【正文】 了一個APC環(huán)路，以補償激光器門限電流在整個溫度范圍和生命周期內(nèi)的變化。： MAX3735A功能框圖1)高速調(diào)制驅(qū)動器輸出級由高速差分對和可編程調(diào)制電流源組成。激光驅(qū)動芯片MAX3735A介紹MAX3735A為+。根據(jù)比較結(jié)果，相應(yīng)增加或減小直流偏置，使激光器功率保持穩(wěn)定。當LD工作溫度升高時，Rt變小，故A輸出高電壓，TEC開始制冷，使溫度恢復到指定溫度。微制冷器多半采用半導體制冷器。它可作為標準電壓送到比較放大器B的另一個輸入端。自動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使激光器的閾值電流增大，量子效率下降，從而導致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。 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到規(guī)定的調(diào)制電流時，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。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。監(jiān)控電路主要是對激光器的一些主要工作指標進行實時監(jiān)控，包括背光功率監(jiān)控電路和偏置電流監(jiān)控，它能及時反映激光器的工作狀態(tài)。光接收器的功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，它由探測器、跨阻放大器與限幅放大器組成。2)介紹激光器和激光器驅(qū)動電路的耦合方式。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行雙向數(shù)字通信，而且還有模擬影像信號接收器。從現(xiàn)階段電路技術(shù)來說，40Gbit/s已接近“電子瓶頸”的極限。保證了端口的增加不會提高系統(tǒng)的功耗。熱插拔性也簡化了總的維護工作，并使得最終用戶能夠更好地管理他們的收發(fā)模塊。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“”重點攻關(guān)項目，該項目的工作主要分為器件、電路和結(jié)構(gòu)三個部分，筆者有幸參與了電路部分的設(shè)計、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。帶數(shù)字診斷功能的小封裝光模塊設(shè)計方案第1章 、緒論 課題概述小型封裝可插拔光模塊簡稱SFP模塊，它采用先進的精密光學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。 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，復雜程度也以驚人的速度發(fā)展。同時，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)升級要求，對收發(fā)成本、鏈路距離以及所有的網(wǎng)絡(luò)拓撲進行總體規(guī)劃，而無需對系統(tǒng)板進行全部替換。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，傳送每個信息的成本就越來越小。速率再高，引起的信號損耗、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，則要花費非常大的代價。它以三個不同的波長運作，以此消除此類應(yīng)用中通常所需的額外纖線的成本。3)介紹光收發(fā)模塊熱插拔功能的實現(xiàn)技術(shù)。其中探測器的作用是將收到的光信號轉(zhuǎn)換成微小的電流信號。 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，也是價格最昂貴的部分。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，存在一個閾值電流Ith，只有當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，當注入電流小于閾值電流時，LD發(fā)出光譜很寬、相干性很差的熒光。光輸出功率的單位為mw，有時也用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/下降時間上升/下降時間是指LD輸出功率的脈沖響應(yīng)時間。為了保證激光器有穩(wěn)定的輸出光功率，需要有自動功率控制電路。當LD輸出功率降低時背光電流降低，放大器A的輸出電壓降低，這個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。它是利用半導體材料的帕爾貼效應(yīng)制成的。當LD工作溫度降低時，Rt變大，故A輸出低電壓，TEC開始制熱，使溫度恢復到指定溫度，從而起到自動溫度控制的作用。通常，APC還包括告警功能，當激光二極管由于老化或其它原因無法再維持預定光功率時，發(fā)出告警信號。為驅(qū)動激光管，此芯片接收差分輸入數(shù)據(jù)并提供驅(qū)動激光器所需的偏置電流和調(diào)制電流。MAX3735A針對驅(qū)動15Ω負載進行優(yōu)化，要求OUT+。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。按照SFP MSA的要求。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。在實驗中可通過實際的光眼圖調(diào)整此電阻和電容值，直到輸出波形達到最優(yōu)化。由于激光管封裝將造成寄生電感。(2)與直流耦合一樣，寄生電感引起的暫態(tài)電壓降。由于這些元件處于高速信號通道，可能會導致信號失真。有多種方式配置差分驅(qū)動輸出，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。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。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)。阻抗前端根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計是不同的。 跨阻抗前端(3)跨(互)阻抗前端該前端將負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。低通濾波器的作用是整形電壓脈沖，減小噪聲，同時避免引入更多的碼間干擾。這里，假定K=1000，=20dBm。： 輸出信號鉗位電壓放大器的作用是對互阻放大器輸出的電壓信號進行放大，并將單端輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為差分輸出。自動增益控制(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。通過光二極管互阻放大器限幅放大器檢測光信號時，限幅放大器確定數(shù)據(jù)是“1”，還是“0”。鎖相環(huán)路中壓控振蕩和數(shù)字窄帶濾波器的穩(wěn)定性對光模塊抖動輸出和抖動容限的影響較大，應(yīng)盡量選擇性能良好的集成式鎖相環(huán)器件：時鐘與信碼之間的相位關(guān)系對輸入抖動容限影響較大，為提高輸入抖動容限，應(yīng)盡量使時鐘的上升邊對準脈沖寬度的中間：抖動傳遞函數(shù)與光發(fā)射脈沖的形狀和抖動性能有關(guān)，為了改善光接收模塊的抖動傳遞函數(shù)，光信號進人光接收模塊前應(yīng)進行整形。 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。對于SONET應(yīng)用中，推薦值=。我們可以根據(jù)設(shè)計參考圖選擇電阻。3)RSSI實現(xiàn)SFF8472數(shù)字診斷規(guī)范要求監(jiān)視輸入接收功率。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)對接收功率進行校準。2)浪涌電流。光模塊上電后，經(jīng)過t_init時間的時延，在這期間TXFAULT為高電平，驅(qū)動IC不提供電流，激光器不工作。通過預充電來減小浪涌電流。除了特定的上電順序之外，還對Host Board和光模塊電路作了相應(yīng)的處理，進一步抑制浪涌電流。光模塊插入時，最先連接的是地和電源，電源接通后很短時間內(nèi)就可使光模塊上信號腳預充電到一定電壓，便可有效減小光模塊插拔瞬間對Host board的沖擊。第3章 、光模塊數(shù)字診斷與監(jiān)控基礎(chǔ)通過外部鏈路管理接口獲取器件參數(shù)信息和故障信息。通過光模塊的數(shù)字診斷功能，網(wǎng)絡(luò)管理單元可以通過雙線串行總線訪問收發(fā)模塊，實時監(jiān)測收發(fā)模塊的溫度，供電電壓，激光偏置電流以及發(fā)射和接收的光功率?？呻S時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100Kbps。應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。 起始和停止條件在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識別符(不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010)，接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作。SFF8472保留了原來SFP/GBIC在地址A0h處的地址映射，新增了一個256字節(jié)的存儲單元作為A2h地址。通過提前的故障定位，系統(tǒng)管理員可以將業(yè)務(wù)切換到備份鏈路上或者替換可疑器件，從而在不間斷業(yè)務(wù)的情況下修復系統(tǒng)。對多數(shù)器件，只需將每個SFP實時結(jié)果乘一個SFF8472定義的常數(shù)即可。同樣，模塊的工作電壓可以通過內(nèi)部PCB板上安裝的傳感電路來進行測量，這些測量值也可以用來觀察工作電壓的漂移，從而判斷是否因為系統(tǒng)供電環(huán)境失效而造成的電壓波動．偏置電流因素對光收發(fā)模塊進行可靠性預測時，最有效的參數(shù)之一就是激光器偏置電流，通常，SFP模塊內(nèi)部通過一個閉環(huán)反饋電路來改變激光器的偏置電流從而穩(wěn)定激光器的輸出光功率，使其工作在輸出光功率恒定的模式。SFP收發(fā)模塊一般在激光器旁邊安裝一個背光二極管，用來監(jiān)測激光器的輸出光功率。很多系統(tǒng)對從收發(fā)模塊收到的告警指示和物理層電路的告警指示進行邏輯與。根據(jù)地址92相應(yīng)位的設(shè)定來選擇不同的監(jiān)測校準類型。用一個無符號的16位整數(shù)值來表示 (O65535)，1LSB等于100uV，生產(chǎn)廠家會規(guī)定工作電壓測量范圍，測量的精確性由廠家規(guī)定，在給定的電壓和溫度范圍之內(nèi)，誤差不超過廠家標稱值的177。測量的TX輸出功率是mW為單位。精確性的絕對值依賴于精確的光纖波長。外部校準可分為兩類：線性和非線性。內(nèi)部測量的收發(fā)器溫度。3%。模塊發(fā)射部分耦合輸出功率，TX_PWR，由下列方程式給出，單位是uW： (37)其中為16位無符號整數(shù)，其值存儲在A2H地址66H中，占用兩個字節(jié)，可通過I2C總線讀?。粸樗鶎?yīng)的實際發(fā)射光功率值，可通過功率計測得；為未知數(shù)，可通過讀兩組和值列兩個方程進行求解。根據(jù)標準定義，在輸入功率無論是達到或接近最大發(fā)射功率或最大接收光功率，以及輸入功率在最小發(fā)射功率減去光纖損耗(插入損耗或無源損耗)時，誤差都應(yīng)該保持在誤差范圍之內(nèi)。每個A/D量有一個相應(yīng)的高報警，低報警，高警告和低警告門限。警告標志與收發(fā)器的溫度，供應(yīng)電壓，TX偏置電流，TX輸出功率和接收的光功率相關(guān)，警告標志表明了在規(guī)定的正常工作范圍之外的情況，但是不會立即引起鏈路的故障。 本章小結(jié)本章介紹了實現(xiàn)光模塊數(shù)字診斷的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。假設(shè)這些值在不同的技術(shù)和不同實現(xiàn)方案中會變化。 報警和警告門限SFF8472分別對5個參數(shù)定義了警告和告警門限。3dB。在這種情況下，只有一個電壓被監(jiān)控。這個結(jié)果以1/256℃為單位，溫度的整個測量范圍在128℃到+128℃。無論采用哪種方法得到A/D轉(zhuǎn)換后的值，都包含了2個傳遞函數(shù)：第一個是被測量的參數(shù)和施加在A/D上的電壓之間的函數(shù)關(guān)系。3dBm。假設(shè)數(shù)據(jù)是基于對激光器監(jiān)控二極管電流的測量，生產(chǎn)廠家依據(jù)最具代表性的光纖輸出類型校準到絕對單元。注意在一些收發(fā)器中，發(fā)射部分工作電壓和接收部分的工作電壓是分開的。SFF8472標準分別對電壓、偏置電流、發(fā)射功率，接收功率規(guī)定了相應(yīng)的范圍和分辨率。在對時延不敏感的應(yīng)用中對TX_DISABLE和RATE SELECT進行軟控制是很有用的。背光二極管的輸出電流也用來對平均發(fā)射光功率進行實時監(jiān)控．典型的SFP模塊都工作在恒定功率模式，其發(fā)射光功率很少會發(fā)生波動，一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)射光功率有很大變化，表明SFP模塊可能無法正常工作。激光器的光電轉(zhuǎn)換效率和閾值電流都會隨溫度的變化而變化，需要改變激光器的偏置電流從而穩(wěn)定激光器的輸出光功率．如果激光器偏置電流的變化不是因為溫度或工作電壓變化而引起的，那就表明激光器存在潛在的穩(wěn)定性問題．當然，要區(qū)分是正常的偏置電流變化還是激光器穩(wěn)定性問題造成的電流變化還需要一些深入分析。比如TX_DISABLE的軟判決，TX_FAULT的鏡像，Rx_LOS管腳狀態(tài)，對實時探測參數(shù)告警的標志。SFF8472還可以對收發(fā)模塊內(nèi)部的工作電壓和溫度進行實時監(jiān)測，這樣可以讓系統(tǒng)管理員發(fā)現(xiàn)潛在的部件問題，同樣，接收到的光功率也可以被監(jiān)測，從而對線路和遠端發(fā)射機的性能進行監(jiān)控。然后對這5個參數(shù)信號進行標定校準后，得到數(shù)字化的測量結(jié)果及相應(yīng)的校準常數(shù)。讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。若未收到應(yīng)答信號，則判斷為受控單元出現(xiàn)故障。所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器(或被控器)，又是發(fā)送器(或接收器)，這取決于它所要完成的功能。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。同時，SFF8472MSA(Small Form Factor8472 Multi Source Agreement)標準中定義了可由廠家和用戶使用的內(nèi)部存儲器空間，用戶可以用它實現(xiàn)許多特殊功能，如加入用戶最終識別代碼，或設(shè)置模塊故障警告門限等。自從上世紀80年代以來，可靠性高的電信應(yīng)用就便用了能監(jiān)測各項參數(shù)的分離的光發(fā)射機和接收機，這些參數(shù)基本上都是為了評估激光器的可靠性。I2C總線支持熱插拔，光模塊插入的時候它會自動的檢測線路狀態(tài)，并且只在總線空閑的時候連接器件，所以不會對總線產(chǎn)生任何的影響。這樣可以在更寬頻譜分布范圍內(nèi)降低電源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲，可以分別濾除電源引入的低頻和高頻紋波。確保電源腳和信號腳通、斷電過程中模塊都良好接地，有利于靜電放電，消除了電弧放電損壞引腳的可能。如果經(jīng)t_init時延后TX_FAULT還是保持高電平則判為模塊故障，驅(qū)動IC不提供電流，激光器不工作，并顯示TX_FAULT故障，保證了在電路異常