4.25 Gbps 小型可熱插拔光收發模塊的設計與測試

劉 希 ，薛 原，徐紅春

(武漢電信器件有限公司 光纖通信技術和網絡國家重點實驗室，湖北 武漢430074)

1 引 言

近年來，隨著光纖到戶、全光網絡等熱點應用的興起，通信業正面臨帶寬和速度的巨大挑戰，大容量、高速率、高質量的光纖通信已成為信息產業發展的必然趨勢。在此背景下，作為網絡通信設備關鍵部件的光收發一體模塊也呈現出高速化、智能化、小型化和集成化等特點。本文研究的4.25 Gbps 小型可熱插拔( SFP) 模塊是一種極具代表性的光通信模塊，目前主要應用于各種存儲區域網絡( SAN)［1］，這種網絡依托光纖通道為服務器和存儲設備的連接提供更高的吞吐能力，支持更遠的距離和更可靠的連通，并且不需要對現有設備進行全面升級，適用于對數據存儲性能要求高、系統升級方面具有很強的動態容量可擴展性和靈活性的企事業單位。光模塊在其中主要完成光源驅動、光電轉換及告警輸出等功能［2］。

本文研究和設計了數據速率達到4.25 Gbps的高速SFP 光模塊，并對其性能進行了測試。通過分析數據結果，驗證產品的性能穩定性和個體一致性，證實了設計方案的可行性，為高速SFP光模塊的實際生產提供理論依據。

2 參數設計原理

4.25 Gbps SFP 光模塊設計的優劣取決于其能否滿足性能需求，輸出平均光功率和消光比是最重要的兩項指標［3］。輸出平均光功率定義為光輸出為高時的功率P1與光輸出為低時的功率P0的平均值，即:

而激光器的光功率為激光器的斜效率η 與通過激光器的電流的乘積I，即:

為了獲得較高的儲備峰值以驅動高速電流開關，激光二極管與驅動電路之間可采用交流耦合方式連接。此時，當光輸出為高時，通過激光器的電流I1為:

式中:IBIAS為偏置電流，IMOD為調制電流，Ith為閾值電流。

當光輸出為低時，通過激光器的電流I0為:

消光比定義為全“1”時的平均光功率P1與全“0”時的平均光功率P0之比，即:

4.25 Gbps SFP 光模塊的輸出平均光功率和消光比的設計值為PAVG= - 5.5 dBm ( 即0.28 mW) ，Ex=6 dB。由式( 1) 可得，P1+P0=0.56 mW; 由式( 5) 可得，P1/P0=4; 所以P1=0.448 mW，P0=0.112 mW。

經查閱資料，本次設計所需要的垂直腔面發射激光器( VCSEL) 在-40、25 和85 ℃下的典型斜效率η 分別為0.15、0.11 和0.06 mW/mA，閾值電流Ith約為2 mA，則:

(1) -40 ℃時，由式(2) 、(3) 和(4) 可得:

由上述計算可知，輸出平均光功率僅與偏置電流IBIAS有關，而與調制電流IMOD無關。因此，通過控制自動功率控制( APC) 回路即可實現輸出平均光功率的穩定。但隨著溫度上升，激光器的斜效率逐漸降低，為了保證輸出平均光功率不變，偏置電流要相應增大，如果調制電流不變，那么消光比就會降低。為了使消光比穩定，有必要對調制電流也進行補償，本文是通過微控制器的寄存器設置對調制電流進行補償的。

3 設計方案

對4.25 Gbps SFP 光模塊的設計方案進行了討論，其結構由獨立的發射、接收和控制部分組成，具體結構如圖1 所示。

圖1 光模塊結構Fig.1 Optical module structure

3.1 發射部分設計

模塊發射部分由光發射組件( TOSA) 及激光器驅動電路組成，而TOSA 由激光二極管( LD) 及背光二極管( PD) 組成。LD 采用的是VCSEL，驅動電路的作用是驅動和控制LD。輸入模塊的電數據信號首先由LD 驅動電路接收，并調制到LD的驅動電流( 包括偏置電流和調制電流) 上，驅動LD 發出帶有數據調制信號的激光。LD 驅動電路具備自動功率控制( APC) 功能［4］，可根據監控LD發光大小的背向光輸出電流，確定加給LD 的驅動電流的大小。通過APC 電路，激光器驅動電路可動態調節驅動電流的大小［5］。

本文采用的TOSA 是一種TO-46 封裝、帶LC連接器的850 nm VCSEL，它能將電信號轉換成數據速率高達4.25 Gbps 的光信號，其圓形光束能為50/125 μm 和62.5/125 μm 多模光纖提供最佳的功率耦合效率，在-40 ～85 ℃的環境溫度下，仍然具有很高的可靠性，可滿足4.25 Gbps 光收發模塊的需求。

激光器驅動芯片采用4 mm ×4 mm 小型貼片，20 引腳QFN 封裝，包括一個集成的APC 回路以支持激光器安全特性和收發器管理系統，同時提供一個2 線接口，允許調制電流和偏置電流的數字控制，是一種多功能、寬工作溫度的高速VCSEL驅動。

3.2 接收部分設計

光接收組件( ROSA) 及限幅放大器組成了光模塊的接收部分，其中ROSA 又由PD 及前置放大器( 即互阻放大器) 組成。從模塊光接收端輸入的光信號，通過模塊內部的PD 轉換為電信號，輸入到前置放大器進行放大。前置放大器具備自動增益控制( AGC) 功能，即對小功率輸入光轉換后的小幅度電信號采用大增益的放大倍數，而對大功率輸入光轉換后的大幅度信號采用小增益的放大倍數，從而使其輸出電信號的波動幅度遠遠小于輸入光信號的波動幅度。最后，主放大器接收經前置放大器放大后的信號進行二級放大，輸出模塊的電數據信號。

與TOSA 相匹配，本文選用的850 nm LC ROSA具備較高的多模光纖耦合效率及寬泛的工作溫度等特點，可靠性較高。3.3 V 供電時，其典型工作電流僅為15 mA，能將光信號轉換成數據速率高達4.25 Gbps 的電信號，較好地滿足了高速光纖通信的需要。值得注意的是，這款ROSA中的TIA 具有較低的輸入噪聲、2.8 GHz 帶寬、AGC 功能、3.2 kΩ 互阻和接收信號強度指示( RSSI) 等特點，使其能用作4.25 Gbps 光接收器的高速互阻放大器。

限幅放大器提供一個2 線接口，帶寬、輸出幅度和LOS 閾值校準均允許數字式調整，單3.3 V供電，能在-40 ～85 ℃環境溫度下正常工作。

3.3 控制部分設計

EEPROM 單元主要用于存儲模塊類型、接口形式、傳輸特性、產品型號、流水號及制造日期等信息，而帶自動診斷監測( DDM) 功能的SFP 模塊除了存儲上述基本信息外，還有微控制器和一系列的數模和模數轉換電路，用于模塊的電壓、溫度、激光器偏置電流、輸入光功率和輸出光功率等參數的實時監控［6］。這5 個DDM 參數首先由采集電路采集轉換，然后送至模數轉換電路輸入端，5 個模擬電壓量轉換成數字信號，經譯碼電路存于支持DDM 的存儲器的相應地址位上［7］。

SFP 的控制功能由常用的DS1859 和EEPROM 單元實現。DS1859 包含2 個50 kΩ 或2 個20 kΩ 的256 級線性可變電阻，3 個模擬監視器輸入端以及直接數字化溫度傳感器［6］。這款雙路溫控器件可對偏置電壓和電流進行設置和溫度補償，非常適合于需要小尺寸電路的控制應用。可變電阻的設置保存在EEPROM 存儲器中，通過I2C串行總線進行訪問。

3． 4 印刷電路板(PCB)布板設計

考慮到此款4.25 Gbps 光收發模塊傳輸速率非常高，電路板的設計除了應滿足高速設計的一般要求外，還應注意以下幾點:

(1) 發射和接收部分的直流電源與接地端必須各自獨立，電源與地應都設計成單一平面，同時發射地與接收地最好區分開來。

(2) 同一組差分信號盡量處于同一平面以對稱方式布線，兩線之間的間距應考慮電路的阻抗匹配，使其信號變異性降至最低。

(3) IC 的濾波或去耦電容盡量靠近電源并與芯片處于同一平面，考慮PCB 布板空間有限，去耦電容可以放置于另一平面對應的IC 下方，以過孔連接，從而使傳導路徑達到最短，降低寄生效應。

(4) 信號路徑越短越好，當遇到轉折處時以圓弧或45°角方式連接，避免阻抗變化。

(5) 由于在電路中傳輸的是高頻信號，應將信號線與周圍電路隔離，并在其周圍多打地孔，以減小干擾［8］。

4 模塊性能測試及分析

根據本設計方案，研制了4.25 Gbps SFP 光模塊樣品，并對其性能進行了測試及數據分析。

4.1 測試方法

測試平臺連接方式如圖2 所示。將SFP 光模塊插入測試板，測試板與一個穩壓電源連接，提供模塊所需的3.3 V 供電電壓。激光器的輸出信號經光衰減器衰減后由分路器一分為二，一路連接到示波器的光口，測試發射光眼圖。另一路作為光源，輸入到光模塊的接收端。與示波器同步的誤碼儀用來產生和接受4.25 Gbps 的PRBS-23 數據流，對比測試后計算出傳輸誤碼率。電腦通過串口，并口或USB 接口與測試板相連接，通過測試軟件對模塊進行監控和讀寫操作［6］。

圖2 測試平臺Fig.2 Test platform

對于發射端，主要測試模塊在-40 ～85 ℃環境溫度下的平均光功率、消光比、波長等參數，接收端方面則測試靈敏度、告警點和告警恢復點等，并且需要考慮在寬溫工作范圍內光電參數的穩定性和各模塊之間的性能一致性［9］。

值得注意的是，圖2 中測試板的TX-端沒有連接時，應接上匹配頭或在TX-端與地之間串聯一個50 Ω 匹配電阻以保證差分信號傳輸質量，這有利于更好地測試模塊性能［10］。

4.2 測試數據及分析

表1 列舉了樣品模塊以4.25 Gbps 傳輸速率分別在-40、25 和85 ℃環境溫度下的性能測試數據。

從表1 可以看到，SFP 樣品模塊在- 40 ～85 ℃環境溫度下工作時，輸出光功率均滿足設計要求，且變化幅度不超過1 dBm，消光比和靈敏度也比較穩定。在寬溫范圍內告警和告警恢復基本保持了2 dBm 的功率間隔，有效避免了某些情況下光模塊在告警點上的反復報警。

表1 測試數據Tab．1 Test data

為了驗證此設計方案的性能一致性，需要測試批量樣品模塊在寬溫下的性能表現，主要包括光功率、消光比和靈敏度等參數指標。

圖3 為10 支SFP 光模塊在-40、25 和85 ℃環境溫度下的光功率變化趨勢。從圖3 可以看到，寬溫環境下各模塊的光功率相對集中，-40、25 和85 ℃3 個溫度點下的變化幅度控制在1 dBm以內，且各支模塊的變化趨勢基本一致，APC 回路發揮了較大作用。值得注意的是，-40 ℃時的功率集中程度最好，這是由于溫度較低時激光器的斜效率較高，要達到額定光功率所需的偏置電流IBIAS較小，激光器的差異不會明顯表現出來。當溫度升高時激光器斜效率降低，偏置電流IBIAS和調制電流IMOD相應增加，LD 工作活性增強，放大了模塊個體的性能差異。

圖3 光功率變化趨勢Fig.3 Change trend of optical power

圖4 為10 支SFP 光模塊在-40、25 和85 ℃環境溫度下的消光比變化趨勢。在環境溫度改變時，模塊個體消光比的集中度較好，即使從-40 ℃上升到85 ℃，變化幅度也不超過1 dB。

圖4 消光比變化趨勢Fig.4 Change trend of extinction ratio

圖5 為10 支SFP 光模塊在-40、25 和85 ℃環境溫度下的靈敏度變化趨勢。3 個工作溫度下的靈敏度分別集中于 - 19.5、- 18.5 和-18 dBm，且變化趨勢基本相同，符合協議要求，表現出較好的接收性能。

圖5 靈敏度變化趨勢Fig.5 Change trend of sensitivity

從以上各參數變化趨勢可以看出，樣品模塊在其工作溫度和電壓范圍內各項性能指標變化幅度較小，性能非常穩定。另一方面，模塊個體之間的性能區別較小，一致性較好。

5 結 論

本文設計并研制了SFP 模塊樣品，該模塊符合光纖通道、SFP MSA 及SFF-8472 標準，光功率、消光比和靈敏度等性能參數符合典型值，即使在環境溫度大范圍變化情況下仍能穩定工作，參數變化幅度很小，并且小批量試產后模塊個體一致性較好，具有較高的可行性，經過進一步的調試及改進，通過中試優化后即可大規模生產并投入市場。

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