【正文】 ，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。特征溫度表征了LD的閾值電流對溫度的敏感性，越大，器件的溫度穩(wěn)定性越好。2)閾值電流()閾值電流是激光二極管開始振蕩的正向電流。LD的閾值電流越低越好，并且要求在閾值時(shí)的自發(fā)輻射較小以保證足夠的消光比。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。下面主要討論激光二極管常用參數(shù)。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。光纖通信用光源的激射波長應(yīng)在低損耗窗口波段，光源的發(fā)射功率要大，調(diào)制特性要好，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，且價(jià)格要便宜。 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。激光器驅(qū)動電路是光發(fā)射模塊的主要電路，它將電信號通過電流強(qiáng)度調(diào)制的方式調(diào)制到半導(dǎo)體激光器上使之發(fā)出脈沖光信號，驅(qū)動電路還有自動光功率控制的功能，它能使發(fā)射模塊有更穩(wěn)定的輸出，并對激光器起到保護(hù)作用。光發(fā)射模塊主要由包含APC功能的激光驅(qū)動器，帶背光探測器的激光器組件以及偏置和調(diào)制電路組成。：接收機(jī)部分 光收發(fā)合一模塊原理框圖 光發(fā)射部分光發(fā)射模塊在光傳輸過程中起到一個(gè)電光轉(zhuǎn)換的作用，光發(fā)射模塊輸入的是電信號，輸出的是光信號，內(nèi)部的激光器驅(qū)動芯片首先將輸入的電信號調(diào)制成滿足數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸要求的激光器驅(qū)動信號，激光器在驅(qū)動信號的驅(qū)動下發(fā)出相應(yīng)的光信號，光信號被耦合進(jìn)光纖中并傳輸?shù)浇邮斩?。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)射器的功能是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，有用信號通過電端機(jī)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換等相應(yīng)處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字NRZ碼信號，此信號加入激光器驅(qū)動電路，并由驅(qū)動電路輸出偏置電流與調(diào)制電流，以直接調(diào)制的方式驅(qū)動激光器產(chǎn)生相應(yīng)的光信號。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。5)介紹數(shù)字診斷光模塊設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，包括主機(jī)與數(shù)字診斷光模塊通信的I2C總線技術(shù)；定義數(shù)字診斷光模塊技術(shù)要求與設(shè)計(jì)規(guī)范的SFF8472協(xié)議。3)介紹光收發(fā)模塊熱插拔功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。并以MAXIM公司的激光器驅(qū)動芯片max373后放max3748和前放max3744為例，對構(gòu)成光收發(fā)一體模塊的各主要部分和主要電路進(jìn)行介紹。 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。除了用于寬頻被動光纖網(wǎng)絡(luò)(BPON)系統(tǒng)外，若干衍生的模塊還能用于千兆位被動光纖網(wǎng)絡(luò)(GPON)，混合光纖同軸電纜(HFC)系統(tǒng)、以及點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)等不同的系統(tǒng)解決方案中。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?；旧?，國內(nèi)外那些傳統(tǒng)的大通信公司如安捷倫、飛博創(chuàng)(fiberxon)、飛通、武漢電信器件公司等都有自己的各種類型的CWDM光模塊。CWDM也是替代其它昂貴的WDM解決方案的可行之策。該技術(shù)在保持較高的總數(shù)據(jù)速率的同時(shí)，充分利用傳統(tǒng)的光技術(shù)，對收發(fā)器的設(shè)計(jì)是一種功能強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案。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(fèi)非常大的代價(jià)。40Gbit/s方面目前的重點(diǎn)產(chǎn)品技術(shù)是：大功率波長可調(diào)/固定激光器、40G調(diào)制器(Inp EAM、LiNb03EOM、Polymer EOM)、高速電路(InP、GeSi材料)、波長鎖定器、低色散濾波器、動態(tài)均衡器、喇曼放大器、低色散開關(guān)、40Gbit/s PD(PIN、APD)、可調(diào)色散補(bǔ)償器組件(TUDCM)，前向糾錯(cuò)(FEC)等。目前SDH單通道光系統(tǒng)正向40Gbit/s沖擊。2001年早期使用10Gbit/s數(shù)據(jù)通信收發(fā)器的數(shù)量不到10萬個(gè)，但到2003年，10Gbit/s數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊將增加到200萬個(gè)。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。另外采用非制冷激光器也進(jìn)一步降低了光模塊的制造成本。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)模化、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。通信設(shè)備的體積越來越小，接口板包含的接口密度越來越高，要求光電器件向低成本、低功耗的方向發(fā)展。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。未來的光模塊必須支持熱插拔，即無常切斷電源，模塊即可以與設(shè)備連接或斷開，由于光模塊可熱插拔，網(wǎng)絡(luò)管理人員無需關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)就可升級和擴(kuò)展系統(tǒng)，對在線用戶不會造成什么影響。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。傳統(tǒng)的激光器和探測器分離的光模塊，己經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的要求。 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。可以預(yù)見在今后兩三年內(nèi)智能SFP光模塊將成為市場的主要需求。智能SFP模塊是各廠商技術(shù)升級換代的標(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。熱插拔功能也簡化了總的維護(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。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。SFP模塊還支持熱插拔功能，即無需切斷電源，光模塊即可以與設(shè)備連接或斷開，網(wǎng)絡(luò)管理人員無需關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)就可升級和擴(kuò)展系統(tǒng)，對在線用戶不造成影響。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空間分為兩部分一部分用于儲存器件型號、制造商名稱、序列號、器件的數(shù)據(jù)速率等基本信息，另一部分用于存儲監(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。通過這些參數(shù)的測量，管理單元能迅速找出光纖鏈路中發(fā)生錯(cuò)誤的具體位置，以簡化維護(hù)工作，提高系統(tǒng)的可靠性。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)。目前的光通信市場競爭越來越激烈，通信設(shè)備要求的體積越來越小，接口板包含的接口密度越來越高。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。此外，熱插拔也是光模塊的一個(gè)發(fā)展方向。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。支持熱插拔功能的光模塊目前有GBIC(Gigabit Interface Converter)和SFP(Small Form Pluggable)，由于SFP與SFF的外型大小相當(dāng)，它可以直接插在電路板上，在封裝上較省空間，其未來的發(fā)展趨勢值得期待。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)一步提高自動化生產(chǎn)程度，降低成本。尤其是處理高速、小信號、高增益的前置放大器采用的是GaAs工藝和技術(shù)，SiGe技術(shù)的發(fā)展，使得這類芯片的成品率及制造成本得到很好的控制，同時(shí)可進(jìn)一步降低功耗。保證了端口的增加不會提高系統(tǒng)的功耗。長途大容量方面當(dāng)前的熱點(diǎn)是10Gbit/s和40Gbit/s，最新市場研究表明，10Gbit/。在整個(gè)消費(fèi)領(lǐng)域，繼10gigabit光纖通道之后，10gigabit以太網(wǎng)將會有強(qiáng)烈的影響。高速系統(tǒng)和器件方面，很多公司今年推出了40Gbit/s系統(tǒng)。從現(xiàn)階段電路技術(shù)來說，40Gbit/s已接近“電子瓶頸”的極限。CWDM技術(shù)兼?zhèn)洳⑿薪Y(jié)構(gòu)的低成本和單纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，必將在未來的體系結(jié)構(gòu)中起重要作用。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。較寬的光鄰道間隔提供健壯的性能，而無需像DWDM系統(tǒng)那樣使用昂貴的溫度控制機(jī)制。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接收器。它的第三個(gè)波長用于播放模擬影像信號，第二個(gè)光探測器(PIN)接收標(biāo)準(zhǔn)的共享天線電視(CATV)影像信號，在一個(gè)光載波上進(jìn)行調(diào)制。目前，國外英飛凌(Infineon)公司已有相關(guān)產(chǎn)品。本文研究的主要內(nèi)容及所做的工作有：1)光收發(fā)一體模塊原理的研究:光收發(fā)一體模塊發(fā)射部分、接收部分的組成、原理介紹。2)介紹激光器和激光器驅(qū)動電路的耦合方式。4)分析分立元件構(gòu)成的自動功率控制電路與自動溫度控制電路原理。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。第2章 、光收發(fā)一體模塊及其設(shè)計(jì) 光收發(fā)一體模塊簡介光收發(fā)一體模塊由光發(fā)射器與光接收器組成，其主要功能是進(jìn)行電/光與光/電信號的相互轉(zhuǎn)換。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。再通過跨阻放大器將微小的電流信號轉(zhuǎn)化成一定幅度的電壓信號，最后通過限幅放大器限制信號電平落在所需要的準(zhǔn)位，輸出給接收電端機(jī)。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。光發(fā)射模塊依靠光源器件LD將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，因此LD是光發(fā)射模塊中的核心元件，它的性能直接影響著光發(fā)射模塊的主要指標(biāo)。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)。光纖通信用光源應(yīng)滿足以下要求：(1)體積小，與光纖之間有較高的耦合效率；(2)發(fā)射的光波波長應(yīng)位于光纖的低損耗窗口，；(3)可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制；(4)可靠性高，要求它工作壽命長、工作穩(wěn)定性好；(5)發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離；(6)溫度穩(wěn)定性好，溫度變化時(shí)輸出光功率以及波長變化應(yīng)在允許范圍內(nèi)。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。： 半導(dǎo)體激光器分類半導(dǎo)體激光二極管LD工作特性LD通過正向偏壓下PN結(jié)中載流子的受激輻射復(fù)合而發(fā)出相干光，最簡單的激光器組件是包括LD，PD和尾纖的組件。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。LD的PI特性隨器件的工作溫度變化而變化，LD是一個(gè)對溫度很敏感的器件，它的輸出功率隨溫度發(fā)生很大的變化，其PI特性曲線是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選擇器件的重要依據(jù)。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。閾值電流隨溫度的升高而加大，閾值電流與溫度T的關(guān)系可表示為 (2l)式中，為器件的特征溫度；，都以絕對溫度表示，為常數(shù)。 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。把光脈沖的上升時(shí)間定義為從額定光功率的10%升到90%所需的時(shí)間，把光脈沖下降時(shí)間定義為從額定光功率的90%降到10%所需的時(shí)間。但是通信系統(tǒng)不允許激光器的輸出光功率有大的波動，這就需要采用自動功率控制電路來維持激光器輸出功率基本不變。但自動功率控制電路并不能改變溫度變化引起的激光器的閾值電流增大，斜效率變小，激光器長期工作在溫度波動大的環(huán)境中會影響激光器的使用壽命縮短。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(dǎo)致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。激光器光功率自動控制有許多方法，一是自動跟蹤偏置電流，使LD偏置在最佳狀態(tài)；二是峰值功率和平均功率的自動控制；三是PI曲線效率控制法等。該方法是利用激光器組件中的背光二極管，監(jiān)測激光器背光的大小，當(dāng)功率小于某一額定值時(shí)，通過反饋電路使驅(qū)動電流增加，激光器輸出功率增加為額定功率值。：VCC