10G XFP光模塊的設計

　　萬新星、任海蘭(光纖通信技術和網絡國家重點實驗室，武漢郵電科學研究院)《光通信研究》2012.4

　　文章介紹了應用于光網絡系統(tǒng)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(時鐘數據恢復)、APC(自動功率控制)、LA(限幅放大器)和發(fā)射驅動集成的主芯片GN2010EA，與傳統(tǒng)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(wěn)定的光功率和消光比，并且指標滿足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(tǒng)中，實現光/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)技術已經成為各大運營商關注的焦點，但10 Gbit/s技術仍然是當前通信系統(tǒng)的主流技術，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)光模塊以其價格低、體積小和應用環(huán)境廣泛等優(yōu)點，已經成為10 Gbit/s光模塊的主流產品。

　　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，以及相關的測試(驗證方案的可行性)。這種設計采用CDR(時鐘數據恢復)、APC(自動功率控制)、LA(限幅放大器)和驅動器集成的主芯片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(tǒng)、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)驅動器和APC集成的芯片驅動激光器實現電/光轉換。接收端(包括光接收子系統(tǒng)、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)射驅動芯片，實現數字診斷功能。

　　1.2 發(fā)射部分

　　發(fā)射電信號由主芯片GN2010EA 的TXDIP腳和TXDIN腳進入，經過主芯片發(fā)射部分的均衡器、CDR和EML驅動器，再由TXDOP腳和TXDON腳輸出，進入TOSA(光發(fā)送子系統(tǒng))進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，這樣可以直接通過寄存器設置IBIAS腳輸出的電流值。(2)使用APC環(huán)路形成一個閉環(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)射光功率成比例關系)進行比較，最后使得VPHOTO腳反饋的電壓值穩(wěn)定在設定值，即使發(fā)射光功率穩(wěn)定在設定值。

　　1.3 接收部分

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

　　當使用APD ROSAl3 (光接收子系統(tǒng))時，Th腳通過一個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進行溫度補償;DAC腳接MCU(微控制單元)的DAC口，進行交叉水平調節(jié);Vapd腳接升壓電路;其他接口與使用PIN ROSA時的接法一樣。使用PIN ROSA時，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進行電流監(jiān)控，此時不接升壓電路;Vapd腳接地;其他接口與使用APD ROSA時的接法一樣。

　　1.4 監(jiān)控部分

　　監(jiān)控功能主要由MCU 來完成，本設計中采用ADUC7020。根據XFP協議SFF INF 8077i第四章定義的2線接口協議，可以通過總線實現對特別寄存器的讀寫。XFP光模塊的監(jiān)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行了細分。模塊上電時，按照一定順序給電路中的各個部分加電，以保護模塊在熱插拔的時候不會受到損傷。

　　2 測試結果

　　10 Gbit/s XFP光模塊的主要測試指標包括發(fā)射光眼圖、發(fā)射光功率、消光比和接收靈敏度，具體測試如下。

　　(1)發(fā)射指標的測試

　　不同溫度下測試得到的發(fā)射光眼圖如圖2所示，發(fā)射指標見表1。

　　測試結果顯示，發(fā)射眼圖的質量滿足ITU—TG。691標準 中模板的要求，發(fā)射光功率和消光比均滿足標準的規(guī)定，并且在全溫范圍內指標變化較小。

　　(2)接收靈敏度的測試

　　在速率為10 Gbit/s、PRBS31(偽隨機序列)階碼、誤碼率為1.0E一12的條件下對兩只模塊在不同溫度下進行接收端靈敏度測試，結果如表2所示。

　　ITU—T G.691標準要求在誤碼率為1.0E一12的條件下靈敏度< 一25 dBm，由表2可見，測試結果滿足標準要求。

　　(3)DP(色散代價)的測試

　　在速率為10 Gbit/s、全溫常壓的條件下，對40 km光模塊不帶纖和帶纖、誤碼率為1.oE一12時的靈敏度進行了測試，得到DP結果如表3所示。

　　ITu—T G.691標準要求，對于高色散系統(tǒng)，允許的最大通道代價為2 dB，測試結果表明，該參數符合標準要求。

　　3 結束語

　　本文從總體上介紹了10 Gbit/s XFP光模塊的設計，著重介紹了光模塊關鍵部分的實現方式，測試結果顯示設計的模塊滿足標準要求。本設計采用CDR、發(fā)射驅動和接收LA集成的主芯片，不僅在傳統(tǒng)設計的基礎上降低了芯片成本，而且大大降低了布板布局復雜度，這一設計將會逐步取代傳統(tǒng)的設計，成為10 Gbit/s XFP光模塊的主流設計方案。