（通信与信息系统专业论文）一种带tec制冷热的10gbitssfp光收发模块设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 。跏l 。i l t f 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：备。条 导师( 签名) ：谚砑琵日期堋“，厂 -一，lr，i， 0l 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着增强型8 5 g 光纤通道和1 0 g e t h e m e t 高速光网络协议的快速 发展，对超高速率光收发模块的需求日益增加，同时对模块端口密度及功耗的 要求也越来越高。 10 g b i t s 光收发模块在过去的几年里，经历了从3 0 0 p i n m s a 、x e n p a k 、 x p a k 、x 2 、x f p 到s f p + 的演变。x f p 在电信领域和部分数据通信领域已经取 得了成功，而s f p + 作为s f p 的升级版本，符合i e e e8 0 2 3 a e a q 和8 g 1 0 g 光纤 通道协议规范，它把用于时钟和数据恢复的电路从芯片中转移到线卡上，与x f p 相比模块尺寸减少4 0 ，具有更高的端口密度和更低的功耗。s f p + 依据不同的 端口类型可分为1 0 g b a s e s r 、l r 、e r 和z r ，传输距离也从当初的3 0 0 m 增 加到1 0 k m 、4 0 k m 和8 0 k m 。 本文在此背景下，对带t e c 热电制冷( 热) 的1 0 g b i t s 的s f p + 光收发模块 展开研究。详细介绍了光模块原理、t e c 原理、光模块硬件设计和光模块软件 系统设计。在硬件电路设计中，本文采用电吸收外调制激光器和p i n 探测器作 为光收发器件以减少激光器的啁啾效应和提高接收灵敏度；采用了数字p i d 算 法对t e cl o o p 进行自动控制来保持激光器工作温度的稳定。在软件设计中， 本文分别对软件系统中的主模快、1 2 c 从机驱动模块、调制电流控制模块和 e e p r o m 读写模块进行了研究。 最后为验证模块的性能，本文还分别对光收发模块进行了常规和特殊性能 指标测试，通过测试，设计的1 0 g b i t s4 0 k m s f p + 光收发模块其消光比、灵敏度、 l o s s 告警解告警及i n r u s h 等几项重要指标均达到了预期的设计目标。 关键词：s f p + ，t e c ，电吸收外调制激光器，数字p i d ，| ” l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，h i g h s p e e do p t i c a ln e t w o r k i n gp r o t o c o l sl i k e8 5 gf i b e r c h a n n e la n d10 g e t h e r n e ta r ee x p a n d i n g ，a n dt h ed e m a n df o ru l t r a - h i g h s p e e d o p t i c a lt r a n s c e i v e r si si n c r e a s i n gr a p i d l y m o r e o v e r ，t h en u m b e ro fp o r t sp e ru n i t n e e d st ob eg r e a t e rt h a nt h a to ft h ea n c i e n ts y s t e m s 10 g b i t so p t i c a lm o d u l e sh a v ee v o l v e dw i t h i nt h el a s ts e v e r a ly e a r sf r o m3 0 0p i n m s at ox e n p a k ，x p a k ，x 2 ，x f pa n ds f p + x f ph a ss u c c e e d e di nt e l e c o m a n ds o m ed a t a c o mf i e l d s ，s f p + m o d u l e sw h i c hs u p p o r ti e e e8 0 2 3 a e a qa n d 8 g 10 gf i b e rc h a n n e la r es i m i l a rt os f p ，a n dt h e ya r ea b o u t4 0 s m a l l e rt h a nx f p m o d u l e s ，a c h i e v el o w e rp o w e ra n dh i g h e rp o r td e n s i t yd e s i g n sb yn o tr e q u i r i n gt h e c l o c ka n dd a t ar e c o v e r y ( c d r ) i nt h em o d u l e d i f f e r e n tp o r tt y p e si n c l u d e 1o g b a s e s r ， l r ， e ra n dz r t h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fs f p + m o d u l e sh a s g r a d u a l l yi n c r e a s e db y10 k m ，4 0 k m ， a n d8 0 k mf r o mt h ei n i t i a l3 0 0 m o nb a s i so ft h ea b o v e ，t h ep a p e rm a k e sar e s e a r c ho nt h es m a l lf o r m - f a c t o r p l u g g a b l ep l u s ( s f p + ) 诵t l lt h et e cc o n t r o lc i r c u i tf u n c t i o n ，a n dd o e sad e e ps t u d y o fo p t i c a lm o d u l ep r i n c i p l e ，t e cp r i n c i p l e ， o p t i c a lm o d u l eh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g n i nt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ， e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t e dl a s e r s a n dp i nh a v eb e e n u s e da so p t i c a lt r a n s c e i v e rd e v i c e st or e d u c et h ec h i r p e de f f e c ta n d i m p r o v et h er e c e i v e rs e n s i t i v i t y ；d i g i t a lp i dp a r a m e t e r sa l s ob e e nu s e dt ok e e pt h e e m ll a s e rt e m p e r a t u r es t a b i l i t y i ns o f t w a r ed e s i g n ，t h es t u d yo fm a i nm o d u l e ，i z c s l a v e ，a m cm o d u l ea n de e p r o mm o d u l ea r ei n v o l v e di ns o f t w a r es y s t e m f i n a l l y ，i no r d e rt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fm o d u l e s ，s e v e r a lc o m m o n t e s t s a n ds p e c i a lt e s t sa l eg i v e nb ya u t h o r t h r o u g ht e s t i n g ，i ts h o w st h a ts e v e r a l i m p o r t a n tp a r a m e t e r so f10 g b i t s4 0 k ms f p + o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ei sp r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h i sp r o g r a m ，s u c ha s ，e x t i n c t i o nr a t i o n ，s e n s i t i v i t y ，l o s sa s s e r t l o s sd e - a s s e r ta n di n r u s h e t c t h i sw e l li l l u s t r a t e st h a tt h er e s e a r c hh a sa c h i e v e dt h e d e s i g n e do b j e c t k e yw o r d s ：s f p + ，t e c ， e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t e dl a s e r ，d i g i t a lp i d i l 善 v 参 2 3 1 接口部分6 2 3 2 发射部分。8 2 3 3 接收部分1 4 2 3 4 控制部分l7 2 4 本章小结2 0 第3 章s f p + 光模块软件设计2 1 3 1 软件系统结构2 1 3 1 1 系统模块概述2 1 3 2 2 系统存储空间的分配2 3 3 2 软件运行设计2 4 3 2 1 光模块主流程2 4 3 2 2m o n i t o rd d m 模块实现2 5 3 2 31 2 cs l a v e 模块设计2 9 3 2 4a m c 模块设计3 3 3 2 5e p r o m 模块设计3 5 3 3 小结3 7 第4 章s f p + 光模块的性能测试和数据分析3 8 4 1 测试设备3 8 4 2 发射模块的测试3 8 1 2 1 ) 1 2 ，j 章l l l 章互2 2 1 2 第 第 叫 龟 夸 一 ， q f r 武汉理工大学硕士学位 1 1 研究背景及意义 第1 章绪 随着新型宽带业务开发、i p t v 相关业务推进等新型细分市场的推进，全球 光通信市场进入了新一轮发展的景气周期。受宽带市场日益增长的影响，目前 以太网已经成为光模块的最大应用领域，与此同时，骨干网络和核心数据中心 互联对带宽的需求也越来越高。这些都促使1 0 g 光以太网接口走向商业市场， 市场份额不断扩大【l j 。 当前基于铜线的1 0 g b i t s 技术已经标准化，正逐步市场化，但由于受到功率 损耗、串扰以及低端口密度等问题的困扰，其市场化过程困难重重。在这个背 景下，一种带t e c 热电制冷( 热) 的新型s f p + 光收发模块提供了一种性价比更 高的1 0 g b i t s 的解决方案。 目前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 、x f p 、s f p + 六种。它们具有各自不同的优缺点，x e n p a k 和x 2 模块是目前技术最成熟、应 用最广泛的1 0 g b i t s 模块，可以满足所有应用场合的要求，它们拥有四通道x a u i ( 1 0 g 附加单元接口) 接口，降低了在板卡上设计高速电路的难度。x f p 模块 具有更高的端口密度，支持大多数的应用场合，其成本比x e n p a k 和x 2 要低。 1 ) 从s f p 到s f p + s f p 可以理解为g b i c 模块的升级版本，传输速率主要以千兆和百兆为主， 尽管体积只有g b i c 的一半，但在相同面板上配置的端口数量却是g b i c 的一倍 以上【2 1 。由于s f p 模块在功能上与g b i c 基本一致，所以也被一些设备厂商称为 小型化g b i c ( m i n i g b i c ) 。而s f p + 贝j j 是在s f p 的基础上发展而来，虽然s f p 已经在1 g 、2 g 、4 g 光纤通道上得到广泛应用，然而为了适应更高的数据速率， s f f ( s m a l lf o r mf a c t o r ) 委员会定义了最大支持1 1 1 g b p s 的s f p + 技术，设计 了比s f p 更强的电磁屏蔽与信号保护特性，并且制定了新的电接口规范 ，s f f 8 4 3 1r e v 3 0 。s f p + 光收发器不仅可以为任何1 0 g b i t s 光模块提供最大限度 的端口数量，更重要的是能保证性能不输于其它已有模块的基础上极大降低生 产成本。根据不同的传输距离，s f p + 可分为s f p + s r 、s f p + l r 、s f p + e r 和 q f 、和 ， o 武汉理工大学硕士学位论文 s f p + z r 四种。其中s f p + s r 的最长传输距离为3 3 0 m ，其余依次为l o k m 、4 0 k m 和8 0 k i n 。 2 ) 从x f p 到s f p + x f p 作为一种数据透明的多速率光收发模块，是第一个采用1 0 g b 串行x f i 内部接口替代4 个2 s g b 通道的模块。由于在电路板上走l o g b 信号线有难度， 因此在许多用户卡中，x f p 仍需与一个串行器解串器配合使用，然而真正驱动 s f p + 发展的主要因素是它的低功耗，x f p 的功耗最大3 5 w ，而s f p + 的功耗最 高为1 5 w ，这样s f p + 不需要专门的散热部件进行散热便可降低整板的功耗以及 对散热的要求。在光模块方面，s f p + 和x f p 模块的主要区别在于s f p + 模块中 没有了c d r ( 时钟数据恢复器) 模块，c d r 均要在物理层中实现，且物理层中 需要包含预加重均衡模块。s f p + 相比x f p 首先采用单一电源供电，减少对系统 电源的需求，降低了系统功耗。其次，s f p + 信号数量减少，提高了接口密度， 且接口不再需要1 6 1 2 5 m 】陇的高频时钟。 随着s f p + 走进设计之中，在用户卡上直接走1 0 g b 布线的设计出现越来越 多，s e r d e s 芯片也不断的从用户卡中分离出来被安装在主板上，以便于人们保 留其控制逻辑的并行接口，而不必承受重新设计a s i c 所带来的痛苦和成本。 1 2 国内外研究现状 全球光模块市场在经历2 0 0 8 年底至2 0 0 9 年初的快速下滑之后，从2 0 0 9 年 二季度开始，几乎所有主要的光模块供应商均表示订单在增长。在3 g 建设和 f t t x 规模部署的带动下，中国市场对光模块的需求还要超过同期国外市场增长 率【3 - 5 1 。 作为国外光模块市场的领导者，f i n i s a r 和o p n e x t 的业绩表现在一定程度上 反映了该市场的整体趋势。2 0 1 0 年一季度f i n i s a r 销售收入增长至1 8 8 5 亿美元， 环比增长1 2 9 ，来自应用于1 0 g 或1 0 g 以上产品的销售收入增长了9 8 。 o p n e x t 今年一季度4 0 g 业务虽然出现大幅回升，而1 0 g 业务环比下降超过一成。 不过，与去年同期相比，4 0 g 业务下降依然明显，而1 0 g 业务却增长了近2 0 。 据i c c s z 统计，第一季度国内1 0 ( 3 光模块业务也同比增长9 1 ，市场需求旺 盛，业绩表现良好。 当前国内外s f p + 模块的主要供应商有：f i n i s a r 、o p n e x t 、w t d 、华工正源、 新飞通等。基于1 0 ( 3 光模块市场需求旺盛，光模块厂商纷纷将4 0 k i n 传输距离 2 、一 ， o 武汉理工大学硕士学位论文 的s f p + e r 作为重点产品推出的同时，还在抓紧研发传输距离8 0 k m 的s f p + z r 。 安华高科技公司宣布扩大针对下一代1 0 g 应用设计的的s f p + 光收发模块系列， 推出l o l g b p s 双速率a f c t - 7 0 1 s d d z1 0 g b a s e l r 单模光模块和双速率 a f b r 7 0 3 d d z l 0 g b a s es r 多模光模块，应用于企业和数据中心。f i m s a r 也与 富士康合作扩大l a s e rw i t l e s s 系列产品生产，该系列包括s f p + 和x f p 适配器 模块，实现真正的即插即用。同时，s f p + 可以是1 0 g 、1 6 g 或8 g ，或是几个的 组合，带宽的增加始终是s f p + 模块系列的动力所在，这个板块今后将继续快速 增长【6 1 。 1 3 课题的研究工作和论文主要内容 本课题研究是建立在对光纤通信系统及s f p + m s a ( m u t is o u r c ea g r e e m e n t ) 有关协议分析的研究基础上，提出的带t e c 热电制冷( 热) 的传输距离达4 0 k m 的1 0 g b i f f ss f p + 光收发模块实现技术方案，完成模块硬件电路的设计、软件系 统的实现以及模块性能指标的测试。 本文的篇章结构为： 第l 章为绪论部分，简要介绍了本课题的研究背景以及国内外的研究现状， 并概括了论文的主要内容和研究工作。 第2 章首先介绍了带t e c 热电制冷( 热) s f p + 光收发模块原理，接着提出 本研究的总体目标和模块的关键指标，最后介绍s f p + 模块硬件电路设计。 第3 章为s f p + 光收发模块软件设计，主要介绍了监控模块、1 2 c 从机模块、 调制电流控制模块、e e p r o m 读写模块程序以及上位机数字诊断软件。 第4 章为模块的性能指标测试，介绍了模块发射和接收端常规参数的测试 方案和测试结果以及模块的特殊性能测试。 第5 章总结与展望，总结本文的主要工作内容、研究成果及存在的不足， 并对今后的工作提出建议和设想。 一j 擘 a _ r ( - 图2 1s f p + 光收发模块原理框图 发射部分的功能是将电脉冲信号转换成光脉冲信号并注入信道传输。发射 部分集成了激光器驱动器、t o s a 和控制电路部分，1 0 g b w s 高速电信号通过s f i ( s f f 8 4 3 1 适用于的s f p + 的高速电接口) 输入，经过激光器驱动器后输出调制 电流和偏置电流，激光器则在驱动信号驱动下发出相应的光信号来完成电光转 换【7 1 。 接收部分的功能是将光纤光缆中传输的光脉冲信号通过光电转换成电脉冲 信号，并通过放大、均衡与再生还原成为标准的数字脉冲信号。接收部分集成 了r o s a 和限幅放大器，1 0 g b i f f s 光信号由p i n 型探测器转换成电信号输出，再 4 叠 v 武汉理工大学硕士学位论文 由限幅放大器放大输出后，与背板解串器相连接，从而完成光电转换。 控制部分的功能是通过m c u 采集和控制各种模拟信号、状态信号和控制信 号，并通过1 2 c 总线与外界通信【8 1 。内部1 2 c 接口实现对激光器的a p c 、消光比 补偿、发射端软关断和接收端数字脉冲信号的带宽控制；外部通信接口与上位 机通信，完成光收发模块的工作状态参数的测量、上报，再通过这些参数的测 量，管理单元可迅速找到光纤链路中发生错误的具体位置，来提高模块系统的 可靠性。 2 2 总体设计目标和关键指标 本设计方案的目标是研究并开发出带t e c 热电制冷( 热) 的1 0 g b i t s 光收 发一体模块，且满足如下条件： 单一速率1 0 g b i t s s f p + 光收发模块，符合i e e e 8 0 2 3 a e1 0 g b a s e e r 厄w 协议相关要求、符合s f p + e l e c t r i c a lm s as f f 8 4 31 和s f p + m e c h a n i c a lm s a s f f 8 4 3 2 协议要求，支持热插拔功能【9 1 。 单电源+ 3 3 v 供电，功耗小于1 5 w ，单模光纤传输距离达4 0 公里。 良好的e s d 和e m i 性能，模块内部交流耦合，高速传输线终端匹配。 工作管壳温度范围5 + 7 0 ，贮存温度范围4 0 - - - + 8 5 * ( 2 。 符合r o l l s 要求，可靠性测试符合t e l c o r d i ag r - 4 6 8 c o r e 和 m i l s t d 8 8 3 中的相关指标要求，安装满足i e c6 0 8 2 5 1 的要求。 关键技术指标： 表2 1s f p + 光收发一体模块光接口指标 光发送部分( t r a n s m i t t e rs i d e ) 4 0 k ms f p + 模块 参数定义符号单位 最小值典型值最大值 传输信号速率 b r1 0 0 0 0m b s 平均输出光功率p 0 4 74d b m 发送激光器中心波长 入 1 5 3 01 5 5 01 5 6 5姗 激光器谱宽( 刚s ) 6啪 消光比 e r3d b t xd i s a b l e 输出光功率3 0d b m 光眼图模板符合 e e e 8 0 2 3 a e 要求 9 武汉理工大学硕士学位论文 光接收部分( r e c e i v e rs i d e ) 光接收机类型 p i n t l 接收灵敏度 p s 1 4 1d b m 过载光功率 1d b m 接收光信号中心波长 入 1 5 3 01 5 6 5n m r xl o s 告警产生 p l o s a 3 0d b m r xl o s 告警消失 p l o s d 1 8d b m 表2 2s f p + 光收发一体模块电接口指标 参数符号最小值典型值最大值单位 光发送部分( t r a n s m i t t e rs i d e ) 差分输入高速信号v i n 1 8 07 0 0 m v 坤 差分输入阻抗z m 1 0 0 q d i s a b l e2 o v c c + 0 3 v t xd i s a b l e e n a b l e00 8v f a u l t2 4 v c c + 0 3 v t x f a u l t n o r m a loo 8 v t xd i s a b l e 告警时间 to f f l o us 光接收部分( r e c e i v e rs i d e ： 差分输出高速信号 v o 眦 3 0 08 5 0 m v p p 高h i 曲 2 0 v c c + 0 3 v l o s 告警信号输出 低l o w0o 8 v 2 3s f p + 光模块硬件电路设计 2 3 1 接口部分 s f p + 光收发一体模块的1 0g b i t s 高速光接口和串行电接口为光物理层和电 段层之间提供了光电、电光转换接口 1 0 l 。模块的光接口采用双l c 形式，用于 发射和接收光信号。其电接口采用2 0 p i n 的金手指连接方式，用于输入和输出数 据信号、状态信号、告警信号及控制信号。i i c 总线与上位机进行通信为m c u 控制单元和存储单元提供通信接口。图2 2 为模块电接口定义及标识，其中 t xf a u l t 为发送端激光器失效指示引脚，t xf a u l t 是集电极漏极开路o c 门输 出，该输出信号通过连接器与主板相连，在主板上使用一个4 7 k 1 0 l q 的电阻上 拉，上拉电源在2 0 v 到v c c t ，r + 0 3 v 之间。当输出为高表明激光器处于非正 6 - 武汉理工大学硕士学位论文 常状态。处于正常状态时输出电压小于o 8 v 。 ，1 b 愠rv e 瞒e r ，厂- - l o 9 1 2 广 r d r xl o s = i 3 1 3 矗鼢嘲二7 1 4 悱闻n o d 拈sf 二6 1 5 rs 吼声二5 1 6r v c c t = = = 一 s 队l4 1 7 = v e 盯i x _ 翻 舢f =3 1 8 口t d + 鼬u 二2 1 9 俅诳rf = 1 r 皇v e 一 l 。_ 。一 图2 2s f p + 光收发一体模块电接口定义及标识 t x d i s a b l e 为发送端激光器关断引脚，t xd i s a b l e 是输入控制信号，用来 关断发送端激光器，在s f p + 模块内部通过一个4 7 k 1 0 1 c q 的电阻上拉，其状态 真值表如表2 3 所示。 表2 - 3 控制信号t x d i s a b l e 状态真值表 t xd i s a b l e 管脚上电压值s f p + 模块状态 低电平( 0 - - 一0 8 v )激光器打开t r a n s m i t t e ro n 中间电平( 0 8 v ， + u o ，其中，k p 比例调节系数，飚积分调节系数：。k d 微分调节系数， e ( k ) 每次采样值与目标值的差值，甜倍) 每次计算后用于调整温度的d a c 值。模型中反馈部分是2 4 b i ta d c 的采样值转换成温度，当前温度与目标温度 的差值通过p i d 算法计算出当前需要调整的d a c 值，从而来实现温度的精确控 制。 目前，大多数e m l 激光器内部都集成t e c 和热敏电阻，但其控制电路可 采用专用芯片或自行设计，否则激光器不能正常的工作【l7 。国内外对t e c 控制 电路的研究越来越多，常用的t e c 控制电路包括两个p w m 降压变换器、4 个 开关是s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 、两个二极管d 1 ，d 2 、两个滤波电感l 1 ，l 2 、两个电 容c 1 ，c 2 所构成。t e c 并联一电容c 1 分别接p w m l 和p w m 2 降压变换器， p w m l 和p w m 2 产生的输出直流电压为v 1 、v 2 。提供给t e c 的电流：i - r z c = ( v 1 v 2 ) r r e c ，r r e c 为t e c 两电极间的阻抗。由此决定t e c 电流的大小及 方向。这种控制电路典型应用于m a x i m 公司的m a x 8 5 2 1 1 8 2 2 1 ，m a x l 9 6 8 以 及l i n e a r 公司的l t c l 9 2 3 芯片中。但这中控制电路存在着以下的缺点： ( 1 ) e m i 较大。控制电路中的两个滤波电感会对周围产生电磁干扰；且滤 波电感的回路阻抗易发生突变而导致产生尖锐的脉冲。 ( 2 ) 外围电路器件数量庞大。温度的反馈信号以及其参数设置均采用模拟 电路，从而使应用的成本和复杂性增加，t e c 工作参数的设置不灵活。 ( 3 ) t e c 的温控精度不高。由于采用的是模拟的控制方式、外接误差积分 的运算放大器以及数模转化器的量化误差都在一定程度上限制了t e c 的控制精 度。 ( 4 ) 模式切换较复杂。控制电路在双p w m 降压变换器驱动模式下采取的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 是模拟的控制方式，没有运行模式选择功能。 为克服以上缺点，本文发射部分外围电路选用的芯片为德州仪器( t i ) t p s 6 3 0 0 0 芯片，此芯片是一款升降压电源管理芯片，d c d c 转换器可在1 8 v 至5 5 v 的宽泛电压范围内实现高达9 6 的效率，该芯片在降压和升压模式之 间可自动转换，在降压模式下电压为3 3 v 输出时，输出电流最大可达1 2 0 0 m a 。 在升压模式下电压为3 3 v 或5 v 输出时，输出电流最大可达8 0 0 m a 。同时，也 支持电流流入模式。 e m l 内部集成的高灵敏度n t c 热敏电阻，温度特性波动小、对各种温度变 化响应快，其材料一般为薄膜铂电阻，电阻的值与温度的关系是非线性的，其 阻值与温度的变化关系可用公式表示为：r = r t 0 x e x p b ( 1 t - l i f 0 ) b 为热敏 指数。 热敏电阻作为传感器探测激光器内部温度，并将温度转化为自身阻值的变 化，然后由温度控制电路将电阻的变化转化为电压的变化，其转换精度决定了 测温的精度。转化后电压值的大小也将决定t e cl o o p 电路的电流的流向是流入 还是流出，以此来实现t e c 控制电路的制冷或制热。 图2 7 为设计的t e cl o o p 电路，在( t i ) t p s 6 3 0 0 x 系列芯片中，为了更 好的控制输出电压v o u t ，通常用对f b 引脚电压值的变化来感知输出电压v o u t 值的变化。这就意味着f b 引脚要和v o t r r 引脚直接相连，在这个可调节的电压 输出系统中，要调节v o t r r 值，还要用一个外部的分压电阻连接在f b 、v o u t 和 g n d 之间。为了能正常的调节v o t r r 值，v f a 值最大不超过5 0 0 m a ，i m 不超 过0 0 1 u a ，r 2 的阻值小于5 0 0 千欧。分压电阻r l 阻值由v m ，v o t r r 和r 2 确定。 、， 由r 4 0 = r 4 1 ( 旦1 ) ( 2 1 ) v f b v v a - - 墨! 竺：墨兰! 生墨兰q ：墨兰! 显匹 ( 2 2 ) 尺4 0 r 4 1 + 尺3 9 尺4 0 + r 3 9 r 4 1 可得出，v f a = k 1 v o l r r + k 2 v d a c 其中，k 1 、k 2 为常量，v d a c 为 m c u 控制电压。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7t e cl o o p 电路 通过对输出电压v o t r r 值的控制，当电流由i t e c ( + ) 流向i t e c ( ) 时，激 光器将制冷。反之，将制热。 2 3 3 接收部分 接收部分主要是有r o s a 和限幅放大器所构成。 光接收子系统( r e c e i v e ro p t i c a ls u b a s s e m b l y ，r o s a ) 是把光信号转换 为电信号并进行初步放大的组件【2 3 1 。光电检测器是r o s a 的核心器件，它将接 收的光脉冲信号通过光电转化成为电信号。常用的探测器有a p d 雪崩二极管和 p i n 二极管。p i n 探测器是在普通光电二极管的基础上加入一层耗尽层，具有 量子效率高、响应速度高、工作偏压低的特点，但不具有倍增效应。而雪崩光 电二极管则是一种利用较高的偏压加速光子激发出的电子空穴对，碰撞出二次 电子空穴对，形成光电流倍增的器件。它具有较高的量子效率、较高的响应、 有倍增效应。 常用的r o s a 的光口类型有l c s c 两种，支持的速率从1 5 5 m - 1 0 g ，满足 x m d n o n - x m d 标准。主要接收指标有灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 、过载点( o v e r l o a d ) 、 电眼幅度( e a m p l i t u d e ) 、l o s 告警点( l o sa s s e r t ) 、l o s 告警消失点( l o s d e a s s e r t ) 以及收端串扰( c r o s s t a l k ) 。 r o s a 主要由t o 座( t o h e a d e r ) 、t o 帽( t o c a p ) 、管体( t u b e r ) 、适 配器( a d a p t o r ) 、陶瓷插针( s t u b ) 及陶瓷套筒( s l e e v e ) 六部分组成。如图2 8 所示。其中，t o 座用于p d 芯片t i a ( 跨阻放大器) 等装在t o 座上，并且引 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 出管脚；t o 帽可以封住装在t o 座上的元件，并且t o 帽上装有透镜，可让光 纤的光可以通过透镜汇聚到p d 芯片上：管体可调节光路z 轴的长度，并且连接 t o 和后部结构件；适配器能够让光口引出，并且带有跟模块配合固定r o s a 的 结构；陶瓷插针和陶瓷套筒合在一起能完成光纤的光进入t o 并且提供后部光纤 对接的接口。 ( 1 ) 限幅放大器 在s f p + 模块的接收端，有两种结构正在标准化，第一种是线性结构，它主 要用于多模光纤的1 0 g b i t s 长距离光纤通道及以太网连接，要求模块具备接收线 性光的能力阱】。第二种为限幅结构，它与目前的s f p 模块最为接近，由r o s a 和一个限幅放大器构成。s f p + 接收结构的不同，使得限幅和线性结构之间的差 别也非常的明显。线性结构的输入接口始终是线性的，这种接口的线性特 性有助于主板上的电色散补偿( e d c ) 电路恢复高衰落信号。由于1 0 g b i t s 以太 网连接的传输距离非常长，光信号经过此种多模光纤衰耗很大，所以线性接口 非常适合于此种场合。在限幅结构中，二进制0 1 的判决是根据信号强度判决， 而非时间判决，当接收端外接c d r ( 时钟数据恢复器) 时，p w s 将得到有效抑 制，同时s f p + 模块可以保证主板上p c b 到a s i c 信号的低抖动与高速性能。这 种结构只需要系统设计师设计出清晰稳定的模块输出，确保通过强度和相位进 行i 0 判别的准确性，便可以最大化的提高主板的集成度，成功解决主板与模块 接口的标准兼容问题。 限幅放大器其功能主要是通过主放大器对光接收子系统中初步放大的电信 号放大与整形，以提高信噪比，降低误码率。放大的电信号再由均衡滤波器中 的低通滤波器处理成无码间串扰的信号并校正前端有限的带宽。 本文选用的限幅放大器芯片为t i 公司的o n e t8 5 0 1 芯片，该芯片的工作 速率范围在2 g b i t s 1 1 3g b i t s ，输出以c m l 电平方式，可通过数字方式选择 工作带宽，可以校准l o s ( 信号丢失) 的门限值并调整输出信号的c r o s s i n g ( 交 叉点) ，从而最终选择合适的电信号输出幅度。 ( 2 ) 接收部分电路设计 本文设计的接收部分选用的是g e n n u m 公司的g n 3 2 5 0 作为光接收子系统 ( r o s a ) ，它将p i n 探测器与前置放大器封装在一起，采用t i 公司的o n e t8 5 0 1 型芯片作为限幅放大和时钟恢复电删2 5 。2 6 1 。 g n 3 2 5 接收组件集成了铟镓砷磷( i n g a a s p ) 光电二极管，功耗仅有1 4 8 m w ， 可接收光的范围在1 2 6 5 , - - 一1 6 1 0 n m ，接收的速率在9 9 5 至1 1 3g b i t s ，且符合 t o 4 6 c a n 封装。o n e t8 5 0 1 与光接收组件的电路连接如图2 - 9 。 图2 - 9 接收部分电路连接图 1 6 o - 武汉理工大学硕士学位论文 上图中的光接收单元采用的是将r o s a 和限幅放大器连接在一起来接收光 信号的处理。1 0 g b i t s 的光信号经过探测器后装换的电信号幅度即使仅有2 0 m v p p ，在经过限放后也可根据具体的需求放大到3 5 0 m v p p ，6 5 0m v p p 和8 5 0 m v p p 的1 0 g b i t s 高速串行电信号输出。限幅放大器提供的3 4 d b 的增益系数， 使得模块误码率在1 0 d 2 点的灵敏度远好于1 6 0 d b 。本文中设计的接收部分还可 实现在模块内部通过通信接口对1 0 g b i 低的高速电信号进行预加重 ( p r e e m p h a s i s ) 处理，已增加可靠传输信号的信道长度。 2 3 4 控制部分 控制部分是整个光收发模块的监测控制中心，由带数字诊断( d i g i t a l d i a g n o s t i cm o n i t o r i n g ，d d m ) 功能的微控制器和外围电路构成【2 7 】。s f p + 光收发 模块除了完成基本的电光及光电转换功能外，还具有d d m 功能，即通过二线传 输接口，提供了模块实时工作参数的监视功能。模块除了存储有自身及制造的 特性信息外，提供了对模块温度、电源电压、发射偏置电流、发射光功率及接 收光功率五个参数实时变化的数据输出，并提供各参数正常与否的警告及告警 输出。 2 3 4 1s f p + 模块内部地址页 带d d m 功能的s f p + 模块内部具有两个不同地址页( a 0 h 及a 2 h ) 的记忆 体单元，两个页单元各有至少1 2 8 个字节的存储容量。a 0 h 页为e e p r o m ( 电 擦写可编程只读存储器) ，存储模块自身及制造的特性信息，而a 2 h 页则由于存 储有实时刷新的数据，而一般为e e p r o m 及s r o m ( 静态读写存储器) 的结合。 s f p + 模块记忆体a 0 h 页面 a 0 h 页面用于存储模块的相关特性信息，其中地址序号0 9 5 共9 6 个字节用 于存储s f f 8 4 7 2 协议规定的信息列表，而地址序号9 5 以后的字节单元则为非 标准信息字节。前9 6 个字节的信息可分为基本及扩展两个领域，主要用于存储 模块类型、接口形式、传输特性、产品型号、流水号、制造日期等信息，信息 列表如下表2 4 所剥2 8 。2 9 1 。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 4a 0 h 页面信息列表 字节地址描述 0 1 模块类型，如s f p + 2 光连接头形式，如l c 3 1 0 电及光兼容性描述，如o c l 9 2 ( s r - 1 ) 1 1 编码机制，如n r z 1 2 典型传输速率，如l1 3 g b i t s 1 4 一1 8 传输光纤及距离 2 0 3 5 制造厂商 3 7 3 9 制造厂商i e e e 编号 4 0 5 5 产品型号 5 6 5 9 版本号，如1 0 6 0 6 1 激光器波长，如1 5 5 0 n m 6 3 0 6 2 字节校验位 6 4 6 5 模块电接口特性说明 6 6 传输速率上限 6 7 传输速率下限 6 8 8 3 模块流水号 8 4 9 l 制造日期，如2 0 0 9 1 2 3 l 9 2 数字诊断项目说明( 校准方式说明) 9 3 数字诊断扩展选项说明 9 4 s f f 8 4 7 2 协议使用版本说明 9 56 4 9 4 字节校验位 s f p + 模块记忆体a 2 h 页面 带d d m 功能的s f p + 模块的a 2 页面主要用于支持其d d m 功能，其中地址 序号o 5 5 共5 6 个字节用于存储五个监视量的告警及警告上下限阈值。当带d d m 由于带d d m 功能的s f p 模块的五个监视量经传感器及采集电路转换后 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 都为连续的模拟信号，而带d d m 功能的s f p 模块的最终监视输出为