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(jì)方案及測(cè)試方法。簡(jiǎn)要說(shuō)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(shì)，針對(duì)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(jì)方案，并根據(jù)此設(shè)計(jì)方案制作了樣品模塊，通過測(cè)試和分析其性能參數(shù)，證實(shí)了方案的可行性，為實(shí)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(lái)，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(shì)。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(duì)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(jì)，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(shì)，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(shí)也降低了系統(tǒng)成本，商業(yè)價(jià)值巨大。本文旨在研究和設(shè)計(jì)出一種集成兩路傳統(tǒng)單纖雙向（BIDI）SFP的CSFP模塊，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，通過進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)結(jié)果，驗(yàn)證產(chǎn)品性能，證實(shí)設(shè)計(jì)方案的可行性，為CSFP光模塊的實(shí)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(shì)，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(wú)源光元件的功能。將半導(dǎo)體激光器、探測(cè)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(wú)源器件連接起來(lái)，構(gòu)成實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)用集成途徑。它通過在硅襯底光波導(dǎo)上集成芯片，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(cè)器等有源器件和構(gòu)成波導(dǎo)基礎(chǔ)光路所必需的無(wú)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?yàn)槿绱?，大多?shù)混合集成元件在研究初期就可以具備滿足實(shí)用化條件的性能。

　　混合光集成的一個(gè)困難之處在于將光有源器件裝配到無(wú)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(gè)難題。圖2是具有石英－硅臺(tái)面的PLC平臺(tái)結(jié)構(gòu)。這種平臺(tái)用具有臺(tái)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?yàn)槠湫纬稍诰o鄰臺(tái)面硅襯底的基平面附近。器件裝配區(qū)含有硅臺(tái)面，其對(duì)于光電子器件可以起到對(duì)準(zhǔn)和散熱的作用。在硅臺(tái)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(gè)絕緣層上面做焊料圖型。由于在事先設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)垂直校準(zhǔn)。導(dǎo)線區(qū)的一個(gè)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(hào)時(shí)會(huì)有很大的損耗和電容。而這個(gè)問題可以用石英層導(dǎo)線解決。所以，PLC平臺(tái)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(jí)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(duì)機(jī)械震動(dòng)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(gè)BIDI SFP模塊。該模塊由兩個(gè)PLC BOSA來(lái)實(shí)現(xiàn)原來(lái)同一外型尺寸下兩個(gè)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(hào)，IC為集成芯片，MCU 為微控制器，EEPROM 為電可擦除只讀存儲(chǔ)器，BOSA為光收發(fā)組件。

　　CSFP完成了兩個(gè)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(gè)PLC　BOSA器件負(fù)責(zé)完成光信號(hào)的接收和電信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(lái)將電接口接收到的調(diào)制信號(hào)加載到輸出光信號(hào)上。目前的驅(qū)動(dòng)電路一般都具備自動(dòng)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(lái)動(dòng)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(cè)器和前置放大器組成。探測(cè)器將接收到的光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換變成帶有數(shù)據(jù)信息的微弱電信號(hào)，但此時(shí)電信號(hào)的擺動(dòng)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(dòng)增益控制（AGC）功能，可以大大減小輸出電信號(hào)的擺動(dòng)幅度。最后主放大器完成二級(jí)放大功能，將電信號(hào)放大到所需的電平范圍后輸出。

　　微控制器主要對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)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(chǔ)產(chǎn)品型號(hào)、串號(hào)、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(shí)現(xiàn)還需要增加用于轉(zhuǎn)換采集信號(hào)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(shí)時(shí)監(jiān)控和上報(bào)。采集電路將這些參數(shù)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)電壓值送至轉(zhuǎn)換電路，輸出的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)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(shí)鐘線（SCL）和數(shù)據(jù)線（SDA）的方式，通過金手指實(shí)現(xiàn)電接口，完成上位機(jī)對(duì)光模塊的信息讀寫。MCU 與存儲(chǔ)元件EEPROM 之間的數(shù)據(jù)傳遞是通過SPI總線，即時(shí)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(duì)兩路通道進(jìn)行監(jiān)控，一旦檢測(cè)到某個(gè)通道主要參數(shù)的異常變化，MCU 分別報(bào)TX1－Fault或TX2－Fault，表示通道1或通道2出錯(cuò)。MCU的TX1－Fault和TX2－Fault輸出引腳同時(shí)連接到一個(gè)或門的輸入端，只有當(dāng)兩路通道都正常工作時(shí)，模塊金手指的TX－Fault引腳才不會(huì)向上位機(jī)報(bào)警。否則，任一路傳輸通道出現(xiàn)異常，模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　4　測(cè)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(zhǎng)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(duì)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(cè)試方案

　　CSFP模塊的測(cè)試平臺(tái)。將待測(cè)的CSFP模塊插入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CSFP測(cè)試主板，主板與電源連接并有可選擇的2線接口。測(cè)試時(shí)先選擇測(cè)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(cè)試板的接口相連。一臺(tái)串聯(lián)的誤碼儀（BERT）用來(lái)產(chǎn)生和接收1.25Gb/s下的PRBS－23數(shù)據(jù)流，通過測(cè)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(hào)，光信號(hào)由高速示波器觀察，然后返回到接收端或連接到一個(gè)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(duì)模塊進(jìn)行監(jiān)控和讀寫操作。為方便起見，本次主要測(cè)試發(fā)送波長(zhǎng)1490nm的1.25Gb/s CSFP模塊。

　　4.2　測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

　　因?yàn)?A href="http://3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=CSFP&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">CSFP光模塊具備雙通道傳輸能力，所以在數(shù)據(jù)測(cè)試上也相應(yīng)的體現(xiàn)出來(lái)。首先測(cè)試時(shí)只分別連接單獨(dú)一路通路，另一路通路不工作，保持無(wú)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(shí)雙工工作，因此測(cè)試一路時(shí)必須考慮到另一路的通信是否會(huì)對(duì)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(shí)際測(cè)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(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)。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(yǔ)

　　采用本方案設(shè)計(jì)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(shí)際生產(chǎn)提供了參考。