【正文】 率增加為額定功率值。自動(dòng)功率控制電路激光器在使用中由于結(jié)溫的變化以及老化等原因會(huì)使激光器的閾值電流增大，量子效率下降，從而導(dǎo)致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。但是通信系統(tǒng)不允許激光器的輸出光功率有大的波動(dòng)，這就需要采用自動(dòng)功率控制電路來維持激光器輸出功率基本不變。 光功率、閾值電流與溫度的關(guān)系(3)光輸出功率()在閾值電流以上所加正向電流達(dá)到規(guī)定的調(diào)制電流時(shí)，從激光二極管輸出的光功率定義為，對帶有尾纖的激光二極管來說，把從光纖末端發(fā)射出的光功率定義為。在直接注入電流調(diào)制時(shí)，由于調(diào)制依賴于閾值以上PI曲線的線性關(guān)系，要求激光器具有良好的線性關(guān)系，尤其在模擬調(diào)制時(shí)對線性的要求更高。1)PI特性LD的PI特性是指其輸出功率P隨注入電流I的變化關(guān)系。半導(dǎo)體光源滿足以上要求，是目前光通信系統(tǒng)中最為重要的光源。監(jiān)控電路主要是對激光器的一些主要工作指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括背光功率監(jiān)控電路和偏置電流監(jiān)控，它能及時(shí)反映激光器的工作狀態(tài)。在數(shù)字光纖通信中，光源發(fā)出的光可以看作是光頻載波，通過調(diào)制使其載荷，一般采用強(qiáng)度調(diào)制的方式。光接收器的功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它由探測器、跨阻放大器與限幅放大器組成。6)給出數(shù)字診斷光模塊的硬件電路實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹了用DALLIS MAXIM公司的DSl859與激光器驅(qū)動(dòng)芯片max373跨阻放大器芯片max3744以及限幅放大器芯片max3748設(shè)計(jì)出的這款高性價(jià)比的數(shù)字診斷光模塊解決方案。2)介紹激光器和激光器驅(qū)動(dòng)電路的耦合方式。目前，國外英飛凌(Infineon)公司已有相關(guān)產(chǎn)品。值得一提的是現(xiàn)在又出現(xiàn)了一種單纖三向模塊，這種新型模塊不僅能在單一的光纖上進(jìn)行雙向數(shù)字通信，而且還有模擬影像信號(hào)接收器。事實(shí)上，即使使用低速率的組件，CWDM收發(fā)器也能在成本、尺寸、功率預(yù)算比傳統(tǒng)串行方案低的前提下，達(dá)到較高的數(shù)據(jù)速率。從現(xiàn)階段電路技術(shù)來說，40Gbit/s已接近“電子瓶頸”的極限。在整個(gè)消費(fèi)領(lǐng)域，繼10gigabit光纖通道之后，10gigabit以太網(wǎng)將會(huì)有強(qiáng)烈的影響。保證了端口的增加不會(huì)提高系統(tǒng)的功耗。目前光器件一般均采用混合集成工藝和氣密封裝工藝，下一步的發(fā)展將是非氣密的封裝，需要依靠無源光耦合(非XYZ方向的調(diào)整)等技術(shù)進(jìn)一步提高自動(dòng)化生產(chǎn)程度，降低成本。熱插拔性也簡化了總的維護(hù)工作，并使得最終用戶能夠更好地管理他們的收發(fā)模塊。為了適應(yīng)通信設(shè)備對光器件的要求，光模塊正向高度集成的小封裝發(fā)展，SFF(Small Form Factor)小封裝光模塊采用了先進(jìn)的精密光學(xué)及電路集成工藝，尺寸只有普通雙工SC(19)型光纖收發(fā)模塊的一半，在同樣空間可以增加一倍的光端口數(shù)，可以增加線路端口密度，降低每端口的系統(tǒng)成本。本課題研究帶數(shù)字診斷功能的小封裝可熱插拔光模塊，課題來源于武漢華工正源光子技術(shù)有限公司的“”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，該項(xiàng)目的工作主要分為器件、電路和結(jié)構(gòu)三個(gè)部分，筆者有幸參與了電路部分的設(shè)計(jì)、PCB繪制、光模塊測試與數(shù)字診斷軟件調(diào)試等方面的工作，這些也是論文闡述的重點(diǎn)。智能SFP模塊，即具有數(shù)字診斷功能的SFP光模塊，數(shù)字診斷控制器所帶的存儲(chǔ)空間分為兩部分一部分用于儲(chǔ)存器件型號(hào)、制造商名稱、序列號(hào)、器件的數(shù)據(jù)速率等基本信息，另一部分用于存儲(chǔ)監(jiān)控報(bào)警、校準(zhǔn)常數(shù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等數(shù)字診斷與監(jiān)控相關(guān)信息。帶數(shù)字診斷功能的小封裝光模塊設(shè)計(jì)方案第1章 、緒論 課題概述小型封裝可插拔光模塊簡稱SFP模塊，它采用先進(jìn)的精密光學(xué)及電路集成工藝制作，尺寸只有普通雙工SC(19)型光纖收發(fā)模塊的一半，因此在同樣空間可以增加一倍的光端口數(shù)，可以增加線路端口密度，降低每端口成本。智能SFP模塊是各廠商技術(shù)升級(jí)換代的標(biāo)志性產(chǎn)品，它所特有的數(shù)字診斷功能可以實(shí)時(shí)監(jiān)測光收發(fā)模塊的溫度、供電電壓、激光偏置電流以及發(fā)射光功率和接收光功率。 光模塊研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向通信網(wǎng)干線傳輸容量的不斷擴(kuò)大及速率的不斷提高使得光纖通信成為現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸手段，在現(xiàn)在的光通信網(wǎng)絡(luò)中，如廣域網(wǎng)(WAN)、城域網(wǎng)(MAN)、局域網(wǎng)(LAN)所需要的作為核心光電子器件之一的光收發(fā)模塊的種類越來越多，要求越來越高，復(fù)雜程度也以驚人的速度發(fā)展。又由于SFF小封裝光模塊采用了與銅線網(wǎng)絡(luò)類似的MTRJ接口，大小與常見的電腦網(wǎng)絡(luò)銅線接口相同，有利于現(xiàn)有以銅纜為主的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備過渡到更高速率的光纖網(wǎng)絡(luò)以滿足網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的急劇增長。同時(shí)，由于這種熱交換性能，該模塊可使網(wǎng)絡(luò)管理人員能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)要求，對收發(fā)成本、鏈路距離以及所有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行總體規(guī)劃，而無需對系統(tǒng)板進(jìn)行全部替換。隨著光收發(fā)模塊市場需求的迅速增長，功能電路、部分專用集成電路的供應(yīng)商也逐漸增多，供應(yīng)商在規(guī)?；?、系列化方面的積極投資使得此類IC的性能越來越完善，成本也越來越低，從而縮短了光收發(fā)模塊的開發(fā)周期，降低了成本。人們對信息量要求越來越多，對信息傳遞速率要求越來越快，作為現(xiàn)代信息交換、處理和傳輸主要支柱的光通信網(wǎng)，一直不斷向超高頻、超高速和超大容量發(fā)展，傳輸速率越高、容量越大，傳送每個(gè)信息的成本就越來越小。目前SDH單通道光系統(tǒng)正向40Gbit/s沖擊。速率再高，引起的信號(hào)損耗、功率耗散、電磁輻射(干擾)和阻抗匹配等問題難以解決，即使解決，則要花費(fèi)非常大的代價(jià)。CWDM也是替代其它昂貴的WDM解決方案的可行之策。它以三個(gè)不同的波長運(yùn)作，以此消除此類應(yīng)用中通常所需的額外纖線的成本。 本文研究的主要內(nèi)容及所做的工作本文研究的對象是帶數(shù)字診斷功能的光收發(fā)一體模塊。3)介紹光收發(fā)模塊熱插拔功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。7)介紹帶數(shù)字診斷光模塊的測試技術(shù)，先介紹一般光電指標(biāo)包括發(fā)射光功率、消光比、光眼圖、接收靈敏度以及高低告警值的測試原理與方法，并對常見的光眼圖劣化現(xiàn)象的原因和解決方法進(jìn)行分析，最后重點(diǎn)介紹了光模塊數(shù)字診斷與監(jiān)控功能的測試方法與實(shí)現(xiàn)，包括測試系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)以及監(jiān)控校準(zhǔn)軟件的介紹與具體實(shí)現(xiàn)方法。其中探測器的作用是將收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微小的電流信號(hào)。光發(fā)射模塊主要由包含APC功能的激光驅(qū)動(dòng)器，帶背光探測器的激光器組件以及偏置和調(diào)制電路組成。 光發(fā)射模塊框圖2 激光器原理光源是光纖通信最重要的部分，也是價(jià)格最昂貴的部分。半導(dǎo)體光源分類半導(dǎo)體光源分為FP(FabryPerot)法布里一珀羅激光器、分布布拉格反射激光器(DBRLD)、分布反饋激光器DFBLD、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)及可調(diào)諧激光器。隨著注入電流的增加，其輸出功率增加，但不是成直線關(guān)系，存在一個(gè)閾值電流Ith，只有當(dāng)注入電流大于閾值電流后，輸出功率才隨注入電流急劇增加，發(fā)射出激光，當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí)，LD發(fā)出光譜很寬、相干性很差的熒光。2)閾值電流()閾值電流是激光二極管開始振蕩的正向電流。光輸出功率的單位為mw，有時(shí)也用dBm表示，dBm是功率相對于mw的衡量單位，mw和dBm的換算公式為： (22)(4)上升/下降時(shí)間上升/下降時(shí)間是指LD輸出功率的脈沖響應(yīng)時(shí)間。另一方面，溫度變化引起激光器輸出光功率的變化雖然可以通過自動(dòng)功率控制電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使激光器輸出光功率基本恒定。為了保證激光器有穩(wěn)定的輸出光功率，需要有自動(dòng)功率控制電路。反之，若光功率大于某一額定值，則通過反饋電路使驅(qū)動(dòng)電流減小，激光器輸出功率隨之減小，以使激光器輸出功率基本恒定不變。當(dāng)LD輸出功率降低時(shí)背光電流降低，放大器A的輸出電壓降低，這個(gè)電壓送到比較放大器B和直流參考電壓比較后使Q1基極電位升高，Q1射極電流增大，從而使激光器光輸出功率增加。自動(dòng)溫度控制電路溫度變化引起激光器輸出光功率的變化雖然可以通過APC電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出光功率恢復(fù)正常，但經(jīng)APC調(diào)節(jié)后會(huì)使激光器的閾值電流增大，輻射效率發(fā)生變化，輸出光功率變小，激光器的使用壽命縮短。它是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制成的。為了提高控制效率和精度，一般采用蝶型激光器，將熱敏電阻和制冷器封裝在激光器內(nèi)部，使熱敏電阻直接探測激光器結(jié)區(qū)溫度，制冷器直接和激光器的熱沉相接觸。當(dāng)LD工作溫度降低時(shí)，Rt變大，故A輸出低電壓，TEC開始制熱，使溫度恢復(fù)到指定溫度，從而起到自動(dòng)溫度控制的作用。為了補(bǔ)償激光器的時(shí)間和溫度漂移，激光驅(qū)動(dòng)器必須保持最初設(shè)定的直流工作點(diǎn)。通常，APC還包括告警功能，當(dāng)激光二極管由于老化或其它原因無法再維持預(yù)定光功率時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)。除此基本功能外，系統(tǒng)必須能夠在不影響數(shù)據(jù)輸入的情況下通過禁止驅(qū)動(dòng)器來中斷激光器的發(fā)送。為驅(qū)動(dòng)激光管，此芯片接收差分輸入數(shù)據(jù)并提供驅(qū)動(dòng)激光器所需的偏置電流和調(diào)制電流。MAX3735具有l(wèi)OmA至60mA的寬范圍調(diào)制電流(交流耦合時(shí)可達(dá)85mA)并提供1mA至lOOmA的偏置電流，所以此芯片是用于驅(qū)動(dòng)光纖模塊中FP/DFB激光二極管的理想選擇。MAX3735A針對驅(qū)動(dòng)15Ω負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化，要求OUT+。為減小由激光二極管寄生電感引起的光輸出偏差和占空比失真，可能需要一個(gè)RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。利用激光器組件內(nèi)封裝的背光二極管將光功率轉(zhuǎn)化成光電流。這部分電路監(jiān)測激光驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行，一旦檢測到故障狀態(tài)，就強(qiáng)行關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器。按照SFP MSA的要求。例如，在每個(gè)監(jiān)測器輸出端接100Ω的電阻到地，可以得到以下電壓： (23) (24)MAX3735A外圍電路設(shè)計(jì)為了便于計(jì)算相關(guān)參數(shù)。然后通過監(jiān)測二極管電流與關(guān)系曲線圖，選擇監(jiān)視電流值所對應(yīng)的。串聯(lián)阻尼電阻一般為8Ω至13Ω，其值取決于所用激光二極管的等效電阻。在實(shí)驗(yàn)中可通過實(shí)際的光眼圖調(diào)整此電阻和電容值，直到輸出波形達(dá)到最優(yōu)化。由式26式確定，單位：為uF，和為mA，為us。由于激光管封裝將造成寄生電感。驅(qū)動(dòng)器輸出低電壓應(yīng)為==，采用33V工作將非常困難。(2)與直流耦合一樣，寄生電感引起的暫態(tài)電壓降。在激光輸出強(qiáng)的時(shí)候。由于這些元件處于高速信號(hào)通道，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。為了減少常l或常0比特流造成的位像抖動(dòng)，交流耦合電容應(yīng)盡可能大。有多種方式配置差分驅(qū)動(dòng)輸出，這些配置方式中的絕大多數(shù)可分成兩種類型：電感上拉式和電阻上拉式兩種。直接連接到0UT引腳的元件應(yīng)具有小的直流阻抗和在MHz到GHz頻率范圍具有高阻特性。并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)這些方式中的每一種都有可能變動(dòng)。： 光接收模塊原理框圖 光探測器系統(tǒng)常要求的檢測量是接收光功率的檢測和無光告警。APD具有很高的內(nèi)部倍增因子，環(huán)境溫度對它的特性影響很大，需要較高的工作偏壓，但與合理設(shè)計(jì)的電子放大器結(jié)合，可以使APD工作在最佳工作狀態(tài)，得到比PIN高lOdB以內(nèi)的接收靈敏度，適合長距離傳輸系統(tǒng)。當(dāng)接收光功率低于光接收靈敏度時(shí)，則在其負(fù)載上檢不出光電流，而當(dāng)接收光功率過高超出動(dòng)態(tài)范圍時(shí)則出現(xiàn)光電流過飽和現(xiàn)象。阻抗前端根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計(jì)是不同的。光電二極管產(chǎn)生的信號(hào)光電流流經(jīng)前置放大器的輸入阻抗時(shí)，將產(chǎn)生信號(hào)光電壓，使用大的負(fù)載電阻，可使該輸入電壓增大，因此，常常使用高阻抗前置放大器。 跨阻抗前端(3)跨(互)阻抗前端該前端將負(fù)載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，因而又稱為互阻抗前端。放大分為線性放大和非線性放大兩種。低通濾波器的作用是整形電壓脈沖，減小噪聲，同時(shí)避免引入更多的碼間干擾。該前置放大器采用的是一個(gè)跨阻抗前端。這里，假定K=1000，=20dBm。由于這時(shí)接收到的電信號(hào)電壓很低，為了保證信號(hào)電壓達(dá)到后續(xù)主放大器的工作驅(qū)動(dòng)電壓需要對信號(hào)電壓放大。： 輸出信號(hào)鉗位電壓放大器的作用是對互阻放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并將單端輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出。此信號(hào)是加到數(shù)據(jù)輸出OUT+和 OUT的共模電壓。自動(dòng)增益控制(AGC)將放大器的平均輸出電壓限制在固定電平而不隨輸入平均光功率而變。當(dāng)△fB時(shí)，電脈沖展寬超過了規(guī)定的比特時(shí)隙，將可能干擾相鄰比特時(shí)隙的檢測，引起碼間串?dāng)_。通過光二極管互阻放大器限幅放大器檢測光信號(hào)時(shí)，限幅放大器確定數(shù)據(jù)是“1”，還是“0”。在高速光纖系統(tǒng)中，由于噪聲、定時(shí)濾波器失諧、碼間干擾、有限脈寬作用、限幅器的門限漂移等方面的影響，將會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。鎖相環(huán)路中壓控振蕩和數(shù)字窄帶濾波器的穩(wěn)定性對光模塊抖動(dòng)輸出和抖動(dòng)容限的影響較大，應(yīng)盡量選擇性能良好的集成式鎖相環(huán)器件：時(shí)鐘與信碼之間的相位關(guān)系對輸入抖動(dòng)容限影響較大，為提高輸入抖動(dòng)容限，應(yīng)盡量使時(shí)鐘的上升邊對準(zhǔn)脈沖寬度的中間：抖動(dòng)傳遞函數(shù)與光發(fā)射脈沖的形狀和抖動(dòng)性能有關(guān)，為了改善光接收模塊的抖動(dòng)傳遞函數(shù)，光信號(hào)進(jìn)人光接收模塊前應(yīng)進(jìn)行整形。MAX3748與TIA可以是直流耦合或交流耦合。 MAX3748 CML輸入緩沖器2)CML輸出緩沖：MAX3748限幅放大器的CML輸出為阻抗失配和感性連接器提供了較高的容限。輸出緩沖器可以交流或直流耦合到負(fù)載。對于SONET應(yīng)用中，推薦值=。兩路控制電壓和，定義了LOS的報(bào)警和解除報(bào)警門限。我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)參考圖選擇電阻。2)失調(diào)校準(zhǔn)電容設(shè)定和之間的電容值決定了信號(hào)通道直流失調(diào)抑制環(huán)路的時(shí)間常數(shù)。3)RSSI實(shí)現(xiàn)SFF8472數(shù)字診斷規(guī)范要求監(jiān)視輸入接收功率。這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)在于它允許TIA封裝在低功耗的傳統(tǒng)的4腳T046中。為了獲得最佳的精確度，一般在所需范圍的高端(500uA)和低端(6uA)對接收功率進(jìn)行校準(zhǔn)。但由于電信及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)工作的重要性，不允許長時(shí)間停電：再則現(xiàn)有的許多操作系統(tǒng)的重啟動(dòng)時(shí)間較長，因而熱插拔技術(shù)在通信應(yīng)用領(lǐng)域變得越來越重要，市場對可熱插拔光模塊的需求也越來越迫切。2)浪涌電流。針對上述問題采用了以下幾方面的技術(shù)和方法來實(shí)現(xiàn)光通信模塊的熱插拔。光模塊上電后，經(jīng)過t_init時(shí)間的時(shí)延，在這期間TXFAULT為高電平，驅(qū)動(dòng)IC不提供電流，激光器不工作。一般驅(qū)動(dòng)IC有一個(gè)SHUTDOWN引腳，設(shè)計(jì)關(guān)斷電路時(shí)，SHUTDOWN腳接場效應(yīng)管的柵極，控制場效應(yīng)管的通斷。通過預(yù)充電來減小浪涌電流。為了保證插拔時(shí)的這一加、斷電順序電端采用金手指連接，金手指有二十根引腳，其中接地的