（光学工程专业论文）25g高性能sfp光收发模块的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光收发合一模块作为光有源器件中的重要组成部分在宽带网络领域中占有十分 重要的地位，它提供了光网络的主要功能，也占据了光通讯系统的主要成本，使其 具备高网络带宽，传输距离长等一系列优点。光模块的先进性、可靠性和经济性也 会直接影响到系统设备乃至整个网络的生命力和市场竞争力。s f p 光收发合一模块是 目前最先进的光模块封装形式之一，它符合s f p m s a 协议，i t ug 9 5 7 标准和 s f f - 8 4 7 2 数字诊断标准协议。其传输速率从1 5 5 m b i t s 到5 g b i 怕、传输距离从3 0 0 米到 1 2 0 k i n 。它不仅具有可带电插拔易于更换、端口密度高、功耗低、设计周期更短和整 体成本降低的的优势，并能实时上报模块工作时的工作电压，工作温度，发射光功 率，发射偏流，接受光功率，使得光网络设备工作更加智能化，提高其可靠性。 本文从2 5 g 长程带d d m 功能的s f p 光收发合一模块的光器件选型开始，详细研 究了模块电路，结构等整套设计方案，并成功研制出样品以及样品的详细测试的整 个设计过程。 本文主要内容分为以下几个部分： 第一部分阐述了s f p 模块的研究背景，国内外的发展及研究状况，并概括了全文 的主要研究内容和关键技术。在第二部分，作者阐述和介绍了模块的原理，基于国际 相关通信标准的设计，总体方案设计和光器件选型。在第三部分，作者介绍了模块 的具体设计，包括了模块的电路方案设计和软件方面数字诊断功能的实现。在第四 部分，给出了样品的制作工艺和在测试系统上的测试结果。最后一部分对全文相关 工作进行了总结。 关键词：s f p 光收发合一模块s f p m s a 协议n ug 9 5 7 标准 s f f - 8 4 7 2 协议数字诊断功能 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a r to fa c t i v eo p t i c a ld e v i c e , o p t i c a lt r a n s c e i v e rh a sa ni m p o r t a n t p o s i t i o ni nb r o a d b a n d n e t w o r ks y s t e m i tn o to n l yp r o v i d et h ek e yf u n c t i o no fo p t i c a ln e t w o r k , b u ta l s oi st h ep r i m ec o s to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s , w h i c hm a k et h e mh a v et h e a d v a n t a g e so fh i g hn e t w o r kb a n d w i d t h , l o n gd i s t a n c et or e a c h , e t c i t sa d v a n c e dp e r f o r m a n c e ， r e l i a b i l i t ya n de c o n o m i cp e r f o r m a n c eh a v ed i r e c ti n f l u e n c eo ns y s t e me q u i p m e n t s e v e nt h e v i t a l i t yo ft h en e t w o r ka n dc o m p e t i t i v ec a p a c i t yo fm a r k e ln o w a d a y ss f p t r a n s c e i v e ri so n e o ft h em o s ta d v a n c e dp a c k a g eo fo p t i c a lm o d u l e s i tc o r r e s p o n d st os f p m s aa g r e e m e n t , u - tr e c o m m e n d a t i o ng 9 5 7a n ds f f - 8 4 7 2s p e c i f i c a t i o nf u rd i a g n o s t i cm o n i t o r i n g i n t e r f a c ef o ro p t i c a lx c v r s i t sb i tm t ec a nw o r kf r o m1 5 5 m b i t st o5 g b i t s , i t st r a n s m i s s i o n d i s t a n c e 锄f r o m3 0 0 mt o1 2 0 k m i tn o tj u s th a st h ea d v a n t a g e so fh o t - p l u g g a b l e h i g hp o r t d e n s i t y ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , s h o r td e s i g nc y c l ea n dl o wc o s t f u r t h e r m o r e , d i a g n o s t i c m o n i t o r i n go fm o d u l e sw o r k i n gv o l t a g e ，w o r k i n gt e m p e r a t u r e ，t xb i a sc u r r e n t t xo p t i c a l p o w e ra n dr xo p t i c a lp o w e ri sa na d df u n c t i o nt os f pt r a n s c e i v e r ，w h i c hm a k et h eo p t i c a l n e t w o r ke q u i p m e n t sm o r ei n t e l l i g e n ta n dm o r er e l i a b l e t h i st h e s i ss t a r tf r o mc h o o s i n go p t i c a ld e v i c e so f2 5 gs f pt r a n s c e i v e rw i t hl o n g d i s t a n c er e a c ha n dd d mf u n c t i o na tf i r s t t h e nt h ea u t h o rg i v e so u tt h ed e s i g no ft r a n s c e i v e r ss t r u c t u r ea n dc i r c u i ts t e pb ys t e p f i n a l l y , t h ea u t h o rc o m p l e t et h et r a n s c e i v e rs a m p l ea n d # v ead e t a i l e dt e s to f i t t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i si sd i v i d e di n t of o l l o w i n gp a r t s ： t h ef i r s ts e c t i o ne l a b o r a t e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h es f pt r a n s c e i v e r , d o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n ds t u d yo fi t ，a n dg e n e r a l i z e dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s a n dk e yt e c h n i q u e so ft h ef u l lt h e s i s a tt h es e c o n dp a r t ，t h ea u t h o re x p o u n da n di n t r o d u c e p r i n c i p l eo fm o d u l e ，d e s i g nb a s eo ni n t e r n a t i o n a lo p t i cc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，m a s t e r p l a no fd e s i g na n do p t i c a ld e v i c e sc h o o s i n g a tt h et h i r dp a r t , t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h e c o n c r e t ed e s i g no ft h es f pt r a n s c e i v e r , i n c l u d i n g t h ee l e c t r i cc i r c u i tp r o j e do fi ta n dt h e s o f t w a r ef o rr e a l i z a t i o no ft h ed i a g n o s t i cm o n i t o r i n gf u n c t i o n a tt h ef o u r t hp a r t ，t h e t h e s i st e l la b o u tt h em a n u f a c t u r ep r o c e s so fs f pt r a n s c e i v e rs a m p l ea n dg i v ead e t a i l e d t e s to fi tw i t had e t a i l e dt e s tr e p o r t t h el a s to n ep a r tc a r r i e so nt h es u m m a r yt ot h er e l a t e d w o r ko ff i t l lt h e s i s k e yw o r d s ：s f pt r a n s c e i v e r s f p - m s a a g r e e m e n t i t u - tr e c o m m e n d a t i o n g 9 5 7 s f f 一8 4 7 2s p e c i f i c a t i o n d i g i t a ld i a g n o s t i cm o n i t o r i n gf u n c t i o n ( d d m ) l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在馨师指鼯下进行的研究正作及取得的 研究成果。签我所知，除文中已经标明引用的内容井，本论文不包禽任何其他个 人或爨体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承掇。 学馥论文终卷签名：喁最 日期：弘牮，月g 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 蜜芳翔蓬家有关部超袋撬稳送交论文戆复印释秘电子敝，允诲论文蔹粪酒窝缮添。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部成部分内容编入有关数据库进行检索， 可戳采用影印、缩印或扫箍等复裁手敬傈存帮汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 举论文满予不保密彩 ( 谚在以上方瞧凑打v ”) 学位论文作者签名；多 秘雾l ：苗年l f 曩g 耀 筛签够嘶 曩翅：力多零移兵箩聂 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1s f p ( s m a l lf o r m - f a c t o rp l u g g a b l e ) 光收发合一模块概述 s f p ( s m a l lf o r m - f a c t o rp l u g g a b l e ) 光收发合一模块( t r a n s c e i v e r ) 作为光收发合一 模块的种，它的发展已有好几年的历史。它是实现光电、电光转换，具有独立发射驱 动和接收放大电路，收发功能合一，符合电信传输标准的光电子系统。 s f p 光收发合一模块将传统的分离发射、接收组件合二为一集成一起【1 l ，不仅具 有其他封装的光收发合一模块的通常优点【1 】： ( 1 ) 小型化：在组件中采用该集成度的集成电路( i c ) 来分别完成发射模块的 a p c 、温度补偿、驱动、慢启动保护等功能以及接收模块的前置放大、限幅放大、 信号告警等功能f 2 l 。s f p 光收发合一模块尺寸不仅比单一光发射模块或光接收模块更 小，而且由于它采用的l c 型封装的同轴光器件，其尺寸比其他封装形式的光收发合 一模块更加小，在系统机盘上的安装也能更加密集一些，在机盘上的安装密度能够 达到3 2 口，6 4 口甚至更高。 ( 2 ) 低成本：光收发合一，不仅较以前分离的光接收和光发射模块节省了原材 料，而且节省了工时。因此光收发合一模块是实现低成本双向传输和光互连最佳方 案。 ( 3 ) 高的可靠性：在组件内采用了i c 并进行了隔离，保证了电路的可靠性。同 时采用t o 管壳的同轴封装，保证光电器件管芯的使用寿命。在制作工艺中，采用激 光焊接工艺，提高了可靠性。在组件考核中，遵从b e l l c o r e 9 8 3 的可靠性试验，保证 模块整体的可靠性1 3 1 。 ( 4 ) 好的性能：光收发合一模块内部的发射和接收部分是完全独立的，且电源 接地均单独使用，减少两者之间的串绕【4 i o s f p 作为光收发合一模块发展到至今较为先进的一种封装形式，更具备自己独特 的优势 ( 1 ) 可带电热插拔：s f p 采用长短金手指的管脚定义，使得模块工作上电不同 功能脚上电的先后顺序有所区别，保证了s f p 模块在s f p 金手指插座带电的情况下可 以热插拔使用，方便了系统机盘的的维护。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 具备数字诊断功能( d d m ) ：能对模块的一些相关工作参数进行实时监控 上报，使得系统厂商能够对其工作状态进行监控【3 】。 综上所述，s f p 封装的光收发合一模块是5 g 以下光收发合一模块发展到至今最 先进和最方便的光模块。它不仅非常适用于数据通讯传输，可以满足计算机网络用 户的需要。而且，在接入网中，s f p 光收发合一模块也是不可缺少的核心部件，随着 其品种的不断完善，光收发合一模块在数据通信和电信传输中均有广阔的应用前景。 1 2 国内外概况研究及发展趋势 2 0 0 0 年9 月，国外a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 、b l a z en e t w o r kp r o d u c t s e 2 0 c o m m u n i c a t i o n s ，i n c 、e x c c l i g h tc o m m u n i c a t i o n s 、f i n i s a rc o r p o r a t i o n 等业内知名光 通信公司经过协议讨论，联合推出了s f p m s a 多源协议，确定了s f p 光收发合一模块 的封装，管脚定义，热插拔等重要特性【卯。为s f p 模块的开发和应用提供了广阔的前 景。 2 0 0 1 年d p 2 0 0 2 年底a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 、f i n i s a rc o r p o r a t i o n 、a d v a 等公司纷 纷推出其研制的s f p 光收发合一模块，工作速率已高达2 5 g 。 2 0 0 2 年8 月1 日，国际s f f 通讯委员会发布了f l j a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 、h n i s a r c o r p o r a t i o n 、e m c 等公司一起讨论的关于实现s f p 数字诊断功能扩展的标准协议 s f f - 8 4 7 2 。这是s f p 模块在功能扩展上的又一里程碑。 2 0 0 3 年6 月5 日，a g i l e n t t e c h n o l o g i e s 德国公司率先推出了具备d d m 功能的s f p 光 收发合模块工作速率达到1 2 5 g 。此后其他国外光通信厂商纷纷推出自己具有d d m 功能的s f p 模块，模块的工作速率也f i ：1 1 5 5 m 逐渐提升至5 g 1 6 。 国内发展状况相应滞后一年多的样子，2 0 0 2 年中旬国内较为知名的光模块制造 厂商如武汉电信器件有限公司，深圳飞通光电有限公司等开始研制s f p 光收发合一模 块。 2 0 0 3 年中旬武汉电信器件有限公司，深圳飞通光电有限公司等国内光模块制造 厂商开始推出s f p 光收发合一模块，速率最高可工作于2 5 g 。 2 0 0 5 年国内光模块制造厂商开始陆续推出具备d d m 功能的s f p 模块。2 0 0 5 年6 月，飞通光电公司的s f t 光收发合一模块项目被列入国家开发计划，国内厂商的s f p 模块开发得到国家的支持m 。 2 0 0 5 年至2 0 0 6 年，s f p 光模块开始真正在国内光通信市场火爆起束，s f p 模块种 2 华中科技大学硕士学位论文 类从传输距离，工作速率上开始逐渐多样化起来。工作速率开始向5 g 发展，采用高 灵敏度的a p d 接收的长程s f p 光模块也开始开发并逐渐成熟。支持粗波分光通信系统 的c w d ms f p 也出现了。 今后，s f p 光模块的发展将继续向着多样化，高集成度，阵列化方向发展。高于 5 g 的s f p 光收发合一模块、应用于d w d m 密集波分复用的d w d ms f p 、4 路高密度可 插拔光模块q s f p 的开发都是今后s f p 模块研究的方向。s f p 光模块正以其独特的优势 在光通信发展的大路上快速向前。 本论文所研究的高性能s f p 光收发合一模块集成了目前国内外光收发模块的先 进技术，不仅采取了高集成度的s f p 模块封装形式并具有高灵敏度和长传输距离的特 点，而且具备数字诊断功能这一先进的模块功能。整个模块的光电参数指标都满足 和优于光通信标准，在国内处于领先水平1 8 】。 1 3 论文研究的内容与意义，关键技术描述 本文以研制的小封装s f p ( s m a l lf o r m f a c t o rp l u g g a b l e ) 主流光模块，对光收发 模块的结构原理，关键技术，l d f p d 组件和设计原理，测试系统和方法加以分析和 研究 本论文研究内容的关键技术： ( 1 ) 总体方案设计：为实现光电器件、印刷电路板( p c b ) 、d u p l e xl c 光接 口的混合集成。考虑光器件的长度和模块的限制尺寸，模块的布板面积非常小。为 此，应尽量采用短的光器件以给p c b 电路扳留出尽可能大的面积、在p c b 设计时可采 用封装好的i c 块进行自动化表面组装技术( s m t ) 工艺。 ( 2 ) 发射部分：模块需要长程传输，并且调制速率达n 2 5 g 。因此需要选型 1 5 5 0 n m 低传输损耗的无制冷d f b 激光器吼为满足模块对光功率、可靠性、光反射、 光路长度的要求，需解决相应l c 同轴激光器的耦合问题。为此，应尽量采用全金属 化耦合封装工艺、避免采用分离的自聚焦透镜、优化光路设计、增加光隔离器并采 用光纤适配器的原理以提高激光器插拔重复性，并减小光反射1 1 0 1 。 ( 3 ) 接收部分：为满足接收灵敏度、抗干扰和稳定性的要求，应采用集成前放 技术的a p d 器件以减小寄生参量的影响并提高抗外界干扰的性能l 】。采用屏蔽技术 提高整个模块接收部分的抗干扰性能。 ( 4 ) 电路功能实现：应采用专用i c 来实现发射部分的a p c 、温度补偿，接收部 分的2 r 功能和a p d 器件的高偏压电路1 1 2 l 和模块数字诊断功能的实现。 3 华中科技大学硕士学位论文 22 5 g 高性能s f p 光模块开发的总体方案 2 1 模块工作原理 产品为s f p 带有a p d 接收的长程光收发合一模块，工作速率2 5 0 0 m b p s ，传输 距离8 0 k i n ，电接口可以热插拔无需断电，光接口为双l c 插拔型，具备d d m 数字诊 断功能。 模块基本原理框图如图2 - 1 所示，模块分为发射与接收两个部分。发射部分由一 个带a p c 控制电路的l c 驱动的集成电路和d f b - l d 组件组成。该集成电路接收 l v p e c l 逻辑电平信号，并为l d 提供偏置和调制电流，a p c 环路根据l d 发射光功 率的大小产生背光电流大小，实现对发射光功率的自动控制工能。该集成电路带发 射关断功能；接收部分包括a p dt i a 组件和限幅放大芯片。限幅放大器输出c m l 逻辑电平信号，并具有信号告警l o s 功能【1 3 】。 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ ：unam-一一i-：到rt-m*一e i f i o t o d t o d l “”“f 匦固 = i l d 础d r i v i n k g c i r c u l j ，_ d i o d 到1 i 删 i 图2 1 模块基本原理框图 2 5 g 的电调制信号，通过t d 差分数据输入脚输入到光模块发射部分，通过模块 内部的l a s e rd r i v e r 产生调制光信号数据，通过光纤传输。光信号到接收数据端，通 过光模块的接收部分将光信号转换为调制电信号并进行整形放大，通过模块的r x 差 华中科技大学硕士学位论文 分数据脚进行输出。从而实现数据通过光纤的长程传输【1 4 1 。 模块m o d d e f 管脚提供标准的1 2 c 总线接口，使模块与外接系统进行通讯，实 现d d m 数字诊断功能。 2 2 基于相关光通讯行业标准的s f p 模块设计 在光纤通讯领域为了保证产品最大的易用性和兼容性，一些相关光通讯行业的 标准和协议应运而生，我们此方案设计的s f p 主要涉及到ug 9 5 7 ，s f p m s a ， s f f - 8 4 7 2 三个标准。 2 2 1 基于n ug 9 5 7 标准的设计 1 t ug 9 5 7 此标准主要规定我们设计此s f p 光模块所需要满足的光电参数 性能，已满足我 f 1 8 0 k m 的长程传输。它主要给出以下几点关于s ip 光模块的主要要 求i 蚓： ( 1 ) 一些光电测试参数的定义 ( 2 ) 这些光电参数的测试条件和测试方法 ( 3 ) 给出应用于s d h s o n e t 光通讯系统各个速率光收发合一模块应该满足的 光电参数指标。本课题主要针对的是s d hs t m 1 6 和s o n e to c 4 88 0 k ml 1 6 2 的长 程s f p 模块，因此我们需要设计的光模块的光电参数指标需要符合标准定义或者更 好，我们设计s f p 模块的目标光电参数如下【3 2 1 ； 表2 - 1 模块极限工作条件 参数s y m b o l m i nm a iu n i t 存储温度 t s 4 0 8 5 相对湿度 r h 5 9 5 r h 工作电压 v o c t r - 0 5 3 6 v 任一管脚的输入电压v m - 0 4v e e v 表2 - 2 模块推荐工作条件 参数s y m b o l m i n t y p m a xu n i t r 作环境温度t o p 1 07 0 电源电乐 v c c t ，r 3 1 3 5 3 3 3 4 6 5 v i 作相对湿度 r h o p 8 8 0r h 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 3 模块工作电参数o 仁t o p , v c e = 3 3 v 5 ) 参数 s y m b o l m i n t y p m a xu n i t 工作电流 l c c3 0 0 m a 数据输入( 差分) ( i v + - ) v l伽 1 6 0 0 m v 一 数据输出( 差分) f a t ) + - ) v o 4 0 02 0 0 0 m v o h 2 0v c c 发射故障告( t x _ f a u l t ) v v o l 0 0 8 v o u 2 o v c e 信号丢失告警( l o s ) v v o l 0 0 8 v m 2 0v c e 发射关断( t x - d i s a b l e ) v 昭 00 8 v m 2 o v c c m o d - d e f i ，2 v v m 0o 8 表2 - 4 模块工作光参数( t c f f it o p , v c c = 3 3 v 5 ) 参数s y m b o l m i n i 、y p i c a l m a xu n i t 中心波长k 1 5 0 01 5 5 01 5 8 0m 谱宽( - - 2 0 r i b ) x1m 出纤光功率 p o - 3+ 2d b m 上升厂f 降时间t r h e r k 1 5 0 p s 消光比 e x t 8 2 d b 边模抑制比 s m s r3 0 d b 色散代价 2d b 发射抖动( r m s ) 0 0 1u l 发射抖动( p k p k ) 0 1u i 发射关断输出光功率p d - 3 5d b m 接收灵敏度s r 2 8d b m 过载 9d b m 回损 2 7d b r x _ l o sa s s e r tl e v e lp a 4 5d b i l l r x _ l o sd e - a s s e r tl e v e l p v - 2 9 d b m r x _ l d sh y s t e r e s i sp d p a 3d b 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 基于s f p m s a 多源协议的设计 s f p m s a 多源协议主要规定了我们设计的s f i 需要满足的机械尺寸、封装、模 块金手指插排的定义以及模块外围应用电路，使其在光通信设备上具备广泛的兼容 性n 6 1 。根据协议的要求，我们设计了符合协议要求的s 1 1 p 模块外壳，其机械结构见2 - 2 图所示： 图2 - 2 模块外壳机械尺寸 模块接口设计采用双面金手指插排的接口方式，一共二十根，其定义如下： 舢n 枷 曲- 蚺l _ 打8 _ 图2 3 模块金手指接口定义 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 5 模块金手指插排定义列表 管脚序号 管脚名称功能描述上电顺序 1v b c t s f p 模块发射地 1 2 t xf a u l t s f p 模块发射失效指示 3 3 t xd i s a b l e s f p 模块发射关断 3 4 m o d d e f 2 模块定义2 - - 1 2 c 数据1 ：2 1 3 5 m o d d e f l 模块定义1 一1 2 c 时钟口 3 6m o d d e f 0 模块定义0 一接地 3 7 r a t es e l e c t s f p 模块工作速率选择脚( 可选) 3 8 l o s s f p 模块接收无光告警指示 3 9 v e e r s f p 模块接收地 1 1 0 v e x r s f p 模块接收地 1 1 1 v e e r s f p 模块接收地 1 1 2 r d s f p 模块接收部分差分数据输出负端 3 1 3 r d + s f p 模块接收部分差分数据输出正端 3 1 4 v e e r s f p 模块接收地 1 1 5 v c c r s f p 模块接收供电+ 3 3 v 5 2 1 6 v c c t s f p 模块发射供电十3 3v 5 2 1 7 v h t s f p 模块发射地 1 1 8 t d + s f p 模块发射部分差分数据输入正端 3 1 9 t d s f p 模块发射部分差分数据输入负端 3 2 0 v e e t s f p 模块发射地 1 模块外围典型应用电路，定义如下，见图2 4 ： 图2 4 模块典犁外围麻用电路 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 基于s f f - 8 4 7 2 标准的设计 s f f 8 4 7 2 标准主要定义了s f p 模块数字诊断功能的实现原理和模块内部软件存 储空间的标准定义，使得系统厂商能够通过模块的m o d d e f ( 0 )m o d - d e f ( 2 ) 三个软件控制脚对模块的工作参数进行实时监控l r 丌。 它对带d d m 功能的s f p 光模块内部的e e p r o m 结构作出了如下结构定义： 2w i r ea d d r e s s1 0 1 0 0 0 0 x ( a 0 ) 2w i r ea d d r e s s1 0 1 0 0 0 i x ( a 2 ) o 5 5 a l a r ma n dw a r n i n g t h r e s h o l d sf 5 6b y t e l ( 4 0 b y t e s ) ：障蕊瓣丽 1 1 9 i ! ! ! ! ! 坚! ! 坐堕! 堕 l v e n d o rs p e c i f i c ( s b y t e s ) 1 2 7 。一 u e e rw r t t a b l e e e p r o m ( 1 2 0 b y t e s ) 图2 - 5 带d d m 功能s f p 光模块内部e e p r o m 标准结构 根据此标准的定义，此s f p 模块设计能对其工作电压( 上报精度3 ) 、工作温 度( 上报精度3 ) 、发射光功率( 上报精度3 d b ) 、发射偏流( 上报精度1 0 ) 、 接收光功率( 上报精度+ 3 d b ) 进行实时上报，从而实现s f p 的数字诊断功能。 2 3 总体设计方案 模块总体设计框架如图2 6 所示： 图2 - 6 模块总体设计框架 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 1 模块总体结构设计 模块外形结构已由图2 3 给出，模块金手指定义已由图2 - 4 给出，我们设计的模 块电路板和器件定位要求符合模块金属管壳的尺寸和内部定位结构。 2 3 2 模块电路总体设计 ( 1 ) 模块发射驱动电路 用于数字传输的光收发合一模块的驱动电路主要是为激光器提供一个高速电流 开关电路，为激光器提供偏流和调制电流，并结合激光器的背光二极管的反馈功能 对激光器提供自动光功率控制功能( a p c ) 、温度补偿功能、保护启动功能等等【1 8 】。 激光器接口直流耦合电路如图2 7 所示： 图2 - 7l d 直流耦合接1 ：3 电路原理图 如图所示，驱动i c 通过b i a s 脚提供激光需要的偏置电流，使激光器产生激射。 双端差分调制电流输出脚o u t + ，o u t - 提供激光器所需要的调制电流产生调制光信 号。r c 是作为补偿网络，调节调制光信号的质量【1 9 1 。 激光器自动光功率控制电路( a p c ) 功能如图2 8 所示： 图2 - 8 a p c 控制功能电路 1 0 华中科技大学硕士学位论文 如图所示，驱动器主要通过检测背光二极管( p d ) 产生的背光光电流i h m ( 平 均值) 来实现闭环控制。它通过调节驱动器提供的偏置电流来维持激光器前向出光 的稳定。 ( 2 ) 模块接收电路 模块接收电路主要组成如图2 - 9 所示： o p d c a ls i g n a l 图2 - 9 接收电路主要组成 t i a 由于易受外界噪声影响，且应用电路比较简单，因此一般和a p d 管芯一起 封装在同轴器件的t o 座之内通过键合金丝连接电科捌。 t i a 的主要作用就是将a p d 上产生的光生电流转换为差分电压型号进行输出。 由于运算放大器构成的i v 变换电路中有一个反馈电阻【2 1 j ，所以t i a 被称为跨阻放 大器( t l a - t r a n i m p e d a n c e a m p l i f i e r ) 。 t i a 输出的是模拟信号，需要将其转换成数字信号才能被信号处理电路识别。 限幅放大器起的作用就是把t i a 输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字信号。 限幅放大器主要有三部分组成：直流耦合多级放大器、直流漂移补偿( 自动调 零) 电路、光功率检测告警电路( 有滞回的比较器) 。它将t i a 输出的模拟信号进行 放大整型变为数字信号输出。 ( 3 ) a p d 偏压电路 雪崩光电二极管a p d 在具有高灵敏度和高带宽的同时，其工作需要较高的反 向偏压。 其偏压电路设计采用小型化，高集成度的d c d c 转换升压器再经过二极管进 行倍压来实现。 囱 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 数字诊断功能电路 数字诊断功能电路设计主要是对模块的工作电压、工作温度、发射光功率、发 射偏流、接收光功率进行取样，经过a i d 转换后通过1 2 c 总线进行上报，我们采用 满足s f f 8 4 7 2 协议的功能芯片来实现。 2 4 光器件选型 2 4 1 发射光器件选型 由于模块工作速率达到2 5 g ，传输达到8 0 k m 而且封装很小。因此我们选用带隔 离器的l c 型1 5 5 0 n md f b 同轴激光器作为本设计方案的发射器件。 ( 1 ) d f b 器件特性【捌： d f b 激光器属于一种单纵模( s u ，s i n g l el o n g i t u d i n a lm o d e ) 半导体激光器。 s l m 半导体激光器与法布里一珀罗激光器相比，它的谐振腔损耗不再与模式无关， 而是设计成对不同的纵模具有不同的损耗。图2 1 0 表示这种激光器的增益和损耗曲 线。 增益g ( ) ( d b ) 损耗 纵模一一一7k k 发射模 增益 jx 、 ：。 频率( h z ) 图2 - 1 0d f b 激光器增益和损耗曲线 由图可见，增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的( 1 ) b 模开始起振，并 且变成主导模。其它相邻模由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐 射中建立起振荡。这些边模携带的功率通常占总发射功率的很小比例( 3 0 d b 。然而，当d f b 激光器被直接调制时， 大的增益极限( 1 0 c m - 1 ) 是需要的。常使用移相d f b 激光器，因为它比常规的d f b 激光器能提供更大的增益容限。移相d f b 激光器足使激光器中的激活区中心光栅移 华中科技大学硕士学位论文 动h 脾。以便严生州2 阴利爱。 通过l d 速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率0 1 及其幅度衰减时间t o 和电 光延迟时间t d 的表达式为： i 【亭一1 ) 】v 2 ( 2 - 3 ) t 曲) m 2 等 协4 ， 一i n _ -( 2 5 ) 1 j j 也 式中，t o 是张弛振荡幅度衰减到初始值的1 c 的时间，j 和j 血分别为注入电流密 度和阈值电流密度。t s p 和t p h 分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命【州。 驱动的d f b 激光器工作特性如图2 - 1 2 所示： p l p m 如 图2 - 1 2d f b 激光器工作特性 如图所示随着工作温度的升高，d f b 的闽值电流n h 增大，斜效率s 降低。模块 驱动电路需要为了保持输出平均光功率和消光比不变，在温度上升时要增大偏流 i b i a s 和调制电流i m o d 。 另外为了反馈d f b 激光器的前向出光功率，同轴器件罩面还会相应封装一个背 1 4 一；宝引禹 瓠 华中科技大学硕士学位论文 光二极管p d 在里面。 ( 2 ) 实际激光器选型 发射激光器选用的是住友的s l t 2 4 8 6 l n1 5 5 0 n m 带隔离器l c 型同轴d f b 激光 器。其光路和机械结构如图2 - 1 3 所示。 图2 - 1 3 实际激光器光路和机械结构图 激光器的l d 和p d 采用共阳连接方式，其内部连接和管脚定义如图2 1 4 所示： 1e c a s o ) l d 2 4 了 图2 - 1 4 共阳激光器管脚定义( b o t t o mv i e w ) 2 4 2 接收光器件选型 模块接收采用2 5 g a p d 旧认l c 型封装同轴器件作为接收光器件。 ( 1 ) a p d 器件特性 雪崩光电二极管( a p d ) 是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，从而 产生光电流的倍增作用。所谓雪崩倍增效应是指p n 结外加高反向偏压后，在耗尽区 内形成一个强电场【矧。当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子被强电场加速， 以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成链锁反应， 从而使光电流在光电二极管内部获得倍增【1 l 】。图2 1 5 是拉通型a p d 的结构和电场 分布图，从图中可以看出，它是由n + 区、p 区、i 区和p + 区四层结构组成。其中n + 层是高掺杂的n 型半导体；p 层是p 型半导体；i 层是掺杂极轻的p 型半导体层，由 华中科技大学硕士学位论文 于掺杂极轻，近似于本征半导体，所以称i 层；p + 层是高掺杂的p 型半导体层。 未加电压时，n + 与p 之间形成p n 结己由于p 层掺杂较轻，图2 1 5 雪崩光电管 结构和电场分布所以耗尽区较宽。j j u d , 的反偏压时，电压基本上降在p n 结上，且在 反偏压作用下，耗尽区将增宽。反偏压继续增大时，耗尽区继续加宽，一直延伸到i 层，扩展到p + 层。由于p + 层掺杂很重，其所占耗尽区很窄。在高反偏压作用下，n + 区积累正电荷，其电荷密度较大；p 层整个区域带负电荷，其密度较小；在i 层， 电荷密度更小，几乎可忽略不计；p + 区负电荷密度很大，但电荷层很薄。这样的空 间电荷分布形成了内建电场，如图2 1 5 所示。 图2 - 1 5 雪崩光电管的结构和电场分布图 从图2 1 5 可见，最强的电场在p n 结区内，其电场强度大得足以使到达这里的 载流子引起碰撞电离，这就是雪崩区。i 层的电场较弱，它是光的收集吸收区。当光 从p + 层一端入射时，光电材料吸收光子能量，产生一次光生电子一空穴对，并在弱 电场作用下向p n 结方向运动。当它穿过i 层到达p n 结时，在强电场作用下被加速 而获得很高的动能。被加速的光生载流子在漂移途中与晶格中的原子碰撞，使其电 离而产生新的电子一空穴对，这种通过碰撞电离产生的电子一空穴对称为二次电子 一空穴对。新生的载流子与原来载流子一起，再被强电场加速而获得很高的动能， 在漂移途中可能再次碰撞晶格上的原予，又使原子电离而产生新的载流子，如 此下去，使耗尽区的载流子急剧地增加，这就如雪崩过程中的雪球越滚越大一样。 载流子由于雪崩而猛烈地倍增，使电流迅速增加，这就是雪崩倍增效应。雪崩光电 管由于内部存在雪崩倍增效应，所以能使输出电流大大地增加。但雪崩光电二极管 在完成光电变换的过程中，也将引入由于雪崩倍增的随机性而产生的噪声，这种噪 声称为倍增噪声。 此外，a p d 管的击穿电压v b 对温度十分敏感。当温度变化时，由于v b 的变化 将引起倍增因子g 的变化，使得a p d 管工作不稳定。因此，为了保证a p d 管稳定 华中科技大学硕士学位论文 工作，必须采用温度补偿措施。虽然a p d 管在使用时比p i n 光电二极管复杂，需要 很高的反向偏压，但由于a p d 管倍增作用显著，使得采用a p d 管光接收机的灵敏 度比采用p i n 管光接收机的要高，因此在光纤长程传输中使用较多。 a p d t i a 内部主要结构如图2 1 6 所示： a 雕 p d 需要的高压偏压 图2 - 1 6 a p d t i a 内部主要结构 差分电信号输出 ( 2 ) 实际a p d 光器件选型 接收光器件选用公司p t c m 9 6 7 - 4 2 52 5 ga p d t i al c 型同轴器件，其击穿电压 在5 5 v 6 0 v 2 ：间。其光路和机械结构如图2 1 7 所示： 图2 - 1 7 公司a p d 光路和机械结构 器件管脚定义如图2 1 8 所示： 1 7 华中科技大学硕士学位论文 b o t t o mv i e w 图2 - 1 8a p d 管脚定义 如图所示，v p d 为a p d 管芯的方向偏压脚，v c c 为t o 里t i a 的工作供电脚，o u t p 和o u t n 为1 1 a 输出的差分信号脚，g n d 为工作地脚。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 5 g 高性能s f p 光模块设计 3 1 电路原理设计和计算 3 1 1 模块发射部分原理设计 模块发射部分的驱动i c 选用m a x 3 7 3 5 a 驱动芯片【2 6 l m a x 3 7 3 5 a 是一款成熟的+ 3 3 v 激光驱动器，用于1 5 5 m b p s 至2 7 g b p s i 拘i s f p s f f 系统。