光收发芯片在高速光模块中的应用和研究

摘 要 光收发芯片是高速光模块的核心器件，也是光通信系统接入网的关键器件，一直以来都是光通信领域的研究热点。激光器平均光功率和消光比参数控制、实时数字诊断侦测是光模块的重要性能指标，在光模块生产调试中需要严格校正。文章从高速光模块的实际应用出发，阐述了几种常见的光模块调试校正方法，然后提出了一个全新的光收发芯片方案，有效的保证了激光器性能和数字诊断侦测的准确性，提高了光模块的生产效率，对研究高速光模块有较高的参考价值。

关键词 高速光模块；实时数字诊断侦测；平均光功率；消光比；光收发芯片

中图分类号：TN29 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0031-02

在国家大力发展宽带战略的背景下，光通信产业迎来了新的发展机遇。高速光模块是光通信系统接入网的关键器件，其中的光收发芯片一直以来都是光通信领域的研究热点。光收发芯片主要包括限幅放大器、激光器驱动器，完成高速数据传输的发送和接收，但激光器平均光功率和消光比的参数控制、实时数字诊断侦测这些指标都是外置MCU控制器完成，并且在光模块生产过程中需要校正，因此芯片设计在技术上还有优化和改进的必要。

1 光模块调试

1.1 激光器平均光功率和消光比参数控制

根据激光器的固有特性，激光器的阈值电流和斜效率会随着温度的变化波动，而且长时间工作也会造成激光器的阈值电流发生波动，导致激光器的输出功率和消光比都发送变化。

图1是激光器输出光功率与驱动电流的P-I关系曲线，两条曲线分别对应T1和T2两个不同温度，IBIAS1、IBIAS2是驱动偏置电流，IMOD1、IMOD2是驱动调制电流。

图1 激光器在不同温度下的P-I关系曲线

1.1.1 平均光功率控制

目前对于平均光功率的控制通常采用开环查找表法、传统模拟自动功率控制法、数字快速自动功率控制法。

开环查找表法是在芯片外的EEPROM存储器上内置一组与温度对应的偏置电流查找表，根据激光器工作时的环境温度值，对应的调整偏置电流大小，实现对平均光功率的控制，保持平均光功率不变。此方法没有引入反馈控制环路，温度变化时补偿精度不高，误差在2dBm左右。而且每只激光器都需要有单独对应的查找表。

模拟自动功率控制法是采样激光器内置的光电二极管PD的电流，通过芯片外部的下拉电阻转换成电压，进入芯片内部与基准电压进行比较，再对驱动偏置电流进行调节，实现闭环控制。此方法引入了反馈控制环路，补偿精度可以保证，功率误差控制在0.5dBm以内，但模拟环路的响应时间很长，自动功率控制需要很长时间才能达到稳定，不能适应PON突发式快速稳定的需求，只能应用在SFP连续式应用中。

数字快速自动功率控制法是在模拟自动功率控制法的基础上改进而来，根据采样的光电二极管PD电流值，通过数字状态机和寄存器控制，采用二分法逐次逼近目标光功率。

1.1.2 消光比控制

目前对于消光比的控制通常采用热敏电阻控制法以及开环查找表法。

热敏电阻控制法是把调制电流大小与热敏电阻关联起来，随温度变化热敏电阻的电阻值会发生改变，芯片的调制电流也跟随变化，这种方法在早期的模块调试中比较常用。

开环查找表法是在芯片外的EEPROM存储器上内置一组与温度对应的调制电流查找表，这样在激光器正常工作时通过检测模块环境温度，调整对应的调制电流值，达到保持消光比的目的。此方法没有引入反馈控制环路，温度变化时补偿精度不高，误差在3dBm以上。而且每只激光器都需要有单独对应的查找表。

1.2 数字诊断调试

高速光模块中的实时数字诊断功能，可以及时给系统管理提供模块寿命预测、故障定位以及模块兼容性的验证，是系统迫切需要的一种性能监测方法。主要包括电源电压、温度、发送光功率、发送偏置电流和接收光功率的实时数据，以及其他状态信息。

在SFF-8472标准协议中，规定了数字诊断侦测以及其他相关功能的详细内容。该标准提出由光模块完成所有待侦测信号的采集以及数字化的工作，并按照标准中的格式要求，提供侦测结果或者参数的数字化参数。这些信息被存放在对应的A0、A2地址存储器中，由上位机系统通过I2C总线进行数据读写传输。

现在数字诊断功能常用的做法是采用数字控制器芯片（如DS1856）和外挂MCU处理器来实现。其原理是通过控制器芯片或者MCU芯片的ADC通道，从激光二极管驱动器芯片、限幅放大器芯片的引脚，采样数字诊断功能所需要的信号数据，在芯片内部进行处理，实现数字诊断侦测的目的。但由于每只光模块的差异，需要在生产调试过程中，对每只光模块的接收光功率、发送光功率、温度、发送偏置电流和电源电压这五个监控量进行逐一校正，保持产品的一致性，这样做降低了模块生产的自动化程度。

2 光收发三合一芯片的基本原理

根据光模块的应用需求，再结合上述的高速光模块调试方法，提出了光收发三合一芯片方案。芯片的原理图如图2所示。

芯片将限幅放大器、激光二极管驱动器、8位MCU处理器集成在同一颗芯片中，简化了光模块的布板线路，同时在模拟线路中引入了更多的数字化控制，有利于光模块调试。

图2 芯片原理图

2.1 芯片整体设计说明

芯片采用0.18um CMOS工艺设计。限幅放大器包括放大级、输出级、失调消除电路、峰值检测电路等；激光二极管驱动器包括输入级、放大级、输出级、突发控制级、以及APC控制、偏置输出、调制输出电路等；8位MCU电路包括MCU核、2KB程序空间、主从I2C控制器、512B数字诊断监测寄存器，以及振荡器、温度传感器、稳压器、12位ADC、12位DAC等。endprint

2.2 平均光功率控制

芯片采用快速数字自动功率控制（DAPC）法，控制电路采样激光器内置的光电二极管PD的电流，进入芯片内部与基准电压进行比较，再通过数字状态机和寄存器控制，对驱动偏置电流进行调节，控制平均光功率。因为光电二极管直接采样激光二极管的光信号强度，所以光电流大小与激光二极管平均光功率大小具有线性比例关系，设为。那么由式（1）和式（2）可知，如果要保持激光二极管的平均光功率不变，只需保持稳定即可。

（1）

（2）

其中，激光器的输出光功率、分别代表无光和有光，对应逻辑“0”和“1”时数字信号。这里，DAPC的输出引入二分法粗调模式和最小步长精调模式。实验表明，光功率的变化率在0.2dBm左右。

2.3 消光比控制

芯片采用K-因子补偿法和数字查找表补偿法相结合的方式来实现消光比控制。

根据光功率-电流曲线斜率的定义以及激光二极管的特性，可以得到式（3），其中、是常数：

（3）

即 （4）

根据激光器的固有电光转换特性，激光器的阈值电流和斜效率会随着温度的变化波动，要保持光信号的调制输出幅度和原来相同，需要相应的调节调制电流。“K-因子”补偿特性，就是在激光器DAPC电路平均光功率控制时，检测偏置电流大小的变化，按照一定的比例系数，补偿到调制电流，设定为。这样，实际的调制电流将由两个部分组成，如式（5）。其中，代表原有调制电流。

（5）

对比式（5）和式（4）可以看出是一致的，因此“K-因子”补偿法在理论上是成立的。但由于消光比随调制电流的变化也是不连续的，因此“K-因子”补偿不可能完全补偿消光比的变化，实验表明，消光比的变化率小于1dB。

结合数字查找表补偿的离散补偿方式，根据环境温度值对应的数字寄存器地址，从中查找对应的调制电流值，进行消光比的补偿。这样，消光比的变化幅度会更小。经过实验，结果表明，消光比的变化率在0.3dB左右。这样，在整个温度变化范围内，消光比控制电路的响应会更加平坦。

2.4 数字诊断功能

芯片设计中，对激光二极管偏置电流大小和调制电流大小的控制，都采用数字寄存器来配置，提高控制精度；数字诊断功能要求的电源电压、温度、发送光功率和发送偏置电流这四个实时监控量均直接从芯片内部电路直接采样模拟信号，避免了芯片间互连引起的走线误差，接收光功率信号从跨阻放大器芯片输出，进入到本芯片的ADC输入脚。芯片内部采用10通道ADC，在MCU的程序控制下，可以对更多的模拟信号进行实时监测。

3 三合一芯片方案的光模块调试

芯片的I2C slave引脚是与上位机数据通信的预留端口，芯片内部的状态信息和内部数字诊断功能信息都可以通过此引脚实时上报，上位机也可以通过此引脚对芯片进行控制。光模块调试时，首先准备一个模块调试板，上面预留两个光模块接口，上位机可以同时与这两个光模块进行通信。将一只已经校正完毕的光模块作为标准模块接入，另一只待调试接入调试板时，光发送端接入标准模块的光接收端，而光接收端接入标准模块的光发送端。

读取标准模块的接收光功率信息，可以获取待测模块的实时发送光功率，调整待测模块芯片的寄存器参数，使发送光功率和消光比达到目标值，与待测模块的发送功率信息比对并进行校正；读取标准模块的发送光功率信息，与待测模块的接收光功率信息比对并进行校正；两只模块处于同一调试板上工作，电源电压和环境温度相同，因此，读取标准模块的电源电压和温度信息，与待测模块的电源电压和温度信息比对并进行校正即可。

4 结束语

本文提出的全新的光收发芯片方案，可以让研发人员根据自己的光模块产品要求，来选择更加适合的芯片方案。 同时，关于激光二极管平均光功率和消光比参数控制、数字诊断性能的分析，以及补偿校正方法的讨论，对研究高速光模块有一定的参考价值。

参考文献

[1]葛建军，胡毅，徐红春.高速SFP光模块消光比的温度补偿研究[J].光通信研究，2010（5）：1-2.

[2]SFF-8472-2007， Specification for Diagnostic Monitoring Interface for Optical Transceivers Rev10.1[S].

[3]Razavi，B.Design of Integrated Circuits for Optical Communications， 2nd Revised edition， John Wiley & Sons Inc； 2012.

[4]Grain Lyon.保持收发器的平均光功率和消光比[J].光波通信，2006（5）.

作者简介

陈卫洁（1979-），男，湖北荆州人，工程师，研究方向：模拟集成电路设计。endprint