光收發芯片在高速光模塊中的應用和研究

摘 要 光收發芯片是高速光模塊的核心器件，也是光通信系統接入網的關鍵器件，一直以來都是光通信領域的研究熱點。激光器平均光功率和消光比參數控制、實時數字診斷偵測是光模塊的重要性能指標，在光模塊生產調試中需要嚴格校正。文章從高速光模塊的實際應用出發，闡述了幾種常見的光模塊調試校正方法，然后提出了一個全新的光收發芯片方案，有效的保證了激光器性能和數字診斷偵測的準確性，提高了光模塊的生產效率，對研究高速光模塊有較高的參考價值。

關鍵詞 高速光模塊；實時數字診斷偵測；平均光功率；消光比；光收發芯片

中圖分類號：TN29 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0031-02

在國家大力發展寬帶戰略的背景下，光通信產業迎來了新的發展機遇。高速光模塊是光通信系統接入網的關鍵器件，其中的光收發芯片一直以來都是光通信領域的研究熱點。光收發芯片主要包括限幅放大器、激光器驅動器，完成高速數據傳輸的發送和接收，但激光器平均光功率和消光比的參數控制、實時數字診斷偵測這些指標都是外置MCU控制器完成，并且在光模塊生產過程中需要校正，因此芯片設計在技術上還有優化和改進的必要。

1 光模塊調試

1.1 激光器平均光功率和消光比參數控制

根據激光器的固有特性，激光器的閾值電流和斜效率會隨著溫度的變化波動，而且長時間工作也會造成激光器的閾值電流發生波動，導致激光器的輸出功率和消光比都發送變化。

圖1是激光器輸出光功率與驅動電流的P-I關系曲線，兩條曲線分別對應T1和T2兩個不同溫度，IBIAS1、IBIAS2是驅動偏置電流，IMOD1、IMOD2是驅動調制電流。

圖1 激光器在不同溫度下的P-I關系曲線

1.1.1 平均光功率控制

目前對于平均光功率的控制通常采用開環查找表法、傳統模擬自動功率控制法、數字快速自動功率控制法。

開環查找表法是在芯片外的EEPROM存儲器上內置一組與溫度對應的偏置電流查找表，根據激光器工作時的環境溫度值，對應的調整偏置電流大小，實現對平均光功率的控制，保持平均光功率不變。此方法沒有引入反饋控制環路，溫度變化時補償精度不高，誤差在2dBm左右。而且每只激光器都需要有單獨對應的查找表。

模擬自動功率控制法是采樣激光器內置的光電二極管PD的電流，通過芯片外部的下拉電阻轉換成電壓，進入芯片內部與基準電壓進行比較，再對驅動偏置電流進行調節，實現閉環控制。此方法引入了反饋控制環路，補償精度可以保證，功率誤差控制在0.5dBm以內，但模擬環路的響應時間很長，自動功率控制需要很長時間才能達到穩定，不能適應PON突發式快速穩定的需求，只能應用在SFP連續式應用中。

數字快速自動功率控制法是在模擬自動功率控制法的基礎上改進而來，根據采樣的光電二極管PD電流值，通過數字狀態機和寄存器控制，采用二分法逐次逼近目標光功率。

1.1.2 消光比控制

目前對于消光比的控制通常采用熱敏電阻控制法以及開環查找表法。

熱敏電阻控制法是把調制電流大小與熱敏電阻關聯起來，隨溫度變化熱敏電阻的電阻值會發生改變，芯片的調制電流也跟隨變化，這種方法在早期的模塊調試中比較常用。

開環查找表法是在芯片外的EEPROM存儲器上內置一組與溫度對應的調制電流查找表，這樣在激光器正常工作時通過檢測模塊環境溫度，調整對應的調制電流值，達到保持消光比的目的。此方法沒有引入反饋控制環路，溫度變化時補償精度不高，誤差在3dBm以上。而且每只激光器都需要有單獨對應的查找表。

1.2 數字診斷調試

高速光模塊中的實時數字診斷功能，可以及時給系統管理提供模塊壽命預測、故障定位以及模塊兼容性的驗證，是系統迫切需要的一種性能監測方法。主要包括電源電壓、溫度、發送光功率、發送偏置電流和接收光功率的實時數據，以及其他狀態信息。

在SFF-8472標準協議中，規定了數字診斷偵測以及其他相關功能的詳細內容。該標準提出由光模塊完成所有待偵測信號的采集以及數字化的工作，并按照標準中的格式要求，提供偵測結果或者參數的數字化參數。這些信息被存放在對應的A0、A2地址存儲器中，由上位機系統通過I2C總線進行數據讀寫傳輸。

現在數字診斷功能常用的做法是采用數字控制器芯片（如DS1856）和外掛MCU處理器來實現。其原理是通過控制器芯片或者MCU芯片的ADC通道，從激光二極管驅動器芯片、限幅放大器芯片的引腳，采樣數字診斷功能所需要的信號數據，在芯片內部進行處理，實現數字診斷偵測的目的。但由于每只光模塊的差異，需要在生產調試過程中，對每只光模塊的接收光功率、發送光功率、溫度、發送偏置電流和電源電壓這五個監控量進行逐一校正，保持產品的一致性，這樣做降低了模塊生產的自動化程度。

2 光收發三合一芯片的基本原理

根據光模塊的應用需求，再結合上述的高速光模塊調試方法，提出了光收發三合一芯片方案。芯片的原理圖如圖2所示。

芯片將限幅放大器、激光二極管驅動器、8位MCU處理器集成在同一顆芯片中，簡化了光模塊的布板線路，同時在模擬線路中引入了更多的數字化控制，有利于光模塊調試。

圖2 芯片原理圖

2.1 芯片整體設計說明

芯片采用0.18um CMOS工藝設計。限幅放大器包括放大級、輸出級、失調消除電路、峰值檢測電路等；激光二極管驅動器包括輸入級、放大級、輸出級、突發控制級、以及APC控制、偏置輸出、調制輸出電路等；8位MCU電路包括MCU核、2KB程序空間、主從I2C控制器、512B數字診斷監測寄存器，以及振蕩器、溫度傳感器、穩壓器、12位ADC、12位DAC等。endprint

2.2 平均光功率控制

芯片采用快速數字自動功率控制（DAPC）法，控制電路采樣激光器內置的光電二極管PD的電流，進入芯片內部與基準電壓進行比較，再通過數字狀態機和寄存器控制，對驅動偏置電流進行調節，控制平均光功率。因為光電二極管直接采樣激光二極管的光信號強度，所以光電流大小與激光二極管平均光功率大小具有線性比例關系，設為。那么由式（1）和式（2）可知，如果要保持激光二極管的平均光功率不變，只需保持穩定即可。

（1）

（2）

其中，激光器的輸出光功率、分別代表無光和有光，對應邏輯“0”和“1”時數字信號。這里，DAPC的輸出引入二分法粗調模式和最小步長精調模式。實驗表明，光功率的變化率在0.2dBm左右。

2.3 消光比控制

芯片采用K-因子補償法和數字查找表補償法相結合的方式來實現消光比控制。

根據光功率-電流曲線斜率的定義以及激光二極管的特性，可以得到式（3），其中、是常數：

（3）

即 （4）

根據激光器的固有電光轉換特性，激光器的閾值電流和斜效率會隨著溫度的變化波動，要保持光信號的調制輸出幅度和原來相同，需要相應的調節調制電流。“K-因子”補償特性，就是在激光器DAPC電路平均光功率控制時，檢測偏置電流大小的變化，按照一定的比例系數，補償到調制電流，設定為。這樣，實際的調制電流將由兩個部分組成，如式（5）。其中，代表原有調制電流。

（5）

對比式（5）和式（4）可以看出是一致的，因此“K-因子”補償法在理論上是成立的。但由于消光比隨調制電流的變化也是不連續的，因此“K-因子”補償不可能完全補償消光比的變化，實驗表明，消光比的變化率小于1dB。

結合數字查找表補償的離散補償方式，根據環境溫度值對應的數字寄存器地址，從中查找對應的調制電流值，進行消光比的補償。這樣，消光比的變化幅度會更小。經過實驗，結果表明，消光比的變化率在0.3dB左右。這樣，在整個溫度變化范圍內，消光比控制電路的響應會更加平坦。

2.4 數字診斷功能

芯片設計中，對激光二極管偏置電流大小和調制電流大小的控制，都采用數字寄存器來配置，提高控制精度；數字診斷功能要求的電源電壓、溫度、發送光功率和發送偏置電流這四個實時監控量均直接從芯片內部電路直接采樣模擬信號，避免了芯片間互連引起的走線誤差，接收光功率信號從跨阻放大器芯片輸出，進入到本芯片的ADC輸入腳。芯片內部采用10通道ADC，在MCU的程序控制下，可以對更多的模擬信號進行實時監測。

3 三合一芯片方案的光模塊調試

芯片的I2C slave引腳是與上位機數據通信的預留端口，芯片內部的狀態信息和內部數字診斷功能信息都可以通過此引腳實時上報，上位機也可以通過此引腳對芯片進行控制。光模塊調試時，首先準備一個模塊調試板，上面預留兩個光模塊接口，上位機可以同時與這兩個光模塊進行通信。將一只已經校正完畢的光模塊作為標準模塊接入，另一只待調試接入調試板時，光發送端接入標準模塊的光接收端，而光接收端接入標準模塊的光發送端。

讀取標準模塊的接收光功率信息，可以獲取待測模塊的實時發送光功率，調整待測模塊芯片的寄存器參數，使發送光功率和消光比達到目標值，與待測模塊的發送功率信息比對并進行校正；讀取標準模塊的發送光功率信息，與待測模塊的接收光功率信息比對并進行校正；兩只模塊處于同一調試板上工作，電源電壓和環境溫度相同，因此，讀取標準模塊的電源電壓和溫度信息，與待測模塊的電源電壓和溫度信息比對并進行校正即可。

4 結束語

本文提出的全新的光收發芯片方案，可以讓研發人員根據自己的光模塊產品要求，來選擇更加適合的芯片方案。 同時，關于激光二極管平均光功率和消光比參數控制、數字診斷性能的分析，以及補償校正方法的討論，對研究高速光模塊有一定的參考價值。

參考文獻

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作者簡介

陳衛潔（1979-），男，湖北荊州人，工程師，研究方向：模擬集成電路設計。endprint