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数据通信用光电集成智能化CSFP光模块

摘要:为满足光模块产品低成本、高链路容量的发展需求,提出了一种紧凑型小型化可热插拔(CSFP)光收发模块的设计方案及测试方法。

  ICCSZ讯 为满足光模块产品低成本、高链路容量的发展需求,提出了一种紧凑型小型化可热插拔(CSFP)光收发模块的设计方案及测试方法。简要说明了CSFP的应用背景,并详细论述了CSFP中的光电集成技术及其优势,针对模块发送、接收及控制等关键电路提出了符合CSFP MSA协议的模块设计方案,并根据此设计方案制作了样品模块,通过测试和分析其性能参数,证实了方案的可行性,为实际的产品化生产提供了参考,达到了预期目标。

  1 引言

  近几年来,随着光纤到户、全光网络等热点应用的兴起,通信业正面临带宽和速度的双重挑战,大容量、高速率和高质量的光纤通信已成为信息产业发展的必然趋势。光收发模块是光网络建设的重要组成部分,其核心功能就是在各种传输网络之间提供光电接口,完成光电或电光转换,确保通信网的连接。目前应用较广的光模块类型是小型化可热插拔(SFP)模块系列产品。在当前的主流通信容量和速率下,它基本能满足通信的要求。但随着一系列热点应用的兴起以及对光模块产品低成本、高链路容量的进一步需求,紧凑型小型化可热插拔(CSFP)光收发模块便应运而生。在现在流行的SFP工业封装基础上,通过采用双通道,甚至四通道的设计,CSFP不改变现有接口形式,但将外形尺寸缩小到现有标准的1/2或1/4,通过组合还可灵活配置通道数量。采用高集成度光电回路和封装技术研制的CSFP光模块继承了SFP所有的技术优势,大幅度减小光模块和通信系统设备的外形尺寸,成倍提升端口密度及信息吞吐量的同时也降低了系统成本,商业价值巨大。本文旨在研究和设计出一种集成两路传统单纤双向(BIDI)SFP的CSFP模块,并对其性能进行测试,通过进一步分析数据结果,验证产品性能,证实设计方案的可行性,为CSFP光模块的实际生产提供理论依据。

  2 CSFP中的光电集成技术

  光电集成技术的出现是光学器件和系统发展的必然趋势,也是当今光电子学领域的前沿技术,它主要研究如何将光学器件与电子元件集成封装在一起以完成传统有源、无源光元件的功能。将半导体激光器、探测器等有源器件集成在同一平面衬底上,并用光波导、耦合器、隔离器和滤波器等无源器件连接起来,构成实现微型化、集成化和薄膜化的微型光学系统称为集成光路。如果同时与如电阻、电容等电子元件集成,则构成混合光电集成系统.

  混合光电集成可以实现作为基础光元件体系的光波导和有源器件的自由结合,所以可以较容易制作出各种功能的光集成器件,生产成本较低,是目前最合适的实用集成途径。它通过在硅衬底光波导上集成芯片,实现了一个双向光通信收发器的混合光器件体系。半导体激光器、光探测器等有源器件和构成波导基础光路所必需的无源元件,各自选择最合适的材料,采用不同的制造工艺,组成最合适的器件形式,这是混合集成的最大特征。正因为如此,大多数混合集成元件在研究初期就可以具备满足实用化条件的性能。

  混合光集成的一个困难之处在于将光有源器件装配到无源波导衬底上,目前通过平面光波回路(PLC)技术可有效解决这个难题。图2是具有石英-硅台面的PLC平台结构。这种平台用具有台面区域的硅代替常规的平坦硅衬底,其主要由PLC区、器件装配区和电导线区3部分组成。在PLC区中的埋入式光波导的传输损耗非常小(小于0.1dB/cm),这是因为其形成在紧邻台面硅衬底的基平面附近。器件装配区含有硅台面,其对于光电子器件可以起到对准和散热的作用。在硅台面上形成厚度大约为0.5μm的二氧化硅(SiO2)电绝缘层,再在这个绝缘层上面做焊料图型。由于在事先设计时已经使波导区与光电器件有源层距焊料表面的距离相同,所以将光电器件倒放在焊料上,SiO2光波导和光电器件便可以容易的实现垂直校准。导线区的一个主要优点就是导线可以做在石英层上,而不是在硅衬底上。通常硅衬底导线由于硅表面本身具有微弱导电性,所以在传输高速电信号时会有很大的损耗和电容。而这个问题可以用石英层导线解决。所以,PLC平台还充当了光器件性能优异的导线基板。

  相比传统的分立光器件,集成光学系统主要具备如下优点:1)体积小、重量轻。光学器件集成封装在毫米级衬底上,大大缩减了元件的体积和重量。2)集成器件内光路的高度稳定性。集成光学技术可以在同一块衬底上直接集成若干器件,可以较好的保持部件的稳定性,因而不存在传统分立光器件所具有的同轴组装问题,所以它对机械震动等环境因素的适应性也较强。3)功率密度高。光波导尺寸较小,器件空间布局紧凑,单位面积内功率密度提高,阈值减小。

  3 工作原理

  CSFP光模块在传统SFP模块外型尺寸上,集成了两个BIDI SFP模块。该模块由两个PLC BOSA来实现原来同一外型尺寸下两个通道的双向收发。引脚定义和监控量与传统的SFP模块有较大不同,其他功能基本一样,其结构如图3所示,其中LOS为告警信号,IC为集成芯片,MCU 为微控制器,EEPROM 为电可擦除只读存储器,BOSA为光收发组件。

  CSFP完成了两个传统的单纤双向SFP模块的功能集成,其结构中包含两路独立的光发射接收通道,每路通道由一个PLC BOSA器件负责完成光信号的接收和电信号的发射,是CSFP模块的核心部件。

  发射部分由BOSA中的发射器和三合一芯片中驱动电路组成,而发射器主要由激光二极管(LD)及监控发射光功率的背光二极管(PD)组成。驱动电路的作用在于提供激光器所需的偏置电流和调制电流,前者用于开启激光器工作状态,后者主要用来将电接口接收到的调制信号加载到输出光信号上。目前的驱动电路一般都具备自动功率控制(APC)功能,可以保证激光器全程发光功率恒定,其原理是根据监控二极管的背光电流大小来动态调节偏置电流。

  接收部分主要包括BOSA中的接收器及三合一芯片中的限幅放大器,其中接收器又由探测器和前置放大器组成。探测器将接收到的光信号通过光电转换变成带有数据信息的微弱电信号,但此时电信号的摆动幅度很大且含有较多噪声,需要输入到前置放大器中放大。前置放大器又称跨阻放大器,具备自动增益控制(AGC)功能,可以大大减小输出电信号的摆动幅度。最后主放大器完成二级放大功能,将电信号放大到所需的电平范围后输出。

  微控制器主要对激光器驱动电路、主放大器及EEPROM进行控制。EEPROM的基本单元主要用于存储产品型号、串号、生产日期等相关产品固定信息,而CSFP模块数字诊断监控(DDM)功能的实现还需要增加用于转换采集信号的转换电路。这些电路用于模块输出光功率、输入光功率、工作电压、温度和偏置电流等参数的实时监控和上报。采集电路将这些参数对应的瞬时电压值送至转换电路,输出的数字信号存储在EEPROM 的相应单元。

  CSFP模块与上位机系统之间的接口采用I2C总线方式,即时钟线(SCL)和数据线(SDA)的方式,通过金手指实现电接口,完成上位机对光模块的信息读写。MCU 与存储元件EEPROM 之间的数据传递是通过SPI总线,即时钟线、数据输入线和数据输出线的方式。MCU通过I2C总线对两路通道进行监控,一旦检测到某个通道主要参数的异常变化,MCU 分别报TX1-Fault或TX2-Fault,表示通道1或通道2出错。MCU的TX1-Fault和TX2-Fault输出引脚同时连接到一个或门的输入端,只有当两路通道都正常工作时,模块金手指的TX-Fault引脚才不会向上位机报警。否则,任一路传输通道出现异常,模块发出报警信号。

  4 测试与分析

  根据上述工作原理研制出了如图5所示的两种CSFP光模块,工作速率同为1.25Gb/s,工作波长为发射1310nm和接收1490nm或发射1490nm和接收1310nm,两种模块彼此配对工作,满足CSFP MSA协议标准,与传统SFP模块封装完全一致,外接双LC接口单模光纤,主要应用于1000BASE-BX以太网。

  4.1 测试方案

  CSFP模块的测试平台。将待测的CSFP模块插入一个标准的CSFP测试主板,主板与电源连接并有可选择的2线接口。测试时先选择测试第一路或者第二路,选定后把误码仪上的数据线与测试板的接口相连。一台串联的误码仪(BERT)用来产生和接收1.25Gb/s下的PRBS-23数据流,通过测试板加载到CSFP模块上,经过模块后转换成相应的光信号,光信号由高速示波器观察,然后返回到接收端或连接到一个光衰减器上,光衰减器的输出连接到CSFP模块的接收端上。电源为模块提供3.3V工作电压,电脑通过串口、并口或USB接口对模块进行监控和读写操作。为方便起见,本次主要测试发送波长1490nm的1.25Gb/s CSFP模块。

  4.2 测试数据与分析

  因为CSFP光模块具备双通道传输能力,所以在数据测试上也相应的体现出来。首先测试时只分别连接单独一路通路,另一路通路不工作,保持无调制状态,这样做主要考察单路通路工作的最佳状态。

  由于两路通路集成在一块主板上,并且可以同时双工工作,因此测试一路时必须考虑到另一路的通信是否会对本路的正常工作造成影响,这是模拟CSFP光模块正常应用的重要考核。

  在实际测试中,除了获取参数的具体数值,还可以通过示波器观察眼图对信号传输质量进行综合的评价。根据眼图的眼形、线条的粗细等可以比较直观的反应码间串扰或噪声影响的程度,为进一步改善传输性能提供了参考依据。

  5 结语

  采用本方案设计及研制的CSFP光模块样品完全符合CSFP MSA标准,性能达到同类产品先进水平,具有较高的可行性,为CSFP光模块产品的实际生产提供了参考。

内容来自:中国激光
本文地址:http://www.iccsz.com//Site/CN/News/2013/10/10/20131010224610672868.htm 转载请保留文章出处
关键字: CSFP 光模块/
文章标题:数据通信用光电集成智能化CSFP光模块
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