CXP光模块及测试系统的研究*

2019-01-23王波，于佩

通信技术 2019年1期

王波，于佩

（江苏奥雷光电有限公司，江苏镇江 212009）

0 引言

随着宽带业务的不断发展，100 Gb/s光通信系统已逐渐成熟和普及。光模块作为光通信系统的重要组成部分，也在不断升级换代。如何高效研发和生产100 Gb/s光模块并快速投放市场，已成为各大光模块厂家迫切需要解决的问题[1-2]。

CXP模块是100 Gb/s光模块主流封装形式之一，其光、电、外形尺寸以及软件等相关性能和运行参数等已由CXP MSA（多源协议）规范[3]。参照CXP标准协议，选取一款市场主流方案对CXP模块进行研究和开发。本文介绍该方案的整体框架、光路电路部分设计，并搭建了自动测试系统，对本方案下制作的CXP模块进行了测试和优化。

1 CXP模块技术方案

1.1 CXP总体框图

按照CXP MSA标准协议规定，CXP有上下两块PCB板组成，如图1所示。上板为发射板包含12通道VCSEL激光器阵列、集成12通道VCSEL driver、MCU，下板为接收板包含12通道PIN阵列、12通道PIN driver。两块PCB板由软板相连接，使MCU能同时对发射、接收板进行通信与配置。下文将分别对电路部分与光路部分进行介绍。

图1 CXP

1.2 电路部分

该CXP模块采用集成发射、接收驱动芯片外加51内核单片机作为MCU的设计方案，使得电路设计更加简化。在发射部分，发射信号由电容交流耦合至激光器驱动芯片信号输入端，驱动芯片为VCSEL阵列提供调制电流、偏置电流。在接收部分，PIN阵列将接收到的光信号转换成电流信号，并进行放大、限幅等处理。MCU通过IIC总线控制发射、接收驱动。

1.2.1 发射部分

在发射电路中，采用某公司的12通道16 Gb/s VCSEL驱动器。该芯片可提供最高10 mA的偏置电流和10 mA的调制电流。同时，该芯片还具有均衡、预加重功能。在实际应用中，当发射信号质量很差时，为达到光纤传输无误码的要求，可通过对均衡值进行设置来补偿发射信号恶化对通信带来的影响。

1.2.2 接收部分

在接收电路中采用某公司的12通道16 Gb/s接收芯片。该芯片由跨阻放大器、自动增益控制电路、限幅放大器等部分组成。电源为PIN管提供反向偏置电压，跨阻放大器将PIN管产生的微弱电流信号进行放大处理并转换成电压信号。自动增益控制电路可通过调节增益系数将输出幅值稳定在一定范围内，避免输出幅值过大对系统造成影响。此外，该芯片还具有预加重功能，可通过调整预加重比例改变输出幅值大小，从而提高系统接收灵敏度。

1.2.3 MCU控制部分

本CXP模块采用C8051F507单片机作为MCU。与传统51内核单片机相比，该芯片具有更大的RAM，可提供更大的存储空间满足CXP模块多通道大数据量的要求。MCU主要工作为：对发射、接收芯片进行初始化配置，SFF8642标准协议的嵌入，ADC数据采集，flash数据的写入与读取，MOD_LUT、BIAS_LUT写入，与发射、接收芯片通信以及CXP模块与系统板的通信[4]。在CXP模块实际生产中，将所有配置制成一个固件，模块组装完成后只需将该固件烧录进MCU，就可对模块完成所有配置。然后，通过自制上位机软件，可对模块发射、接收芯片参数进行调节，得到最优化的发射光眼图和接收电眼图。

1.3 光路部分

光路设计上采用VCSEL阵列和PIN阵列，通过点胶工艺将VCSEL阵列和PIN阵列固定在陶瓷垫片上，该陶瓷垫片则预先固定在PCB板上。由于VCSEL为垂直发光器件，为使光传输方向与PCB平行，采用FA耦合的方式对激光传播方向进行90°翻转[5]。由于FA耦合精度明显低于透镜耦合，对FA耦合工艺进行改进，采用有源耦合的方式提高耦合精度。

有源耦合是在耦合过程中通过自制上位软件分别对各通道发射光功率与接收响应电流值进行监控。在发射板耦合过程中，找出12通道光功率都接近最大值时的位置。同样，在接收板上找出12通道接收响应电流都接近最大值时的位置，然后分别进行点胶固化[6]。该工艺可有效提高耦合精度，提高产品合格率。表1为CXP模块发射、接收有源耦合数据。

表1 有源耦合数据

2 CXP模块测试系统

区别于以往单通道光模块测试系统，为提高CXP模块测试效率，需优先设计测试系统。CXP模块测试系统如图2所示。下面将分别对发射光眼图与接收灵敏度测试方法进行介绍。

2.1 发射光眼图测试

图中4#、5#、6#为4通道10 Gb/s误码仪；12#是带10 Gb/s滤波的DCA；7#是3路18 Gb/s射频电开关，通过切换开关依次将三台误码仪trigger信号分别连接到DCA的triger输入口；8#、9#、10#、11#是4路光开关，将12路光信号分别连接到DCA光口上。在测试模块发射端时，插入待测模块，通过切换光开关与射频电开关完成对12路发射的测试。

图2 CXP测试系统

2.2 接收灵敏度测试

在测试模块接收灵敏度时，选取1只12通道发射光眼图都合格的CXP模块作为标准光源，经过1#、2#、3#多模衰减器将输出光功率进行衰减，通过3台10 Gb/s误码仪测试模块的接收灵敏度。另外，使用热流仪，可快速测试模块在-20 ℃、25 ℃、70 ℃下的发射、接收性能。

3 CXP模块性能分析

根据CXP标准要求，在10.312 Gb/s速率下，发射光眼图应满足：消光比3～5 dB、发射光功率-4～+2 dBm、交叉点45%～50%。首先，在环境温度25 ℃下，通过设置合适的调制电流、偏置电流，将发射光眼图调整到最佳状态。有时还需调节输入均衡值，优化眼图。图3（a）眼图上升沿过缓，通过调节均衡参数对上升沿进行改进，得到图3（b）眼图。为保证在环境温度-20～70 ℃下发射光眼图都满足要求，根据VCSEL器件在高低温下的不同特性，设计了MOD_LUT、BIAS_LUT。模块在运行过程中，MCU根据环境温度实时调整加载到VCSEL器件的调制电流、偏置电流。图3为模块通道1、通道2在高低温下的眼图。

由图4可知，在环境温度-20～70 ℃下，发射光眼图形状较好。消光比保持在3.5～4.5 dB，交叉点保持在45%～50%，光功率变化小于1.5 dBm。在10GBE 10.3125眼膜下，眼膜大于25%，说明模块在全温度范围下具有良好特性，满足CXP协议要求。

图3 发射光眼图

图4 发射光眼图

在接收端主要测试模块接收灵敏度。实际应用中为提高接收灵敏度，可适当增加预加重幅值。图5（a）接收电眼图输出幅值较小，眼图张开度不够，通过增加预加重比例，可提高电眼图输出幅值，从而提高接收灵敏度，改善后电眼图如图5（b）所示。表2为CXP模块在10.312 Gb/s速率、231-1码型下，-20 ℃、25 ℃、70 ℃下的接收灵敏度数据。数据表明，CXP模块在环境温度-20～70 ℃下完全可满足100 m OM3多模光纤传输无误码要求。