（通信与信息系统专业论文）10吉比特以太网用sfp模块的研究.pdf

武汉邮电科学研究院硕士论文 摘要 随着桌面和服务器连接向快速以太网和吉比特以太网升级，核心数据中心和骨干 网络互联对带宽的需求越来越高，1 0 吉比特光以太网接口市场份额不断扩大。而1 0 吉比特光以太网目前的应用还受到功率损耗和串扰造成的低端口密度问题的困扰。具 备高端口密度、低成本的s f p + 模块可为企业用户提供比以往技术性价比更高的1 0 吉 比特以太网升级解决方案。 本课题旨在开发出基于1 0 吉比特以太网应用的s f p + 模块。s f p + 是s f p ( 小 型化可热插拔) 模块的升级，是继x 2 、x f p 之后成为1 0 g b p s 光收发模块新一代规 格的可插拔小型架构。本课题开发的s f p + 模块组成部分为光发送单元、光接收单 元、以及控制单元。本论文从s f p + 模块的应用入手，对其组织架构和总体设计进 行了阐述，着重分析了控制单元对实现平均发射光功率和消光比稳定的智能化控 制。该控制方法以微处理器为硬件核心电路，结合软件设计，并加入保护电路对光 发送单元器件和芯片进行保护，可同时完成对模块内部正常工作的智能化控制、监 测和与外部的通信功能。论文最后对s f p + 模块的高速电接口和光接口进行了测试 和分析，并对全文进行总结，提出下一步工作计划。 本课题通过详细设计方案确保了光模块的开发成功，模块各方面均满足性能 指标要求，完全满足1 0 吉比特以太网的应用。 关键词：1 0 吉比特以太网，s f p + 模块，消光比，微处理器，智能化控制 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t t h ee v o l v e m e n to fd e s k t o pa n ds e r v e rt o w a r df a s ta n dg b p se t h e m e td e m a n d sm o r e a n dm o r eb a n d w i d t hi nt h ec o r ed a t ac e n t e ra n dm a j o rn e t w o r k , w h i c hs p u r st h ef a s t g r o w t hi n10 g b p se t h e r n e tm a r k e t h o w e v e r , t h e 埘d ea p p l i c a t i o no f10 g b p se t h e r n e ti s p l a g u e db yt h el a r g ep o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wp o r td e n s i t yc a u s e db y i n t e r f e r e n c ei n t r a d i t i o n a ld e s i g n t h es f p + m o d u l e ，w h i c hc a no v e r c o m et h e s es h o r t a g e s ，w o u l db ea c o s t - e f f e c t i v es o l u t i o ni nlo g b p se t h e m e tf o re n t e r p r i s ea p p l i c a t i o n t h ep u r p o s eo ft h ep r o j e c ti st od e v e l o pt h es f p + m o d u l ef o r1 0 g b p se t h e m e t s f p + i st h eu p g r a d e dv e r s i o no fs f p ( s m a l l - f o r m p l u g g a b l e ) ，a n dp r e s e n tt h en e w g e n e r a t i o no fp l u g g a b l es m a l ls m l c t u r ei ns p e c i f i c a t i o no flo g b p so p t i c a lt r a n s c e i v e r , f o l l o w i n gx 2a n dx f et h es f p + m o d u l eu n d e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sc o m p o s e d o fat r a n s m i t t e ru n i t , ar e c e i v e ru n i t ，a n dac o n t r o iu n i t t h i st h e s i ss t a r t sw i t ht h ea p p l i c a t i o no fs f p + m o d u l e ，i n t r o d u c e si t sg e n e r a ld e s i g n a n ds t r u c t u r e ，w i t ha ne m p h a s i so nt h ea n a l y s i sa n dr e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o lo fa v e r a g e o p t i co u t p u tp o w e ra n de x t i n c t i o nr a t i ot h r o u g hi n t e l l e c t u a lc o n t r 0 1 am c u ( m i c r oc o n t r o l u n i t ) ，w h i c hi st h ec o r eo fc i r c u i t r y , t o g e t h e rw i t hd e s i g n e ds o f t w a r ea n dp r o t e c t i v e c i r c u i t r y , r e a l i z e st h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l i n g ，m o n i t o r i n ga n dc o m m u n i c a t i n gw o r ka tt h e s a m et i m e t h et h e s i st h e nr e p o r t sat e s tr u na n da n a l y z et ot h eh i l g hs p e e de l e c t r o n i cp o t a n do p t i c a lp o t t h em o d u l em e e t sa l lt h et o l e r a n c e sa n df u l l ys a t i s f yt h ea p p l i c a t i o no f lo g b p se t h e r n e t a tl a s t , t h es u m m e r yo ft h ed e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n t s u g g e s t i o nf o rf u t u r ew o r ka r eg i v e n k e yw o r d s ：10 g b p se t h e m e t ，s f p + m o d u l e ，e x t i n c t i o nr a t i o ，m c u ，i n t e l l e c t u a lc o n t r o l 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 1 局域网概述 第1 章绪论 局域网是一种多终端数据通信网系统【i 】j 网中连接有计算机、终端存储设备、 打印机、传真机、电话机等设备。它可以将同一栋大楼或相邻大楼中的计算机、 终端设备和外围设备集中连接在一起，既可以互相通信，资源共享，也可以访 问远距离的主机或其他网络。局域网经过了近三十年的发展，尤其是在快速以 太网( 1 0 0 m b p s ) 和吉比特以太网( 1 g b p s ) 、1 0 吉比特以太网( 1 0 g b p s ) 进入 市场后，以太网已经在局域网中占据了绝对优势，成为局域网的最常见形式。 现在，以太网已经几乎成了局域网的同义词。 1 2 以太网的分类和发展 1 2 1 标准以太网 以太网是美国施乐公司于1 9 7 5 年研制成功的。最早进入市场的1 0 m b p s 速 率的以太网被称作“标准以太网 ，主要依靠双绞线和无源电缆作为传输介质， 采用c s m a c d ( 带有碰撞检测的载波侦听多路访问) 的访问控制方法。i e e e 8 0 2 委员会( 专f - j 制定局域网和城域网标准的机构) 的8 0 2 工作组于1 9 8 3 年制订了 第一个i e e e 的以太网标准，其编号为8 0 2 3 1 2 。 1 2 2 快速以太网 随着网络的发展，传统以太网已不能满足日益增长的网络数据流量的速度 需求。在1 9 9 2 年9 月1 0 0 m b p s 以太网的设想提出后仅过了1 3 个月，1 0 0 m b p s 以太网的产品就问世了。1 0 0 b a s e t 是在双绞线上传送1 0 0 m b s 基带信号的星 型拓扑以太网，仍使用i e e e 8 0 2 3 的c s m a c d 协议，它又被称作“快速以太 网 。它支持3 、4 、5 类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 0 0 m b p s 快速以太网标准又分为：1 0 0 b a s e t x 、1 0 0 b a s e f x 、1 0 0 b a s e - t 4 三个子类。 1 2 3 吉比特以太网 1 9 9 6 年夏季，吉比特以太网( 又称为千兆以太网) 的产品问世，使得g b p s 量级的速率不再只依靠a t m 技术。i e e e 在1 9 9 7 年通过了吉比特以太网的标准 8 0 2 3 z ，并在1 9 9 8 年成为了正式标准。它仍然使用c s m a c d 协议并与现有的 以太网兼容。吉比特以太网可用作现有的网络主干网，也可在高带宽的应用场 合中用来连接工作站和服务器。它的物理层共有2 个标准：i e e e s 0 2 3 z 和 i e e e 8 0 2 3 a b 。i e e e 8 0 2 3 z 制定了光纤和短程铜线连接方案的标准。i e e e 8 0 2 3 a b 制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。 1 2 41 0 吉比特以太网 1 9 9 9 年3 月，i e e e 成立了高速研究组h s s g ( h i g hs p e e ds t u d yg r o u p ) ， 其任务是致力于1 0 吉比特以太网的研究【w 1 0 g e 】。1 0 吉比特以太网的正式标 准已在2 0 0 2 年6 月完成。 1 0 吉比特以太网的帧格式与1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s 和1 g b p s 以太网的帧格式 完全相同，并且还保留了8 0 2 3 标准规定的以太网最小和最大帧长。其规范包含 在i e e e 8 0 2 3 标准的补充标准i e e e s 0 2 3 a e 中，它扩展了i e e e 8 0 2 3 协议和m a c 规范使其支持1 0 g b p s 的传输速率。除此之外，通过w a n 界面子层( w i s ：w a n i n t e r f a c es u b l a y e r ) ，1 0 千兆位以太网也能被调整为较低的传输速率，如9 5 8 4 6 4 0 g b p s ( o c 一1 9 2 ) ，这就允许1 0 千兆位以太网设备与同步光纤网络( s o n e t ) s t s 1 9 2 c 传输格式相兼容，它不再使用铜线而只使用光纤作为传输介质。既可 以使用长距离的光收发器和单模光纤，以便能够工作在广域网和城域网的范围， 也可以使用多模光纤，用于6 5 - - 一3 0 0 m 的短距传输。 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 3 以太网光接口的实现 以太网的发展先后经历了传统以太网、快速以太网、千兆以太网和1 0 吉比 特以太网4 个阶段。1 0 吉比特以太网作为传统以太网技术的一次较大升级，在 原有千兆以太网的基础上将传输速率提高了，1 0 倍，传输距离也大大增加。摆脱 了传统以太网只能应用于局域网范围的限制，使以太网延伸到了城域网和广域 网。由于局域网、城域网、广域网采用同一种核心技术，避免了协议转换，实 现了无缝连接。i e e e 8 0 2 3 a e 标准定义了以太网光接口的实现，即在光纤上传输 的标准，传输距离从3 0 0 m 到4 0 k i n 引。 1 41 0 吉比特光以太网接口技术与s f p + 模块 现在应用比较广泛的1 0 g 光模块有以下几种：3 0 0 p i n 、x e n p a k 、x p a k 、x 2 和x f p 。其中3 0 0 p i n 属于第一代模块，主要应用于s d h ，把电接口改成1 0 g 以 太网1 6 位接口后也可应用于1 0 g 以太网；x e n p a k 是针对1 0 g 以太网推出的第 一代光模块，采用i e e e 8 0 2 3 a e 标准中的1 0 g b p s 附加单元接口( x a u i ) 作为数据 通路；x p a k 和x 2 是x e n p a k 光模块的直接改进版，体积缩小了4 0 左右。目前 x e n p a k 和x 2 模块是技术最成熟、应用最广泛的l o 吉比特以太网模块，可以 满足所有应用场合的要求。x f p 模块外形紧凑，具有更高的端口密度，支持大 多数的应用场合，而且成本比x e n p a k 和x 2 低。然而，总体而言，由于1 0 g 光模块成本还是相对高昂，目前1 0 吉比特以太网的应用并没有像预测的那样在 市场上普遍推广。从以往的以太网技术更新换代的过程来看，只有当新技术的 速度达到旧技术的1 0 倍以上，而成本控制在4 倍左右，新技术才有可能迅速扩 大市场，夺取主动1 4 】。但目前l o 吉比特以太网速率的成本大约是吉比特以太网 的1 0 到1 5 倍，因此极大地妨碍了它的发展。在这种背景下，s f p + 模块为新技 术的发展提供了一种全新的解决思路。s f p + 模块是一种加强型小型化可热插拔光 收发模块。它采用了高速串行布线来代替多条并行布线的方案，使得它的封装减 小到s f p ( 小型化可热插拔) 模块的尺寸，而速率提升到了1 0 g b p s ，被认为是 s f p 模块的升级版。s f p + 模块不仅能够保证1 0 吉比特以太网的通信容量，实现最 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 高的光模块密度，同时还能最有效地降低功耗和成本。因此目前它被认为是1 0 吉比 特以太网光收发模块的最佳选择。 1 5 本课题研究的s f p + 模块创新点 本课题的任务是研制出符合客户需求( 输出平均光功率、消光比等) 且带c p u 接口 的s f p + 模块，它符合1 0 吉比特以太网技术、s f f 8 4 3 1 等相关协议。本课题针对s f p + 模块低功耗、低成本的设计要求，创新性的运用智能控制单元对模块整体稳定工作和 状态量上报进行智能化控制。该控制方法不但可以实现协议规定的各项技术指标要 求，同时还兼具监控和保护功能，从而保证模块内部光器件和芯片的安全。 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章s f p + 模块设计的相关协议分析 2 1s f f 8 4 3 1r e v i s i o n3 0 2 1 1 概述 s f f - 8 4 3l ( s p e c i f i c a t i o nf o re n h a n c e j c l8 5a n dlo g i g a b i ts m a l lf o r mf a c t o r p l u g g a b l em o d u l e “s f p + ) 是面向增强型s f p 模块的规格 5 1 。它定义了s f p + 的电接 口及s f p + 模块与主板之间的测试方法。所定义的工作速率可支持到1 1 1 g b p s 。连 接主板和s f p + 模块的高速电接口被称作“s f i 。基于主板上发射端预加重和接收 端均衡的处理方法来克服p c b ( 印届i j 电路板) 和外部媒介对信号的削减。s f i 既简化 了模块本身的设计又对主板起到了杠杆的作用。s f i 典型的应用是在模块接口有一 个连接器，它可以支持改良的f r 4 板材( 树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭 的一种材料规格) 的距离是2 0 0 r a m ，或者是支持标准的f r 4 板材的距离是15 0 m m ， 它是差分1 0 0 欧姆，基于高速、低电压的交流耦合逻辑电接口。 s f p + 规格包括了管理、连接、机械、低速信号、高速信号并且附录了如何实现 和测试方法的建议。s f p + 模块是热插拔的。发射部分电源定义为v c c t ，接收部分 电源定义为v e e r 。所有s f p + 模块需依照的要点都在该协议中定义了。 s f p + 模块是电粕光电转换的装置，可用来支持一种或多种网络应用。s f p + 系 列模块被期望用于单模光纤、多模光纤和铜质电缆。它为了配合主板使用，被允许 支持以下3 类结构模式：单线性模块、单限制性模块、或者是线性限制型均支持 的模块。所谓的线性模块即是指接收端包含了一个线性的接收器，限制性模块则是 包含了一个限制型的接收器。 2 1 2s f p + 模块支持的标准 s f p + 模块目前定义所支持的标准见表2 1 。表中并不包括将来可能会支持的标准， 也不包括诸如i e e eg i g a b i te t h e m e t1 2 5 g b d 的标准。 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 表2 1s r p + $ 块支持的标准 标准信号速率( g b d )管理机械连接器 8 g f c8 5 s f f 8 4 7 2 s f f 8 4 3 2 i e e e 8 0 2 3 c l 5 2 ( 1 0 g b s 1 0 3 1 2 5 s f f 8 0 7 9s f f 8 0 8 3 e t h e m e tl a n p h y ) s f f 8 0 8 9 i e e e 8 0 2 3 c l 5 2 ( 1 0 g b s 9 9 5 3 2 8 e t h e m e tw a n a n a 9 i e e e 8 0 2 3 c l 6 81 0 3 1 2 5 1 0 g f c1 0 5 1 8 7 5 1 0 g b a s e - r ( i e e e 8 0 2 3 c l 4 9 ) 1 1 1 e n c a p s u l a t e di ng 7 0 9o d u - 2 f r a m e ( f e c ) 2 1 3s f p + 主板连接器定义 l 机械规格 s f p + 主板连接器是一个2 0 管脚，管脚宽度为0 8 m m 的改良型连接器，其规格在 s f f - 8 0 8 3 ( s p e c i f i c a t i o nf o r0 8 m ms f p + c o m p l i a n tc a r de d g ec o n n e c t o r ) 中定义 6 1 。其示意图如图2 1 所示。 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 、1 1 i i 顶 l 层 l 视 l 图 i l l l i ： i i l 底 i层 l 视 i 图 i l l i l 7 图2 1s f p + 主板连接器机械规格示意图 2 电气规格分析 图2 2 显示了连接器功能块引脚的名称和序号。引脚的功能在表2 2 中定义。 v e e r v e e r r s l r d - r x 。l o s r d + r s 0 1d 9 8 7 v e e r m o d - a b $ 一二n j6 v c c r s c l 二= 二二 v c c t s o 二j4s d a 4 v e e t t x d l s a b l e t 一一一j3 t d + t x f a u l tc 2 t d v e e t 1 v f # t 图2 2 连接器功能块引脚序号和名称 7 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 1 1 1 1 4 1 1 纠 武汉邮电科学研究院硕士论文 表2 2 引脚功能定义 序名称类型上电 描述 号顺序 1 v e e t 1 模块发射地 2r ( f a u l t工t t l o3 发射部分故障指示 3z (工t t l i3 发射部分禁止使能，观点发射激光器输 d i s a b l e 出 4s d av t t l i o3 两线接口的数据线 5 s c l v 1 _ i l i o3 两线接口的时钟线 6m o da b3 模块未准备好，在模块内接地 s 7 l 峪0 l v t t l i3 置高时表示接收信号速率大于 4 2 5 g b p s 8r xl o sl v t t l o3 信号丢失指示 9r s ll v t t l i3置高时表示发射信号速率大于 4 2 5 g b p s 1 0v e e r 接收部分地 1 模块接收部分地 1 1v e e r 接收部分地 1 模块接收部分地 1 2r d c m l o3 反向接收数据输出 1 3阱 c m l o 3 接收数据输出 1 4v e e r 1 模块接收部分地 1 5v e e r2 接收部分电源3 3 士5 ， 1 6v e e t2 发射部分电源3 3 士5 ， 1 7 v e e t1 发射部分地 1 8t d + c m l i3 发射数据输入 1 9t d c m l i3 反向发射数据输入 2 0v e e tl 模块发射部分地 上表中，低速电气接口为以下6 个： 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 t xf a u l t ：为集电栅漏极开路输出，在主板上应使用一个4 t k o h m - 1 0 k o h m 的电 阻上拉。上拉电压在2 3 8 v 和3 4 6 v 之间。当为高时，输出指示了激光器的某种故障， 为低时指示正常工作。 t x d i s a b l e ：为输入引脚，用于关断发射器光输出。它在模块内使用一个 4 7 k o l l i l l 1 0 k o h m 的电阻上拉。 r s 0 r s l ：模块输入速率选择。在模块内部使用大于3 0 k o h m 的电阻上拉。详细 的规格在s f f 8 0 7 9 中定义。 m o d a b s ：该管脚在模块内部下拉到地。在主板上，这个管脚可能会被一个 4 t k o h m 一1 0 k o h m 的电阻上拉到电源。m o da b s 指示高时代表模块从物理角度上来 说，不在主板上。 s c l s d a ：这两个管脚在主板上拉到两线接口电源。 r x l o s 指示高时表示目前光信号强度低于参考标准中的规定值。为集电极 漏极开路输出，在主板上应使用一个4 t k o h r n - l o k o h m 的电阻上拉。 3s f p + 电源要求 s f p + 主板上会提供两个3 3 v 的电源连接，一路给模块发射部分供电，称作v c c t ， 一路给接收部分供电，称作v c c r 。最大允许电流容量，连续值和峰峰值都是5 0 0 m a 。 s f p + 模块最大功耗必须满足下列两个等级： 等级一型模块：最大功耗i o w ； 级二型模块：最大功耗1 s w 。 为了避免超高系统的供电能力和制冷能力，所有模块在默认上电操作时需不超过 1 w 。主板支持电源等级二的操作可以通过2 线接口使能来实现。 4 高速电规格s f i s f i 信号是在模块内部基于差分模式的高速低电压逻辑的交流耦合方式。开发 s f i 的主要目的是低功耗和低电磁干扰( e m i ) 。为了满足这些需求，通常控制差分 信号幅度在边缘速率时的峰峰值在5 0 0 m v 左右来降低e m i 。s f i 应用的参考模型如 图2 3 所示。 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 图2 3s f i 应用参考模型 s f i 连接一个高速的a s i c s e r d e s 和s f p + 模块。s f i 接口被设计成用于支持 i e e e s 0 2 31 0 g i gs t a a d a r d sc l a u s e s 4 9 ，5 0 ，5 1 标准和1 0 g f c 标准。s f l 支持的信号速 率如表2 3 所示，s f p + 模块及其主板可支持下表中的一种或多种速率。 表2 3s f p + 模块支持的速率 标准描述信号速率单位 i e e es t d 8 0 2 3 c l 5 0l0 g b a s e - w r a n9 9 5 3 2 8g b d p h y i e e es t d 8 0 2 3 c l 4 91o g b a s e - rl a np h y1 0 3 1 2 5g b d f i b r ec h a n n e l - 10 g i g a b i t1 0 g f c1 0 5 1 8 7 5g b d 10 g i ge t h e m e tw i t hf e c10 g b a s e ro v e rg 7 0 91 1 1g b d 2 2i e e e 8 0 2 3 a e 2 2 1 概述 i e e e 8 0 2 3 a e 定义了1 0 吉比特以太网的物理( p h y ) 层规范和所支持的光学部件 部分，包括了1 0 g b a s e r 、1 0 g b a s e w 、1 0 g b a s e l x 4 三种物理接口标准1 7 1 。它 扩展了i e e e8 0 2 3 协议和m a c 规范使其支持10 g b p s 的传输速率。除此之外，通过 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 w a n 界面子层( w i s ：w a ni n t e r f a c es u b l a y e r ) ，1 0 吉比特以太网也能被调整为较低 的传输速率，如9 5 8 4 6 4 0 g b p s ( o c 1 9 2 ) ，这就允许l o 吉比特以太网设备与同步光 纤网络( s o n e t ) s t s 1 9 2 c 传输格式相兼容。1 0 g b a s e - s r 和1 0 g b a s e - s w 主要 支持短波( 8 5 0 h m ) 多模光纤( m m f ) ，光纤距离为2 m 到3 0 0 m 。i o g b a s e - s r 主 要支持“暗光纤”( d a r kf i b e r ) ，暗光纤是指没有光传播并且不与任何设备连接的光纤。 1 0 g b a s e s w 主要用于连接s o n e t 设备，它应用于远程数据通信。1 0 g b a s e - l r 和1 0 g b a s e o l w 主要支持长波( 1 3 1 0 r t m ) 单模光纤( s m f ) ，光纤距离为2 m 到 10 k i n 。10 g b a s e - l w 主要用来连接s o n e t 设备时，10 g b a s e l r 则用来支持“暗 光纤一。1 0 g b a s e e r 和1 0 g b a s e - e w 主要支持超长波( 1 5 5 0 n m ) 单模光纤( s m f ) ， 光纤距离为2 m 到4 0 k i n 。io g b a s e e w 主要用来连接s o n e t 设备，10 g b a s e - e r 则 用来支持“暗光纤 嘲。1 0 g b a s e l x 4 采用波分复用技术，在单对光缆上以四倍光 波长发送信号。系统运行在1 3 1 0 n t o 的多模或单模暗光纤方式下。该系统的设计目标 是针对于2 m 到3 0 0m 的多模光纤模式或2 m 到1 0 k m 的单模光纤模式。 2 2 2s f p + 模块l o 吉比特光学接口 目前定义的s f p + 模块所支持的速率中涉及到的1 0 吉比特以太网光接口为： 1 0 g b a s e s r ( 使用o m 3 级多模光纤) 、1 0 g b a s e l r ( 使用单模光纤) ，它们相应的光发 射和接收部分接口指标分别如表2 4 、表2 5 所示。 表2 4 光发射接口指标 描述 10 g b a s e l w10 g b a s e l r 单位 信号速率( 通常的) 9 9 5 3 2 81 0 3 1 2 5g b d 中心波长范围 1 2 6 0 1 3 5 5l l i i l 平均发射光功率( 最大值) 0 5d b m 平均发射光功率( 最小值) 一8 2 d b m 消光比( 最小值) 3 5 d b 边模抑制比( 最小值) 3 0 d b 光眼图 x l ，x 2 ，x 3 ，y 1 ，y 2 ，y 3 ) o 2 5 ，0 4 04 5 ，0 2 5 ，0 2 8 ，0 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 表2 5 光接收接口指标 描述 lo g b a s e - l 单位 信号速率( 通常的) 1 0 3 1 2 5 g b d l0 g b a s e - l r9 9 5 3 2 8 lo g b a s e l w 中心波长范围 1 2 6 0 1 3 5 5m 平均接收光功率( 最大值) 0 5 d b m 平均接收光功率( 最小值) 1 4 4d b m 接收灵敏度( 在m o a 下最大值)1 2 6d b m 加压接收灵敏度( 在m o a 下最大值)- 1 0 3d b m 武汉邮电科学研究院硕士论文 第3 章1 0 g bp ss f p + 模块的总体设计方案 3 11 0 g b p ss f p + 模块的工作原理 1 0 g b p ss f p + 模块是光收发合一的小型化可热插拔模块。其l o g b p s 高速光接口 和1 0 g b p s 高速串行电接口为光物理层和电段层之间提供了灿电、电光转换接口。 新标准通过将除光纤外的所有东西移到模块外部来降低成本，包括信号调制功能，串 行解串器、m a c 、时钟和数据恢复( c l o c ka n dd a t ar e c o v e r y ) 电路，以及电子色散 补偿( e d c ) 功能。这样处理后得到的是带电光光电转换偏振模色散( p m d ) 功能 的经简化的光收发器模块。电接口使用2 0 p i n 金手指连接方式，s f f 8 4 3 1 规定为s f i 高速电信号接口，用于输入和输出数据信号、状态及控制信号。其中数据信号 r 工 和1 d + ，为c m l 电平，状态输出及控制信号输入为i ：v 1 t l 电平。光接口使用 t o s a ( 光发送子系统) 【9 】及r o s a ( 光接收子系统) ，用于输出和输入光信号。该模块发 射部分和接收部分是完全独立的。s f f 8 4 3 1 规定，按照接收部分的组织架构可分为 单线性模块( j u s tl i n e a rm o d u l e s ) 、单限制型模块( j u s tl i m i t i n gm o d u l e s ) ，或者是二者 都支持的线性限制型模块( b o t hl i n e a ra n dl i m i t i n gm o d u l e s ) b o 。本文研究的s f p + 光收发模块采用单限制型模块的组织架构，接收部分集成了r o s a 和限幅放大器。 1 0 g b p s 光信号由p i n 型探测器转换成电信号输出，再经由后一级的限幅放大器放大 输出，与背板上的a s i c s e r d e s 相连接，完成光电转换。发射部分集成了t o s a 和激 光器驱动器以及控制电路部分。1 0 g b p s 高速电信号通过“s f i 电接口输入，经过驱 动器驱动激光器发光后，完成电光转换。控制电路部分通过内部通信接口，实现对 激光器的自动功率控制( a p c ) 、消光比补偿、发射部分软关断、接收部分带宽调整 的智能控制，通过外部通信接口可以和上位机通信，完成模块相关工作状态量的上报。 模块基本原理框图如图3 1 所示。 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 图3 1 模块基本原理框图 3 21 0 g b p ss f p + 模块系统总体实现方案 s f p + 光收发模块实现方案可分为三大类：接收单元、发射单元、控制电路单元。 3 2 1 光接收单元实现方案 接收单元采用将p d 管和前置放大器( t 队) 集成在一起的光探测器来进行接收 光信号的处理。从模块接收光接口处输入模块的光数据信号，通过模块内部的光电二 极管p d 转换为电信号，输入到前置放大器进行放大。前置放大器具备自动增益控制 ( a g c ) 功能，使其输出电信号的波动幅度远远小于输入光信号的波动幅度【l l 】。经过探 测器将光信号转换为信号幅度为4 5 0 m v p p 左右的电信号输出，再经由后一级增益系 数为4 0 d b 的限幅放大器放大成6 0 0 m v p p 至9 0 0 m v p p 可调的1 0 g b p s 高速串行电信 号输出。接收部分还可实现在模块内部通过通信接1 ：3 对限幅放大器的控制，将1 0 g b p s 高速电信号进行预加重( p r e e m p h a s i s ) 处理，以增加可靠传输信号的信道长度【1 2 】。 l 光探测器 在光通信系统中，接收部分的作用是把接收到的光信号转变为电信号，用作其他 设备或通信系统的输入【1 3 1 。探测器是光接收部分的一个基本组成部分，并且是一个决 定整个系统性能的至关重要的器件。由于接收到的光信号很弱，所以光探测器必须满 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 足高性能的要求。其中最重要的是在感兴趣的波长范围上具有高灵敏度、最小系统附 加噪声及快速响应速度或足够带宽。另外，光探测器应当对温度变化不敏感，并有适 宜的物理尺寸、合理的价格和较长的使用寿命。目前满足上述应用要求的半导体光检 测器主要有两类：p i n 光电二极管和雪崩光电二极管( a p d ) 。 光纤通信中所使用的半导体光电检测器，都是利用光电效应原理制成的。所谓光 电效应就是指一定波长的光照射到半导体的p n 结时，价带上的电子吸收光子能量而 跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使p n 结中产生光生载流子 的一种现象【1 4 1 。 2 前置放大器 前置放大器的任务是对光电探测器进行良好的匹配【1 5 】，光电探测器将光信号转化 为一个微弱的电流，而前置放大器是将该电流转化为输出电压并放大到合适的电平， 例如从几毫伏到几十毫伏。由于前置放大器总是工作在低信号电平上，因而是一个典 型的小信号放大器，另外，由于输入信号非常微弱，前置放大器为一个低噪声放大器。 前置放大器一般有三种类型【1 6 】：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻放 大器，本课题使用的是跨阻放大器( t r a 璐- 蛔p e d a n c ea m p l i f i e r ，t t a ) 。跨阻放大器的 原理如图3 2 所示，r f 的作用是形成电压并联负反馈，光电二极管产生的电流i 流过 r f 在输出端就形成了电压i r f 。 u o = i r f 图3 2 跨阻放大器原理图 由模拟电子线路的理论可知，负反馈可使电路的增益稳定( 对于高增益放大单 元，前置放大器的跨阻几乎由r f 决定) ，并可提高动态范围和带宽，减小噪声等( 1 7 】。 1 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 反馈技术的所有这些特性均适用于前置放大器。电压并联负反馈技术使放大器的输入 和输出电阻均有所减少，所以跨阻放大器的特性是放大器与光电探测器几乎完全失 配。跨阻放大器的主要优点是动态范围大、频带宽、且不需要不易实现的均衡电路， 基于这些优点，互阻放大器特别适合于超高速( 从几个到几十个g b p s ) 传输系统。 3 限幅放大器电路 为了与光电探测器进行良好的匹配并获得低噪声和宽频带，前置放大器的增益不 能太高，前置放大器的输出电压幅度通常从几毫伏到几十毫伏，如此，j 、的信号不能直 接输出光模块，因此，有必要对该信号进一步放大i l 引。另一方面，由光电探测器从光 信号中检测出的电流信号幅度定义在一容限电平上，这一容限考虑了光纤的容差、接 头损耗以及因温度和老化引起的参数起伏。然而，为了对数据作进一步的处理，信号 幅度最好为恒定值，因此，主放大器需要在一定的动态范围内，该动态范围通常要求 超过2 0 d b 。对主放大器的这些要求可以通过限幅放大器r ( l i m i t i n ga m p l i f i e r ) 来实现。 限幅放大器的作用是把t i a 输出的幅度不同的模拟信号处理成等幅的数字信号， 同时对这些信号进行放大，这样处理过的信号才能被后面的信号处理电路识别。如图 3 3 所示，一种限幅放大器的结构包括一级输入缓冲、三级放大、一级用于驱动5 0 0 h m 传输线的输出缓冲、低通滤波和直流反馈、峰值检测和控制几部分组成，采用全差分、 级与级之间直接耦合。限幅放大器的工作原理是：当放大器的输入信号幅度超过一定 的电平时，放大器进入非线性工作区域，输出信号幅度达到限幅状态。 图3 3 一种限幅放大器的结构图 限幅放大器的限幅功能直接作用于每个单一脉冲，换句话说，限幅放大器能同时 1 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 抑制慢速和快速的幅度变化。限幅放大器中不存在时间常数的问题，所以它能更强地 抑制信号的幅度起伏。不仅如此，限幅放大器还具有以下优点【1 9 1 ： ( 1 ) 基本单元的简化使得寄生参数减少，加上高电流增益和非线性结构的联合运 用使限幅电路的工作速率更高。 ( 2 ) 由于减去了用于控制的逻辑电平，因而供电电压更小，功耗损耗也更小。 ( 3 ) 由于基本单元电路更简单且不需要增益控制环，因而芯片设计更简单，芯片 面积也更小。 ( 4 ) 由于外部元件更少，因而注入更简单。 3 2 2 光发射单元实现方案 光发射单元主要由d f b 型激光器、激光器驱动器( d r i v e r ) 两部分组成。由s f i 接口输入的1 0 0 b p s 电信号，通过1 0 0 欧姆差分传输线输入激光器驱动器，经激光器 驱动器输出后，再通过a c c o u p l e ( 交流耦合) 的方式与前端d f b 激光器通过5 0 欧 姆的差分传输线耦合。最后通过d f b 激光器把1 0 g b p s 电信号转变成光信号输出。 1 分布反馈式半导体激光器 t o s a 中集成的激光器为分布反馈式半导体激光器【2 0 】。分布反馈式半导体激光器 d f b 是一种基于布拉格反射原理的l d 。d f b 的结构如图3 4 所示。在i n g a a s p 有源 区的表面使用全息光刻法做成周期性的波纹形状，周期为人，用泵浦激发，形成粒子 数反转，则介质具备增益条件，如果波纹刻度深度满足要求，两端就可以得到激光输 出。d f b 型激光器用b r a g g 光栅作为反射机构，当入射角为0 光照射到光栅上时， 被周期性波纹散射，只有出射方向满足一定角度，各散射波才有叠加增强作用，其他 方向上的散射互相抵消。故只反射一定波长的光波，具有选频功能。它可以通过改变 光栅的周期来调整发射波长，发射频率的选择范围很宽( 自发发射频率范围内) ；横模 选择性好，容易实现单横模工作；偏振特性好，谱线宽度非常窄【2 1 1 。 1 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 分离接触k 波顶层 2 激光器驱动电路 图3 4d f b 的结构 愿 激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，并与无线电波相似。要用激光作为 信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。这种将信息加载于激光的 过程称为调制，完成这一过程的装置成为调制器。本课题研究使用的方法为直接调制。 所谓直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源，从而获得调制光信 号。由于它是在内部进行的，因此又被称为内调制圈。这种调制方式是目前光纤通信 系统普遍采用的实用化调制方法。激光器驱动电路主要由调制电路和控制电路组成。 所谓的驱动电路就是提供恒定的偏置电流和调制信号，并采用伺服回路以保持平均光 功率恒定的电路。控制电路的作用是消除温度变化和光源器件老化导致的输出光信号 的变化；调制电路的作用是如何将光信号加载到光源的发射光束上。激光器驱动电路 的基本功能是给激光二极管提供合适的偏置电流i b i a s 和调制电流i m o d 。如图3 5 所 示，( a ) 为激光器驱动电路功能图，( b ) 为输入输出特性曲线。激光二极管是一个电流 器件，它有一个阈值电流i m ，只有通过它的正向电流超过阈值电流i t h 时才发出激光， 而当驱动电流小于阈值电流时，激光二极管基本上不发光、谱线宽度很宽、方向性较 差的荧光。为了使激光二极管高速开关工作，必须对它加上略大于阈值电流的直流偏 置电流。调制电流是信息的载体，它与输入电压波形同步变化【2 3 1 。 1 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 r b i a s v c c ( 曩) 激光器驱动电路功能图( ”输入输出特性 图3 5 激光器驱动电路的功能