數(shù)據(jù)通信用光電集成智能化CSFP光模塊

　　ICCSZ訊 為滿足光模塊產(chǎn)品低成本、高鏈路容量的發(fā)展需求，提出了一種緊湊型小型化可熱插拔（CSFP）光收發(fā)模塊的設(shè)計方案及測試方法。簡要說明了CSFP的應(yīng)用背景，并詳細(xì)論述了CSFP中的光電集成技術(shù)及其優(yōu)勢，針對模塊發(fā)送、接收及控制等關(guān)鍵電路提出了符合CSFP MSA協(xié)議的模塊設(shè)計方案，并根據(jù)此設(shè)計方案制作了樣品模塊，通過測試和分析其性能參數(shù)，證實了方案的可行性，為實際的產(chǎn)品化生產(chǎn)提供了參考，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

　　1　引言

　　近幾年來，隨著光纖到戶、全光網(wǎng)絡(luò)等熱點(diǎn)應(yīng)用的興起，通信業(yè)正面臨帶寬和速度的雙重挑戰(zhàn)，大容量、高速率和高質(zhì)量的光纖通信已成為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。光收發(fā)模塊是光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要組成部分，其核心功能就是在各種傳輸網(wǎng)絡(luò)之間提供光電接口，完成光電或電光轉(zhuǎn)換，確保通信網(wǎng)的連接。目前應(yīng)用較廣的光模塊類型是小型化可熱插拔（SFP）模塊系列產(chǎn)品。在當(dāng)前的主流通信容量和速率下，它基本能滿足通信的要求。但隨著一系列熱點(diǎn)應(yīng)用的興起以及對光模塊產(chǎn)品低成本、高鏈路容量的進(jìn)一步需求，緊湊型小型化可熱插拔（CSFP）光收發(fā)模塊便應(yīng)運(yùn)而生。在現(xiàn)在流行的SFP工業(yè)封裝基礎(chǔ)上，通過采用雙通道，甚至四通道的設(shè)計，CSFP不改變現(xiàn)有接口形式，但將外形尺寸縮小到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的1/2或1/4，通過組合還可靈活配置通道數(shù)量。采用高集成度光電回路和封裝技術(shù)研制的CSFP光模塊繼承了SFP所有的技術(shù)優(yōu)勢，大幅度減小光模塊和通信系統(tǒng)設(shè)備的外形尺寸，成倍提升端口密度及信息吞吐量的同時也降低了系統(tǒng)成本，商業(yè)價值巨大。本文旨在研究和設(shè)計出一種集成兩路傳統(tǒng)單纖雙向（BIDI）SFP的CSFP模塊，并對其性能進(jìn)行測試，通過進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)結(jié)果，驗證產(chǎn)品性能，證實設(shè)計方案的可行性，為CSFP光模塊的實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

　　2　CSFP中的光電集成技術(shù)

　　光電集成技術(shù)的出現(xiàn)是光學(xué)器件和系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，也是當(dāng)今光電子學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，它主要研究如何將光學(xué)器件與電子元件集成封裝在一起以完成傳統(tǒng)有源、無源光元件的功能。將半導(dǎo)體激光器、探測器等有源器件集成在同一平面襯底上，并用光波導(dǎo)、耦合器、隔離器和濾波器等無源器件連接起來，構(gòu)成實現(xiàn)微型化、集成化和薄膜化的微型光學(xué)系統(tǒng)稱為集成光路。如果同時與如電阻、電容等電子元件集成，則構(gòu)成混合光電集成系統(tǒng).

　　混合光電集成可以實現(xiàn)作為基礎(chǔ)光元件體系的光波導(dǎo)和有源器件的自由結(jié)合，所以可以較容易制作出各種功能的光集成器件，生產(chǎn)成本較低，是目前最合適的實用集成途徑。它通過在硅襯底光波導(dǎo)上集成芯片，實現(xiàn)了一個雙向光通信收發(fā)器的混合光器件體系。半導(dǎo)體激光器、光探測器等有源器件和構(gòu)成波導(dǎo)基礎(chǔ)光路所必需的無源元件，各自選擇最合適的材料，采用不同的制造工藝，組成最合適的器件形式，這是混合集成的最大特征。正因為如此，大多數(shù)混合集成元件在研究初期就可以具備滿足實用化條件的性能。

　　混合光集成的一個困難之處在于將光有源器件裝配到無源波導(dǎo)襯底上，目前通過平面光波回路（PLC）技術(shù)可有效解決這個難題。圖2是具有石英－硅臺面的PLC平臺結(jié)構(gòu)。這種平臺用具有臺面區(qū)域的硅代替常規(guī)的平坦硅襯底，其主要由PLC區(qū)、器件裝配區(qū)和電導(dǎo)線區(qū)3部分組成。在PLC區(qū)中的埋入式光波導(dǎo)的傳輸損耗非常?。ㄐ∮?．1dB/cm），這是因為其形成在緊鄰臺面硅襯底的基平面附近。器件裝配區(qū)含有硅臺面，其對于光電子器件可以起到對準(zhǔn)和散熱的作用。在硅臺面上形成厚度大約為0．5μm的二氧化硅（SiO2）電絕緣層，再在這個絕緣層上面做焊料圖型。由于在事先設(shè)計時已經(jīng)使波導(dǎo)區(qū)與光電器件有源層距焊料表面的距離相同，所以將光電器件倒放在焊料上，SiO2光波導(dǎo)和光電器件便可以容易的實現(xiàn)垂直校準(zhǔn)。導(dǎo)線區(qū)的一個主要優(yōu)點(diǎn)就是導(dǎo)線可以做在石英層上，而不是在硅襯底上。通常硅襯底導(dǎo)線由于硅表面本身具有微弱導(dǎo)電性，所以在傳輸高速電信號時會有很大的損耗和電容。而這個問題可以用石英層導(dǎo)線解決。所以，PLC平臺還充當(dāng)了光器件性能優(yōu)異的導(dǎo)線基板。

　　相比傳統(tǒng)的分立光器件，集成光學(xué)系統(tǒng)主要具備如下優(yōu)點(diǎn)：1）體積小、重量輕。光學(xué)器件集成封裝在毫米級襯底上，大大縮減了元件的體積和重量。2）集成器件內(nèi)光路的高度穩(wěn)定性。集成光學(xué)技術(shù)可以在同一塊襯底上直接集成若干器件，可以較好的保持部件的穩(wěn)定性，因而不存在傳統(tǒng)分立光器件所具有的同軸組裝問題，所以它對機(jī)械震動等環(huán)境因素的適應(yīng)性也較強(qiáng)。3）功率密度高。光波導(dǎo)尺寸較小，器件空間布局緊湊，單位面積內(nèi)功率密度提高，閾值減小。

　　3　工作原理

　　CSFP光模塊在傳統(tǒng)SFP模塊外型尺寸上，集成了兩個BIDI SFP模塊。該模塊由兩個PLC BOSA來實現(xiàn)原來同一外型尺寸下兩個通道的雙向收發(fā)。引腳定義和監(jiān)控量與傳統(tǒng)的SFP模塊有較大不同，其他功能基本一樣，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中LOS為告警信號，IC為集成芯片，MCU 為微控制器，EEPROM 為電可擦除只讀存儲器，BOSA為光收發(fā)組件。

　　CSFP完成了兩個傳統(tǒng)的單纖雙向SFP模塊的功能集成，其結(jié)構(gòu)中包含兩路獨(dú)立的光發(fā)射接收通道，每路通道由一個PLC　BOSA器件負(fù)責(zé)完成光信號的接收和電信號的發(fā)射，是CSFP模塊的核心部件。

　　發(fā)射部分由BOSA中的發(fā)射器和三合一芯片中驅(qū)動電路組成，而發(fā)射器主要由激光二極管（LD）及監(jiān)控發(fā)射光功率的背光二極管（PD）組成。驅(qū)動電路的作用在于提供激光器所需的偏置電流和調(diào)制電流，前者用于開啟激光器工作狀態(tài)，后者主要用來將電接口接收到的調(diào)制信號加載到輸出光信號上。目前的驅(qū)動電路一般都具備自動功率控制（APC）功能，可以保證激光器全程發(fā)光功率恒定，其原理是根據(jù)監(jiān)控二極管的背光電流大小來動態(tài)調(diào)節(jié)偏置電流。

　　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，其中接收器又由探測器和前置放大器組成。探測器將接收到的光信號通過光電轉(zhuǎn)換變成帶有數(shù)據(jù)信息的微弱電信號，但此時電信號的擺動幅度很大且含有較多噪聲，需要輸入到前置放大器中放大。前置放大器又稱跨阻放大器，具備自動增益控制（AGC）功能，可以大大減小輸出電信號的擺動幅度。最后主放大器完成二級放大功能，將電信號放大到所需的電平范圍后輸出。

　　微控制器主要對激光器驅(qū)動電路、主放大器及EEPROM進(jìn)行控制。EEPROM的基本單元主要用于存儲產(chǎn)品型號、串號、生產(chǎn)日期等相關(guān)產(chǎn)品固定信息，而CSFP模塊數(shù)字診斷監(jiān)控（DDM）功能的實現(xiàn)還需要增加用于轉(zhuǎn)換采集信號的轉(zhuǎn)換電路。這些電路用于模塊輸出光功率、輸入光功率、工作電壓、溫度和偏置電流等參數(shù)的實時監(jiān)控和上報。采集電路將這些參數(shù)對應(yīng)的瞬時電壓值送至轉(zhuǎn)換電路，輸出的數(shù)字信號存儲在EEPROM 的相應(yīng)單元。

　　CSFP模塊與上位機(jī)系統(tǒng)之間的接口采用I2C總線方式，即時鐘線（SCL）和數(shù)據(jù)線（SDA）的方式，通過金手指實現(xiàn)電接口，完成上位機(jī)對光模塊的信息讀寫。MCU 與存儲元件EEPROM 之間的數(shù)據(jù)傳遞是通過SPI總線，即時鐘線、數(shù)據(jù)輸入線和數(shù)據(jù)輸出線的方式。MCU通過I2C總線對兩路通道進(jìn)行監(jiān)控，一旦檢測到某個通道主要參數(shù)的異常變化，MCU 分別報TX1－Fault或TX2－Fault，表示通道1或通道2出錯。MCU的TX1－Fault和TX2－Fault輸出引腳同時連接到一個或門的輸入端，只有當(dāng)兩路通道都正常工作時，模塊金手指的TX－Fault引腳才不會向上位機(jī)報警。否則，任一路傳輸通道出現(xiàn)異常，模塊發(fā)出報警信號。

　　4　測試與分析

　　根據(jù)上述工作原理研制出了如圖5所示的兩種CSFP光模塊，工作速率同為1．25Gb/s，工作波長為發(fā)射1310nm和接收1490nm或發(fā)射1490nm和接收1310nm，兩種模塊彼此配對工作，滿足CSFP MSA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)SFP模塊封裝完全一致，外接雙LC接口單模光纖，主要應(yīng)用于1000BASE－BX以太網(wǎng)。

　　4.1　測試方案

　　CSFP模塊的測試平臺。將待測的CSFP模塊插入一個標(biāo)準(zhǔn)的CSFP測試主板，主板與電源連接并有可選擇的2線接口。測試時先選擇測試第一路或者第二路，選定后把誤碼儀上的數(shù)據(jù)線與測試板的接口相連。一臺串聯(lián)的誤碼儀（BERT）用來產(chǎn)生和接收1.25Gb/s下的PRBS－23數(shù)據(jù)流，通過測試板加載到CSFP模塊上，經(jīng)過模塊后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號，光信號由高速示波器觀察，然后返回到接收端或連接到一個光衰減器上，光衰減器的輸出連接到CSFP模塊的接收端上。電源為模塊提供3．3V工作電壓，電腦通過串口、并口或USB接口對模塊進(jìn)行監(jiān)控和讀寫操作。為方便起見，本次主要測試發(fā)送波長1490nm的1.25Gb/s CSFP模塊。

　　4.2　測試數(shù)據(jù)與分析

　　因為CSFP光模塊具備雙通道傳輸能力，所以在數(shù)據(jù)測試上也相應(yīng)的體現(xiàn)出來。首先測試時只分別連接單獨(dú)一路通路，另一路通路不工作，保持無調(diào)制狀態(tài)，這樣做主要考察單路通路工作的最佳狀態(tài)。

　　由于兩路通路集成在一塊主板上，并且可以同時雙工工作，因此測試一路時必須考慮到另一路的通信是否會對本路的正常工作造成影響，這是模擬CSFP光模塊正常應(yīng)用的重要考核。

　　在實際測試中，除了獲取參數(shù)的具體數(shù)值，還可以通過示波器觀察眼圖對信號傳輸質(zhì)量進(jìn)行綜合的評價。根據(jù)眼圖的眼形、線條的粗細(xì)等可以比較直觀的反應(yīng)碼間串?dāng)_或噪聲影響的程度，為進(jìn)一步改善傳輸性能提供了參考依據(jù)。

　　5　結(jié)語

　　采用本方案設(shè)計及研制的CSFP光模塊樣品完全符合CSFP MSA標(biāo)準(zhǔn)，性能達(dá)到同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，具有較高的可行性，為CSFP光模塊產(chǎn)品的實際生產(chǎn)提供了參考。