一种超小型光纤收发器的设计和测试系统

张金辉

（江苏奥雷光电有限公司市场技术部，江苏 镇江 212009）

0 引言

光纤收发器是一种将较短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行相互转换的以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称为光电转换器（Fiber Converter）[1]。光纤收发器产品一般应用于有限长度的以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的网络传输环境中[2]。常用的光纤收发器如图1所示，其基本形态包括电源输入、电口（以太网电信号输入输出端口）、光口（光信号输入输出端口）。

图1 光纤收发器基本形态

光纤收发器产品种类极为丰富，可以分成很多不同种类，比如可以分成传输距离20千米至120千米的单模光纤收发器和传输距离2千米到5千米的多模光纤收发器；也可以分成接收发送的数据在一根光纤的单纤光纤收发器和接收发送的数据在一对光纤上传输双纤光纤收发器；以及按照结构分成的桌面式（独立式）光纤收发器和机架式（模块化）光纤收发器。但无论怎样分类，其工作模式均是采用一个电源输入（无论是外置电源还是内置电源），使用RJ-45电缆线连接以太网设备，将以太网电信号转换成光信号，从光口输出，在数据接收端则将光口接收到的光信号转换成以太网电信号，通过RJ-45电缆线传输到以太网设备，以此形成整个数据发送、接收的环路系统。

图2 光纤收发器工作模式

1 超小型光纤收发器的设计

设计一款适用于新型应用场合的超小型光纤收发器（如图3所示），它由电接口单元、物理层转换单元、光电转换单元、光接口单元和电源转换单元组成。

图3 超小型光纤收发器

电接口单元摒弃市面上常用的RJ-45母头电接口，采用RJ-45连接器（公头），可以直接插入现有通用的以太网设备RJ-45端口使用，将电信号输出和输入。

物理层转换单元先使用网口变压器将RJ-45电接口传入的信号进行隔离，然后使用物理层电PHY芯片将以太网电信号转换成适用于光电传输的差分电信号。基于市面上常用的Gigabit以太网（GbE）收发器REALTEK RTL8213B-CG，相较于其他方案，这是一款相对低成本、低功耗、小封装的物理层电PHY方案，这些特性更适用于超小型光纤收发器的设计和安装，包含单个Gigabit以太网收发器，执行10/100/1000 BASE-T标准的以太网物理层相关要求，支持RGMII（减少直连引脚数量的GMII）接口，支持10/100/1000 Mbps全双工连通性和10/100 Mbps半双工模式。

光电转换单元内部包含两部分内容，分别是光发射部分和光接收部分，光发射部分主要由激光驱动器电路和激光器组成，光接收部分由光敏二极管（PIN）+互阻放大器（TIA）和限幅放大器组成，完成对数字信号透明光/电、电/光转换的功能（如图4所示）。激光驱动器和限幅放大器目前市面上有成熟的分立方案和集成方案可供选择，纵观成本、性能、应用等因素考虑，集成方案在将来会越来越具有优势[3]。

图4 光电转换单元

光接口单元，根据不同的应用需求，可使用多种不同的光纤接口（包含但不限于SC、LC、FC、ST等不同的母头光接口，也包含带尾纤光接口，尾纤光接口包含但不限于SC、LC、FC、ST等不同的公头光接口），将光信号输出和输入，非常利于应用现场的灵活安装和布线，将光纤链路中的非本证衰减降到最小[4]。

电源转换单元的功能是，将外置电源适配器的直流输入电源转换成内部电路所需要的电压，如+3.3 V。当然也可以设计成内置电源方案，直接将交流220 V电压转换成所需的目标电压，但这样设计势必导致整个产品的体积庞大。

以上各单元在设计初期就要考虑到产品的整体功耗和良好的散热设计，通过低功耗方案选型，适当减小激光器偏置电流和调制电流，通过合理的温度查表来进行电流温度补偿，产品整体结构设计和导热、散热设计等措施，有效提升产品的工作温度窗口，以便在客户端一个或多个光纤收发器同时工作在极限温度时仍能完成整个链路的数据传输。

2 超小型光纤收发器的优点

目前现有的光纤收发器存在体积大、笨重等问题，同时在安装使用时必须额外使用一根RJ-45电缆来连接以太网设备，会产生较高的成本，也会对应用现场的布线带来较大影响。另外，现有的光纤收发器的光接口形式较为单一。

超小型光纤收发器继承了光纤收发器的用途，并在此基础上采用RJ-45连接器（公头），可以直接插入以太网设备RJ-45端口，即插即用，同时将体积缩小至U盘尺寸（甚至更小），也不需要电缆线对用户设备进行连接，在优化信号传输的同时，安装、使用和维护均可降低成本，而且便捷可靠。另外，在小封装的基础上，加上其优良的温度特性，可以在设计和使用多个光纤收发器同时工作时令用户非常满意。

3 超小型光纤收发器的测试系统

3.1 可测试性设计

超小型光纤收发器采用可测试性设计，设计时将内部的电接口单元、物理层转换单元和电源转换单元设计为一个整体，将光电转换单元和光接口单元设计为另一个整体。两者之间用高速电连接器可靠连接。在试制时可以分开生产和测试，确保各自性能合格后进行组装，最终成品测试合格后交付。如图5所示。

图5 可测试性设计

3.2 测试系统

（1）针对光电转换单元和光接口单元，必须搭建高效测试系统。基于误码仪、数据通信分析仪、光衰减器和光功率计等设备，可以按照图6所示搭建测试系统。

图6 光电转换测试系统

（2）将误码仪的数据输出接口（Data out，差分输出）通过同轴电缆连到测试板，将被测的光电转换单元插入测试板专用插座，用光纤连接被测产品的光接口单元和数据通信分析仪，测试发射端各项指标数据，如平均光功率（Po）、消光比（E.r）、交叉点（Crossing）等。如图7所示。

图7 发射端指标测试

（3）将合格的发射端光信号用光纤送到光衰减器、光分路器、光功率计，然后送到被测光电转换单元的接收端，再将测试板的数据输出端口用同轴电缆连接到误码仪的数据输入接口（Data in，可以采用差分输入方式，也可以采用单端输入方式）。通过调节光衰减器，可以测试得到保证系统要求合格误码率要求下的最大接收光功率（即饱和光功率），和合格误码率要求下的最小接收光功率（即接收灵敏度）。

（4）针对上述光电转换单元各项测试合格后（如表1所示，必要时进行常温、高温、低温的三温性能测试），以及在确保超小型光纤收发器前端电源部分、物理层转换部分焊接和安装合格后，将两部分组装成一体。使用千兆位在以太网网络测试仪进行丢包率测试。如图8所示。

表1 光电转换部分测试数据

图8 网络测试仪测试

如图9所示，在100%速率下光纤直连和20 km盘纤测试中数据丢包率均为0%。根据不同产品的要求，可以安排在不同环境温度要求下的常温、高温、低温的三温测试，以确保产品较高的性能要求和长期可靠性。

图9 丢包率测试结果

4 产品优化

电接口单元的优化方向是RJ-45公头连接器和PCB的可靠连接，必要时针对RJ-45连接器自主开模生产，满足更高等级的跌落、振动等各项技术要求。电源转换单元的优化方向是需要提高直流电压转换器（DC-DC）的效率，不断优化光电匹配参数和嵌入式软件的坚固性和兼容性，采用性价比更高的激光驱动器、限幅放大器、激光器以及进一步的小封装化，甚至适应客户应用时新的电源接入方式，如光电混合缆电源接入。光电转换单元向更低成本的驱动方案优化，必要时采用板上芯片贴装技术（Chip On Board）进一步优化板端设计，满足小型化要求。

5 结束语

针对市场上现有的光纤收发器，本文提出了一种可满足新型应用场合的超小型光纤收发器的设计和测试系统。该光纤收发器能满足千兆位以太网应用，具有较高的可测试性设计，显著减小产品的功耗和尺寸，可以满足客户端采用高密度组装方式和即插即用的实际应用需求。同时，针对超小型光纤收发器，详细描述了各单元的测试系统和测试内容，以及最终成品的网络测试系统架构和结果演示。