带数字诊断功能的小封装光模块研究

-----------------------------光学与光电技术----------------------------------------------------------------------------1带数字诊断功能的小封装光模块研究日期：2012-12-21摘要随着信息社会的到来，人们对通信系统容量和传输速率以及服务水平的要求不断提高，通信网络变得越来越庞大，通信链路管理工作日趋复杂。人们迫切希望在通信系统中采用智能的性能监测技术来解决这一越来越突出的问题。光收发模块的数字诊断功能就提供了这样一种低成本的性能监测手段。通过光收发模块的数字诊断功能，网络管理单元可以实时监测光收发模块的温度、供电电压、激光器偏置电流以及发射光功率和接收光功率。这些参数的测量，可以帮助网络管理单元进行故障预测和故障定位。通过故障预测，技术人员可以提前替换可能产生故障的单元，减少损失；通过故障定位网络管理人员可以迅速找出故障位置，缩短故障修复时间。带数字诊断功能光模块的应用简化了系统维护工作，提高了系统的可靠性。本文以武汉华工正源光子技术有限公司“2.5G带数字诊断功能的小封装光模块”项目的研究为背景，深入介绍了光收发模块的组成与各主要部分的工作原理，详细介绍了课题中采用的各款芯片的性能与设计技术。介绍了激光器与激光器驱动电路的耦合方式、自动功率控制电路与自动温度控制电路原理以及小封装光模块热插拔功能的实现。光模块的数字诊断与监控技术是本文介绍的重点，论文首先介绍了设计数字诊断光模块的理论基础，包括用于数字诊断光模块与主机通信的I2C总线技术基础和定义数字诊断光模块技术要求与设计规范的SFF-8472协议。然后给出了具体的数字诊断光模块电路设计方案，重点介绍了方案中采用的数字诊断控制器DSl859以及该设计方案的原理、工作过程和参数设计。文章最后介绍了带数字诊断光模块的测试技术，先介绍了一般光电指标包括发射光功率、消光比、光眼图、接收灵敏度以及高低告警值的测试原理与方法，然后对常见的光眼图劣化现象产生的原因和解决方法进行了分析，最后重点介绍了数字诊断与监控功能的测试方法与实现技术，包括测试系统硬件电路的设计以及监控校准软件的介绍与具体实现方法。关键词：光收发模块，数字诊断，SFF-8472协议，DSl859，热插拔-----------------------------光学与光电技术----------------------------------------------------------------------------2第1章、绪论1.1课题概述小型封装可插拔光模块简称SFP模块，它采用先进的精密光学及电路集成工艺制作，尺寸只有普通双工SC(1×9)型光纤收发模块的一半，因此在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口成本。SFP模块还支持热插拔功能，即无需切断电源，光模块即可以与设备连接或断开，网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不造成影响。热插拔功能也简化了总的维护工作，并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。智能SFP模块，即具有数字诊断功能的SFP光模块，数字诊断控制器所带的存储空间分为两部分一部分用于储存器件型号、制造商名称、序列号、器件的数据速率等基本信息，另一部分用于存储监控报警、校准常数与实时监控数据等数字诊断与监控相关信息。智能SFP模块是各厂商技术升级换代的标志性产品，它所特有的数字诊断功能可以实时监测光收发模块的温度、供电电压、激光偏置电流以及发射光功率和接收光功率。通过这些参数的测量，管理单元能迅速找出光纤链路中发生错误的具体位置，以简化维护工作，提高系统的可靠性。可以预见在今后两三年内智能SFP光模块将成为市场的主要需求。本课题研究带数字诊断功能的小封装可热插拔光模块，课题来源于武汉华工正源光子技术有限公司的“2.5G带数字诊断功能的小封装光模块”重点攻关项目，该项目的工作主要分为器件、电路和结构三个部分，笔者有幸参与了电路部分的设计、PCB绘制、光模块测试与数字诊断软件调试等方面的工作，这些也是论文阐述的重点。1.2光模块研究现状及发展方向通信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断提高使得光纤通信成为现代信息网络的主要传输手段，在现在的光通信网络中，如广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)所需要的作为核心光电子器件之一的光收发模块的种类越来越多，要求越来越高，复杂程度也以惊人的速度发展。目前的光通信市场竞争越来越激烈，通信设备要求的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高。传统的激光器和探测器分离的光模块，己经很难适应现代通信设备的要求。为了适应通信设备对光器件的要求，光模块正向高度集成的小封装发展，SFF(SmallFormFactor)小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺，尺寸只有普通双工SC(1×9)型光纤收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口的系统成本。又由于SFF小封装光模块采用了与铜线网络类似的MT-RJ接口，大小与常见的电脑网络铜线接口相同，有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长。此外，热插拔也是光模块的一个发展方向。未来的光模块必须支持热插拔，即无常切断电源，模块即可以与设备连接或断开，由于光模块可热插拔，网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响。热插拔性也简化了总的维护工作，并使-----------------------------光学与光电技术----------------------------------------------------------------------------3得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。同时，由于这种热交换性能，该模块可使网络管理人员能根据网络升级要求，对收发成本、链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划，而无需对系统板进行全部替换。支持热插拔功能的光模块目前有GBIC(GigabitInterfaceConverter)和SFP(SmallFormPluggable)，由于SFP与SFF的外型大小相当，它可以直接插在电路板上，在封装上较省空间，其未来的发展趋势值得期待。通信设备的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高，要求光电器件向低成本、低功耗的方向发展。目前光器件一般均采用混合集成工艺和气密封装工艺，下一步的发展将是非气密的封装，需要依靠无源光耦合(非X-Y-Z方向的调整)等技术进一步提高自动化生产程度，降低成本。随着光收发模块市场需求的迅速增长，功能电路、部分专用集成电路的供应商也逐渐增多，供应商在规模化、系列化方面的积极投资使得此类IC的性能越来越完善，成本也越来越低，从而缩短了光收发模块的开发周期，降低了成本。尤其是处理高速、小信号、高增益的前置放大器采用的是GaAs工艺和技术，SiGe技术的发展，使得这类芯片的成品率及制造成本得到很好的控制，同时可进一步降低功耗。另外采用非制冷激光器也进一步降低了光模块的制造成本。目前的小封装光模块也都采用低电压3.3v供电，保证了端口的增加不会提高系统的功耗。人们对信息量要求越来越多，对信息传递速率要求越来越快，作为现代信息交换、处理和传输主要支柱的光通信网，一直不断向超高频、超高速和超大容量发展，传输速率越高、容量越大，传送每个信息的成本就越来越小。长途大容量方面当前的热点是10Gbit/s和40Gbit/s，最新市场研究表明，10Gbit/s数据通信收发模块的全球总消费量将从2001年的1.57亿美元增长到2010年的90亿美元。2001年早期使用10Gbit/s数据通信收发器的数量不到10万个，但到2003年，10Gbit/s数据通信收发模块将增加到200万个。在整个消费领域，继10-gigabit光纤通道之后，10-gigabit以太网将会有强烈的影响。目前SDH单通道光系统正向40Gbit/s冲击。高速系统和器件方面，很多公司今年推出了40Gbit/s系统。40Gbit/s方面目前的重点产品技术是：大功率波长可调/固定激光器、40G调制器(InpEAM、LiNb03EOM、PolymerEOM)、高速电路(InP、GeSi材料)、波长锁定器、低色散滤波器、动态均衡器、喇曼放大器、低色散开关、40Gbit/sPD(PIN、APD)、可调色散补偿器组件(TU-DCM)，前向纠错(FEC)等。从现阶段电路技术来说，40Gbit/s已接近“电子瓶颈”的极限。速率再高，引起的信号损耗、功率耗散、电磁辐射(干扰)和阻抗匹配等问题难以解决，即使解决，则要花费非常大的代价。CWDM技术兼备并行结构的低成本和单纤传输的优点，必将在未来的体系结构中起重要作用。该技术在保持较高的总数据速率的同时，充分利用传统的光技术，对收发器的设计是一种功能强且经济实用的方案。事实上，即使使用低速率的组件，CWDM收发器也能在成本、尺寸、功率预算比传统串行方案低的前提下，达到较高的数据速率。CWDM也是替代其它昂贵的WDM解决方案的可行之策。较宽的光邻道间隔提供健壮的性能，而无需像DWDM系统那样使用昂贵的温度控制机制。基本上，国内外那些传统的大通信公司如安捷伦、飞博创(fiberxon)、飞通、武汉电信器件公司等都有自己的各种类型的CWDM光模块。值得一提的是现在又出现了一种单纤三向模块，这种新型模块不仅能在单一的光纤上进-----------------------------光学与光电技术----------------------------------------------------------------------------4行双向数字通信，而且还有模拟影像信号接收器。它以三个不同的波长运作，以此消除此类应用中通常所需的额外纤线的成本。它的第三个波长用于播放模拟影像信号，第二个光探测器(PIN)接收标准的共享天线电视(CATV)影像信号，在一个光载波上进行调制。除了用于宽频被动光纤网络(BPON)系统外，若干衍生的模块还能用于千兆位被动光纤网络(GPON)，混合光纤同轴电缆(HFC)系统、以及点对点网络等不同的系统解决方案中。目前，国外英飞凌(Infineon)公司已有相关产品。1.3本文研究的主要内容及所做的工作本文研究的对象是带数字诊断功能的光收发一体模块。本文研究的主要内容及所做的工作有：1)光收发一体模块原理的研究:光收发一体模块发射部分、接收部分的组成、原理介绍。并以MAXIM公司的激光器驱动芯片max3735、后放max3748和前放max3744为例，对构成光收发一体模块的各主要部分和主要电路进行介绍。2)介绍激光器和激光器驱动电路的耦合方式。3)介绍光收发模块热插拔功能的实现技术。4)分析分立元件构成的自动功率控制电路与自动温度控制电路原理。5)介绍数字诊断光模块设计的理论基础，包括主机与数字诊断光模块通信的I2C总线技术；定义数字诊断光模块技术要求与设计规范的SFF-8472协议。6)给出数字诊断光模块的硬件电路实现，详细介绍了用DALLISMAXIM公司的DSl859与激光器驱动芯片max3735、跨阻放大器芯片max3744以及限幅放大器芯片max3748设计出的这款高性价比的数字诊断光模块解决方案。7)介绍带数字诊断光模块的测试技术，先介绍一般光电指标包括发射光功率、消光比、光眼图、接收灵敏度以及高低告警值的测试原理与方法，并对常见的光眼图劣化现象的原因和解决方法进行分析，最后重点介绍了光模块数字诊断与监控功能的测试方法与实现，包括测试系统硬件电路的设计以及监控校准软件的介绍与具体实现方法。第2章、光收发一体模块及其设计2.1光收发一体模块简介光收发一体模块由光发射器与光接收器组成，其主要功能是进行电/光与光/电信号的相互转换。光发射器的功能是将电信号转换成光信号，有用信号通过电端机进行模/数转换等相应处理，转换为数字NRZ码信号，此信号加入激