（通信与信息系统专业论文）小型封装sfp光纤收发器电路研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 光纤因其无可比拟的传输特性在接入网中得到了越来越广泛的应用，光 纤接入网是最能适应未来发展的解决方案。光通信的核心技术在于光器件和 光电器件技术，具有小型化、热插拔功能和自诊断功能等三大特点的千兆 8 f p 收发器将代替s i p 和g b i c 成为千兆收发器市场的主流，是通信用光电 器件发展的必然趋势。 本课题是湖北省科技攻关项目的子项目，目标是研制出满足m s a 协议和 s f f 一8 4 7 2 的适合于1 2 5 g b s 速率的小型封装的可插拔s f p 光收发模块。主 要任务是完成小型封装s f p 光纤收发器电路设计，原理图及p c b 版的绘制及 相关参数的测定的工作，难点为热插拔电路的设计，高速率的抗电磁干扰电 路的整合及更小封装电路的设计 建立在对千兆以太网有关标准分析的研究基础之上，本文提出千兆光纤 收发器实现技术方案并进行分析，就有关测试问题进行分析和研究，并提出 相关实现方法。我们设计的光纤收发器有良好的电磁兼容性，并保证了电路 板的供电特性和散热特性、支持全半双工自适应、具有数据诊断功能、准 确方便的判断网络故障、支持热插拔操作、兼容性良好。 本文阐述了接入网在整个现代通信网中的重要地位及光纤收发器成为 当前市场的迫切需要，对千兆以太网有关标准分析的研究，介绍了千兆s f p 光收发系统组成、原理、关键技术与实现方法设计，介绍了各类元器件尤其 是核心芯片与光收发一体模块的选择方法及原则，基于信号完整性分析的高 速数字p c b 的设计，在电路板设计过程中采用差分信号线布线的优势和布线 策略，对数字电路的串扰分析提出了对策。 关键词：千兆光纤收发器，热插拔。数据诊断，信号完整性，s f f 8 4 7 2 一一一一 茎堡型三盔兰堡主兰垡堡壅 一 a b s t r a c t t h ea c c e s sn e t w o r k ，o f t e nr e f e r r e da s ”t h el a s tm i l e ”o ft l l e i n t e m e t p l a y s a l l i m p o r t a n tr o l ei n t h eo v e r a l ln e t w o r k t h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rm o r e b a n d w i d t hr e q u i r e sn e wt r a n s m i t t i n gm e d i ao fb e t t e r t r a n s p o r t a t i o nq u a l i t y b e c a u s eo fi t s c o m p e t i t i v ep r o p e r t i e sf i b e rc o m e st o b et h e t o pc h o i c ea n d b e c o m e st h em a j o rf o r mo f n e t w o r k i n g t h ek e yt e c h n i q u eo fo p t i c a ln e t w o r ki s o p t i c a l & e l e c t r o n i cm e d i ac o n v e r t e r s w i t ht h ea d v e n to ft h en e wp h a s eo f f u l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h et e r m s “gb i f f s “h o t p l u g g a b l e ”a n d “d i a g n o s t i c m o n i t o r i n g ”h a v ea l r e a d yb e g u nt oc r e e pi n t ot h ep o p u l a rv o c a b u l a r y n oo n e c a n d e n yt h ef a c tt h a ts f pt r a n s c e i v e rw i l lt a k et h ep l a c eo fs i pa n dg b i c b e c o m e p o p u l a r i nt h em a r k e t t o d a y i nt h i s p a p e r , ak i n do fs i n g l e m o d es m a l l - f o r m p l u g g a b l et r a n s c e i v e r w h i c hm e e t st h ed e m a n d so fm s aa n ds f f 一8 4 7 2i s s u c c e s s f o l l y d e v e l o p e d b e c a u s eo fi t sf e a t u r e so fa b u n d a n tb a n d w i d t h ，h i g hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , a n d l o wc o s t ，t h ep r o d u c ts a t i s f i e st h em a r k e tr e q u i r e m e n to f d o m e s t i ci n t e m e ta c c e s s ， a n dh a ss h o w ng o o dm a r k e t i n gp e r f o r m a n c e t h e4 - l a y e rp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ， w h i c hp r o p o s e sg o o de l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , e l e c t r i c a lt r a i ta n dh e a t e l i m i n a t i o n ；f u l l h a l fd u p l e xa u t o - n e g o t i a t i o ns u p p o r t ；d i a g n o s t i cm o n i t o r i n g f o rm a l f u n c t i o ni n d i c a t i o na n dt r o u b l e s h o o t i n g ；s u p p o r t i n gh o t - p l u g g a b l e ；g o o d c o m p a t i b i l i t y ；g o o da t h e a te l i m i n a t i o n 。1 2 5 g b i t ss f po p t i ct r a n s c e i v e rh a s b e e nd e p l o y e di nv a r i o u sb r o a d b a n da p p l i c a t i o n sw i l l b eu s e di nb a c k b o n e n e t w o r k so f r i n go rd a i s y - c h a i nt o p o l o g i e s k e yw o r d s ：s f p , h o t - p l u g g a b l e ，d i a g n o s t i cm o n i t o r i n g ，s i g n a li n t e g r i t y ，s f f - 8 4 7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 光通信技术的发展趋势和展望1 l 1 2 i 随着i n t e m e t 的迅猛发展，通信技术的进步，电信业务的丰富以及全球 一体化的趋势，现有通信网已渐渐不能满足人们目益增长的对宽带高速数据 以及多媒体通信的需要，光纤高速传输技术正沿着扩大单一波长传输容量、 超长距离传输和波分复用系统三个方向发展，智能光网络、全光网络甚至全 光纤地球的梦想将会变成现实，在2 1 世纪必将形成一个光的世界。 1 1 2 接入网技术的发展现状及方向 面对核心嗣和用户侧带宽的快速增长，接入网己经成为全网带宽最后的 “瓶颈”，接入网的宽带化、数字化和业务综合化成为接入网发展的主要技术 趋势。 光纤接入网是最能适应未来发展的解决方案，是当前综合宽带接入的一 种经济有效的方式。可分为f t t c ，f t t b 和f t t h 等。f t t h 是接入网的发 展目标，是一个长期的任务。光纤通信系统以其巨大的带宽资源和相对低廉 的制造成本使得光纤接入网作为下代宽带通信网的基础成为不争的共识。 在过去的2 0 年里，在一对光纤上的信息传输总速率从每秒2 兆、1 5 兆比特 到每秒数太比特，提高了近1 0 0 万倍，预计在未来1 0 年里还将提高1 0 0 倍 左右。光纤通信的技术也从单纯的光传输技术发展到包含光交换技术的全光 网络技术。 1 1 3 高速局域网标准的分析和比较1 4 1 传统的低速网络已远远不能满足人们对带宽、速度的需求，即使是 1 0 0 m b p s 的高速局域网也面临着向干兆局域网升级的选择。千兆位以太网是 在1 0 0 b a s e t 的基础上发展起来的超高速网络技术。 武汉理 j 大学硕士学位论文 一、 1 0 0 m b p s 局域网标准分析【5 】 “高速局域网络”是指传输速率达每秒数百m b p s 的网络。“局域网络 标准”是指l a n 的通信标准、媒介取得方法、传输媒介等符合公订的规格。 目前流行的高速网络标准有f d d i ，1 0 0 me t h e m e t ，a t m ，g i g a b i te t h e m e t 二、千兆以太网工作结构 l 、全双工模式 千兆比以太网可以在全双工或半双工模式下运行。在全双工模式下，数 据帧在同一连接的两个通道上同时双向传送，其总带宽为半双工的2 倍，只 能用于点到点连接，不被共享，也就消除了冲突，无须c s m a c d 接入控制机 制。全双工传输可配置在2 个交换机端口间，服务器或工作站与交换机端口 间，或者2 个工作站之间。 2 、半双工模式恻 千兆比以太网半双工模式可用于共享的多站局域网，即2 个或更多个末 端站点共享单个端口。由于利用c s m a c d 协议，它对段长较敏感。当以千 兆比速度在1 0 0 m 长的电缆上传送6 4 字节的帧时，标准以太网帧的时隙 f s l o t t i m e ) 就不够长了。为了解决将半双工以太网提速为千兆比，c s m a c d 遇到的短帧定时问题，要用到所谓的载波扩展技术( c a r r i e r e x t e n s i o n ) ，将时隙 扩展以保证至少5 1 2 字节。 原以太网帧 l 一原以太同时隙i 空j 帧 前l 起始j 目的i 淫 帧长l 数l 帧技l 帧 空 阁妇始i 同步i 定界i 地址i 地址l 类型l 据i 验序i 结柬i 闻 千兆比以太网帧 捻i 燕l 耋冀艘l 盎i 聪刻蓑攀1 热黼i i i i 隔b 始l 同步l 定界i 地址i 地址i 类型1 据l 验序l 结柬l i | 1 侧i 阁 一，i2 字节对躁。i 图1 - 1原以太网与千兆比以太网帧结构比较 1 1 4 光以太网应用趋势1 7 l 过去单纯的光链路只把互相隔绝的l a n 连接起来，而光以太网的发展 早已超乎这种简单应用。 一 垫堡里兰盔堂堕主堂垡堡茎 图1 - 2 光信道传输速率的发展趋势 以太网是最成功的网络技术，光以太网也会因此而得到进步发展。在 当今世界5 0 0 强企业中，f t t b 已经大规模。建造f t l h 网络的成本并不比 全部的外建d s l 或双向c a t v 升级的成本高多少，但f t t h 潜在能力却比 d s l 或c a t v 高许多。 中国光通信和网络的发展成就斐然，发展趋势表明5 1 0 年以后会有更 高的需求，传输速率在呈指数级数增长，那么在其上下链路将需要应用大量 的干兆光收发器。我们研发的s f p 又称m i n i - g b i c 模块，是继标准化的可 热插拔光接口模块g b i c 之后的第二代产品。干兆s f p 收发器将代替g b i c 成为千兆收发器市场的主流，具有及其广阔的前景。 1 2s f p 国内外现状及动态研究 光模块核心基本功能就是在电气和光传输网络之间提供接口，支持这些 应用通常需要各种不同类型的光模块，每个模块集中解决一组基于光前端和 电气接口所定义参数的特定要求。这是促使人们不断关注、研发、采用标准 的现成光模块的主要推动力。 1 2 1 千兆s f p 光收发器的主要特点 光通信的核心技术在于光器件和光电器件技术光器件和光电器件技术 的发展方向是光集成( p i c ) 和光电集成( o e i c ) ，单个的光发送接收器件到现 在流行的光收发模块，将光器件和电子电路集成在一起的光电集成，将驱动 电路与l d 集成的光发射组件，将光检测器与前置放大器、限幅放大器、判 3 武汉理工大学硕士学位论文 决电路等集成在一起的光接收组件等，都是发展的重要方向。 予兆s f p 光收发器应用面广。光纤通道指定的标准g b i c ( g i g a b i t i n t e r f a c ec o n v e r t e r ) 光收发器，发展为支持干兆以太网并且成为其事实上的 接口标准。随着对产品低成本、高端口密度的要求，产生了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 ) 收发器，部分光纤收发器制造商和连接器制造商合作开发 了新一代的插入式光收发器的标准，签署了小尺寸可热插拨式s f p 收发器 多方协议( m s a ) ，s f p 收发器有望支持适用于s f f 的上述三种连接方式。 s f p 又称m 州i g b i c 模块，是继标准化的可热插拔光接口模块g b i c 之后的第二代产品，核心是光收发器、连接器，光缆链路和互补型多通道物 理层( p h y ) 集成电路。多源s f p 协议中支持光纤信道、千兆以太网、 a t m s o n e t s d h 、快速以太网、f d d i 和i n f i n i b a n d ( i b ) 协议。 s f p 收发器内存储芯片，用于储存器件型号、制造商、序列号、器件的 数据速率等信息；其自动诊断功能可以有效保证系统运行的可靠性。s f p 光 纤收发器“热插拔”，使系统配置实现了更高的灵活性，可以在系统不问断的 情况下，进行单一线路维护，消除升级和维护过程中的系统中断。外形尺寸 不断缩小是从插拔式模块转向s f p 的主要推动力。 具有小型化、热插拔功能和自诊断功能等三大特点的千兆s f p 收发器， 将代替g b i c 成为千兆收发器市场的主流，是通信用光电器件发展的必然趋 势。 1 2 2 国内外现状及技术的发展趋势1 9 1 【i o i 1 1 1 在国外s f p 光收发模块一经推向市场就得到市场的认可，国外s f p 封 装的光模块的传输速率从1 5 5 m b s 、6 2 2 m b s 、1 2 5 g b s 、到2 5 g b s 相继开 发完成，1 5 5 m b s 、6 2 2 m b s 的s f p 模块已经在国外大面积使用，传输距离 也由开始的5 0 0 r n 发展到现在的1 5 k m ，并向更高速率和更远传输距离方向 发展。 由于s f p 模块集成度高，p c b 上数据信号处理难度大，激光器小型化 封装精度高，以及相关的器件散热控制特别难处理等相关难题导致国内企 业和研究机构开发s f p 器件的速度相对滞后。 武汉理工大学硕十学位论文 1 3 课题具体技术路线 具体技术路线 1 1 厂彳菊夏磊丽磊订 1 ，_ j 武汉理1 ：大学硕士学位论文 第2 章千兆光收发模块总体方案 2 1 千兆光收发合一模块设计方案 2 1 1 千兆光收发合一模块电路的设计思路1 1 2 i 1 3 1 1 4 1 光纤通信是以光为载波，以光纤为传输媒介的一种通信方式。随着光纤 传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降，光纤带宽不断增加，光源的 寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断改善，光纤通信逐渐成熟。 光源的发光波长应与光纤的三个低损耗窗口对应，它们以o 8 5ur f l 、1 3 0 u m 、1 5 5u m 为中心，1 3 0u m 为零色散窗口，1 5 5u m 为最低损耗窗口。 电 图2 - 1光纤传输系统方框图 光纤传输系统由光发端机、光收端机、光纤等组成。光发端机完成将电 信号调制至光载波上去，采用强度调制( i m ) ；光接收机完成光信号的解调， 采用直接检测( d d ) ，属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，直接检 测由半导体光检测器将光信号转换成电信号。我们设计的1 2 5 g 光收发台一 模块采用的中心波长为1 3 1 0 r i m 。 2 1 2 光收发模块的组成及原理 千兆s f p 光收发模块遵从千兆以太网标准和小封装可插拔( s f p ) 多源 协议( m s a ) ，s f p 光模块可以在主系统不断电的情况下向主机中插入或者 拔出。 光收发合一模块是将传统的分离发射、接收组件合二为一密封在同一个 6 武汉理工大学硕士学位论文 管壳内的新型光电器件，在组件中采用高集成度的集成电路( i c ) 来分别完 成发射模块的a p c 、温度补偿、驱动、启动保护等功能以及接收模块的前 置放大、信号告警、限幅放大等功能，其尺寸和光发射模块或光接收模块相 当或更小，光收发组件是实现低成本双向传输和光互连的最佳方案。光收发 图2 - 2 光收发合一模块的原理 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，减少了 两者之间的串扰。光收发模块由光电子器件、功能电路和光接口等结构件组 成，光电子器件包括发射和接收两部分，发射部分可选用l e d ，v c s e l ，f p l d d f bl d 等几种光源；接收部分可用p i n 型和a p d 型等光探测器。 1 ) 发射器部分 ! i ! 墨里兰奎堂堡圭兰鱼笙茎 模块发射部分在光传输过程中起到一个电光转换的过程，光发射模块 输入的是电信号，输出的是光信号，内部的激光器驱动芯片首先将输入的电 信号，调制成满足数字光纤传输性能的激光器驱动信号，激光器在驱动信号 的驱动下发出相应光信号，光信号被耦合到光纤中并传输到接收端。在数字 光纤通信中，光源发出的光可看作是光频载波，通过调制使其载荷，一般采 用强度调制的方式。光发射机通常是由信号处理电路、激光光源驱动与调制 电路、自动偏置控制电路、报警电路、温控电路和激光源等几部分组成。发 射器部分包括一个激光器l d ，由片硅芯片驱动芯片将差分逻辑信号转 换为模拟的激光二极管驱动电流。发送驱动电路调节平均光功率，经过调节 的光输出将维持一个接近常量的光功率。 2 ) 接收器部分 光接收机与以太网光发射机要在网络上配对使用，因此光接收机按其光 发射机采用的调制方式可分为光壹接检测和光外差( 相干) 检测两类。关于光 外差( 相干) 检测接收机还存在许多难题待于去解决，如激光源频率稳定性、 光谱纯度( 单色性) 、偏振保持以及利用锁相环的光载波同步等问题，我们的 设计利用光直接检测光接收机的工作原理。接收器包括一个p i n 光敏二极 管，它与一个互阻前置放大器芯片连接在一起，位于系统( o s a ) 中。o s a 与 一个提供后置放大和量化的芯片连接在一起。这部分电路还包括_ 个丢失信 号检测电路，当失去可用的输入光信号，或者光纤未连接或断掉时，会输出 集电极开路逻辑高电平。 3 ) 串行识别( e e p r o m ) 遵从于工业标准的m s a 和s f f 8 4 7 2 定义的串行识别协议。这个办议使用 两信号线的串行e 2 p r o m ，型号是d s l 8 5 9 或类似的芯片 2 1 3 光收发模块技术指标 1 ) 工作条件( t = 2 54 c ) ，v c c = + 3 3 v , p a v g = 一4 d b m ，消光比= 1 0 d b 参数符号条什最小典型最大单位 温度 t a 4 08 5 电压 v c c3o3 33 6 3 v 速率s o n e t 模式f 2 ”1 ) 1 5 52 7 g b p s 武汉理工火学硕士学位论文 以太网模式( 2 7 1 ) 0 1 0 2 7 差分输入v i d2 0 02 4 0 0 m v p p t t l 输入电压( 低)v l l1 1v t t l 输入电压( 高)v f h 2 6v 2 ) 发射部分技术指标 ( t = 2 5 。c ) ，v c c = + 3 3 v , p a v g = - 4 d b m ，消光 l = 1 0 d b i参数条件范围 l 工作波长( n m ) 1 3 1 01 2 8 0 13 3 5 i 电源电压( v ) v c ct y p 3 3 4 - 4 5 输出平均光功率( d b m ) t x d i s a b l e 有效 6 0 消光比( d b ) e xl o t j 峰峰值抖动( p s p - p ) 3 7 抖动特性 r j 随机抖动( p s r m s l 1 7 上升时间( p s ) 2 0 8 0 5 l 下降时间( p s ) 8 0 一2 0 1 5 0 工作温度( j ) 2 0 + 7 0 存储温度( 口) - 4 0 + 8 5 引线焊接温度( 二) 2 6 0 引线焊接时间( s ) 5 1 0 n o t e1 ：测量速率2 4 8 8g b p s ，码型2 那1p r b s 输入数据模式 n o t e2 ：消光比变化是指能在多边标度下获得变化值 n o t e3 ：测量速率2 4 8 8g b p s ，重复发送0 0 0 0 01 1l l1 模式 n o t e4 ：测量使用未过滤的光纤输出 n o t e5 ：包含有来自于测试设备的1 7 p s 的总抖动 n o t e6 ：眼图边沿是在使用标准的眼图限幅滤波器获得3 0 0 0 波形时测量。 3 ) 接收部分技术指标 ( t = 2 5 。c ) ，v c c = + 3 3 v , p a v g = 一4 d b m ，消光比。l o d b |参数 条件 典型值 i 电源电流m a 只接收 8 3 1 接收器灵敏度( d b m ) 速率= 1 2 5 g b p s 2 48 武汉理工大学硕士学位论文 晟犬输入平均光功率( d b m ) 5 收发器灵敏度( d b m ) 速率= 1 2 5 g 一2 4 _ 8 强调 - 2 6 3 l 失光( d b m ) 非强调 2 4 0 失光滞后( d b ) 2 3 4 ) 光收发器时序 t xd i s a b l e 信号有时间t c 见注1 1 8 0 u s t x _ d i s a b l e 信号无效时间t 0 n 见注2 1 8 4 u s t x f a u l t 重置时间t r r r r 见注3 6 4 m s t x _ f a u l t 信号有效时间t i f a u l t 见注4 6 4 u m l o s 信号有效时间t l o s 见注5 5 0 u s t x d i s a b l en ：戤t n 见注6 5 u s 注1 ：信号上升沿到光功率稳定5 状态时间 注2 ：当t xf a u l t = o 时，信号下降沿到光功率达到9 5 稳定值时间 注3 ：开电源到利用t xd i s a b l e 信号使t xf a u l t 信号失效所需时间。 注4 ：错误发生到信号t xf a u l t 显示时间，c r a u l t 2 0 p f , r f a u l t = 4 7 k q 注5 ：信号从l o s 状态到l o s 确认时间 注6 ：t xd i s a b l e 必须保持高电平到重置t x f a u l t 所需时间 2 2 光收发模块设计方案选择1 1 5 i 1 1 6 2 2 1 光源的选用 一、选用原则 光纤通信系统传输的是光信号，作为信号传输的载体携带信号在光纤传 输线中传送。由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，其中光源器件是重要的 器件之一，应满足以下要求： f 1 ) 体积小，与光纤之间有较高的耦合效率； ( 2 ) 发射的光波波长应位于光纤的低损耗窗口，即1 3 1u r f l 波段； ( 3 ) 可以进行光强度调制； ( 4 1 可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好， f 5 、发射的光功率足够高，以便可以传输较n n 距n ； ( 6 、温度稳定性好，温度变化时输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。 1 0 亟堡堡三查堂雯主兰堡垒塞 二、光源简介、特性、分类、原理 通过向p - n 结注入少数载流子来实现受激发射，通过各种方法扰动导带 电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，以同 样频率的电磁辐射作用来提高辐射复合的速率，是激光器( l a s e r ) 的最早概 念。早期激光二极管都是宽接触同质结的，是在体材料上采用杂质扩散的方 法来形成p - n 结。双异质结激光器的阔世开创了半导体激光器发展的新时 期。 1 半导体光源 光纤通信用光源的激射波长应在低损耗窗口波段，光源的发射功率要 大，调制特性要好，可靠性高，适应性强，且价格要便宜，半导体光源是目 前光通信系统中最为重要的光源。 分为成本相对低的多纵模f p ( f a b r y p e r o t ) 法布里一珀罗激光器、高速光 通信基本上采用的单纵模的分布布拉格反射激光器( d b r 乙d ) 、中长距离 d w d m 系统和c a t v 系统多采用d f b l d 、垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 及可调谐激光器。 表2 - 1光模块激光器分类 工作波长 类型特点 ( n m ) 低成本，性能般，只能 l e d l i g h te m i t t i n g 8 5 0 用于1 0 0 m 左右低速传输 通用，性能尚可可用于 f p f a b r y - p e r o tl a s e r 1 3 1 0 中距离高速传输 d i s t r i b u t i o n f e e d b a c k 1 3 1 0 成本较高，能提供较高功 d f b l e a s e r 率，用于长途传输 1 5 5 0 v e r i c a lc a v i t ys u f a c e 8 5 0 生产成本低，短距离传输， v c s e l e m i t t i n gl a s e r 13 1 0 可用于高速 e l e c t r o a b s o r p t i o n 1 3 l o 成本很高。且需要提供较 e m l 高的电压，但可传输 m o d u l a t o rw i 也l a s e r 1 5 5 0 1 0 0 k m 以上的距离 i m z m a c h - z e n d e rm o d u l a t o r 使用很少工艺复杂 武汉理工大学硕士学位论文 2 、半导体激光二极管l d 工作特性 l d 通过正向偏压下p n 结中载流子的受激辐射复合而发出相干光，最简 单的激光器组件是包括l d ，p d 和尾纤的组件。下面主要讨论激光二极管常 用参数。 表2 - 2光模块激光器应用 工作波长 1 0 0 m b p1 5 5 m b p6 2 2 r b p 类型 2 5 g b p s 1 0 g b p s ( 脚) sss 8 5 0 l e d 1 3 1 0 f p1 3 1 0 1 3 1 0 d f b 1 5 5 0 8 5 0 v c s e l 1 3 1 0 1 3 1 0 e m l 1 5 5 0 m z _ u n c o o l e d e a m ( 1 ) p i 特性 l d 的p i 特性是指其输出功率p 随注入电流i 的变化关系。随着注入 电流的增加，其输出功率增加，但不是成直线关系，存在一个阈值电流i t h ， 只有当注入电流大于阂值电流后。输出功率才随注入电流急剧增加，发射出 激光，当注入电流小于阐值电流时，l d 发出的光谱很宽、相干性很差的自 发辐射光。 l d 的p i 特性随器件的工作温度变化而变化，是一个对温度很敏感的 器件，它的输出功率随温度发生很大的变化，其p - i 特性曲线是系统设计和 选择器件的重要依据。l d 的阈值电流越低越好，并且要求在阐值时的自发 辐射较小以保证足够的消光比。在直接注入电流调制时，由于调制依赖于阀 武汉理l ：人学硕十学位论文 值以上p i 曲线的线性关系，要求激光器具有良好的线性关系，尤其在模拟 调制时对线性的要求更高。 ( 2 ) 阈值电流( i t h ) 闽值电流是激光二极管开始振荡的正向电流。阈值电流随温度的升高而 加大，阈值电流与温度t 的关系可表示为 i t h ( t ) = i o e x p ( t t o ) 式中，t o 为器件的特征温度；t 、t 。都以绝对温度表示，i 。为常数。特征温 度表征了l d 的阐值电流对温度的敏感性，t 。越大，器件的温度稳定性越 好。阈值电流随温度的变化关系如下图所示。 蓁眩 图2 - 3阈值电流随温度的变化关系 ( 3 1 光输出功率( p o 或p f ) 在阐值电流以上所加正向电流达到规定的调制电流时，从激光二极管光 窗输出的光功率定义为p o ，对带有尾纤的激光二极管来说，把从光纤末端 发射出的光功率定义为p f 。光输出功率的单位为m w ，有时也用d b m 表示， d b m 是功率p o 相当于m w 的衡量单位，m w 和d b m 的换算公式为 d b m = i o l g ( p o ) 或p o = l o e x p ( d b m 1 0 ) ( 4 ) 上升下降时间 上升下降时间是指l d 输出功率的脉冲响应时间。把光脉冲的上升时 间定义为从额定光功率的l o s + 习j9 0 所需的时间，把光脉冲下降时间定 义为从额定光功率的9 0 降到1 0 所需的时间a 3 、光源的选用方案 当l d 的驱动电路一旦能采用自动功率控制技术( a p c ) ，l d 做光源就 武汉理工大学硕士学位论文 有明显的优点。首先功率较大，再就是其背向光检测控制使其工作有较强的 稳定性。我们根据设计要求，光波长为1 3 1 0 r i m ，速率为1 2 5 g h z ，以及成 本的考虑，选择了两个公司产的激光器以供参考：一种是p h o t o n 公司生 产的d f b 激光器，另一种是华工正元的波长为1 3 1 0 n m f p 激光器。下表是 这两种激光器的几种主要参数性能的指标。 性能指标p h o t o n 的d f b 激光器华工正元的f p 激光器 光输出功率( m w l 27 阈值电流( m a ) 61 0 工作电流( m a ) 1 82 5 上升沿下降沿时间( p s ) 2 0 03 0 0 在综合考虑性价比等各种因素后，我们决定采用华工正元的1 3 1 0 n m 的f p 激光器。 2 2 2 激光驱动芯片的选择1 1 7 1 1 1 8 1 激光器驱动芯片的性能指标主要有信道速率、调制电流、偏置电流及上 升沿和下降沿时间等。我们从查阅的资料中选择了其中的四种驱动芯片： c x 0 2 0 6 7 和c x b l 5 4 8 q y 及m a x 3 7 3 5 a 。这几种芯片的速率分别可以达到 1 2 5 g 、2 1 g 和2 0 g 及2 7 g ，在速度上可以满足我们的设计要求。其调制 电流分别为8 5 m a 、3 0 m a 和6 0 m a 。c x 0 2 0 6 7 的偏置电流为1 0 0 m a ，t r t f 为1 1 0 p s ，c x b l 5 4 8 q y 的偏置电流为6 0 m a ，t r t f 为1 7 0 p s 。m a x 3 7 3 5 的 调制电流在1 0 6 0 m a ，为+ 3 3 v 激光驱动器，用于数据速率范围从1 5 5 m b p s 至2 7 g b p s 的s f p s f f 系统。为驱动激光管，此芯片接收差分输入数据并提 供驱动激光器需要的偏置电流和调制电流。与激光器直流耦合可满足多速率 应用及减少外部元件数量。m a x 3 7 3 5 心d a x 3 7 3 5 a 完全满足s f pm s a 的时 序要求和s f f 8 4 7 2 发送诊断要求。自动功率控制( a p c ) 反馈环使平均光 功率在整个温度范围及工作寿命期间保持恒定。1 0 m a 至6 0 m a 的宽范围调 制电流( 交流耦合时可达8 5 m a ) ，并提供l m a 至1 0 0 m a 的偏置电流；所以 此芯片是用于驱动光纤模块中f p f d f b 激光二极管的理想选择。沿转换时间 p o = p a v g p l m o d 2 ( 公式3 9 ) 实际的消光比会被调整和保持到一个较理想的水平， e = p 1 p 0 = ( p p a v g + p l m o o 2 ) f p a v g p l m o j 2 ) ( 公式3 1 0 ) 常数a 和b 应该根据激光器的工作温度变化时平均斜度效率的变化来 决定。我们可以看到当环境温度从4 0 8 0 摄氏度变化时，阈值电流从2 5 4 8 m a 变化，相应的斜度效率为0 0 1 4 一o 0 1 9 2 ，取a = 3 3 ，7b = 0 7 5 时，满足 平均斜度效率方程。 我们希望的的消光比为e = 1 0 d b ，发射模块的输出平均光功率为 p a v g = - 4 d b m ，则补偿因子q 和调制电流的直流部分则可由前面的方程计算 q = 2 p a v g + 伊( e 一1 ) ( e + 1 ) ，i m o d s = 2 p a v g a ( e 一1 ) ( e + 1 ) ，根据这两个 2 8 一壁堡垄兰查兰堕主堂垡笙塞 参数可以计算出相应的调制电流就可以得到所需要的消光比。 ( 2 ) 减小关断光功率 上面所提的方法可以得到较大的消光比，但是由于这种方法要求激光器 有偏置电流，所以就可能出现关断光功率较大的情况，这样就会使产生的背 景噪声叠加后会淹没工作时隙中正在发射的信号，也会使系统的传输距离以 及接收模块趵灵敏度胯低。通常鳃决这个问题的方法是周帧信号去控制激光 器的偏设电流。由于开关信号和电路本身的延时，会使激光器产生光拖尾 使接收信号受干扰，即关断功率变大。 一厂l 注 图3 7减小拖尾的措施之一 因此我们在用帧信号控制驱动电路的同时，用一个起分流作用的场效应 管并在激光器两端，在工作帧的肘闼完结时，烽激光器的两端短路，这样有 效地减小了模块的拖尾现象。在帧信号加在场效应管的栅极时，只在太于其 夹断电压，场效应管处于截止状态。当帧信号结束时，栅极上的电压消失， 漏源极之间导通，将激光器短接了。这样就不会出现拖尾的现象了。通过结 合这几种技术，在有效地提高发射模块的消光比的同时，也可以获得合适的 关断光功率。消除了提高消光比与减小关断光功率之间的矛盾。 在大信号后紧跟小信号的情况下，大信号放电时间常数较大，极容易 产生拖尾，形成遂薇效应。在我拱7 的本项目研宠中，通过以上方法较好的解 决了上述问题，实现了光发射消光比可以达到l o d b ，关断光功率小于 6 0 d b m 。完全可以满足系统要求。 3 6 2 盘动光功宰控制1 2 9 i 1 3 0 j 激光器的射频特性与器件的偏置电流关系很大。当偏最电流超过阈值 时，光功率会线性增加。激光器的频率特性( 如噪声、频晌、失真) 与光功率 的平方摄( 或超过阚僮的偏要电流) 成比例。光发送机中激光器的光输出功率 2 q 武汉理t 大学硕士学位论文 必须非常稳定，否则必然会影响到传输网络的稳定性。而激光器的闽值电流、 偏置电流和光输出功率都与激光器的工作温度有密切的关系。激光器的内部 发热都将使其性能大大降低。因此，光发送机的自动功率控n ( a t c ) 电路和 自动温度控s t j ( a t c ) 电路在保证光发送机正常工作中起着非常重要的作用。 出于激光器的电流一光输出特性和温度有特别紧密的关系，并且激光器 还会老化，就需要一个基于监视二极管反馈信号的自动功率控制电路a p c 。 下图所示的电路就是一个光驱动电路中这个功能的一个传统的应用。 3 6 3 延时补偿问题 下图为带延时补偿功能的光驱动级，1 i o d c 为接通延时补偿电路。传统 的电流控制差分电路由数字控制的电流开关所取代，它仅仅在出现有效的帧 时才消耗电流，准确的说是在仅仅在发射一个比特时才消耗电流，极大地降 低了功率消耗。由于接通延时和抖动会因此而产生光图形的失真，接通延时 f 大约1 3 n s ) 在接通延时电路t o d c 处进行了预补偿。眼图的张开度主要由 抖动来决定( ( o 3 n s 峰一峰值) 。光二极管在信号结束时产生的光学拖尾是极 为有害的，由一个p 沟道的耗尽型场效应管来抑制。 图3 - 8 带延时补偿的光驱动级 3 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 7 千兆光接收模块设计方案选择与实现 3 7 1 接收模块主要电路分析设计和各部分功能 发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也 展宽了，光接收机的作用就是把经过传输后的微弱光信号转变为电信号，并 放大、整形、再生成原输入信号。它的主要器件是利用光电效应把光信号转 变为电信号的光电检测器。 在数字接收模块中，还要增加判决、时钟提取和自动增益控s t ( a g c ) 等 电路。在光接收模块中，首先由光电检测器( 光电二级管或雪崩光电二极管) ， 对光信号解调，将光信号转换为电信号。光电检测器的输出电流信号很小， 必须由低噪声前置放大器进行放大。光电检测器和前置放大器构成光接收模 块的前端，其性能是决定接收灵敏度的主要因素，主放大器与均衡器构成接 收模块的线性通道，对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，降低误码 率。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。光接收模块性能的优劣主要技 术指标是接收灵敏度、误码率或信噪比、带宽和动态范围。 町湎 广7 i 一。j | 一 ，- j 巽l 蓑k j 垂_ 裳l 一梨孔 羹l 銮 套l 蠢5i 器 11 器 一a g c 电路一1 时钟恢复 图3 。9 接收模块方框图 3 7 2 光接收技术” 光接收模块将光信号转化为电信号通常采用四种判决方式，即固定闽 值、自动增益控葡j ( a g c ) 、交流耦合、边沿触发。 3 l 一一一 亟堡堡三叁兰堡主堂堡笙塞 1 、固定阈值检测判决最为简单，它将接收到的信号电平同设定的判决 电平去比较，而后输出逻辑电平。实际上，由于判决点没有设置在信号峰 峰值的5 0 的理想位置处，这样对于大信号和小信号由于噪声而引起的误判 及脉宽失真而引起的误判可能性将较大。其优点是对信号的占空比不要求。 2 、在a g c 接收模式中，光接收模块检测信号的平均值和峰一峰值，然 后将判决点设置在峰蜂值的5 0 处，因此。噪声和脉宽失真对小信号和大 信号引起的误判减到虽小；另外，为了适应不同的入射功率，需要响应延迟 方能正常工作。 3 、交流耦合光接收模块是将各增益级通过电容串联起来，以消除直流 电平漂移的影响，当输入信号增加时，从第一级开始逐级钳位，由于增益是 差分输入、差分输出，且通过电容耦合，判决电平始终保持在峰一峰值的5 0 处，因此，噪声和脉宽失真对小信号和大信号引起的误判将减到最小。但要 求在电容的时间常数内，数据的占空比为5 0 且仍然有响应延迟。 4 、边沿触发通过微分电路对信号边沿进行微分处理，再由施密特触发 器锁定逻辑输出。实际上，由于上升沿和下降沿并不是十分对称，所以有脉 宽失真产生，但较固定阅值检测判决方法已有很大改善。 3 7 3 交流耦合方式 交流祸合方式有两种方法：基线调整技术和边缘检测技术。在基线调整 交流耦台方式接收模块中，根据信头中信号电平的平均值来调整数据区的信 号电平，使之趋向基线电平，这种方式需要一个信元时钟来控制耦合时间常 数，控制较复杂。丽交流耦合的边沿检测接收模块的原理是由非归零码光信 号经光电转换并放大后，由微分器滤除了信号中的直流分量。经积分后恢复 出原始信号。其特点是不需要插入额外比特进行阂值确定或者振幅调整，但 是积分器和微分器增加了误码概率。 接收模块在交流耦合之后，要对信号进一步线性放大，再进行整形判别 输出另外，判别电路对幅度不均衡信号进行判别时，将要么出现小信号的 丢失，要么出现大信号的脉宽失真，由于直流分量的变化使电容充放电，将 引起误码。同时，由于以往接收模块的设计更多的是采用交流耦合的判决方 式，由于增益是差分输入、差分输出，且通过电容祸合，判决电平始终保持 武汉理工大学硕士学位论文 在峰一峰值的5 0 处，对于1 0 0 m b s 下的速率是可取的，当信号频率更高 时，接收模块需要快速建立逻辑阕值以响应下一个到来的数据信号，理想的 逻辑阈值应主要集中在即将到来的