10G XFP光模块的设计

　　万新星、任海兰(光纤通信技术和网络国家重点实验室，武汉邮电科学研究院)《光通信研究》2012.4

　　文章介绍了应用于光网络系统的10 Gbit/s XFP(小型化可热插拔)光模块的基本原理以及光收发模块的设计，采用了CDR(时钟数据恢复)、APC(自动功率控制)、LA(限幅放大器)和发射驱动集成的主芯片GN2010EA，与传统设计相比不仅降低了设计成本，而且降低了设计的复杂度。测试结果表明，该模块在宽的温度范围内能保持稳定的光功率和消光比，并且指标满足ITU—T标准的要求，符合10 Gbit/s光模块设计要求。

　　引言

　　在光纤通信系统中，实现光/电/光转换功能的光收发模块占有十分重要的地位。高速率(40、100 Gbit/s)技术已经成为各大运营商关注的焦点，但10 Gbit/s技术仍然是当前通信系统的主流技术，基于标准化的密集波分光通信模块成为其必不可少的一部分，10 Gbit/s XFP(ds型化可热插拔)光模块以其价格低、体积小和应用环境广泛等优点，已经成为10 Gbit/s光模块的主流产品。

　　本文将介绍兼容40和80 km 的10 Gbit/sXFP光模块的基本原理、低成本的设计方案，以及相关的测试(验证方案的可行性)。这种设计采用CDR(时钟数据恢复)、APC(自动功率控制)、LA(限幅放大器)和驱动器集成的主芯片GN2010EA，减少了器件的数量，降低了制作工艺难度，达到了低成本的目的。

　　1 10 Gbit/s XFP光模块的设计

　　1.1 模块功能框图

　　图1所示为10 Gbit/s XFP光模块的基本结构框图。模块的发射端(包括光发送子系统、主芯片、温控电路以及控制电路)采用输入均衡器、多速率CDR、EML(电吸收调制激光器)驱动器和APC集成的芯片驱动激光器实现电/光转换。接收端(包括光接收子系统、主芯片以及控制电路)则采用APD(雪崩光电二极管)将探测到的光信号转换成电信号放大整形后输出。模块中采用单片机控制发射驱动芯片，实现数字诊断功能。

　　1.2 发射部分

　　发射电信号由主芯片GN2010EA 的TXDIP脚和TXDIN脚进入，经过主芯片发射部分的均衡器、CDR和EML驱动器，再由TXDOP脚和TXDON脚输出，进入TOSA(光发送子系统)进行电信号到光信号的转换。内部APC电路控制激光器的偏置电流，由IBIAS脚输出到TOSA，控制TOSA 的光功率。

　　主芯片内部APC电路有两种方式对激光器偏置电流进行设置：(1)设置寄存器APC—REG5的第二位APCOVR，将APC环路旁路掉，这样可以直接通过寄存器设置IBIAS脚输出的电流值。(2)使用APC环路形成一个闭环负反馈，将设置电压值与VPHOTO脚反馈的电压值(VPHOTO脚的电压与发射光功率成比例关系)进行比较，最后使得VPHOTO脚反馈的电压值稳定在设定值，即使发射光功率稳定在设定值。

　　1.3 接收部分

　　传输距离不同时，所采用的光电探测器不同，接收端的设计电路也有所不同。短距离传输时采用PIN(光电二极管)光电探测器，长距离传输时采用APD光电探测器。

　　当使用APD ROSAl3 (光接收子系统)时，Th脚通过一个20 kQ的电阻接3.3 V参考电源，热敏电阻的电压值送到控制电路微处理器的ADC口对APD进行温度补偿;DAC脚接MCU(微控制单元)的DAC口，进行交叉水平调节;Vapd脚接升压电路;其他接口与使用PIN ROSA时的接法一样。使用PIN ROSA时，Th脚接地;DAC脚接外部电阻，将电流转换为电压给MCU 的ADC 口，对PIN进行电流监控，此时不接升压电路;Vapd脚接地;其他接口与使用APD ROSA时的接法一样。

　　1.4 监控部分

　　监控功能主要由MCU 来完成，本设计中采用ADUC7020。根据XFP协议SFF INF 8077i第四章定义的2线接口协议，可以通过总线实现对特别寄存器的读写。XFP光模块的监控量主要有TO—SA温度、TEC(温度控制电路)电流、发射端偏置电流、调制电流、接收光功率和接收丢失告警等。

　　1.5 电源部分

　　XFP模块由外部的两路电源进行供电，这两路电源分别为5和3.3 V。模块内部对这两路电源按用途进行了细分。模块上电时，按照一定顺序给电路中的各个部分加电，以保护模块在热插拔的时候不会受到损伤。

　　2 测试结果

　　10 Gbit/s XFP光模块的主要测试指标包括发射光眼图、发射光功率、消光比和接收灵敏度，具体测试如下。

　　(1)发射指标的测试

　　不同温度下测试得到的发射光眼图如图2所示，发射指标见表1。

　　测试结果显示，发射眼图的质量满足ITU—TG。691标准 中模板的要求，发射光功率和消光比均满足标准的规定，并且在全温范围内指标变化较小。

　　(2)接收灵敏度的测试

　　在速率为10 Gbit/s、PRBS31(伪随机序列)阶码、误码率为1.0E一12的条件下对两只模块在不同温度下进行接收端灵敏度测试，结果如表2所示。

　　ITU—T G.691标准要求在误码率为1.0E一12的条件下灵敏度< 一25 dBm，由表2可见，测试结果满足标准要求。

　　(3)DP(色散代价)的测试

　　在速率为10 Gbit/s、全温常压的条件下，对40 km光模块不带纤和带纤、误码率为1.oE一12时的灵敏度进行了测试，得到DP结果如表3所示。

　　ITu—T G.691标准要求，对于高色散系统，允许的最大通道代价为2 dB，测试结果表明，该参数符合标准要求。

　　3 结束语

　　本文从总体上介绍了10 Gbit/s XFP光模块的设计，着重介绍了光模块关键部分的实现方式，测试结果显示设计的模块满足标准要求。本设计采用CDR、发射驱动和接收LA集成的主芯片，不仅在传统设计的基础上降低了芯片成本，而且大大降低了布板布局复杂度，这一设计将会逐步取代传统的设计，成为10 Gbit/s XFP光模块的主流设计方案。