（通信与信息系统专业论文）iog小型化可热插拔光收发模块的设计.pdf

摘要 随着宽带接入的不断普及，需要开发出更多用于局域网、广域嘲、存储网 ；网络的高速率、低价格的光通信网络。在这样的背景下，1 0 g 数据链路接口， 口万兆以太网，s o n e to c 1 9 2 s d hs t m 6 4 和光纤信道等都已经实现了标准 e 。同时多源协议( m s a ) 催生了1 0 g b p s 光收发器的丌发，包括3 0 0 一p i nm s a r a n s p o n d e r 、x e n p a k 、x p a k 、x 2 和x f p 0 0 - g i g a b i ts m a l l f o r m f a c t o r l u g g a b l et r a n s c e i v e r ) 。当口x f p 被认为是最有开发前景的1 0 g 模块技术，由于 应用与协议无关，因此应用领域广泛。x f p 价格低，它的小型化，可热插拔 优点使实现高端口密度的应用成为可能，所以倍受青睐。 本文中，笔者在重点介绍x f p 光收发模块的结构、原理及各部分的功能之 ；，通过对直调制和外调制两种不同的设计方案进行分析比较，最终选用外调 ；| j 设计方案。在1 0 gx f p 模块关键电路部分，笔者首先分析了高速i c 之间的互 按几，其中包括p e c l 、l v d s 和c m l 等逻辑电平：接着在激光器接口电路部 比较了不同的驱动方式和耦合方式，最后根据所选择的芯片特性，在设计中 量用了单端交流耦合方式驱动。在介绍自动功率控制( a p c ) 和消光比控制电路 三后，笔者详细分析了用于提供偏置电流，压的b i a s t 原理及其仿真设计。 笔者将信号完整性分析贯穿于p c b 设计的全过程。从p c b 基材的选择、叠 昙规划到阻抗设计，尽量克服影响信号质量的因素。仿真分析在设计中发挥了 差要的指导性作用它优化了激光器接n 电路的布线，确定了去耦电容的位 呈分币j 和丈小选择。 最后的测试结果表明，引入信号完整性分析的外调制x f p 光收发模块各项 牛能均达到要求，且其光功率、消光比及传输特性等参数均优于国外同类产品。 重也预示着仿真设计在高速电路设计中将会发挥越来越大的作用。 是键训：x f p ，m s a ，b i a s t ，阻抗，s 参数，信号完整性 a b s t r a c t t h es p r e a do fb r o a d b a n da c c e s ss e r v i c e sr e q u i r e st h ed e v e l o p m e n to f h i 曲一s p e e dl o w c o s to p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sf o rl o c a la r e an e t w o r k s ( l a n s ) ， w i d ea r e an e t w o r k s ( w a n s ) ，a n ds t o r a g ea r e an e t w o r k s ( s a n s ) i ns u c hb a c k g r o u n d ， 1 0 g b p sd a t al i n ki n t e r f a c e s ，s u c ha st h e1 0 - g i g a b i te t h e r n e t ，s o n e to c 一1 9 2 s d h s t m 一6 4 ，a n df i b e rc h a n n e l ，h a v er e c e n t l yb e e ns t a n d a r d i z e d t h em u l t i s o u r c e a g r e e m e n t s ( m s a s ) h a v el e dt ot h ed e v e l o p m e n to fo n e t r a n s c e i v e ra f t e ra n o t h e r ， i n c l u d i n gt h e3 0 0 一p i nm s at r a n s p o n d e r ，x e n p a k , x p a k , x 2 ，a n dx f p ，a t p r e s e n t ，x f pi sc o n s i d e r e da st h em o s tp r o s p e c tt e c h n o l o g yi nt h e1 0 g m o d u l e s x f pi sl o w 、c o s ta n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l do fx f pi sw i d e l yf o ri t si n d e p e n d e n c ew i t h t h ep r o t o c 0 1 i tm a k e st h eh i g l l p o r td e n s i t ya p p l i c a t i o nc o m et r u ew i t h t h e c h a r a c t e r i s t i co fs m a l lf o r mf a c t o rp l u g g a b l e a f t e ri n t r o d u c i n gt h es t r u c t u r e 、p r i n c i p l ea n dt h ef u n c t i o n so fe a c hp a r to fx f p i nt h ep a p e r , t h ea u ；h o l c h o s ee ms c h e m eb yc o m p a r i n gt h ew a y so fm o d u l a t i o n i n t h ep a r to fk e yc i r c u i t ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h eh i g h s p e e di n t e r f a c e ，i n c l u d i n g p e c l 、l v d sa n dc m l ，a n dt h e nm a n n e r so fd r i v i n ga n dc o u p l i n ga r ec o m p a r e d i nt h ep a r to fl a s e ri n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fc h i p sc h o s e n ，t h ea u t h o r a d o p t e dt h em e t h o do fs i n g l e - e n d e dt od r i v ea l a s e rd i o d ew i t ha na c c o u p l i n g c a p a c i t o r t h ea p ca n de x t i n c t i o nr a t i oc o n t r o lc i r c u i ta r ea l s oi n t r o d u c e dl a t e r a t l a s t ，t h ea u t h o ra n a l y s e dt h ep r i n c i p l eo fb i a s - tu s e df o rs u p p l y i n gb i a sc u r r e n to r v o l t a g ea n dt h es i m u l a t i o nd e s i g n t h ea n a l y s i so fs i g n a li n t e g r i t yr u n st h r o u g ht ot h ee n t i r ep r o c e s so fp c b d e s i g n t h ea u t h o rt r i e dh i sb e s tt or e s t r a i nt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fs i g n a li nt h e p r o c e s so ft h ec h o s eo fs u b s t r a t e 、s t a c k - u pa n di m p e d a n c ed e s i g n s i m u l a t i o np l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g n ，w h i c ho p t i m i z e st h ec i r c u i td e s i g no fl a s e ri n t e r f a c e a n dc o n f i r m st h el o c a t i o na n dv a l u eo fd e c o u p l ec a p a c i t o r s a f t e rt h ed e s i g no fx f pc o m p l e t e d ，t h er e s u l t so ft e s ti n d i c a t et h a tt h e p e r f o r m a n c eo fx f p a c h i e v e sa l lr e q u e s t s a n ds o m ep a r a m e t e r ss u c ha se x t i n c t i o n r a t i o 、o p t i c a lp o w e r ，e x c e e dt h a to fo v e r s e a ss a m ep r o d u c t s t h e s ea l s op r o m i s e t h a t s i m u l a t i o nd e s i g nw i l lp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nh i g h - s p e e dd e s i g n k e yw o r d s ：x f p ，m s a ，b i a s t ，i m p e n d e n c e ，sp a r a m e t e r ，s i g n a li n t e g r i t y 武汉理1 ：大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 光通信网络的发展趋势 当前，随着人们对宽带高速数据及多媒体通信需求的不断增长，作为整个 电信网络基石的光网络，其传输速率在不断向前边进，单波通信速率已经达到 1 0 g 。同时由于密集波分复用( d w d m ) 技术迅速走向商用以及自动交换光网络 ( a s o n ) 技术的引入，光通信网络的应用更加普遍，其发展前景将更加广阔“。 1 1 2 光收发模块的发展方向 一直以来，光器件方面和光纤通信网络的技术发展是相辅相成的。现在光 通信已经成为现代信息网络的主要传输手段，且随着城域网和住宅小区的接入 网市场的迅速增长，人们对光纤通信网络的核心器件光收发一体模块的需 求也迅速增长。为了满足系统不断增长的需求，光模块不断走向复杂性和多样 性。 当前的光收发模块技术正不断向智能化、高密度、高速度互连发展。智能 的s f p ( s m a l lf o r mp l u g , g a b l e ) 模块、1 0 g 光模块及并行光纤模块将成为新一代 光收发模块中的亮点“。s f p 模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺制作， 尺寸只有普通的双工s c ( 1 x 9 ) 型光纤收发模块的一半，可增加线路端口密度、 降低每端口的系统成本。除此之外还支持热插拔功能，无需切断电源，模块即 可以与设备连接或断开，网管人员不用关闭系统就可升级和拓展系统，对在线 用户不会造成什么影响。智能的s f p 模块，即具有数字诊断功能的s f p 模块可 以实时检测模块的温度、供电电压、偏置电流及发射和接收的光功率。通过这 些参量的测量，管理单元能迅速找出光纤链路中发生错误的具体位置，以简化 维护工作，提高系统的可靠性。在今后的几年内智能s f p 模块将成为市场的主 要需求。 当更多的千兆以太网端口应用到网络中时，对1 0 g 以太网会聚功能的需求 将会凸显。除了以太网交换机市场外，目前存储局域网、r a i d 系统、磁盘阵 列、主机总线适配器、高端服务器和网关、城域网中的路由器也都， ：始广泛采 武汉理= 大学硕十学位论文 用1 2 5 g b p s 光信道，下一代将是4 g b p s 和1 0 g b p s 光通道。虽然有人对1 0 g 产品能成为未来市场的主流持怀疑态度，但1 0 g 产品以它强劲的市场需求向人 们展示了它的实力。虽然目前市场上1 0 g 光模块还比较昂贵，但可预见未来几 年内1 0 g 光模块成本可以降低到几百美元，这将对1 0 g b p s 系统的发展起到推 动性作用。 1 0 g 光收发模块主要有t r a n s p o n d e r 、x e n p a k 、x 2 、x p a k 和x f p 等五种“3 。 1 ) t r a n s p o n d e r t r a n s p o n d e r 是1 0 g 光模块中的第一代产品，它遵循的是3 0 0 - p i n 多元协议 ( m u l t i s o u r c ea g r e e m e n t ，m s a ) ，最初面向s d h 网络而设计，尺寸大并且价 格t e 较昂贵。 2 1x e n p a k 光模块 x e n p a k 是最早面向1 0 g 以太网的光模块，其功能框图如图1 1 所示，分别 对应i e e e8 0 2 3 a e 标准中的l o g 媒体无关接口扩展子层( x g x s ) 、p c s 、物理 媒体附加子层( p m a ) 和物理媒体相关子层( p m d ) 的功能。 8 b ，1 0 b6 4 b 6 6 e , m u x d e m u x o e 0 e 一光电转换 w i s z 广域网接口子层 p m d ：物理介质相关子层 x g x s ：1 0 g 媒体无关接口拓展子层 i j x d e m u x = - 复用懈复用器 p m 乜物理介质接八子层 p c s 。物理编码子层 x a u i ；1o g 附加单元接口 图i - l x e n p a k 功能框嘲 x e n p a k 光模块通过7 0 p i n 的s f p 连接器与电路扳连接，其数据通道是x a u 接口；x e n p a k 支持所有i e e e8 0 2 3 a e 定义的光接口，在线路端可以提供1 0 _ 3 g b p s 、9 9 5g b p s 或4 x 3 1 2 5g b p s 的速率。 x e n p a k 光模块封装在一个4 8 x 1 4 x 0 7 立方英寸的空间内，内置1 3 1 0 n m 的 武汉理1 人学预l 学位论文 半导体分布反馈( d f b ) 激光器，采用直接调制方式，无内嵌温度控制装置。 x e n p a k 在g 6 5 2 的单模光纤上传输距离可以达到1 0k m ，适合于城域范围的应 用，是目前1 0 g 以太网端口的主流产品。除光电部分外，复用解复用模块 ( m u x d e m u x ) 是x e n p a k 内部的另一个重要的功能部件，x e n p a k5 0 以上的 功耗是由复用) 辉复用模块消耗的，因此x e n p a k 光模块体积较大，功耗也较大。 x e n p a k 光模块的应用比较简单，只用一个光模块即可实现1 0 g 以太网光 接u 的功能。其电路设计的难点在于高速数据接口x a u l 的设计，x a u i 接口 包括8 对速率为3 1 2 5 g b s ，串行，内含时钟的差分线。x a u i 接口的性能直接 影响到系统的转发性能。 3 ) x p a k 和x 2 光模块 x p a k 和x 2 光模块都是从x e n p a k 标准演进而来的，其内部功能模块与 x e n p a k 基本相同，在电路板上的应用也相同，都是使用一个模块即可实现1 0 g 以太网光接口的功能。由于x e n p a k 光模块安装到电路板上时需要在电路板上 歼槽，实现较复杂，无法实现高密度应用。而x p a k 和x 2 光模块经过改进后体 积只有x e n p a k 的一半左右，可以直接放到电路板上，因此适用于高密度的机 架系统和p c i 网卡应用。 x p a k 和x 2 光模块可以提供两种电路接口：x a u i 和串行成帧器接口 ( s f i 一4 ) ，即可以用于1 0 g 以太网，也可用于o c 1 9 2s d h 和1 0 g f c 。可以说 x p a k 和x 2 是非常相近的标准，x 2 相比x p a k 的改动主要反映在导轨系统上， 业界人士普遍认为两种规格会最终融合到一起。 4 ) x f p 光模块 与x e n p a k 阵营分庭抗礼的领衔厂商是美国f i n i s a r 公司，它联合了大约1 0 个公司，包括系统集成商b r o c a d e 、e m u l e x 、o n c i e n a ，光模块提供商f i n i s a r 、 j d s u 、s u m i t o m oe l e c t r i c 、t y c oe l e c t r o n i c s 和芯片制造商b m a d c o m 、m a x i m 、 v e l i o 等，在2 0 0 2 年3 月成立了x f p 多源协议组织( m s a ) 。与其他几种光模块 相比，x f p 是外形最紧凑成本是最低廉的光模块，因此具有很大的优势。x f p 己被认为是继x p a k 或x 2 后的新一代产品，目前已经有很多厂商都发布了自己 的x f p 光模块产品。 x f p 的功能框图如图1 2 所示，与其他几种光模块相比，x f p 是光收发器 ( t r a n s c e i v e r ) ，不是光收发模块( t r a n s p o n d e r ) 。光收发器实际上只是一个光电 武汉理一人学硕士学位论文 转换器件，只负责完成光电信号的转换，其他功能如复用解复用、6 4 b 6 6 b 编 解码等由电路板上的芯片实现。x f p 光模块可轻松实现高端口密度的应用，由 f - x f p 占用印刷电路板( p c b ) 的面积只有x e n p a k 的2 0 ，功耗只有1 5 2 w ， 因此可用于实现最多1 6 端口的线卡。 x f p 与电路板的接口采用1 0 g 串行电路接口( x f i ) 。现在已经有厂家提供 x s b i t o x f i 和x a u i t o x f i 的芯片，x g m i i t o x f i 的芯片也有厂家在开发中。 与x e n p a k 相比，x f p 虽然要和物理层( p h y ) 芯片配合使用，但仍然节省了中 间的x g x s 和x a u i 接口部分。使得费用降低。 主机扳 x f p l 1 ： e 0 变换 ，； x f i 按e l 光接口 图1 2x f p 功能框图 x f p 与电路板的接口采用t 0 g 串行电路接口( ) ( 】疆) 。现在已经有厂家提供 x s b i ，t o x f l 和x a u i t o x f i 的芯片，x g m l i ，t o x f l 的芯片也有厂家在开发中。 与x e n p a k 相比，x f p 虽然要和物理层( e t - r v ) 芯片配合使用，但仍然节省了中 间的x g x s 和x a u i 接口部分，使得费用降低。 因为x f p 只是一个光收发器，所以与协议实现无关，可以普遍适用于1 0 g 以太网、1 0 g f c 和o c - 1 9 2s d h ，应用的普遍性有利于设备制造商提高采购量， 从而达到降低成本的目的。此外，x f p 提供一个两线的串行接口，可以实现数 据淦断功能，实时地监控光模块的各种参数，如温度、激光器偏置电流、发送 光功率、接收光功率、工作电压等。 这五种光模块可按其内部结构和功能分成两类：t r a n s p o n d e r 、x e n p a k 、x p a k 和x 2 是光收发模块类，x f p 是光收发器类。这两类光模块体现了两种不同的 设计思路，硪者各有优缺点：光收发模块的优点是集成度高，电路设计实现简 单，电路设计 ：程师可以将主要精力放在系统设计上，不必为器件在电路上的 武汉理工大学硕士学位论文 实现花费太多的精力；缺点是功耗大、体积大，限制了在p c b 板上安装光模块 的数目，不能满足现在数据产品对端口密度的要求。光收发器的优点是体积小、 价格便宜，易于实现高端口密度的应用；缺点是对电路设计要求较高，要在普 通电路板上实现l o g b p s 速率、1 2 英寸传输距离的x f l 接口。此外，x f p 光模 块要求能够同时支持低价位短距离和高性能长距离的应用( 从6 0 0r n 到8 0k m ) 。 目前来看，由于x e n p a k 光模块推向市场最早，技术成熟度较高，提供x a u i 接f 1 的：卷片也较多，因此应用比较广泛。而x p a k 、x 2 虽然在体积上仅有x e n p a k 的一半，但成本也比x e n p a k 光模块高，只能作为一种过渡性的产品出现。出 于x f p 光模块的出现和技术的飞速发展，很多厂商都已放弃x p a k 、x 2 光模块 的开发，直接转向x f p 光模块。x f p 模块的把复用，解复用电路放在模块外， 因此进一步减小了模块体积和系统成本，实际尺寸大约是现在s f p 模块的1 5 倍，因此优势将十分明显。 近几年来x f p 在电信网和存储网络中强大的竞争力使其越来越受到器件厂 商的青睐。在a s i c 技术日益成熟的条件下，它被认为是最有前途的一种1 0 g b p s 光模块技术。 1 2 国内外研究动态 2 0 0 1 年底，半导体公司推出第一台1 0 g i g a b i te t h e l - n e t 设备。2 0 0 2 年6 月， i e e e 通过了l o g b p s 速率的以太网标准e e8 0 2 3 a e 。现在1 0 g 以太网早 已在试用现场获得了确认，并处在积极推广之中。x f p 光收发器作为1 0 g 模块 技术中的后来者从其出现开始就一直吸引着人们的注意力。 作为光模块领域佼佼者的美国f i n i s a r 公司于2 0 0 1 年正式启动 1 0 gx f pm s a 。之后随着其他系统集成商和芯片供应商的纷纷加入，x f p 阵营 不断壮大。x f pm s a 多源协议是由国外一些通信设备和器件制造商人制订的事 实上的光模块标准规范，用来提高产品开发的可操作性。 当前国外x f p 模块主要供应商有： f i n i s a tc o r p b o o k h a m o p r l e x t i n t e lc o r p 武汉理工大学硕_ = 学位论文 日前国内领先的光器件供应商飞通光电公司和武汉电信器件公司在高速光 模块方面紧跟世界潮流。飞通光电公司先后推出的1 0 公里和4 0 公里1 0 g 光收 发模块使其真正成为世界主流光模块供应商。 1 3 本课题研究的意义 根据c i r 的统计，1 0 g b p s 光系统在经历低谷后，今年出现适度回升，到2 0 0 8 年全球收入将达到3 2 亿美元。基于1 0 g b p s 光互联的巨大的市场前景，很多光 模块公司开发了各自的1 0 g b p s 光模块。在模块标准化方面，过去几年束关于 模块标准的争论，在2 0 0 4 年o f c 上出现众多的x f p 模块供应商面前该可以终 结。事实上，经过2 年多的发展，x f pm s a 已成为一种用于多速率的多家协议。 x f p 模块的主要优势是它可带光电的插拔性能。如今已可应用于1 0 g b p s s o n e t 、1 0 g b p s 以太网、1 0 g b p s 光纤传输系统。随着技术的成熟，各种用于 光通信系统的光模块己逐渐向s f p 看齐。 依目前我国乃至世界的信息化建设现状来看，千兆依然是龙头老大，而1 0 g 的研发与应用只是刚刚起步，国内很多用户都曾表示很关注力 兆的发展，并打 算待万兆以太网的技术更加成熟，成本得到很好的控制之后再将自己的系统从 千兆平滑地升级到万兆。 随着我国加入w t o ，通信运营业和通信设备制造业所面临的竞争局势更加 严峻。1 0 g b p ss d h ( s t m 2 5 6 ) 光纤通信设备和系统是光传输网的发展方向，是 光纤通信的制高点，也是光通信技术实力的标志之一。1 0 g b p ss d h ( s t m 2 5 6 ) 在国际上能够掌握的国家不多，1 0 g b p s 光发射光接收模块技术的突破，将使 我国在光通信领域与国际水平的差距进一步缩小，对我国民族光通信产业的发 展有重要意义。这其中关键的一点就是要研究开发1 0 g b p s 光模块，它是1 0 g b p s 光纤传输系统的关键技术之。进行1 0 g b p s 光模块的开发不仅是适应光通信 的发展，产生明显的经济效益和社会效益，而且能在平抑国外产品价格的同时， 更加有力推动国产高速传输系统的发展。 在深圳飞通光电公司实习期间，笔者有幸参与了公司的重点攻关项目“x f p 光收发模块的设计”，这篇毕业论文就源自于此。当前模块的设计主要分为电 路、组件和结构三大部分，笔者负责的主要是电路部分的设计与仿真，因此这 也是全文的重点。 壅堡堡：垦查堂堡主主笪堡奎 _ 一。 1 4 本章小结 本章介绍了随着光通信网络的发展，光收发模块技术也得到了极大发展， 当前千兆光收发模块正逐渐成为主流，下一步将会向1 0 g 光模块技术迈进。通 过对五种1 0 g 光模块技术对比，突现了x f p 模块的技术优势。具备众多优点的 x f p 模块必将在1 0 g 光网络中得到广泛应用。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章1 0 gx f p 光收发模块功能、原理 x f p 光收发合一模块是一种可热插拔、小型化、串行串行、具有数字诊断 功能的多速率光发送和光接收一体的光模块，可处理电信业务s t m 6 4 、g 7 0 9 “o u t - 2 ”和数据业务1 0 g e 、1 0 g f c 。x f p 光模块支持的数据速率从9 9 5 g b p s 、 1 0 3 1 g b p s 、1 0 5 2 g b p s 、1 0 7 0 g b p s 到最高的1 1 0 9 g b p s ，支持所有这些技术的 数据编码。模块采用1 0 g b p s 的差分串行电接口x f l ，x f i 对业务内容是透明的。 x f p 光模块可按目标距离、光源类型、处理速率等进行分类。x f p 光模块不要 求支持9 9 5 1 1 0 9 g p s 间所有业务的速率，根据实际情况，可分为处理数据业 务1 0 g e 、1 0 g f c 的) a f p 光模块，处理电信业务s d h 的x f p 光模块。 x f p 光收发合一模块具有小型化、可热插拔和自诊断功能，它是通信用光 电器件发展的必然趋势。然而，其技术实现难度也相应加大。要在很小的面积 集成光发射机、光接收机以及数字诊断电路，并且数据速率高达1 0 g b p s ，所 以互连设计过程中要充分考虑信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ) l 口 题。 2 11 0 gx f p 光收发模块的原理 2 1 11 0 g 光收发模块的工作原理 x f p 光模块主要由发射和接收两个部分组成”3 ，数字诊断部分也构成了它的 重要组成部分，其原理框图如图2 1 所示“2 ： 图2 1x f p 原理框图( 外调制) i 副 武汉理工大学硕士学位论文 n 发射部分 发射部分除了l d 芯片外，主要包括l d 驱动器、c d r 芯片、自动功率控 制电路( a p c l 和内部光功率监视控制电路。对于外调制l d ，还需要光调制器， 它们一般封装在一起，共同构成t o s a ( t r a n s m i t t e ro p t i c a ls u b a s s e m b l y ) 。 从串行，解串行器( s e r d e s ) 出来的n r z 码信号经过c d r 芯片重新整形后， 输入到激光器驱动器，经过一定的增益，驱动器通过放大后的电压调制信号来 控制光调制器的“开”和“关”，最终把电信号变换为光脉冲。 2 1 接收部分 接收部分主要由光电二极管、跨阻放大器( t 狐) 、限幅放大器( u p ) 和c d r 芯片组成。其中光电二极管和跨阻放大器集成封装共同构成r o s a ( r e c e i v e r o p t i c a ls u b a s s e m b l y ) 。 光电二管用来检测光纤上传来的光信号并把它转换成电信号。紧跟其后的 跨阻放大器( t i a ) 首先进行电流到电压的转换，形成的单端电压经t i a 放大后 一般还需转换成差分信号。t 1 a 必须具有高负载能力以及高输入灵敏度，以便 使接收器具有更大的动态范围。为了确保工作的稳定性和所需带宽，t i a 可以 达到的最大增益的调整范围相当狭窄。这一限制可能会导致在低功率光信号时 所产生的输出电压幅度不足，从而难以满足进一步处理的要求。为了放大t i a 电压，必须在t i a 末端配置一个末级放大器，大多数情况下是限幅放大器。 限幅放大器的输出电压摆幅是一定的，它的最大值与输入信号强度无关。 限幅放大器一般提供信号丢失指示器，当信号低于用户定义的门限时将忽略输 入信号。由于该参数与系统有关，因此必须能够进行外部调整。当信号电平接 近门限值时，迟滞比较器能够确保指示器发出标志信号。 在限幅放大器后的是时钟和数据恢复( c d r ) 电路。它会根据输入信号做出定 时和幅度等级的决定，并形成时间和幅度再生的数据流。从接收到的信号中最 先恢复出来的是接收时钟。对于数据恢复，用锁相环( p u 0 来同步时钟和数据流 是非常重要的，这样可以保证时钟对准数据字中心。 3 ) 数字渗断部分 数字诊断部分主要由m c u 来完成。通过m c u ，网络管理单元可以实时监 测收发模块的温度，供电电压，激光偏置电流以及发射和接收的光功率。通过 武汉理r 大学硕士学位论文 对这些参数的测量，管理单元能够迅速找出光纤链路中发生错误的具体位置， 简化维护e 作，提高系统的可靠性。 2 1 2 总体目标 本设计的总体目标是： ( 1 ) 设计出数据速率为1 0 g b s 的光收发合一模块，满足电信和数据、毗务的需 求。 ( 2 ) 研究符合m s a 的光接口、电接口及机械接口等标准的x f p 收发器的结 构。 ( 3 ) 研究满足具有热插拔和自动诊断功能的电路设计。 ( 4 ) 采用单片机进行实时监控。 2 1 3 技术指标 具体的光电性能指标、时序指标分别表2 一l 和表2 2 【4 | 。 表2 1 光电性能指标 参数符号最小值典型值最大值符号 传输距离 2l ok m 光功率预算 o4d b 色散6 6p s n m 中心波长 九c1 2 9 01 3 1 01 3 3 0n m 发射输出光功率 p 一61d b m 发射消光比e r 6d b 发射眼图 符合i e e e 和i t u t 的模板要求 接收灵敏度 p r 1 6 1 1 d b m 接收饱和光功率 p s3d b m 外观尺寸符合x f p 多源协议 光接口l c 接口 武汉理1 ：人学硕士学位论文 表2 2 时序指标 参数 符号最小值最大值单位 发射禁止开始时间to f f1 0 us 发射禁止取消时间 to n 2m s 发射故障开始时间 tf a u l t 1 0 0 s l o s 开始时间 t1 0 s so e 1 0 0 ps l o s 禁止取消时间 t1 0 s so f fi 0 0 # s m o 吐n r 开始时问 m o dn f o nim s m o dn r 取消时间m n r o f flm s 初始化时间 ti n i t3 0 0m s ( 包括发射故障复位) 一 2 21o gx f p 光收发模块设计方案分析 为满足光纤链路的距离要求，通常在不同的光通信应用中要求不同的光功 率预算和色散参数。在实际应用中，为了获得需求的综合配置，需要几种不同 类型的激光器和接收器，表2 3 为通用l o g b p s 系列的应用和光器件技术5 1 【引。 表2 - 3 适用1 0 g b s 系列的应用和关器件技术 激光器接收器 应用 距离( k m ) 可用标准 类型类型 v s r8 5 0 n m 达0 3 i e e e 8 0 2 3 a e ；1 0 g b a s e s r p m m fv c s e l 1 3 1 0 f p v s rs m f达0 6g 6 9 1l - 6 4 1 rp i n 或d f b 1 3 1 0 n m 2 7g r 2 5 3 一s r l ：g 6 9 1l 一6 4 1 p i n d f b s rs m f 1 3 1 0 r i m 1 0 i e e e 8 0 2 3 a e ；1 0 g b a s e l r p l n d f b 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 5 0 n r n 2 5 g r 一2 5 3 一s r 2 ：g 6 9 1l - 6 4 2 p i n e m l i rg r 一2 5 3 一l r 2 ：g 6 9 1s 一6 4 2 1 5 5 0 n r n 4 0m e e 8 0 2 3 a e e rp j n e m l d w d m g r 一2 5 3 - l r 2 ( a 和c 1 1 5 5 0 n r n 4 0 8 0 a _ p d 和l rg 6 9 1l - 6 4 2d f b m z l 注：v s r 一甚短距离：s r _ 一短距离；i r 中距离：l r 一长距离；m m f l 多模光纤； s m f - 单模光纤；e m 卜电吸收调制器：m z l 马赫曾德尔干涉仪 光组件是光收发模块的心脏，其材料成本约占总材料成本的6 0 以上。因 此在设计中，我们首先根据表2 3 来选择不同应用所需要的光组件。对于传输 距离为2 1 0 公里的1 0 g 光模块而言，发射部分选用的是工作在1 3 1 0 r i m 的d f b 激光器；接收部分则采用的光电探测器是p i n 。至于是采用直调d f b 激光器还 是采用电吸收激光器则要进行比较分析。 2 。2 1t 1 0 s a 1 ) 激光器 在光通信系统中，广泛使用的g 6 2 5 型光纤内有3 个低损耗窗口的波长， 即8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 m n ，其中损耗最小的波长是1 5 5 0 n m 。常用的激光 器主要工作在这几个波长。 在8 5 0 n t o 波长工作的垂直腔表面发射激光器f v c s e l ) 可用于企事业单位的 甚短距离( v s r l 多模光纤收发器，长波长1 3 1 0 n mv c s e l 还在发展之中。工作 在1 3 1 0 n m 波长的法布里一珀罗( f p ) 或分布反馈( d f b ) 激光器一般用于接入网 和交接箱与交接箱之间连接的v s r 和段距离( 6 0 0 m 2 0 k m ) 单模光纤应用。而 1 5 5 0 n m 波长的激光器则用于长距离的传输。 按调制方式和光源的关系来分，激光器光源分直调制和外调制两种。前者 指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数( 光强、频率等) ，得到光频 的调幅波或调频波，这种调制又称内调制。后者是直接让光源输出的幅度和频 率等恒定的光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波幅度、频率 及相位等进行调制。 武汉理工大学硕十学位论文 电 电 信 ( b ) 闰2 2 “) 直接调制( b ) 外调制( 间接调制) 直接调制虽较为简单，但在直接调制半导体激光二极管的过程中，刁i 仅输 出光强度随调制电流发生变化，而且输出光的频率也会发生波动，也就是说在 幅度调制的同时还受到频率调制，特别是在信号频率进入微波时的高速调制下， 这个现象称之为“啁啾”特性。啁啾特性的存在不仅使单个纵模的线宽展宽，而 且在单模光纤中传输时，在色散作用下将使非线性失真增大。 外调制虽然需要调制器，结构复杂，但调制信号的频率啁啾非常小、性能 的波长依赖性很小，非常适合高速率下运用。 早在2 0 0 4 年，以o p n e x t 为首的五家曰本公司正式签署了1 0 g 光组件的 m s a 协议。这个协议确立了对应小型1 0 g b i t s 光模块的t o s a r o s a 设计要求， 包括t o s r o s a 的外形尺寸、管脚功能和排列等，同时为了适应各个厂家不 同的结构，采用柔性电路板( f p c l 与p c b 相连接，极大地促进了1 0 g 光组件的 发展。当前1 3 1 0 r i m 的d f b 激光器无论是电吸收型( b 吣还是直调型技术都接近 成熟，并且已经商用化。两种类型的激光器都适合本设计的要求，选择的依据 则要从电路设计的复杂程度和材料成本两个方面进行考虑。 直调d f b 激光器一般是采用5 0 欧姆差分线来驱动，信号的微弱反射就会 造成发射光眼图性能的下降。驱动电路上用于提供偏置电流的t 型网络极易造 成高速调制信号的失真。这些都是电路设计中的难点。 e a 型激光器一般是由外调制器的电吸收f e a ) 部分与单片集成的d f b 激光 器构成。d f b 激光器产生恒定光信号射入调制器时，调制器利用载流予注入改 变吸收系数来实现对光功率的衰减，从而完成光电转换。由于光调制器( 与激光 武汉理工大学硕士学位论文 二极管不同1 的匹配阻抗一般是5 0 欧姆，因此，调制器驱动器只要针对5 0 欧姆 负载优化，极大简化了电路设计复杂程度。 相对与e a 型d f b 激光器，直调d f b 激光器除了价格稍低外，光功率、消 光比等发射端关键参数均没有太多优势。 2 ) 光调制器 由于直接调制在高速情况下会出现“啁瞅”现象，使单个纵模的线宽展宽， 并且在单模光纤中传播时，在色散作用下使非线性失真增大。解决这些不利影 响的办法是使用外调制器。目前光通信系统中投入实用的主要有两种：一种是 电吸收型外调制器，一种是波导型铌酸锂马赫曾德尔调制器“7 “1 。 1 e a r l 调制器 电吸收外调制器是一种强度调制器，也是第一种大量生产的钢镓砷磷 ( i n g a a s p ) 光电集成器件。它能方便地将激光器和调制器集成到一片芯片上。如 图2 3 所示，在p n 结之间加入一层单模光波导层，当未加电时，从激光器出 射的单模光进入单模光波导层后，仍然是传导模，被限制在这一层中继续传播， 并从另一端输出；当加载电压时，由于载流予的注入，单模光波导的吸收系数 增大，从而部分光被吸收掉。并且随着电压的增加，流过p n 结的电流也随着 增加，使得更多的光子被吸收，衰减增大。 图2 3e a 调制器结构 e m l 激光器芯片的激光器工作于恒定功率或c w 模式。输入信号加在调制器 上，因此调制器像一个开关，让光通过或把光关断。这使得产生的信号的啁啾 声( c h i r p ) 非常小，因此可以在标准的光纤上传播非常长的距离，并且信号的失真 很小，典型的e m 【馓光器支持超过6 0 0 k m 的距离。 武汉理：人学硕士学位论文 电吸收外调制器的最突出的优点是体积较小，集成度好。另外驱动电压低( 一 般在3 v f i ! 右) ，耗电量小，目前已得到广泛应用。 2 马赫曾德尔( m a c h - - z e h n d e r ) 外调制器 马赫曾德尔波导型外调制器也是一种强度调制器。它使用单独的一个单纵 模d f b 激光器和一个外调制器。激光器也工作于连续波( c w ) 状态，在外加 调制电场的情况下，由于铌酸锂( l i n b 0 3 ) 良好的电光效应，使波导的折射率 发生改变，通过波导的光的强度相应发生变化，实现波导输出的光幅度调制。 马赫一曾德尔调制器在原理上其啁啾参数可以为零，因而调制速率极高，几乎 不受光纤色散的限制，调制线宽很窄，消光比高。缺点是调制电压相对较高r 一 般在7 v 左右1 ，调制器与偏振状态相关，激光器和调制器之间的连接必须使用 保偏光纤。在1 0 g b s 以上超高速w d m 系统传输时，m z 外调制器成为克服光 纤色散影响的主要手段。 通过以上的分析，先选用外调制x f p 光收发模块方案，成功后再在此基础 之上进行直调光收发模块的设计。选用的t o s a 要满足以下几个要求： 较小阈值电流、低功耗、符合x m d m s a 封装 满足o c - 1 9 2 或s r 1 的速率要求 v ，对于无制冷的激光器，要有较宽的温度工作范围 发射光眼图要有大的模板裕量 2 2 2r o s a 1 ) 光探测器 光纤通信系统中所使用的半导体光电探测器都是利用光电效应制成的，所 谓光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的p n