10G XFP光模塊的設(shè)計(jì)

　　萬(wàn)新星、任海蘭(光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢郵電科學(xué)研究院)《光通信研究》2012.4

　　文章介紹了應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的10 Gbit/s XFP(小型化可熱插拔)光模塊的基本原理以及光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)，采用了CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))、APC(自動(dòng)功率控制)、LA(限幅放大器)和發(fā)射驅(qū)動(dòng)集成的主芯片GN2010EA，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比不僅降低了設(shè)計(jì)成本，而且降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。測(cè)試結(jié)果表明，該模塊在寬的溫度范圍內(nèi)能保持穩(wěn)定的光功率和消光比，并且指標(biāo)滿足ITU—T標(biāo)準(zhǔn)的要求，符合10 Gbit/s光模塊設(shè)計(jì)要求。

　　引言

　　在光纖通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)光/電/光轉(zhuǎn)換功能的光收發(fā)模塊占有十分重要的地位。高速率(40、100 Gbit/s)技術(shù)已經(jīng)成為各大運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的焦點(diǎn)，但10 Gbit/s技術(shù)仍然是當(dāng)前通信系統(tǒng)的主流技術(shù)，基于標(biāo)準(zhǔn)化的密集波分光通信模塊成為其必不可少的一部分，10 Gbit/s XFP(ds型化可熱插拔)光模塊以其價(jià)格低、體積小和應(yīng)用環(huán)境廣泛等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為10 Gbit/s光模塊的主流產(chǎn)品。

　　本文將介紹兼容40和80 km 的10 Gbit/sXFP光模塊的基本原理、低成本的設(shè)計(jì)方案，以及相關(guān)的測(cè)試(驗(yàn)證方案的可行性)。這種設(shè)計(jì)采用CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))、APC(自動(dòng)功率控制)、LA(限幅放大器)和驅(qū)動(dòng)器集成的主芯片GN2010EA，減少了器件的數(shù)量，降低了制作工藝難度，達(dá)到了低成本的目的。

　　1 10 Gbit/s XFP光模塊的設(shè)計(jì)

　　1.1 模塊功能框圖

　　圖1所示為10 Gbit/s XFP光模塊的基本結(jié)構(gòu)框圖。模塊的發(fā)射端(包括光發(fā)送子系統(tǒng)、主芯片、溫控電路以及控制電路)采用輸入均衡器、多速率CDR、EML(電吸收調(diào)制激光器)驅(qū)動(dòng)器和APC集成的芯片驅(qū)動(dòng)激光器實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。接收端(包括光接收子系統(tǒng)、主芯片以及控制電路)則采用APD(雪崩光電二極管)將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大整形后輸出。模塊中采用單片機(jī)控制發(fā)射驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)字診斷功能。

　　1.2 發(fā)射部分

　　發(fā)射電信號(hào)由主芯片GN2010EA 的TXDIP腳和TXDIN腳進(jìn)入，經(jīng)過(guò)主芯片發(fā)射部分的均衡器、CDR和EML驅(qū)動(dòng)器，再由TXDOP腳和TXDON腳輸出，進(jìn)入TOSA(光發(fā)送子系統(tǒng))進(jìn)行電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。內(nèi)部APC電路控制激光器的偏置電流，由IBIAS腳輸出到TOSA，控制TOSA 的光功率。

　　主芯片內(nèi)部APC電路有兩種方式對(duì)激光器偏置電流進(jìn)行設(shè)置：(1)設(shè)置寄存器APC—REG5的第二位APCOVR，將APC環(huán)路旁路掉，這樣可以直接通過(guò)寄存器設(shè)置IBIAS腳輸出的電流值。(2)使用APC環(huán)路形成一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋，將設(shè)置電壓值與VPHOTO腳反饋的電壓值(VPHOTO腳的電壓與發(fā)射光功率成比例關(guān)系)進(jìn)行比較，最后使得VPHOTO腳反饋的電壓值穩(wěn)定在設(shè)定值，即使發(fā)射光功率穩(wěn)定在設(shè)定值。

　　1.3 接收部分

　　傳輸距離不同時(shí)，所采用的光電探測(cè)器不同，接收端的設(shè)計(jì)電路也有所不同。短距離傳輸時(shí)采用PIN(光電二極管)光電探測(cè)器，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)采用APD光電探測(cè)器。

　　當(dāng)使用APD ROSAl3 (光接收子系統(tǒng))時(shí)，Th腳通過(guò)一個(gè)20 kQ的電阻接3.3 V參考電源，熱敏電阻的電壓值送到控制電路微處理器的ADC口對(duì)APD進(jìn)行溫度補(bǔ)償;DAC腳接MCU(微控制單元)的DAC口，進(jìn)行交叉水平調(diào)節(jié);Vapd腳接升壓電路;其他接口與使用PIN ROSA時(shí)的接法一樣。使用PIN ROSA時(shí)，Th腳接地;DAC腳接外部電阻，將電流轉(zhuǎn)換為電壓給MCU 的ADC 口，對(duì)PIN進(jìn)行電流監(jiān)控，此時(shí)不接升壓電路;Vapd腳接地;其他接口與使用APD ROSA時(shí)的接法一樣。

　　1.4 監(jiān)控部分

　　監(jiān)控功能主要由MCU 來(lái)完成，本設(shè)計(jì)中采用ADUC7020。根據(jù)XFP協(xié)議SFF INF 8077i第四章定義的2線接口協(xié)議，可以通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)特別寄存器的讀寫。XFP光模塊的監(jiān)控量主要有TO—SA溫度、TEC(溫度控制電路)電流、發(fā)射端偏置電流、調(diào)制電流、接收光功率和接收丟失告警等。

　　1.5 電源部分

　　XFP模塊由外部的兩路電源進(jìn)行供電，這兩路電源分別為5和3.3 V。模塊內(nèi)部對(duì)這兩路電源按用途進(jìn)行了細(xì)分。模塊上電時(shí)，按照一定順序給電路中的各個(gè)部分加電，以保護(hù)模塊在熱插拔的時(shí)候不會(huì)受到損傷。

　　2 測(cè)試結(jié)果

　　10 Gbit/s XFP光模塊的主要測(cè)試指標(biāo)包括發(fā)射光眼圖、發(fā)射光功率、消光比和接收靈敏度，具體測(cè)試如下。

　　(1)發(fā)射指標(biāo)的測(cè)試

　　不同溫度下測(cè)試得到的發(fā)射光眼圖如圖2所示，發(fā)射指標(biāo)見表1。

　　測(cè)試結(jié)果顯示，發(fā)射眼圖的質(zhì)量滿足ITU—TG。691標(biāo)準(zhǔn) 中模板的要求，發(fā)射光功率和消光比均滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并且在全溫范圍內(nèi)指標(biāo)變化較小。

　　(2)接收靈敏度的測(cè)試

　　在速率為10 Gbit/s、PRBS31(偽隨機(jī)序列)階碼、誤碼率為1.0E一12的條件下對(duì)兩只模塊在不同溫度下進(jìn)行接收端靈敏度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

　　ITU—T G.691標(biāo)準(zhǔn)要求在誤碼率為1.0E一12的條件下靈敏度< 一25 dBm，由表2可見，測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　(3)DP(色散代價(jià))的測(cè)試

　　在速率為10 Gbit/s、全溫常壓的條件下，對(duì)40 km光模塊不帶纖和帶纖、誤碼率為1.oE一12時(shí)的靈敏度進(jìn)行了測(cè)試，得到DP結(jié)果如表3所示。

　　ITu—T G.691標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于高色散系統(tǒng)，允許的最大通道代價(jià)為2 dB，測(cè)試結(jié)果表明，該參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文從總體上介紹了10 Gbit/s XFP光模塊的設(shè)計(jì)，著重介紹了光模塊關(guān)鍵部分的實(shí)現(xiàn)方式，測(cè)試結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的模塊滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。本設(shè)計(jì)采用CDR、發(fā)射驅(qū)動(dòng)和接收LA集成的主芯片，不僅在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上降低了芯片成本，而且大大降低了布板布局復(fù)雜度，這一設(shè)計(jì)將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，成為10 Gbit/s XFP光模塊的主流設(shè)計(jì)方案。