電源電壓，Zs是電源內(nèi)阻，Zo是傳輸線阻抗。

如果在傳輸線終端接一個與傳輸線特征阻抗匹配的阻抗，那么，幅度Vi的信號就是端接到地的信號，如果傳輸線終端所接阻抗Zt不等于傳輸線的特征阻抗Zo，則信號的一部分將端接到地，其余部分將朝源方向反射回傳輸線。反射信號分量的多少取決于反射系數(shù)，反射系數(shù)計算公式為：

式中：是反射系數(shù)，Zt是負(fù)載阻抗，Zo是傳輸線阻抗。

因此，在電路布局高速差分阻抗走線時，其特征阻抗必須根據(jù)驅(qū)動芯片的輸入輸出阻抗進(jìn)行控制。如過阻抗不匹配就會出現(xiàn)發(fā)射問題，影響到信號質(zhì)量。走高速差分阻抗線可以借助軟件Shortcut to Si9000 來仿真建模，確定走線寬度和間距，嚴(yán)格控制阻抗，以減少反射發(fā)生。

3.2 光器件與PCB 連接設(shè)計

因10 Gb·s-1信號屬于高速信號，對阻抗匹配要求極高，光器件與PCB 的連接需要考慮以下問題。

為管控阻抗連續(xù)及減小信號損耗，連接方式采用阻抗可控的軟板作為連接媒介，如圖6 所示。這樣可以保證連接軟板阻抗與PCB 高速差分走線特征阻抗一致，阻抗連續(xù)，可以減少反射和信號損耗，另外，由于軟板采用柔性材質(zhì)，可以任意角度彎曲，不會傷害信號連通性，也方便安裝，能夠為光模塊提供穩(wěn)定、可靠保障。

圖6 PCB 與光器件連接圖

4 光模塊軟件設(shè)計

前文提到，激光器存在溫度特性問題。在不同的溫度下，激光器的閥值電流不一樣，隨著溫度升高，閥值電流會增加。為使激光器能穩(wěn)定工作，必須給激光器大于閥值電流Ith的工作電流。所以需要通過軟件設(shè)計，根據(jù)溫度變化對光器件進(jìn)行電流補償。從簡單可靠的角度考慮，比較穩(wěn)定可靠的算法是根據(jù)光模塊應(yīng)用的環(huán)境溫度進(jìn)行制表，每2 度一格，從最低溫度到最高溫度進(jìn)行規(guī)劃。設(shè)置2 張電流表，一張是IMOD調(diào)制電流表，一張是IBIAS偏置電流表。軟件根據(jù)MCU 芯片采集的溫度點分別依次到電流表中采集當(dāng)下溫度的IMOD調(diào)制電流和IBIAS偏置電流數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)分配給激光器驅(qū)動芯片，讓其產(chǎn)生合適的激光器所需的工作電流，使激光器穩(wěn)定工作。

另外，光模塊軟件設(shè)計要滿足行業(yè)協(xié)議SFF-8472[4]的相關(guān)規(guī)定。

5 實驗數(shù)據(jù)測試

本節(jié)對設(shè)計出的光模塊進(jìn)行測試。圖7 為測試拓?fù)鋱D，被測試模塊為雙纖光模塊。拓?fù)鋱D中，A點為光功率測試點，B 點為光眼圖測試點，C 點為靈敏度、告警測試點。測試信號采用PRBS31偽碼流，測試信號速率為10 Gb·s-1，測試溫度在-40～85 ℃，測試項目為消光比、光功率及光眼圖。

圖7 測試拓?fù)?/p>

5.1 測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2 所示。-40～85 ℃的光眼圖和電眼圖如圖8 所示。

圖8 -40～85 ℃的光眼圖和電眼圖

表2 測試數(shù)據(jù)

5.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，在溫度-40～85 ℃下，光眼圖和電眼圖信號圖形完整，上升沿抖動小，“1”電平和“0”電平平滑，表明PCB 滿足高頻信號傳輸特性，阻抗匹配并且連續(xù)，高頻信號損耗小，干擾小。消光比保持在5.2～5.7 dB，全溫變化＜1 dB，光功率保持在-2.5～-1.1 dBm，全溫變化＜2 dB，表明軟件電流補償算法有效，電流補償達(dá)到激光器正常工作電流要求。靈敏度保持在-17.5～-16.5 dBm，在全溫下，光模塊溫度特性表現(xiàn)非常好，10 Gb·s-1SFP+LR 協(xié)議規(guī)范要求[2]消光比＞3.5 dB，發(fā)射光功率-8.2～+0.5 dBm，靈敏度SEN ＜-14.4 dBm。測試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范要求，與客戶端匹配窗口大，因此光模塊與客戶端兼容性好、穩(wěn)定，光模塊設(shè)計合格。

6 結(jié)語

本文通過對光器件選型，在硬件設(shè)計上遵循高速信號設(shè)計理論，通過軟件算法彌補激光器溫度特性帶來的Ith不穩(wěn)定問題，實現(xiàn)對光器件全溫電流補償，使其在-40～85 ℃穩(wěn)定工作，完成了中距10 km 10 Gb·s-1SFP+光模塊的穩(wěn)定性研究設(shè)計。光模塊指標(biāo)和全溫特性完全符合光模塊標(biāo)準(zhǔn)。目前產(chǎn)品已實現(xiàn)量產(chǎn)并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。