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摘 要 1 摘 要 目前的光通信领域中 光收发模块主要应用在较高速的通信网络或者 是企业级市场 相对低速的光收发模块应用有限 这主要是受到成本的限 制 现在国家的 FTTH 计划已经开始实施 武汉的试点用户已经初具规模 虽然使用的光收发模块多是国产的 但光收发模块中使用的芯片都是进口 的 成本较高 限制了 FTTH 的进一步发展 在本篇论文中 笔者设计了一 款 1X9 155M 双纤双向光收发模块 该模块中使用的都是国产芯片 由优迅 公司自主研发的 155M 芯片组 光收发模块 就是在光纤通信系统中用于电光与光电转换的器件 由 光接收部分和光发射部分构成 在光信号与电信号之间起着桥梁作用 本 文着重从应用角度介绍了光收发模块的组成和功能 并以某厂家的光收发 模块为例介绍了光收发模块的主要指标 光接收部分的主要指标有迟滞和 灵敏度等 光发射部分的有光功率和消光比等 依照这些指标 设计了基于优迅芯片组的 1x9 155Mbps 双纤双向光收 发模块 并对其进行不断调试 直至达到最佳使用状态 本文还简单绍了所 用的优迅三款芯片 UX2006 跨阻放大器 UX2105 限幅放大器 UX2208 激光驱动器 该芯片组采用的是 CMOS 的结构设计 在功耗和成本上有 非常明显的优势 在使用该芯片组之前 还对芯片进行了各方面的达标测 试 以保证芯片的性能 本文不但以数据证明了基于该芯片组的模块能完 全满足市场标准要求 并通过与其他类型模块的比较 证明了基于该方案 的模块所具有的功耗优势 关键词 光纤通信 光收发模块 跨阻放大器 限幅放大器 激光驱动器 ABSTRACT 2 ABSTRACT In Optical Fiber Communication field high speed transceiver is widely used by high speed communication systems and LANs built in big companies but relatively low speed transceivers can t be widely used because of its cost At present the FTTH project of our nation is on its way There are thousands of families get benefits by this project in Wuhan Hubei province Even most of transceivers are made at home but chips which are the most important can t be supplied domestically And its price is badly high which hold back the project carried on deeply In this paper there is a chipset recommended which is developed by a domestic corporation UX FASTIC HIGH SPEED IC Ltd Transceiver described as a bridge between optical signal and electric signal works as converter in optical fiber system It consists of two parts the receiver part and transmitter part In this paper we will tell what transceiver is and how it works in application way And we will take a real transceiver as an example and described its specifications As far as the receiver part is concerned hysteresis and sensitivity are the two most significant specifications In transmitter part the most important requirements are average optical power and extinction ratio We will design a transceiver according to the specifications mentioned above We adopt a chipset made by UX FASTIC Ltd UX2006 Transimpedance Amplifier UX2105 Limiting Amplifier and UX2208 Laser Driver This chipset is designed based on CMOS structure which can gain high performance in power consumption and get lower cost price Before application we have tested the chipset to make sure its behavior In this paper we will proof its high performance by testing data Keywords Optical Fiber Communication Transceiver Transimpedance Amplifier Limiting Amplifier Laser Driver 目 录 1 目 录 摘 要 1 ABSTRACT 2 目 录 1 第一章 引言 1 1 1 光纤通信的组成和概念 1 1 2 光收发模块的组成和概念 3 1 3 光收发模块的研究现状 4 1 4 光收发模块的实例及指标 7 第二章 光收发模块设计预备知识 10 2 1 光收发模块芯片介绍 10 2 1 1 UX2006 跨阻放大器 10 2 1 2 UX2105 限幅放大器 12 2 1 3 UX2208 激光驱动器 14 2 2 其它相关器件介绍 16 2 2 1 光电转换器件 17 2 2 2 电光转换器件 17 2 2 3 关键电子器件 20 第三章 光收发模块的电路设计 21 3 1 设计方案介绍 21 3 2 芯片达标测试 21 3 2 1 对 UX2105 的测试 21 3 2 2 对 UX2208 的测试 22 3 3 光收发模块电路设计 25 3 3 1 光接收部分的设计 25 3 3 2 光发射部分的设计 30 3 3 3 模块总电路 33 目 录 2 第四章 光收发模块的调试 35 4 1 调试介绍 35 4 2 调试内容及结果 36 4 2 1 光发射部分的调试 36 4 2 2 光接收部分的调试 37 4 3 与主流厂家的模块指标的对比 39 4 4 模块测试中出现过的问题及其解决方法 40 总 结 42 参考文献 43 第一章 引言 1 第一章 引言 光收发模块是光纤通信系统中不可缺少的一部分 在这里 先对光纤 通信系统进行简单的介绍 1 1 光纤通信的组成和概念 所谓光纤通信 就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目 的 14 光纤通信之所以受到人们的极大重视 这是因为和其它通信方式相 比 具有强大的优越性 1 通信容量大 2 中继距离长 3 保密性能好 4 适应能力强 5 体积小 重量轻 便于施工维护 6 原材料来源丰富 潜在价格低廉 下面是光纤通信过程的简单介绍 要使光通信能够进行 必须先使光波成为携带信息的载体 即对光波进行 调制 在接收端再把信息从光波中检测出来 目前大都采用强度调制与直 接检波方式 IM DD 又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较 严重 所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占 据主要位置 典型的数字光纤通信系统 如图 1 1 所示 14 第一章 引言 2 图 1 1 光通信系统框图 从图 1 1 中可以看出 数字光纤通信系统基本上由光发送机 光纤传 输系统与光接收机组成 发送端的电端机是将要发送的信息以二进制码型的电信号发送到光 发送机 光发送机驱动光源器件 LD LD 发出携带信息的光波 即当数字信 号为 1 时 光源器件发送一个 传号 光脉冲 当数字信号为 0 时 光源器件发送一个 空号 不发光或者发微光 光波经低衰耗光纤传输后到达接收端 在接收端 光接收机把数字信 号从光波中检测出来送给电端机 电端机对传来的信息进行处理 就这样 完成了一次通信的全过程 在实际使用中的通信方式都是双工的 信号通路如图 1 2 图 1 2 光纤通信双工方式通路图 经常我们把光接收机和光发送机集成在一个器件中 这就是光收发模 光发送机 电端机 数字 电端机 数字 光接收机 LD PD 光中继器 第一章 引言 3 块 它兼有光发送和光接收的功能 这就是本篇文章所要讨论的对象 接 下来 将对它进行更为详细的介绍 1 2 光收发模块的组成和概念 光收发模块是光通信领域中用于光 电和电 光转换的部件 它在光信 号和电信号之间起着桥梁作用 由于目前的计算机只能处理电信号 而外部的高速信号为光信号 这 就要求计算机外设中要有一个能接收和发射光信号的接口 提供这个接口 功能的就是光收发模块 它包含光接收和光发射部分 其功能如图1 3 图1 3 光收发模块功能图 图中上半部分为光电转换部分 即光接收部分 由光电转换器件和放 大电路组成 其中放大电路又由前置放大电路和主放大电路构成 图中下半部分为电光转换部分 即光发射部分 由激光驱动电路和激 光器组成 目前市场上比较常见的光收发模块有多种 较常见的有如下几种 GBIC Gigabit Interface Converters SFP Small Form Factor Pluggable SFF Small Form Factor 1x9双纤双向光收发模块 1x9单纤双向光收发模块 第一章 引言 4 光收发模块的速率有155Mbps 622Mbps 1 25Gbps 甚至更高 目前 市场上已经有40Gbps的产品 1 3 光收发模块的研究现状 通信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断提高使得光纤通信成 为现代信息网络的主要传输手段 在现在的光通信网络中 如广域网 WAN 城域网 MAN 局域网 LAN 所需要的作为核心光电子器件之一的光收发模 块的种类越来越多 要求越来越高 复杂程度也以惊人的速度发展 但当 前光模块的核心都有一个基本功能 就是在电气和光传输网络之间提供接 口 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 MSA 多源协议是一个由几家通信设各制造商制订的事实上的光模块标 准规范 用来促进各竞争供应商间的互可操作性 MSA 让模块按一组非专 用的要求来设计 并由一家或多家电信系统供应商合作研发 MSA 标准规 定了模块的机械尺寸 公共引脚 主要信号的定时约束 I 0 电平 以及 供电方式 模块开发商的产品差别主要体现在 采用高层协议功能和其它功 能 或减少尺寸 改进信号性能 降低功耗等 这实际上是一种预定义光 模块的设计方法 它的好处很多 对初次涉足该领域的设计者来说 MSA 能让他们回避很多高速电路设计问题 诸如信号整合 噪声 抖动和热效 应 将资源集中于核心功能上 MSA 也让系统设计师回避很多光学接口问 题 包括光纤对准 激光器 调制器偏置 接口 以及热效应 因此 可以 说 MSA 是交付市场的主要推动力 例如 对 10Gbps 线速率的 OC 192 SONET SDH 与 10Gbps Ethernet 的 应用 收发模块的 MSA 标准有 300 200 和 70 条引脚几种结构 迄今为止 超过 25 家供应商参与了竞争 为一种或多种 MSA 研发模块 众多针对 300 条引脚 MSA 的供应商透露 产品内还设置了高层功能 如性能监测和前向 纠错 目前的光通信市场竞争越来越激烈 通信设备要求的体积越来越小 第一章 引言 5 接口板包含的接口密度越来越高 传统的激光器和探测器分离的光模块 己经很难适应现代通信设备的要求 为了适应通信设各对光器件的要求 光模块正向高度集成的小封装发展 SFF Small Form Factor 小封装光模块采用了先进的精密光学及电路 集成工艺 尺寸只有普通双工 SC 1X9 型光纤收发模块的一半 在同样空 间可以增加一倍的光端口数 可以增加线路端口密度 降低每端口的系统 成本 又由于 SFF 小封装模块采用了与铜线网络类似的 MT RJ 接口 大小 与常见的电脑网络铜线接口相同 有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡 到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长 此外 热插拔也是模块的一个发展方向 未来的光模块必须支持热插 拔 即无需切断电源 模块即可以与设备连接或断开 由于光模块是热插 拔式的 网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统 对在线用户不 会造成什么影响 热插拔性也简化了总的维护工作 并使得最终用户能够 更好地管理他们的收发模块 同时 由于这种热交换性能 该模块可使网 络管理人员能够根据网络升级要求 对收发成本 链路距离以及所有的网 络拓扑进行总体规划 而无需对系统板进行全部替换 支持这热插拔的光 模块目前有 GBIC 和 SFP Small Form Pluggable 由于 SFP 与 SFF 的外型 大小差不多 它可以直接插在电路板上 在封装时较省空间与时间 且应 用面相当广 因此 其未来发展很值得期待 某些光模块是为单光纤串行数据设计的 目前的串行光模块通常不仅 包括光前端 还包括模拟光电子电路以及串行 解串器 SerDes 功能 有的 则能支持并行的多路信道 正在研发的模块更能支持新型波分复用技术 即稀疏 WDM CWDM 为了适应未来的发展 很多光模块可能仅含有完成光 电 或电光 转换的基本组件 而其它的模块则可能具有处理数字信号的高 级功能 一些模块工作在当前较低的 155Mbps 速率 其它的将可能达到 40Gbps 第一章 引言 6 并行模块是为带状光缆中多纤 主要有 4 根或 12 根 数据收发而设计 的 目前设计的产品与 1Gbps 2 5G bps 或 3 3G bps 的单数据信道的每 根光纤匹配 从而 每信道速率为 3 3G bps 的 12 纤模块达到了 39 6G bps 的总吞吐量 该方案极有可能在 OC 768 速率 600m 以下的超短距离应用中 广泛使用 这些模块通常包含支持双向通信的光组件和模拟组件 有的还 提供时钟恢复功能和低速一侧的 SerDes 功能 对同等水平的吞吐量性能 与串行方案相比 并行方案的主要优点是 既降低了光前端的成本 也减少了它的尺寸 对 600m 以下较短的工作距离 并行传输无疑是最经济实用的方案 尽管在低于 2 5Gbps 的速率下 并行与串行两者的形状因子没有明显 的差别 但在类似的总数据速率下 并行光纤组件和连接器的尺寸比串行 连接器小 高速光纤的成本也是相当可观的 例如 10Gbps 光组件的总成 本几乎是 4X2 5Gbps 光前端成本的 2 倍 从高速器件的发展水平来看 在 串行 10Gbps 组件能批量生产以前 这一价格上的差别很可能会继续存在 目前 已有好几家公司推出了自己的并行光模块产品 EMCORE 公司推 出的 MTX95121 2 信道行光发射机和 MRX9512 12 信道行光接收机模块 它 们的平面尺寸比前一代产品小 40 但仍然与 SNAP 12 MSA 兼容 每个模块 都包括 12 个光纤通道 带宽速度大于 32Gbps 采用 MPO 光连接器 CML 数 据通道I O 支持交流和直流藕合I O 用3 3V 单电源供电 安捷伦 Agilent 公司的新型并行光模块将 12 通道的 HFBR 712BP 发送模块 HFBR 722BP 接 收模块与符合行业标准的光缆与连接器结合 以侮通道 2 5Gbps 的速率运 行 使这些器件的传输能力达到 30Gbps 而整个器件的宽度只有 38 毫米 1 5 英寸 此外 美国的 OCP 公司 加拿大的 Zarlink 半导体公司也都 在市场上推出了成熟的并行光模块产品 CWDM 技术兼各并行结构的低成本和单纤传输的优点 必将在未来的体 系结构中起重要作用 该技术在保持较高的总数据速率的同时 充分利用 第一章 引言 7 传统的光技术 对收发器的设计是一种功能强且经济实用的方案 事实上 即使使用低速率的组件 CWDM 收发器也能在成本 尺寸 功率预算比传统 串行方案低的前提卜 达到较高的数据速率 CWDM 也是替代其它昂贵的 WDM 解决方案的可行之策 较宽的光邻道间隔提供健壮的性能而无需像 DWDM 系 统那样使用昂贵的温度控制机制 基本上 国内外那些传统的大通信公司 如安捷伦 飞博创 fiberxon 恒宝通 飞通 武汉邮科院等都有自己的各 种类型的 CWDM 光模块 值得一提的是现在又出现了一种单纤三向模块 这种新型模块不仅能 在单一的光纤上进行双向数字通信 而且还有模拟影像信号接收器 它以 三个不同的波长运作 以此消除此类应用中通常所需的额外纤线的成本 它的第三个波长用于播放模拟影像信号 第二个光探测器 PIN 接收标准 的共享天线电视 CATV 影像信号 在一个光载波上进行调制 除了用于宽 频被动光纤网络 BPON 系统外 若干衍生的模块还能用于千兆位被动光纤 网络 GPON 混合光纤同轴电缆 HFC 系统 以及点对点网络等不同的系统 解决方案中 目前 国外英飞凌 Infineon 公司已有相关产品 1 4 光收发模块的实例及指标 下面是某厂家的155Mbps 1X9双纤双向光收发模块 本文将以此为例 进行一些简单介绍 该模块的收 发光纤接口采用SC接口 其外观如图1 4 图1 4 155Mbps 1X9光收发模块外观 图1 5和图1 6分别是它的引脚图和应用电路 第一章 引言 8 图1 5 光收发模块引脚图 图1 6 光收发模块应用电路 下面是主流的光收发模块指标值 见表1 1 表1 1 光收发模块的主要指标 参数名称 描述 数值 注参数名称 描述 数值 注 工作电压 光收发模块的工作电压 5V 工作温度 光收发模块的正常工作温度 40 到85 迟滞 光接收部分高低两个判决电平之商 1dB到4dB 灵敏度 当误码率为10 12时的输入光功率 小于 35dBm 饱和光功率 输入的最大光功率 大于0dBm 输出摆幅 光接收部分的输出电平要求 600mV到800mV 告警电平 光接收部分的告警端口输出电平 PECL TTL CMOS 光 接 收 部 第一章 引言 9 上升 下降时间 当信号从平均幅度的20 上升到80 用时 1ns 丢失告警解除 输入 接收部分由工作到不工作的门槛光功率比灵敏度小1 4dB 分 发射光波长 光发射部分发出的激光波长 1310nm 1550nm 平均光功率 光发射部分发出光的平均光功率 20dBm到3dBm 消光比 输入为1时的光功率和输入为0时之比 大于8 5dB 输入电平 光发射部分输入端电平 PECL 上升 下降时间 当信号从平均幅度的20 上升到80 用时 1ns 眼图要求 眼图应满足的SDH规范 ITU G957 光 发 射 部 分 这些是实际应用中比较常见的指标 下面将依据这些指标进行光收发模块的设 计 设计方案基于优迅155Mbps芯片组 使用的芯片为UX2006 跨阻放大器 UX2105 限幅放大器 UX2208 激光驱动器 第二章 光收发模块设计预备知识 10 第二章 光收发模块设计预备知识 2 1 光收发模块芯片介绍 下面介绍的是优迅的芯片组 UX2006 跨阻放大器 UX2105 限 幅放大器 UX2208 激光驱动器 应用于光接收部分的芯片为UX2006 跨阻放大器 和UX2105 限幅放 大器 UX2006又称为前置放大器 它直接与光电二极管相连 跨阻的含义 就是它将电流信号转化为电压信号输出 光电二极管产生的为电流信号 该电流信号有带宽高和电流小 为微安级 的特点 为了保证输出信号的 低噪声和高带宽 前置放大器的增益不能做的很大 放大器的增益带宽积 是个常数 UX2105又称为主放大器 它是将UX2006传来的信号放大至限幅 使输出满足后续电路要求 应用于光发射部分的芯片为UX2208 激光驱动器 它将一定特点的 电信号转化为光信号进行发送 完成电 光转化 2 1 1 UX2006 跨阻放大器 1 简介 1 2 3 UX2006一般与PIN光电二极管一起集成在ROSA 光接收机 中 这样 做是为了更好的提高性能 也有利于降低成本 ROSA的作用是将输入光信 号转化为较小幅度的电压信号输出 图2 1是ROSA的内部结构图 第二章 光收发模块设计预备知识 11 图2 1 ROSA的内部结构图 下面是UX2006的结构和功能介绍 图 2 2 UX2006 的内部功能框图 UX2208 主要由三块电路构成 1 跨阻放大电路 TIA 实际上就是一个带负反馈电阻的差分放大器 有差分放大器的性 质可知 从输入端流入的电流几乎全部从负反馈电阻流到输出端 由此完成了从输入电流到输出电压的转换 转换公式 FNIOUT RIV 2 1 2 自动增益控制电路 AGC 第二章 光收发模块设计预备知识 12 它以经 TIA 放大后的电压信号为反馈信号 通过对 TIA 负反馈的 调节 使输出电压不会过大或过小 3 输出缓冲级 BUFFER 主要承担两个功能 1 隔离外部电路与内部放大电路 2 确保 输出端能供给负载足够的能量 2 主要参数 电源电压 3 3V和5V兼容 输入光功率范围 38dBm 3dBm 假设光电二极管转化效率0 8mA mW 上升 下降时间 20 80 小于2ns 差分输出电压 300 600mv 跨阻 66k 单端 132k 双端 2 1 2 UX2105 限幅放大器 1 简介 1 UX2105 限幅放大器 的功能是对ROSA传来的电压信号放大至限幅 图2 3是它的顶视图 图2 3 UX2105的顶视图 第二章 光收发模块设计预备知识 13 下面是 UX2105 组成和功能介绍 图 2 4 UX2105 的内部结构框图 该芯片由 4 部分构成 1 主放大电路 由两个子放大电路构成 均采用差分输入和差分输出 2 直流失调校准电路 由于输入端两端很小的偏置电压差就能造成输出端很大的误差 因此设置了一个直流失调校准电路 它实际上是一个低通 RC 滤 波器 将主放大电路的低频信号负反馈到输入端 对输入端的低 频信号进行抑制 该电路还提供了一对引脚 AZ1 和 AZ2 他们可 以外接一个电容增加低通 RC 滤波器的 C 值 以此来降低直流失 调校准电路的最高截止频率 3 信号丢失检测电路 当该电路检测到输入信号幅度低于一个门槛值的时候 LOSP 引 第二章 光收发模块设计预备知识 14 脚为高电平 LOSN 引脚为低电平 与芯片正常工作时恰好相反 这个门槛值由 VSET 引脚外接一个接地电阻决定 为了防止信号 在门槛值上上下波动而造成 LOSN 和 LOSP 频繁的高低变换 该电 路又设置了一个时间延迟 延迟的大小由 CF 外接一个 VCC 电容 而定 4 输出缓冲级 输出缓冲级将放大后的信号进行限幅至 600mV 到 800mV 保证输 出满足后续电路的要求 该缓冲级上还有一个开关引脚 JAM 当 JAM 为高电平时 输出关断 芯片无输出 反之相反 一般都把 JAM 脚和 LOSP 脚相连 当输入信号低于门槛值时 输出关断 以减小后续电路的误判几率 2 主要参数 电源电压 3 3V和5V兼容 允许输入电平 0 5 800mv 单端 1 0 1600mv 双端 上升 下降时间 20 80 小于1ns 输出电平 CMOS输出 at VCC 5V VOH VCC 2 1 VCC 2 0 VOL VCC 3 0 VCC 2 8 迟滞 1 4dB 2 1 3 UX2208 激光驱动器 1 简介 1 UX2208及其外设的功能是将电信号转化为光信号 UX2208有两种封装 形式 SSOP与QFN 本篇文章只讨论SSOP封装 图2 5是UX2208的芯片顶视图 第二章 光收发模块设计预备知识 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 IPINSET FAILOUT GNDB GNDB VCCB IMODTC ENBP VREF1 OSADJ SLWSTRT IPIN VCCA GNDA OUTP GNDA OUTN GNDA IBIASOUT IMODESET IBIASSET IBIASFB VREF2 INP UX2208 SSOP TOP VIEW INN 图2 5 UX2208顶视图 下面是 UX2208 的结构和功能介绍 图 2 6 UX2208 的内部功能框图 UX2208 主要功能如下 第二章 光收发模块设计预备知识 16 1 对调制电流的控制 通过两个放大电路对输入电流进行放大 以满足激光器调制电流的 要求 图中有三个电流镜 从左到右分别是对过冲电流的控制 对 调制电流的原始值设置和对调制电流的温度补偿设定 2 对偏置电流的控制 这个功能主要由 APC 自动增益控制 电路提供 激光器中集成有 一个背光二极管 当激光器发光时 背光二极管在激光的照射下产 生一个电流 IPIN APC 将 IPIN值与 IPINSET 脚所设定的值进行对比 来确定增加或者减少激光器的偏置电流 当 APC 不能让激光器达到 额定功率的时候 FAILOUT 引脚呈高电平 3 慢启动功能 慢启动是为了给激光器提供一个较为缓慢增长的电流 以减小对激 光器的冲击 防止对激光器造成损害 4 使能输入功能 这是一个开关引脚 当该引脚连接高电平时 芯片正常工作 反之 不工作 2 主要参数 电源 3 3V和5V兼容 输入电平 PECL 最大调制电流 60mA 最大偏置电流 80mA 上升 下降时间 20 80 小于600ps 调制脉宽失真 小于100ps 2 2 其它相关器件介绍 在光收发模块中 所用的器件除了上述三款芯片外 还有光电转换器 第二章 光收发模块设计预备知识 17 件 电光转换器件以及一些电子器件 2 2 1 光电转换器件 涉及到光电转换的是光电二极管 目前常见的光电二极管主要有两 种 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管 APD PIN 管由于没有倍增效应 其响应度较小 但成本较低 使用方便 目前主要用于 155M 622M 1 25Gbps 系统 APD 探测器具有倍增效应和较高的响应速度 但其成本较高而且使 用复杂 目前多用于 2 5Gb s 及更高的设备上 2 2 2 电光转换器件 涉及到电光转换的光电子器件是电光二极管 目前市场上常见的电光 转换器件主要有 LED 发光二极管 和 LD 激光二极管 LED 发出的是 荧光 光强小 其成本低 寿命长 LED 用于超短距离多模光纤 LD 发出 的光是激光 光强大 但成本高 寿命短 LD 可用于单模和多模光纤 光 通信中最常用的 LD 有三种 FP LD 法布里 珀罗腔半导体激光器 DFB LD 分布反馈半导体激光器 VCESL 垂直腔面发射激光器 三者特点见表 2 4 表 2 1 三种激光器的特点 激光器种类 特点及用途 激光器种类 特点及用途 FP LD 最常见的激光器 工艺最简单 成本最低 主要用于调制速率 小于1 25Gbps的光纤通信系统 DFB LD 发射功率大 发射角小 为目前主流的高速 长距离通信激光 器 VCESL 具有的低功耗和高效的光纤耦合特性 多用于高速通信 但目 前1310和1550波段的此类激光器还不够成熟 下面是激光器的一些原理性描述 激光器的驱动方式为电流驱动 其电 光关系如图2 7 第二章 光收发模块设计预备知识 18 图2 7 激光器的电 光特性 图中横轴为流经激光器的电流 纵轴为激光器的对应发射功率 当驱动电流小于Ith时 激光器工作在荧光区 发出微弱的光 其在单 色性和方向性上都不具备实用条件 当驱动电流大于Ith时 激光器发出的光强随驱动电流的增加迅速增 大 此时发出的光具备了相当好的单色性和方向性 并且激光器调制容易 因此实际使用的激光器都工作在这个区域 该区域中曲线的斜率 我们称 之为调制效率 我们称Ith为阈值电流 在通信系统中 为了使激光器都能在大于Ith 的区域工作 我们把驱动激光器的电流分为两部分 一部分是直流驱动 其值略大于Ith 称之为IBIAS 偏置电流 另一部分是交流电流 其值根据要 发射的信号而变 它包含有要发送的信息 称之为IMOD 调制电流 如图 2 7 图2 8是不同温度下的电 光关系曲线图 第二章 光收发模块设计预备知识 19 图2 8 不同温度下的电 光关系曲线图 图2 9是温度变化对IMOD和IBIAS的影响 图2 9 温度变化对IMOD和IBIAS的影响 我们可以看到 激光器的性质随温度的升高表现为 A 阈值电流增 大 B 调制效率减小 下面是激光器性质有关的数学计算 Ith与温度关系可用下式表示 0 I T T thI ItIKe 2 2 其中I0 KI T1为激光器的特性常数 以普通的DFB激光器为例 I0 1 8mA KI 3 85mA T1 40 第二章 光收发模块设计预备知识 20 调制效率S与温度关系 0 S T T S S TSKe 2 3 其中S0 KS TS为激光器的特性常数 还以DFB为例 S0 0 485mW mA KS 8mW mA TS接近40度 其电压 电流关系 T V V S IIe 2 4 我们称VT为温度电压 是制造常数 当电流大于Ith时 其关系曲线 几乎是一条直线 对于DFB激光器来说 在工作状态下 呈现的阻抗为5 8 为此 在驱动激光器的时候必须考虑到温度对电光转换的影响 使偏 置电流和调制电流随着温度的升高而相应的增大 以保持光信号的平均光 功率和消光比 2 2 3 关键电子器件 在光收发模块等高频设计中 经常用到一种整流元件 铁氧体磁 珠 它和电感在电路符号上是相似的 但作用却大不相同 其与电感区别 如下 磁珠由氧磁体组成 电感由磁心和线圈组成 磁珠把交流信号转化为 热能 电感把交流存储起来 缓慢的释放出去 磁珠对高频信号才有较大阻碍作用 一般规格有100欧 100mMHZ 它 在低频时电阻比电感小得多 电感的等效电阻可有Z 2X3 14xf 来求得 铁 氧体磁珠 Ferrite Bead 是目前应用发展很快的一种抗干扰元件 廉价 易用 滤除高频噪声效果显著 第三章 光收发模块的电路设计 21 第三章 光收发模块的电路设计 3 1 设计方案介绍 1 兼容实际使用中常见的模块包装 完全按照主流厂商印刷电路板规格进行 PCB 板设计 2 器件选择 需要的光电子器件有 光电二极管和电光二极管 模块设计速率为 155Mbps 为低速率 因此可采用相对廉价低速的光 电子器件 应选用集成 PIN 管的 ROSA 光接收机 激光器选择 FP 激光器 即可 1310nm 由于使用的是 SC 光纤跳线 ROSA 和激光器应符合 SC 光 跳线接口 3 使用厦门优迅高速芯片有限公司的解决方案 使用的芯片组为优迅的UX2006 跨阻放大器 UX2105 限幅放大器 UX2208 激光驱动器 4 各参数和接口满足要求 指标达到主流的应用要求 并且采用规范化接口 保证产品兼容性 3 2 芯片达标测试 在进行电路设计之前必须对芯片的性能进行验证 看其是否与说明书 DATA SHEET 上的参数相吻合 以保证后续工作有条不紊的进行 由于 UX2006 与光电二极管一起封装 其输出电压为 300mV 到 600mV 跨度大 较难测试 而且在出厂前厂家已经对其进行了测试 在此只对 UX2105 和 UX2208 进行测试 1 测试环境 测试环境温度 T 25 室温 测试时所用电压源 VCC 5 0V 3 2 1 对 UX2105 的测试 主要测试指标为 1 连接 VSET 引脚的电阻 RSET对失效电平的调节作 第三章 光收发模块的电路设计 22 用 2 迟滞和灵敏度 见模块测试部分 RSET测试方案 我们根据仿真图 选取三个点 看其是否符合仿真曲线 测试电路如 图 3 1 图 3 1 UX2105 的测试电路 信号源为信号发生器 ANRUSTU MP1601A 经衰减器衰减 至 SMA1 SMA3 差分输入到 UX2105 输入端 再由 SMA2 SMA4 输出 未经衰减的信号为 VP P 3 8V 输入信号 衰减后的信号 和对应的 ASSERT DEASSERT 阻值如 表 3 1 表 3 1 不同信号输入时的 RASSERT RDEASSERT 输入信号 R输入信号 RASSERTASSERT R RDEASSERTDEASSERT 16mv 4 73k 5 83k 10mv 3 01k 2 91k 5 5mv 1 92k 2 66k 与 DATASHEET 里的仿真图表相比较 可知仿真结果与实际相当吻合 3 2 2 对 UX2208 的测试 测量对象 RTC IMOD RMODSET IMOD 电测 RBIASSET IBIAS RPINSET IPIN 光测 1 电测方案测 RTC RMODSET与 IMOD 的关系 电路图如图 3 2 第三章 光收发模块的电路设计 23 图 3 2 UX2208 电测方案 1 测 RTC IMOD关系 照图 3 2 搭设电路 将 S1 闭合 S2 端开 接上电 源 再将 SMA1 端连接示波器 HP54542C 示波器输入阻抗为 50 欧姆 调 节 RTC 看示波器显示为不同电压时的 RTC 此时的调制电流为示波器显示电 压 UX2 50 测得数据如表 3 2 表 3 2 RTC IMOD关系 输出电压 mV 300 350 400 450 输出电压 mV 300 350 400 450 对应电流 mA 12 14 16 18 RTC K 4 82 4 37 3 98 3 80 500 600 700 800 965 500 600 700 800 965 20 24 28 32 38 5 3 77 3 63 3 42 3 28 2 97 2 测 RMODSET IMOD 关系 照图 3 2 搭设电路 将 S2 闭合 S1 端开 接上 电源 再将 SMA1 端连接示波器 HP54542C 示波器输入阻抗为 50 欧姆 调节 RMODSET 看示波器显示为不同电压时的 RMODSET 此时的调制电流为示波器 显示电压 UX2 50 测得数据如表 3 3 第三章 光收发模块的电路设计 24 表 3 3 RMODSET IMOD 关系 输出电压 mV 1000 900 800 700 输出电压 mV 1000 900 800 700 对应电流 mA 40 36 32 28 RMODSET K 0 37 1 10 1 30 1 66 600 500 400 300 200 600 500 400 300 200 24 20 16 12 8 2 11 3 05 3 62 4 38 5 6 在测试过程中 根据仪器指示 我们发现在一般情况下 IMOD 20mA 把 ROSADJ设定在 1 8K 至 10K 之间 IMOD不会有很大的变化 依然能够有清晰 的眼图 2 光测方案测 RBIASSET IBIAS与 RPINSET IPIN曲线 原理图如图 3 3 图 3 3 UX2208 光测方案 1 测 RBIASSET IBIAS关系 照图 3 3 搭设电路 将 IBIASSET 引脚与 IBIASFB 断开 接上电源 调节 RBIASSET 看电流表 A1 中的示数变化 并记录数据 见表 3 4 第三章 光收发模块的电路设计 25 表 3 4 RBIASSET IBIAS关系 R RBIASSETBIASSET K 10 8 7 6 5 5 K 10 8 7 6 5 5 IBIAS mA 4 35 5 20 7 33 9 04 9 63 5 4 5 4 3 5 3 2 5 5 4 5 4 3 5 3 2 5 10 27 11 36 12 79 14 53 16 63 19 59 2 1 75 1 5 1 25 1 2 1 75 1 5 1 25 1 26 07 30 06 35 16 41 44 50 02 2 测 RPINSET IPIN关系 照图 3 3 搭设电路 将 IBIASSET 引脚与 IBIASFB 重新连接 接上电 源 调节 RPINSET 看电流表 A1 中的示数变化 并记录数据 见表 3 5 R RPINSETPINSET K 10 9 8 7 6 K 10 9 8 7 6 IPIN mA 0 19 0 20 0 22 0 25 0 28 5 4 3 2 1 5 1 5 4 3 2 1 5 1 0 33 0 41 0 53 0 75 0 94 1 28 表 3 5 RPINSET IPIN关系 由以上测试我们可以得出 实验检验结果与芯片说明书上的参数有很 大的一致性 这就为我们在实际应用中提供了很多方便 也为电路设计提 供了足够的依据 3 3 光收发模块电路设计 在明确芯片性能参数的前提下 设计了光收发模块的电路图 光收发 模块的电路图可以分为两部分 1 由含UX2006的ROSA和UX2105及相关元件 构成的光接收部分 2 由UX2208和FP激光器及相关元件构成的光发射部分 3 3 1 光接收部分的设计 图3 4是光接收部分的电路图 第三章 光收发模块的电路设计 26 图3 4 光接收部分的电路图 如图 光信号被ROSA PIN TIA 接收 转化为电信号 先通过由C3 R3构成的RC选频网络 对于R3 C3的选取 方法如下 为了使减少信号受其他无用频率的干扰 我们可在输入端前加一个RC 选频网络 由于输入频率为77 5MHZ 码率为155Mbps 周期 2 RC 1 77 5MHZ 1 29 10E 8 先设R 100 则可得C 20pF 在实际应 用中 为了能使足够低频的有用信号能进入网络 我们把C设置为18pF 接着信号进入UX2105 对UX2105的设置如下 接口采用交流耦合 输入输出端口用0 1uF电容作隔直电容 Vset调整信号丢失检测电平 即当输入信号低于某个值时 芯片判定 为输入严重失真 LOSP为高电平 根据DATASHEET 我们可将其设置为4 7k 对应丢失检测电平为 9mV at VCC 5V CF调整失效指示的时间常数 一般设置为 0 1uF 对应失效时间 2us CAZ调整芯片放大的输入信号最低频率 设置为0 1uF 对应最低频率 为 6 5kHZ 将JAM与LOSP相连启动自动静噪功能 当信号丢失检测引脚LOSP为高 电平时 输出为零 LOSN作为信号探测指示输出CMOS电平 信号经UX2105限幅放大后输出 我们可以发现 UX2105与市场上的一 般芯片不同 主要有两点 1 输出端舍弃了传统的PECL结构 采用CMOS 结构 2 LOSN能兼容TTL PECL CMOS等主流电平 下面是它的详细介绍 第三章 光收发模块的电路设计 27 一 UX2105 的输出接口 下面是 PECL 和 CMOS 的介绍 以及它们的区别和互连 1 PECL接口输出结构 PECL 电路的输出结构如图3 5 所示 包含一个差分对和一对射随器 标准的输出负载是接50 负载至VCC 2V的电源上 在这种负载条件下 OUT 与OUT 的共模电压典型值为VCC 1 3V OUT 与OUT 输出电流为14mA 单端 而在实际应用中 获得VCC 2V电源的方法比较复杂 因此负载多用它的 Thevenin等效电路 见图3 6 这时 流入GND的总电流就不是14mA了 而 是 VCC 1 3V 130 28 5mA 单端 图3 5 PECL输出结构 图 3 6 PECL 的 Thevenin 等效电路 第三章 光收发模块的电路设计 28 2 CMOS接口输出结构 UX2105 的 CMOS 输出结构如图 3 7 所示 区别于 PECL 输出之处在于 CMOS 输出外部电路无需 50 到 VCC 2V 端接 输出共模电压约为 VCC的 1 2 确定共模电压的电流源集成在输出缓冲电路里 该电流类似于其他同类产 品流经 PECL 负载的电流 而且每支电流只有 10mA 单端 小于标准的 PECL 接口的 14mA 电流 更大大小于 PECL 等效负载的 28 5mA 单端 图 3 7 CMOS 输出结构 3 我们把CMOS和PECL做个对比 如表3 6 表3 6 CMOS和PECL的参数对比 对比参数 CMOS PECL 备注 对比参数 CMOS PECL 备注 输出共模电压 VCC 2 VCC 1 3V 不同 输出差模电压 600 800mV 600 800mV 相同 消耗电流 10mA 28 5mA PECL用Thevenin等效负载 由此可以看出 CMOS结构具有省功耗的优点 双端输出能比PECL省 37mA的电流 并且它的摆幅与PECL相同 因此判决余量与PECL相同 另外 CMOS结构的芯片成本能比一般的芯片至少低20 可以说是高性价比的方 案 4 CMOS PECL连接 由表3 6我们可以知道 CMOS的输出差模电压与PECL相同 只是共模 不同 考虑到UX2105下一级电路的输入端口有可能只支持PECL结构 我们 第三章 光收发模块的电路设计 29 又设计一个外接网络 通过这个网络CMOS输出可以连接到PECL输入端 在UX2105中 CMOS输出缓冲器的OUTP和OUTN直接通过外部电容耦合到 下一级电路 如图3 8所示 图3 8 UX2105 CMOS PECL电路间交流耦合 二 LOSN 的连接 目前 光收发模块主要的告警电平为 PECL TTL CMOS 为了满足此 要求 UX2105 芯片内部 LOSN 输出电路采用了专有技术 可以兼容 PECL 和 TTL 电平 这种灵活的接法能满足不同厂家的要求 图 3 9 和 3 10 分别是 它兼容 TTL 和 PECL 的接法 表 3 7 是 LOSN 的各种输出电平的比较 图 3 9 LOSN 的等效 TTL 端接电路 第三章 光收发模块的电路设计 30 图 3 10 LOSN 的等效 PECL 端接电路 表 3 8 LOSN 输出电平 逻辑状态 CMOS PECL TTL 逻辑状态 CMOS PECL TTL 高 VCC 4V VCC 低 GND 2 8V GND 到 0 5V 由表3 8 我们可以知道 CMOS的判决余量最大 另外CMOS结构也具 有省功耗的优点 3 3 2 光发射部分的设计 依据上面对UX2208