25G高性能SFP光收发模块的研制.docx

2.5G高性能SFP光收发模块的研制摘要光收发合一模块作为光有源器件中的重要组成部分在宽带网络领域中占有十分重要的地位，它提供了光网络的主要功能，也占据了光通讯系统的主要成本，使其具备高网络带宽，传输距离长等一系列优点。光模块的先进性、可靠性和经济性也会直接影响到系统设备乃至整个网络的生命力和市场竞争力。SFP光收发合一模块是目前最先进的光模块封装形式之一，它符合SFP-MSA协议，ITU G.957标准和SFF-8472数字诊断标准协议。其传输速率从155Mbit/s到5Gbit/s、传输距离从300m到120km。它不仅具有可带电插拔易于更换、端口密度高、功耗低、设计周期更短和整体成本降低的的优势，并能实时上报模块工作时的工作电压，工作温度，发射光功率，发射偏流，接受光功率，使得光网络设备工作更加智能化，提高其可靠性。本文从25G长程带DDM功能的SFP光收发合一模块的光器件选型开始，详细研究了模块电路，结构等整套设计方案，并成功研制出样品以及样品的详细测试的整个设计过程。本文主要内容分为以下几个部分：第一部分阐述了SFP模块的研究背景，国内外的发展及研究状况，并概括了全文的主要研究内容和关键技术。在第二部分，作者阐述和介绍了模块的原理，基于国际相关通信标准的设计，总体方案设计和光器件选型。在第三部分，作者介绍了模块的具体设计，包括了模块的电路方案设计和软件方面数字诊断功能的实现。在第四部分，给出了样品的制作工艺和在测试系统上的测试结果。最后一部分对全文相关工作进行了总结。关键词： SFP光收发合一模块、SFP-MSA协议、ITU G.957标准、SFF-8472协议、数字诊断功能一、绪论11 SFP(Small Form-Factor Pluggable)光收发合一模块概述SFP(Small Form-Factor Pluggable)光收发合一模块(Transceiver)作为光收发合一模块的一种，它的发展已有好几年的历史。它是实现光电、电光转换，具有独立发射驱动和接收放大电路，收发功能合一，符合电信传输标准的光电子系统。SFP光收发合一模块将传统的分离发射、接收组件合二为一集成一起，不仅具有其他封装的光收发合一模块的通常优点：(1)小型化：在组件中采用该集成度的集成电路(IC)来分别完成发射模块的APC、温度补偿、驱动、慢启动保护等功能以及接收模块的前置放大、限幅放大、信号告警等功能f2l。SFP光收发合一模块尺寸不仅比单一光发射模块或光接收模块更小，而且由于它采用的LC型封装的同轴光器件，其尺寸比其他封装形式的光收发合一模块更加小，在系统机盘上的安装也能更加密集一些，在机盘上的安装密度能够达到32口，64口甚至更高。(2)低成本：光收发合一，不仅较以前分离的光接收和光发射模块节省了原材料，而且节省了工时。因此光收发合一模块是实现低成本双向传输和光互连最佳方案。(3)高的可靠性：在组件内采用了IC并进行了隔离，保证了电路的可靠性。同时采用To管壳的同轴封装，保证光电器件管芯的使用寿命。在制作工艺中，采用激光焊接工艺，提高了可靠性。在组件考核中，遵从Bellcore983的可靠性试验，保证模块整体的可靠性。(4)好的性能：光收发合一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，减少两者之间的串绕。SFP作为光收发合一模块发展到至今较为先进的一种封装形式，更具备自己独特的优势。(1)可带电热插拔：SFP采用长短金手指的管脚定义，使得模块工作上电不同功能脚上电的先后顺序有所区别，保证了SFP模块在SFP金手指插座带电的情况下可以热插拔使用，方便了系统机盘的的维护。(2)具备数字诊断功能(DDM)：能对模块的一些相关工作参数进行实时监控上报，使得系统厂商能够对其工作状态进行监控。综上所述，SFP封装的光收发合一模块是5G以下光收发合一模块发展到至今最先进和最方便的光模块。它不仅非常适用于数据通讯传输，可以满足计算机网络用户的需要。而且，在接入网中，SFP光收发合一模块也是不可缺少的核心部件，随着其品种的不断完善，光收发合一模块在数据通信和电信传输中均有广阔的应用前景。12 国内外概况研究及发展趋势2000年9月，国外Agilent Technologies、Blaze Network Products、E20 Communications、ExceLight Communications、Finisar Corporation等业内知名光通信公司经过协议讨论，联合推出了SFP-MSA多源协议，确定了SFP光收发合一模块的封装，管脚定义，热插拔等重要特性。为SFP模块的开发和应用提供了广阔的前景。2001年中2002年底Agilent Technologies、Finisar Corporation、ADVA等公司纷纷推出其研制的SFP光收发合一模块，工作速率已高达2.5G。2002年8月1日，国际SFF通讯委员会发布了由Agilent Technologies、Finisar Corporation、EMC等公司一起讨论的关于实现SFP数字诊断功能扩展的标准协议SFF-8472。这是SFP模块在功能扩展上的又一里程碑。2003年6月5日，Agilent Technologies德国公司率先推出了具备DDM功能的SFP光收发合模块工作速率达到1.25G。此后其他国外光通信厂商纷纷推出自己具有DDM功能的SFP模块，模块的工作速率也由155M逐渐提升至5G。国内发展状况相应滞后一年多的样子，2002年中旬国内较为知名的光模块制造厂商如武汉电信器件有限公司，深圳飞通光电有限公司等开始研制SFP光收发合一模块。2003年中旬武汉电信器件有限公司，深圳飞通光电有限公司等国内光模块制造厂商开始推出SFP光收发合一模块，速率最高可工作于2.5G。2005年国内光模块制造厂商开始陆续推出具备DDM功能的SFP模块。2005年6月，飞通光电公司的SFP光收发合一模块项目被列入国家开发计划，国内厂商的SFP模块开发得到国家的支持。2005年至2006年，SFP光模块开始真正在国内光通信市场火爆起束，SFP模块种类从传输距离，工作速率上开始逐渐多样化起来。工作速率开始向5G发展，采用高灵敏度的APD接收的长程SFP光模块也开始开发并逐渐成熟。支持粗波分光通信系统的CWDM SFP也出现了。今后，SFP光模块的发展将继续向着多样化，高集成度，阵列化方向发展。高于5G的SFP光收发合一模块、应用于DWDM密集波分复用的DWDM SFP、4路高密度可插拔光模块QSFP的开发都是今后SFP模块研究的方向。SFP光模块正以其独特的优势在光通信发展的大路上快速向前。本论文所研究的高性能SFP光收发合一模块集成了目前国内外光收发模块的先进技术，不仅采取了高集成度的SFP模块封装形式并具有高灵敏度和长传输距离的特点，而且具备数字诊断功能这一先进的模块功能。整个模块的光电参数指标都满足和优于光通信标准，在国内处于领先水平。13 论文研究的内容与意义，关键技术描述本文以研制的小封装SFP(Small Form-Factor Pluggable)主流光模块，对光收发模块的结构原理，关键技术，LD/PD组件和设计原理，测试系统和方法加以分析和研究。本论文研究内容的关键技术：(1)总体方案设计：为实现光电器件、印刷电路板(PCB)、DUPLEX LC光接口的混合集成。考虑光器件的长度和模块的限制尺寸，模块的布板面积非常小。为此，应尽量采用短的光器件以给PCB电路扳留出尽可能大的面积、在PCB设计时可采用封装好的IC块进行自动化表面组装技术(SMT)工艺。(2)发射部分：模块需要长程传输，并且调制速率达到2.5G。因此需要选型1550nm低传输损耗的无制冷DFB激光器吼为满足模块对光功率、可靠性、光反射、光路长度的要求，需解决相应LC同轴激光器的耦合问题。为此，应尽量采用全金属化耦合封装工艺、避免采用分离的自聚焦透镜、优化光路设计、增加光隔离器并采用光纤适配器的原理以提高激光器插拔重复性，并减小光反射。(3)接收部分：为满足接收灵敏度、抗干扰和稳定性的要求，应采用集成前放技术的APD器件以减小寄生参量的影响并提高抗外界干扰的性能。采用屏蔽技术提高整个模块接收部分的抗干扰性能。(4)电路功能实现：应采用专用IC来实现发射部分的APC、温度补偿，接收部分的2R功能和APD器件的高偏压电路和模块数字诊断功能的实现。二、2.5G高性能SFP光模块开发的总体方案1221 模块工作原理产品为SFP带有APD接收的长程光收发合一模块，工作速率2500Mbps，传输距离80km，电接口可以热插拔无需断电，光接口为双LC插拔型，具备DDM数字诊断功能。模块基本原理框图如图2-1所示，模块分为发射与接收两个部分。发射部分由一个带APC控制电路的lC驱动的集成电路和DFB-LD组件组成。该集成电路接收LVPECL逻辑电平信号，并为LD提供偏置和调制电流，APC环路根据LD发射光功率的大小产生背光电流大小，实现对发射光功率的自动控制工能。该集成电路带发射关断功能；接收部分包括APD TIA组件和限幅放大芯片。限幅放大器输出CML逻辑电平信号，并具有信号告警LOS功能。2.5G的电调制信号，通过TD差分数据输入脚输入到光模块发射部分，通过模块内部的Laser Driver产生调制光信号数据，通过光纤传输。光信号到接收数据端，通过光模块的接收部分将光信号转换为调制电信号并进行整形放大，通过模块的Rx差分数据脚进行输出。从而实现数据通过光纤的长程传输。模块MOD-DEF管脚提供标准的12C总线接口，使模块与外接系统进行通讯，实现DDM数字诊断功能。22 基于相关光通讯行业标准的SFP模块设计在光纤通讯领域为了保证产品最大的易用性和兼容性，一些相关光通讯行业的标准和协议应运而生，我们此方案设计的SFP主要涉及到ITU G.957，SFP-MSA，SFF-8472三个标准。12212222.1 基于ITU G.957标准的设计ITU G.957此标准主要规定我们设计此SFP光模块所需要满足的光电参数性能，已满足我们80km的长程传输。它主要给出以下几点关于SFP光模块的主要要求：(1)一些光电测试参数的定义；(2)这些光电参数的测试条件和测试方法；(3)给出应用于SDH/SONET光通讯系统各个速率光收发合一模块应该满足的光电参数指标。本课题主要针对的是SDH STM-16和SONET OC-48 80km L16.2的长程SFP模块，因此我们需要设计的光模块的光电参数指标需要符合标准定义或者更好，我们设计SFP模块的目标光电参数如下：22.2 基于SFP-MSA多源协议的设计SFP-MSA多源协议主要规定了我们设计的SFI需要满足的机械尺寸、封装、模块金手指插排的定义以及模块外围应用电路，使其在光通信设备上具备广泛的兼容性。根据协议的要求，我们设计了符合协议要求的SFP模块外壳，其机械结构见2-2图所示：模块接口设计采用双面金手指插排的接口方式，一共二十根，其定义如下：模块外围典型应用电路，定义如下，见图2-4：22.3 基于SFF-8472标准的设计SFF-8472标准主要定义了SFP模块数字诊断功能的实现原理和模块内部软件存储空间的标准定义，使得系统厂商能够通过模块的MOD-DEF(0)MOD-DEF(2)三个软件控制脚对模块的工作参数进行实时监控。它对带DDM功能的SFP光模块内部的EEPROM结构作出了如下结构定义：根据此标准的定义，此SFP模块设计能对其工作电压(上报精度3)、工作温度(上报精度3)、发射光功率(上报精度3dB)、发射偏流(上报精度10)、接收光功率(上报精度+3dB)进行实时上报，从而实现SFP的数字诊断功能。23 总体设计方案模块总体设计框架如图26所示：23.1 模块总体结构设计模块外形结构已由图2-3给出，模块金手指定义已由图2-4给出，我们设计的模块电路板和器件定位要求符合模块金属管壳的尺寸和内部定位结构。23.2 模块电路总体设计(1)模块发射驱动电路用于数字传输的光收发合一模块的驱动电路主要是为激光器提供一个高速电流开关电路，为激光器提供偏流和调制电流，并结合激光器的背光二极管的反馈功能对激光器提供自动光功率控制功能(APC)、温度补偿功能、保护启动功能等等。激光器接口直流耦合电路如图2-7所示：如图所示，驱动IC通过BIAS脚提供激光需要的偏置电流，使激光器产生激射。双端差分调制电流输出脚OUT+，OUT-提供激光器所需要的调制电流产生调制光信号。RC是作为补偿网络，调节调制光信号的质量。激光器自动光功率控制电路(APC)功能如图2-8所示：如图所示，驱动器主要通过检测背光二极管(PD)产生的背光光电流IMD(平均值)来实现闭环控制。它通过调节驱动器提供的偏置电流来维持激光器前向出光的稳定。(2)模块接收电路模块接收电路主要组成如图2-9所示：TIA由于易受外界噪声影响，且应用电路比较简单，因此一般和APD管芯一起封装在同轴器件的TO座之内通过键合金丝连接电路。TIA的主要作用就是将APD上产生的光生电流转换为差分电压型号进行输出。由于运算放大器构成的I-V变换电路中有一个反馈电阻，所以TIA被称为跨阻放大器(TlA-Tranimpedance Amplifier)。TIA输出的是模拟信号，需要将其转换成数字信号才能被信号处理电路识别。限幅放大器起的作用就是把TIA输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字信号。限幅放大器主要有三部分组成：直流耦合多级放大器、直流漂移补偿(自动调零)电路、光功率检测告警电路(有滞回的比较器)。它将TIA输出的模拟信号进行放大整型变为数字信号输出。(3)APD偏压电路雪崩光电二极管APD在具有高灵敏度和高带宽的同时，其工作需要较高的反向偏压。其偏压电路设计采用小型化，高集成度的DC-DC转换升压器再经过二极管进行倍压来实现。(4)数字诊断功能电路数字诊断功能电路设计主要是对模块的工作电压、工作温度、发射光功率、发射偏流、接收光功率进行取样，经过A/D转换后通过12C总线进行上报，我们采用满足SFF-8472协议的功能芯片来实现。24 光器件选型24.1 发射光器件选型由于模块工作速率达到2.5G，传输达到80km而且封装很小。因此我们选用带隔离器的LC型1550nm DFB同轴激光器作为本设计方案的发射器件。(1)DFB器件特性：DFB激光器属于一种单纵模(SLM，Single LongitudinaL Mode)半导体激光器。SLM半导体激光器与法布里一珀罗激光器相比，它的谐振腔损耗不再与模式无关，而是设计成对不同的纵模具有不同的损耗。图2-10表示这种激光器的增益和损耗曲线。由图可见，增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的B模开始起振，并且变成主导模。其它相邻模由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。这些边模携带的功率通常占总发射功率的很小比例(1%)。单纵模激光器的性能常常用边模抑制比(MSR，Mode-Suppression Ratio)来表示，定义为MSR=Pmm/Psm (2-1)式中Pmm是主模(main-mode)功率，Psm为边模(side-mode)功率。通常对于好的SLM激光器，MSR应超过1000(或30dB)。为使LD单纵模(单频)工作，一条途径是采用短腔结构减小腔长以增加相邻纵模的间隔，获得单模LD更有效的方法是通过改善模式选择性，采用频率选择性反馈，使不同的纵模有不同的损耗，其中基模的损耗最低，有两种机理可实现这一目的，即耦合腔结构和分布反馈结构，其中由以分布反馈结构获得最广泛的应用。DFB激光器的反馈，就像DFB名称所暗示的那样，不是局限在界面上，而是分布在整个腔体长度上。这是通过在腔体内构成的衍射光栅使折射率周期性地波动实现的。衍射光栅产生布拉格衍射，即前向和后向方向上传输波的谐振耦合现象。DFB机理的模式选择性来自布拉格条件，即只有当波长B满足式=m(B/2n) (22)时，耦合才会发生。在(2-2)式中，是光栅间距(衍射周期)，n是介质折射率，整数m代表布拉格衍射的阶数。一阶布拉格衍射(m=1)的前向和后向波间的耦合最强。假如在式(2-2)中，m=l，n=3.3，B =1.55m，此时DFB激光器的只有235nm。这样细小的光栅可使用全息技术来制作。分布反馈(DFB)激光器结构图见图2-11虽然在DFB激光器里，在腔体长度方向上产生了反馈；定义增益极限为边模的最大增益达到阈值所要求的附加增益，通常对于连续电流工作的DFB激光器，只要35cm-1的增益极限就可以便MSR30dB。然而，当DFB激光器被直接调制时，大的增益极限(10cm-1)是需要的。常使用移相DFB激光器，因为它比常规的DFB激光器能提供更大的增益容限。移相DFB激光器足使激光器中的激活区中心光栅移动了B/4。以便产生/2的相差。通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率r及其幅度衰减时间to和电光延迟时间td的表达式为：式中，to是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth血分别为注入电流密度和阈值电流密度。tsp和tph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。驱动的DFB激光器工作特性如图2-12所示：如图所示随着工作温度的升高，DFB的阈值电流Ith增大，斜效率S降低。模块驱动电路需要为了保持输出平均光功率和消光比不变，在温度上升时要增大偏流IBIAS和调制电流IMOD。另外为了反馈DFB激光器的前向出光功率，同轴器件罩面还会相应封装一个背光二极管PD在里面。(2)实际激光器选型发射激光器选用的是住友的SLT2486-LN 1550nm带隔离器LC型同轴DFB激光器。其光路和机械结构如图2-13所示。激光器的LD和PD采用共阳连接方式，其内部连接和管脚定义如图2-14所示：24.2 接收光器件选型模块接收采用2.5G APD/TIA LC型封装同轴器件作为接收光器件。(1)APD器件特性雪崩光电二极管(APD)是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，从而产生光电流的倍增作用。所谓雪崩倍增效应是指PN结外加高反向偏压后，在耗尽区内形成一个强电场。当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子被强电场加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成链锁反应，从而使光电流在光电二极管内部获得倍增。图2-15是拉通型APD的结构和电场分布图，从图中可以看出，它是由N+区、P区、I区和P+区四层结构组成。其中N+层是高掺杂的N型半导体；P层是P型半导体；I层是掺杂极轻的P型半导体层，由于掺杂极轻，近似于本征半导体，所以称I层；P+层是高掺杂的P型半导体层。未加电压时，N+与P之间形成PN结己由于P层掺杂较轻，图2-15雪崩光电管结构和电场分布所以耗尽区较宽。反偏压时，电压基本上降在PN结上，且在反偏压作用下，耗尽区将增宽。反偏压继续增大时，耗尽区继续加宽，一直延伸到I层，扩展到P+层。由于P+层掺杂很重，其所占耗尽区很窄。在高反偏压作用下，N+区积累正电荷，其电荷密度较大；P层整个区域带负电荷，其密度较小；在I层，电荷密度更小，几乎可忽略不计；P+区负电荷密度很大，但电荷层很薄。这样的空间电荷分布形成了内建电场，如图2-15所示。从图2-15可见，最强的电场在PN结区内，其电场强度大得足以使到达这里的载流子引起碰撞电离，这就是雪崩区。I层的电场较弱，它是光的收集吸收区。当光从P+层一端入射时，光电材料吸收光子能量，产生一次光生电子一空穴对，并在弱电场作用下向PN结方向运动。当它穿过I层到达PN结时，在强电场作用下被加速而获得很高的动能。被加速的光生载流子在漂移途中与晶格中的原子碰撞，使其电离而产生新的电子-空穴对，这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。新生的载流子与原来载流子一起，再被强电场加速而获得很高的动能，在漂移途中可能再次碰撞晶格上的原予，又使原子电离而产生新的载流子,如此下去，使耗尽区的载流子急剧地增加，这就如雪崩过程中的雪球越滚越大一样。载流子由于雪崩而猛烈地倍增，使电流迅速增加，这就是雪崩倍增效应。雪崩光电管由于内部存在雪崩倍增效应，所以能使输出电流大大地增加。但雪崩光电二极管在完成光电变换的过程中，也将引入由于雪崩倍增的随机性而产生的噪声，这种噪声称为倍增噪声。此外，APD管的击穿电压VB对温度十分敏感。当温度变化时，由于VB的变化将引起倍增因子G的变化，使得APD管工作不稳定。因此，为了保证APD管稳定工作，必须采用温度补偿措施。虽然APD管在使用时比PIN光电二极管复杂，需要很高的反向偏压，但由于APD管倍增作用显著，使得采用APD管光接收机的灵敏度比采用PIN管光接收机的要高，因此在光纤长程传输中使用较多。APD/TIA内部主要结构如图2-16所示：(2)实际APD光器件选型接收光器件选用公司PTCM967-425 2.5G APD/TIA LC型同轴器件，其击穿电压在55v60v之间。其光路和机械结构如图2-17所示：器件管脚定义如图2-18所示：如图所示，Vpd为APD管芯的方向偏压脚，Vcc为To里TIA的工作供电脚，OUTP和OUTN为TIA输出的差分信号脚，GND为工作地脚。三、2.5G高性能SFP光模块设计331 电路原理设计和计算31.1 模块发射部分原理设计模块发射部分的驱动IC选用MAX3735A驱动芯片。MAX3735A是一款成熟的+3.3V激光驱动器，用于155Mbps至2.7Gbps的SFP/SFF系统。其内部结构工作原理框图如下图3-1所示：该芯片接收差分输入数据，并提供驱动激光器的偏置电流和调制电流。与激光器的直流耦合允许多速率应用，并减少外围元件的数量。MAX3735A完全满足SFP MSA时序要求和SFF-8472发送诊断要求。自动功率控制(APC)反馈回路使平均光功率在整个温度范围和芯片使用期限内保持恒定。可提供10mA至60mA的宽范围调制电流(交流耦合时可达85mA)和1mA至100mA的偏置电流，非常适合驱动光纤模块中FP/DFB激光二极管。MAX3735A提供发射禁止控制、带锁存的单点发送故障监视输出、光电流监视和用来指示APC环路无法维持平均光功率的偏置电流监视功能并具有改进的多速率工作特性。MAX3735A在直流耦合驱动下，驱动电流理论供给能力Ibias=1100mA，IMOD=1060mA。为了满足模块出纤光功率和消光比的要求，我们对其器件提出的常温下指标要求其在Ith+20mA条件下，出纤光功率大于1.5mW。这样常温下我们调到模块出纤光功率的典型值0dBm(1mW)左右需要调制电流需要20x2xl/1.5=26.7mA左右。在高温下，激光器电光转换(SE)的下降，以高温下SE和常温下的比值0.55计算，为了保证模块能正常工作，再加上RC补偿回路分流和留有一定余量的考虑，要求LDD能提供的IMOD上限只少需要大于50mA。MAX3735A能提供的IMOD理论上限值满足设计的要求。一般Ibias的值略高于激光器Ith 03mA，选用的1550波长DFB-LD在常温下的Ith约为10mA。Ith随温度的升高而增加，关系式为Ith(T)=I0+K1eT/T1 (3-1)I0、K1、T1乃是常量。对DFB-LD来说，假设参数I0 =1.8mA，K1=3.85mA，T1=40按照此公式估算，当LD温度大概为85的时候，其Ith大概为34mA左右。这样由LDD提供的最大Ibias只要大于40mA就能满足设计的要求。而芯片能够提供的偏置电流可达100mA，故激光器Ith一般满足要求。MAX3735A调制电流的上升和下降时间分别小于65ps和85ps，能满足在在2.5G速率下工作的要求，而且功耗低。根据MAX3735A DATASHEET，芯片工作电压最大为3.6V芯片最大工作电流为50mA，激光器典型压降1.3V，假设激光器工作在极限工作条件下，其提供的电流Ibias=50mA，Imod=60mA，其最大功耗为3.650+(3.61.3)(50+30)=364mw。MAX3735A不带温度补偿电路，我们采用在调制电阻回路上加负温度系数热敏电阻的方法对模块的消光比进行补偿。31.2 接收电路设计接收限放选用MAX3748A限放芯片，MAX3748A是一款成熟的+3.3V接收限幅放大器，用于155Mbps至3.2Gbps的SFP/SFF系统。其内部结构工作原理框图如下图所示：限幅放大器由输入缓冲器、多级放大器、失调校准电路、输出缓冲器及信号检测电路组成。(1)输入缓冲器输入缓冲器结构如图3-3所示，它为每一路输入信号IN+和IN-提供50的端接电阻。可将MAX3748A直流或交流耦合至APD的前放TIA。(2)失调校准电路MAX3748A易受信号通路直流失调的影响，因为它具有很高的增益。在使用50占空比的NRZ数据的通讯系统中，信号的脉宽失真或互阻放大器产生的脉宽失真表现为输入失调，需要靠失调校准环路抑制。千兆位以太网及光纤通道应用无需使用电容。但对于SDH和SONET的应用，建议采用CAZ=0.1uF，此电容决定了数据通路的3dB频率。(3)CMI输出缓冲器CML输出缓冲器结构见图3-4，MAX3748A限幅放大器的CML输出为阻抗失配和感性连接器提供了较高的容限。输出电流大约为18mA。将DISABLE与VCC连接可禁止输出。LOS引脚接DISABLE引脚时，只要输入信号低于LOS门限，输出OUT+及OUT-均会处于静态电压(静噪)。输出缓冲器可以交流或直流耦合到负载。(4)功率检测及信号丢失指示器MAX3748A配备有LOS电路，指示输入信号是否低于门限，门限值由TH引脚的外接RTH电阻进行设置。平均峰值功率检测器将输入信号幅度与此门限进行比较，并将信号检测信息反馈给集电极开路输出的LOS脚。两路控制电压Vassert及Vdeassert，定义L0S的报警和解除报警门限电平。为避免LOS在设置门限附近抖动，在LOS的报警/解除报警电路中引入了大约2dB的滞回。一旦产生报警，LOS将在输入信号幅度恢复到所需要的电平(Vdeassert)后解除报警。31.3 APD高压电路方案APD器件工作需要较高的直流偏压，由于SFP光模块的供电电源为单一的+3.3V直流电源，因此我们需要设计高集成度，噪声低的直流电压升压电路。APD高压电路主要包括升压电路、倍压电路和温度补偿三个部分，如图3-5所示。光模块设计采用的升压电路采用能够实现DC/DC转换功能的专用升压芯片LTl930A。通过DC/DC Converter能将输入的电源电压(3.3V或5V)转换成最高36V的高压输出。升压变换器主要由开关晶体管VT、二极管VD、储能电感L和输出滤波电容C所组成。其电路拓扑结构及波形如图3-6所示。其升压过程：VT的工作周期Ts=ton+toff，VT在ton期间导通，在toff期间截止。ton期间，电源Uin的能量存储于L中，VT导通，VD反偏，由C向负载供给能量。在toff期间，VT截止，L中的电流不能突变，产生感应电势阻止电流减小，感应电势的极性为右正左负，VD导通，L中存储的能量经VD、流入C，并供给负载。Uo=11-Uin，其中，d=ton/Ts为占空比，当改变d时，就能获得所需的上升的电压值。在实际IC电路应用中，DC/DC Converter芯片的输出电压经分压得到的反馈电压与芯片内部的参考电压进行比较，产生一个误差信号经由PWM控制器(根据误差信号产生不同的占空比d来控制信号)来控制功率管的开关。当误差放大器EA的输出增加时，输出的开关电流增加；当EA的输出减小时，输出的开关电流减小，从而实现高压输出的自动调节，其升压原理框图如图3-7所示。虽然DC/DC Converter能输出36伏的电压，但APD的工作电压高达50、60几伏，这就需要将Converter的输出电压进行倍压，以满足APD的工作需要。倍压电路一般由整流二极管和电容构成，对前面介绍的Boost Converter进行倍压，倍压电路设计如图3-8所示。APD的温度补偿主要为了补偿APD随温度升高其击穿电压相应增加的特性，一般是通过负温度系数的热敏电阻来实现的。热敏电阻(APD内部集成或者外围提供)将环境温度的变化反映到DC/DC Converter的输入反馈电压处，从而控制APD的高压随工作温度的变化而变化。整个APD偏压设计的应用电路如图3-9所示：31.4 数字诊断监控上报功能的电路实现：(1)发射光功率监控取样方案MAX3735A为满足SFF-8472的标准，对激光器的背光二极管进行了电流取样，并通过取样电阻转换成取样电压。由于激光器的背光二极管的背光电流与激光器的前向光功率成正比，因此对激光器的背光二极管的背光电流进行取样即可对模块的发射光功率进行取样监控。其PC_MON管脚上的取样电压与背光电流计算关系如下：Vpc_MON=IMDRpc_MON (3-2)(2)发射偏流监控取样方案MAX3735A驱动芯片提供了对激光器发射偏流的监控取样功能，通过外接取样电阻转换成电压信号，从而实现对模块发射偏流的取样监控。其BC_MON管脚上的取样电压与实际偏流的计算关系如下：VBC_MON=(IBIAS/76)RBC_MON (33)(3)接收光功率的监控取样方案接收光功率监控用高精度电流监控芯片MAX4007来实现，其设计电路如下：MAX4007利用镜像电流源，输出电流IOUT为实际流经APD管的光电流IAPD的1/10，将I0UT通过对地参考电阻转化为电压VRXMON，即可实现对接收光功率的监控。MAX4007接收光功率Input Optical Power(W)与监控电压VRXMON-Monitor Voltage(V)的关系如图3-11所示：DSl859是一款与SFF-8472完全兼容的实现数字诊断上报芯片，它采用2线I2C接口通讯，具有5个监控信道(温度，电压，MONl，MON2，MON3)并具有2个51K数字电位器。温度上报由DSl859内置的温度传感器转换成数字量直接上报，电压由DSl859的供电电压直接实现A/D转换成数字量直接上报，二者都可以满足SFF-8472规定的精度要求。MONl，MON2，MON3需要输入电压模拟量，在DSl859中进行A/D转换后进行上报。在这3个监控信道输入端，我们分别输入偏流监控电压，发射光功率监控电压，接收光功率监控电压。然后通过软件调节DSl859增益值对模块参数上报值与实测值进行校准和拟合，满足SFF-8472协议上报精度要求并通过12C总线进行上报。综上所述，对模块整体原理图进行设计，其原理图参见附录I：模块原理设计图。32 模块PCB设计采用Protel 99SE完成对模块PCB设计，由于布板空间有限，模块PCB设计分为两块PCB设计，1块为APD的偏压板，二层板，板厚0.5mm。另一块板为模块的主工作板，六层板，板厚lmm。两块板通过金属插针桥连在一起。32.1 PCB板布局主要符合以下原则：(1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。(2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。(3)在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观。而且装焊容易。易于批量生产。(4)PCB板边缘根据外壳的定位方式，留出相应的禁布区。32.2 PCB走线主要规则控制如下：(1)走线的宽度导线宽度最小值以承受的电流大小而定，但最小不小于0.2mm。印制导线的公共地线使用大面积铺铜的方法。(2)走线的间距相邻导线间距满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也尽量放宽。最小间距满足适合承受的电压要求。这个电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其它原因引起的峰值电压。在布线密度较低时，信号线的间距适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线尽可能的短且加大间距。布板控制最小线间距在6mil以上。(3)走线的屏蔽与接地接地和电源的图形尽可能与数据的流动方向平行，增强抑制噪声能力；多层印制线路板采取中间层作屏蔽层，电源层、地线层均可视为屏蔽层，地线层和电源层设计在多层印制线路板的内层，信号线设计在内层和外层。(4)在电(地)层上走线在布线时，有时必须在在电(地)层上进行布线。首先考虑用电源层，其次才是地层，保留地层的完整性。(5)合理的走向输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高压/低压等它们的走向呈线形的(或分离)，不相互交融，主要为了防止相互干扰。走向尽量按直线，不易实现的地方设隔离带来改善。(6)电源、地线的处理做成多层板，电源占一层，地层采用大面积铺铜方式将电源作为中间层包围在里面。(7)差分信号线走线对需要低误码率的高带宽、高密度的数据链路。差分信号可以不受共模噪声的影响，而这种噪声在许多应用系统中普遍存在。如使用差分信号可以避免常见的地线反弹，在使用单端接口的许多高密度IC中我们都会遇到这种噪声问题。它还提供了更高的噪声容限，以便改善数字信号链路的误码率。在PCB设计过程中我们采用差分的信号互连方式。本设计采用100欧姆差分线，单端50欧姆阻抗作为差分数据型号的输入和输出，其共模阻抗ZO与差模阻抗Zdiff的关系可由以下表达式得到：Zdiff=2ZO(1-k)/(1+k) (34)其中k是走线耦合系数。50欧姆的接地电阻通常用来最终连接100欧姆的差分线对，它提供了差分线的理想终端，由于数据连接是采用差分信号，这也是最重要的。对共模时的少许阻抗不匹配影响不大，通常只有噪声和串扰信号会出现在共模中。32.3 PCB层间设计本PCB板设计中用到六层板设计，多层的金属走线可以提供较高的连接密度、低串扰和良好的电磁兼容性(EMC)，保证在信号互连时得到最佳的信号完整性。33 模块计算机软件调测模块提供标准的12C接口，在SFP测试盒上转换为并口与PC进行通讯调试。(1)12C总线介绍I2C总线特征：要求两条总线，串行数据线SDA和串行时钟线SCL。每个连到总线的设备都有一个唯一的，可以软件寻址的地址，而且以简单的主/从关系存在于总线上。主机可以作为主发送器，也可以作为主接收器。它是一个真正的多主机总线，连接到相同总线的IC数量收到总线最大电容400pF的限制。串行8位双向数据传输，标准模式100Kbps，快速模式400Kbps，高速模式3.4Mbps。SDA和SCL都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压。总线空闲时，都是高电平。连接到总线的器件输出级必须是漏极开路或者集电极开路才能执行线与的功能，其电路结构如图3-19所示。I2C总线位传输：SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定。数据线的高或低电平状态只有在SCL的时钟信号是低电平时才能改变。I2C数据传输起始和停止条件：I2C总线中唯一出现的是定义为起始(S)和停止(P)条件的情况。起始：SCL高电平时，SDA从高电平向低电平切换停止：SCL高电平时，SDA从低电平向高电平切换I2C字节格式：发送到SDA上的每个字节必须为8位。每次传输可以发送的数量不受限制。每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位(MSB)。如果从机要完成一些其他功能后才能接收或发送下一个字节，可以使SCL保持低电平迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下个字节并释放SCL后，数据传输继续。I2C响应：数据传输必须带响应。相关的响应时钟脉冲由主机产生。在响应的时钟脉冲期间，发送器释放SDA(高)在响应的时钟脉冲期间，接收器必须将SDA拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。(ACK)(2)并口调试接口为了方便计算机调试，我们采用计算机并口对模块的12C总线进行调试，其应用转换电路如图3-24所示：该接口基于一个74HC05芯片构建，在原理图中以U1表示。74HC05包含六个集电极开路输出的反相器。在本应用中该芯片具有好几个功能。首先，它为PC并口电路与下一级电路提供隔离功能。同时将并口的TTL信号转成2线接口需要的集电极开路输出。集电极开路输出需要连接双向SDA信号到一个专门的并口输入引脚和一个专门的并口输出引脚(与使用一个并口双向引脚的情形相反，这通常需要用户设置PC BIOS)。2线接口的SCL信号对芯片来说为仅为输入(不实现时钟扩展)，可使用并口的D0产生SCL(PC DB-25连接器的引脚2)，配置为输出。D0连接到74HC05反相器(U1E)的一个输入。一些并口可能不能输出足够高的电压，反相器无法判断电压为高电平，所以电阻R3用作上拉电阻使接口对PC之间的差异不敏感。反相器U1E的输出为SCL。因为输出为漏极开路，需要上拉电阻R1实现高电平逻辑。另外一个方面SDA信号是双向。使用一个输入引脚(PC DB-25连接器引脚12)和一个输出引脚(Dl，PC DB-25连接器引脚3)实现双向工作。从PC到2线设备的通信由产生SCL信号的同样电路实现。并口的输出D1连接到另外74HC05(U1)的另一个反相器的输入(U1A)。为保证并口高电平逻辑足够高，反相器能够正确判断，上拉电阻R4将信号D1电平上拉到VCC。同样地，反相器的输出为漏极开路，需要R2实现高电平逻辑。使用并口的一个输入引脚(引脚12)和74HC05反相器(UlB)实现从2线设备到PC的SDA通信。为使设备能够与PC通信，应用软件必须使D1为低电平，这样反相器的输出释放SDA，允许2线设备控制SDA。反相器U1B的输入监视SDA。反相器的输出通过R6上拉到VCC，R6负责判定高电平逻辑。串联电阻R5用作冲突状态下的保护。仅需要74HC05六个反相器中的三个用于实现2线通信，其余三个反相器并未没用。其余没有用到的反相器输入应当连接到GND，输出高阻以防止冲突。PC与接口之间的通信使用三个寄存器中的四位实现。并口(LPTl)缺省基地址为378h。其余的两个可能地址为3BCh和278h。基地址为8位数据字节的地址。该字节包含控制引脚D7-D0的位，最低有效位(LSB)为D0。在数据字节后面、基地址+1处的字节为状态字节。在给出的原理图图3-24中，状态字节的第5位(位0为LSB)为SDA的输入。状态字节位5的读数指示SDA的状态(通过U1B的倒相)。在执行读操作之前，确保数据字节中的D1写为低电平使得反相器U1A为高阻，允许反相器UIB检测SDA的状态。状态字节之后基地址+2处的字节为控制字节。(3)模块调试软件界面设计模块调试软件由公司软件人员进行编写，其主界面如图3-25所示：1)1区作用：调节模块5个上报参数的内部校准系数，分别是温度偏移、VCC增益(电压增益)、VCC偏移(电压偏移)、Bias增益(偏流增益)、Bias偏移(偏流偏移)、Tx增益(发射光功率增益)、Tx偏移(发射光功率偏移)、Rx增益(接收光功率增益)、Rx偏移(接收光功率偏移)。用户可输入的变量范围为0-65535之间的整数，没有单位。使用者可以直接拖动滚动条来确定内部校准系数值，也可以直接将系数值写入到相应的编辑框中，但必须在单击“写入”按钮后才能将参数值写入到模块中。2)2区作用：调节控制模块发射光功率和消光比(Ext)的数字电位器。用户可输入的变量范围：电位器的输入范围是从0-51之间的小数，精度是0.2，单位是K欧姆。3)3区作用：该区域将实现ESFP模块的关键功能，即监控模块当前的工作参数、以及工作状态，该区对应图一A2h的96119 EEPROM存储区。该区域只用于输出，不用于输入。当使用者选中“实时监控”，程序首先读取模块中已经设置好的告警值，并显示在滚动轴下边；之后程序将对SFF-8472 R9.3中要求监控的5个参数(温度、电压、偏流、发射光功率、接收光功率)及其相应状态按每秒一次的频率进行采集上报，参数值显示在编辑框中，工作状态以不同颜色指示灯的形式显示在滚动轴右边。下图3-27给出软件的实际监控图例： 如图3-27，模块实时上报温度、电压、发射偏流、发射光功率和接收光功率实际值，并通过绿灯、黄灯和红灯来指示模块上报参数正常或者异常，使得使用者可以很方便对模块的工作状态进行监控。4)4区作用：该区域主要是设置Bias右移、Tx右移、Rx右移。设置右移主要是针对DSl859内部A/D转换器只有12位特性而进行的寄存器移位操作，主要是根据模块的工作参数的范围，提高上报参数的精