10G XFP光模塊的設計

　　萬(wàn)新星、任海蘭(光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )國家重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢郵電科學(xué)研究院)《光通信研究》2012.4

　　文章介紹了應用于光網(wǎng)絡(luò )系統的10 Gbit/s XFP(小型化可熱插拔)光模塊的基本原理以及光收發(fā)模塊的設計，采用了CDR(時(shí)鐘數據恢復)、APC(自動(dòng)功率控制)、LA(限幅放大器)和發(fā)射驅動(dòng)集成的主芯片GN2010EA，與傳統設計相比不僅降低了設計成本，而且降低了設計的復雜度。測試結果表明，該模塊在寬的溫度范圍內能保持穩定的光功率和消光比，并且指標滿(mǎn)足ITU—T標準的要求，符合10 Gbit/s光模塊設計要求。

　　引言

　　在光纖通信系統中，實(shí)現光/電/光轉換功能的光收發(fā)模塊占有十分重要的地位。高速率(40、100 Gbit/s)技術(shù)已經(jīng)成為各大運營(yíng)商關(guān)注的焦點(diǎn)，但10 Gbit/s技術(shù)仍然是當前通信系統的主流技術(shù)，基于標準化的密集波分光通信模塊成為其必不可少的一部分，10 Gbit/s XFP(ds型化可熱插拔)光模塊以其價(jià)格低、體積小和應用環(huán)境廣泛等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為10 Gbit/s光模塊的主流產(chǎn)品。

　　本文將介紹兼容40和80 km 的10 Gbit/sXFP光模塊的基本原理、低成本的設計方案，以及相關(guān)的測試(驗證方案的可行性)。這種設計采用CDR(時(shí)鐘數據恢復)、APC(自動(dòng)功率控制)、LA(限幅放大器)和驅動(dòng)器集成的主芯片GN2010EA，減少了器件的數量，降低了制作工藝難度，達到了低成本的目的。

　　1 10 Gbit/s XFP光模塊的設計

　　1.1 模塊功能框圖

　　圖1所示為10 Gbit/s XFP光模塊的基本結構框圖。模塊的發(fā)射端(包括光發(fā)送子系統、主芯片、溫控電路以及控制電路)采用輸入均衡器、多速率CDR、EML(電吸收調制激光器)驅動(dòng)器和APC集成的芯片驅動(dòng)激光器實(shí)現電/光轉換。接收端(包括光接收子系統、主芯片以及控制電路)則采用APD(雪崩光電二極管)將探測到的光信號轉換成電信號放大整形后輸出。模塊中采用單片機控制發(fā)射驅動(dòng)芯片，實(shí)現數字診斷功能。

　　1.2 發(fā)射部分

　　發(fā)射電信號由主芯片GN2010EA 的TXDIP腳和TXDIN腳進(jìn)入，經(jīng)過(guò)主芯片發(fā)射部分的均衡器、CDR和EML驅動(dòng)器，再由TXDOP腳和TXDON腳輸出，進(jìn)入TOSA(光發(fā)送子系統)進(jìn)行電信號到光信號的轉換。內部APC電路控制激光器的偏置電流，由IBIAS腳輸出到TOSA，控制TOSA 的光功率。

　　主芯片內部APC電路有兩種方式對激光器偏置電流進(jìn)行設置：(1)設置寄存器APC—REG5的第二位APCOVR，將APC環(huán)路旁路掉，這樣可以直接通過(guò)寄存器設置IBIAS腳輸出的電流值。(2)使用APC環(huán)路形成一個(gè)閉環(huán)負反饋，將設置電壓值與VPHOTO腳反饋的電壓值(VPHOTO腳的電壓與發(fā)射光功率成比例關(guān)系)進(jìn)行比較，最后使得VPHOTO腳反饋的電壓值穩定在設定值，即使發(fā)射光功率穩定在設定值。

　　1.3 接收部分

　　傳輸距離不同時(shí)，所采用的光電探測器不同，接收端的設計電路也有所不同。短距離傳輸時(shí)采用PIN(光電二極管)光電探測器，長(cháng)距離傳輸時(shí)采用APD光電探測器。

　　當使用APD ROSAl3 (光接收子系統)時(shí)，Th腳通過(guò)一個(gè)20 kQ的電阻接3.3 V參考電源，熱敏電阻的電壓值送到控制電路微處理器的ADC口對APD進(jìn)行溫度補償;DAC腳接MCU(微控制單元)的DAC口，進(jìn)行交叉水平調節;Vapd腳接升壓電路;其他接口與使用PIN ROSA時(shí)的接法一樣。使用PIN ROSA時(shí)，Th腳接地;DAC腳接外部電阻，將電流轉換為電壓給MCU 的ADC 口，對PIN進(jìn)行電流監控，此時(shí)不接升壓電路;Vapd腳接地;其他接口與使用APD ROSA時(shí)的接法一樣。

　　1.4 監控部分

　　監控功能主要由MCU 來(lái)完成，本設計中采用ADUC7020。根據XFP協(xié)議SFF INF 8077i第四章定義的2線(xiàn)接口協(xié)議，可以通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現對特別寄存器的讀寫(xiě)。XFP光模塊的監控量主要有TO—SA溫度、TEC(溫度控制電路)電流、發(fā)射端偏置電流、調制電流、接收光功率和接收丟失告警等。

　　1.5 電源部分

　　XFP模塊由外部的兩路電源進(jìn)行供電，這兩路電源分別為5和3.3 V。模塊內部對這兩路電源按用途進(jìn)行了細分。模塊上電時(shí)，按照一定順序給電路中的各個(gè)部分加電，以保護模塊在熱插拔的時(shí)候不會(huì )受到損傷。