10G XFP光模塊的設(shè)計(jì)

訊石光通訊網(wǎng) 2014/5/7 11:40:43

  萬新星、任海蘭(光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢郵電科學(xué)研究院)《光通信研究》2012.4

  文章介紹了應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的10 Gbit/s XFP(小型化可熱插拔)光模塊的基本原理以及光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì),采用了CDR(時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))、APC(自動功率控制)、LA(限幅放大器)和發(fā)射驅(qū)動集成的主芯片GN2010EA,與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比不僅降低了設(shè)計(jì)成本,而且降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。測試結(jié)果表明,該模塊在寬的溫度范圍內(nèi)能保持穩(wěn)定的光功率和消光比,并且指標(biāo)滿足ITU—T標(biāo)準(zhǔn)的要求,符合10 Gbit/s光模塊設(shè)計(jì)要求。

  引言

  在光纖通信系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)光/電/光轉(zhuǎn)換功能的光收發(fā)模塊占有十分重要的地位。高速率(40、100 Gbit/s)技術(shù)已經(jīng)成為各大運(yùn)營商關(guān)注的焦點(diǎn),但10 Gbit/s技術(shù)仍然是當(dāng)前通信系統(tǒng)的主流技術(shù),基于標(biāo)準(zhǔn)化的密集波分光通信模塊成為其必不可少的一部分,10 Gbit/s XFP(ds型化可熱插拔)光模塊以其價格低、體積小和應(yīng)用環(huán)境廣泛等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為10 Gbit/s光模塊的主流產(chǎn)品。

  本文將介紹兼容40和80 km 的10 Gbit/sXFP光模塊的基本原理、低成本的設(shè)計(jì)方案,以及相關(guān)的測試(驗(yàn)證方案的可行性)。這種設(shè)計(jì)采用CDR(時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))、APC(自動功率控制)、LA(限幅放大器)和驅(qū)動器集成的主芯片GN2010EA,減少了器件的數(shù)量,降低了制作工藝難度,達(dá)到了低成本的目的。

  1 10 Gbit/s XFP光模塊的設(shè)計(jì)

  1.1 模塊功能框圖

  圖1所示為10 Gbit/s XFP光模塊的基本結(jié)構(gòu)框圖。模塊的發(fā)射端(包括光發(fā)送子系統(tǒng)、主芯片、溫控電路以及控制電路)采用輸入均衡器、多速率CDR、EML(電吸收調(diào)制激光器)驅(qū)動器和APC集成的芯片驅(qū)動激光器實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。接收端(包括光接收子系統(tǒng)、主芯片以及控制電路)則采用APD(雪崩光電二極管)將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號放大整形后輸出。模塊中采用單片機(jī)控制發(fā)射驅(qū)動芯片,實(shí)現(xiàn)數(shù)字診斷功能。

  1.2 發(fā)射部分

  發(fā)射電信號由主芯片GN2010EA 的TXDIP腳和TXDIN腳進(jìn)入,經(jīng)過主芯片發(fā)射部分的均衡器、CDR和EML驅(qū)動器,再由TXDOP腳和TXDON腳輸出,進(jìn)入TOSA(光發(fā)送子系統(tǒng))進(jìn)行電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。內(nèi)部APC電路控制激光器的偏置電流,由IBIAS腳輸出到TOSA,控制TOSA 的光功率。

  主芯片內(nèi)部APC電路有兩種方式對激光器偏置電流進(jìn)行設(shè)置:(1)設(shè)置寄存器APC—REG5的第二位APCOVR,將APC環(huán)路旁路掉,這樣可以直接通過寄存器設(shè)置IBIAS腳輸出的電流值。(2)使用APC環(huán)路形成一個閉環(huán)負(fù)反饋,將設(shè)置電壓值與VPHOTO腳反饋的電壓值(VPHOTO腳的電壓與發(fā)射光功率成比例關(guān)系)進(jìn)行比較,最后使得VPHOTO腳反饋的電壓值穩(wěn)定在設(shè)定值,即使發(fā)射光功率穩(wěn)定在設(shè)定值。

  1.3 接收部分

  傳輸距離不同時,所采用的光電探測器不同,接收端的設(shè)計(jì)電路也有所不同。短距離傳輸時采用PIN(光電二極管)光電探測器,長距離傳輸時采用APD光電探測器。

  當(dāng)使用APD ROSAl3 (光接收子系統(tǒng))時,Th腳通過一個20 kQ的電阻接3.3 V參考電源,熱敏電阻的電壓值送到控制電路微處理器的ADC口對APD進(jìn)行溫度補(bǔ)償;DAC腳接MCU(微控制單元)的DAC口,進(jìn)行交叉水平調(diào)節(jié);Vapd腳接升壓電路;其他接口與使用PIN ROSA時的接法一樣。使用PIN ROSA時,Th腳接地;DAC腳接外部電阻,將電流轉(zhuǎn)換為電壓給MCU 的ADC 口,對PIN進(jìn)行電流監(jiān)控,此時不接升壓電路;Vapd腳接地;其他接口與使用APD ROSA時的接法一樣。

  1.4 監(jiān)控部分

  監(jiān)控功能主要由MCU 來完成,本設(shè)計(jì)中采用ADUC7020。根據(jù)XFP協(xié)議SFF INF 8077i第四章定義的2線接口協(xié)議,可以通過總線實(shí)現(xiàn)對特別寄存器的讀寫。XFP光模塊的監(jiān)控量主要有TO—SA溫度、TEC(溫度控制電路)電流、發(fā)射端偏置電流、調(diào)制電流、接收光功率和接收丟失告警等。

  1.5 電源部分

  XFP模塊由外部的兩路電源進(jìn)行供電,這兩路電源分別為5和3.3 V。模塊內(nèi)部對這兩路電源按用途進(jìn)行了細(xì)分。模塊上電時,按照一定順序給電路中的各個部分加電,以保護(hù)模塊在熱插拔的時候不會受到損傷。

  2 測試結(jié)果

  10 Gbit/s XFP光模塊的主要測試指標(biāo)包括發(fā)射光眼圖、發(fā)射光功率、消光比和接收靈敏度,具體測試如下。

  (1)發(fā)射指標(biāo)的測試

  不同溫度下測試得到的發(fā)射光眼圖如圖2所示,發(fā)射指標(biāo)見表1。

  測試結(jié)果顯示,發(fā)射眼圖的質(zhì)量滿足ITU—TG。691標(biāo)準(zhǔn) 中模板的要求,發(fā)射光功率和消光比均滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,并且在全溫范圍內(nèi)指標(biāo)變化較小。

  (2)接收靈敏度的測試

  在速率為10 Gbit/s、PRBS31(偽隨機(jī)序列)階碼、誤碼率為1.0E一12的條件下對兩只模塊在不同溫度下進(jìn)行接收端靈敏度測試,結(jié)果如表2所示。

  ITU—T G.691標(biāo)準(zhǔn)要求在誤碼率為1.0E一12的條件下靈敏度< 一25 dBm,由表2可見,測試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

  (3)DP(色散代價)的測試

  在速率為10 Gbit/s、全溫常壓的條件下,對40 km光模塊不帶纖和帶纖、誤碼率為1.oE一12時的靈敏度進(jìn)行了測試,得到DP結(jié)果如表3所示。

  ITu—T G.691標(biāo)準(zhǔn)要求,對于高色散系統(tǒng),允許的最大通道代價為2 dB,測試結(jié)果表明,該參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

  3 結(jié)束語

  本文從總體上介紹了10 Gbit/s XFP光模塊的設(shè)計(jì),著重介紹了光模塊關(guān)鍵部分的實(shí)現(xiàn)方式,測試結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的模塊滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。本設(shè)計(jì)采用CDR、發(fā)射驅(qū)動和接收LA集成的主芯片,不僅在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上降低了芯片成本,而且大大降低了布板布局復(fù)雜度,這一設(shè)計(jì)將會逐步取代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),成為10 Gbit/s XFP光模塊的主流設(shè)計(jì)方案。

新聞來源:光通信研究

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