2.5Gbps速率光模块原理分析和设计调试

2020-05-14赵莉

电子元器件与信息技术 2020年2期

赵莉

（淮南文峰航天电缆有限公司，安徽淮南 232000）

0 引言

由于受电磁干扰、码间串扰和损耗等方面因素的影响，金属线的电互联传输受到了极大的限制，在传输系统中使用过多的电缆布线会增加系统重量，且布线复杂度的增加也使其整体成本随之上升。与电传输相比，光传输具有大容量、高带宽、易集成、损耗低、无串扰、电磁兼容性好、小体积、重量很轻等优点，因而光传输被广泛的应用在数字信号传输系统之中[1]。

1 产品设计

1.1 工作原理

本文提出的2.5Gbps光模块中包含两个通道：发射通道和接收通道，它们之间相互独立，并不会产生干扰，而且两个通道的传输速率都可以达到2.5Gbps的速率，其工作原理框图如图1所示。

模块发射通道由电信号输入接口、激光器驱动电路、阻抗匹配电路和激光器组件TOSA组成。电信号是由发射通道的电接口输入，途经电接口电路完成电信号的耦合，然后经过发射通道中激光器驱动电路，进行调制，再经阻抗匹配部分进行阻抗匹配，完成信号的调制和驱动，最后送入激光器（TOSA）电光转换为光信号进行光信号传输。

在光信号传输通信的系统中，由激光器发出的数据调制信号可看作是光频载波，一般采用强度调制的方法进行光调制[2]。激光器上所需要产生的调制电流和光频载波驱动电流，都是由调制电路和激光驱动电路提供的。由此可见，要想使激光器正常工作，激光器驱动电路一定要提供充足的驱动电流，满足输出光功率正常，同时要提供具有足够的调试电流，从而确保合适的调制度。自动偏置电路控制（APC）电路通过监测控制TOSA中背光二极管输出电流的大小，从而动态调节激光器驱动电流的大小，实现输出光功率的稳定。

因此，为了使光模块发射部分的光功率和消光比能在其正常工作温度和工作周期范围内稳定不变，光模块激光驱动器必须提供充足的偏置电流与调制电流，还应具有温度控制、APC功能，从而确保光模块发射部分满足系统苛刻的工作环境要求[3]。

光信号接收通道由光探测器组件ROSA、阻抗匹配电路、限幅放大电路和电信号输出接口电路组成。同时接收通道还有丢光检测电路，当接收信号过弱或光路不通时，会输出告警信号。ROSA包含光电探测二极管（PIN）、跨阻放大器（TIA）。PIN将采集来的光信号成正比例的转换成电信号，TIA将此电信号转换成电压信号，并将转换后的电压信号放大到所需幅度，经阻抗匹配电路传输给限幅放大器电路完成信号的再次放大和与整形，提高信噪比，减少误码率，最后电接口电路完成信号输出。

1.2 部分电路设计

1.2.1 电源电路设计

为了克服用户板上电时产生浪涌电流对光模块的干扰，进行缓慢启动电路设计如图2所示。

当用户给2.5Gbps光模块上电时，为了确保激光器在电源电压在达到光模块门限电压之前处于关闭的状态，控制偏置电流和调制电流应该缓慢上升，避免过冲减少激光器寿命或者将其直接损坏。如图2，图中Q1为P沟道MOSFET，阈值电压为2.5V，C30和R21组成RC充电电路，由公式（1）计算出时间常数t≈1.5ms，符合设计要求：

1.2.2 激光器驱动电路设计

激光器驱动有单端驱动和差分驱动两种驱动模式，设计中采用美信公司提供的MAX3738芯片[4]进行交流耦合差分驱动的模式如图3，差分驱动相对单端驱动有着明显改善激光器的产品指标及光学性能的优势[5]。

1.2.3 耦合接口电路设计

为了将传输信号中抖动减到最小，设计中在输入接口和输出接口分别都采用了交流耦合的设计模式如图4所示。

1.3 结构设计

为了有利于光模块能够在有重量要求和恶劣的环境下正常工作，因此，2.5Gbps速率光模块采用金属合金壳体进行封装[6-7]。为了增强电接口引脚的稳定性和导电性，采用10针贴片式镀金引脚。采用焊接方式进行电装，有利于提高信号输入、输出的可靠性。为了便于安装，在壳体底部设计有两个安装固定螺孔，以便增强模块的机械稳定性能。

2 模块调试

2.1 调试条件

（1）硬件材料条件：电路原理图和相应的PCB图纸，准备焊接光器件和电引脚排针完成后合格的2.5Gbps速率无壳体光模块，相应的2.5G模块壳体。（2）设备条件：误码仪、宽带眼图示波器、光衰减器、高精度稳压直流电源、光功率计及测试板、测试跳线等其他材料。（3）环境条件：需要在无尘、防静电、恒温恒湿的环境下进行，而且设备必须接地。

2.2 调试步骤

（1）开启电源、误码仪、示波器、光功率计、光衰减器等设备，并检查设备是否接地及是否正常工作。（2）调试人员佩戴防静电手腕，将焊接完成的光模块插入测试板上观察光模块工作电流是否正常。正常模块的工作电流一般为110～120mA，如果只有80mA左右，说明模块接受通道没有正常工作，如果只有40mA左右，则说明模块发射通道没有正常工作，可以通过更换光器件来确定是电路板的问题还是光器件的问题。（3）根据模块具体的性能指标要求，确定模块所需的发射光功率。参照RAPCSET的计算值，进行微调。（4）对于2.5Gbps速率光模块，消光比一般调节为8～11，如果消光比过大或过小，可以适当调整RMODSET电阻，从而达到指标范围内。（5）在调试过程中如果遇到光眼图不清晰或无法打开的光眼图，并且存在明显的过冲，可能是由偏置电流（IBIAS）调节的大小不合适引起的，通过减小偏置电流调节电阻RAPCSET来增加偏置电流，减小过冲，使波形上移，直到光眼图变清晰为止[8]。