中距光模块稳定性设计研究

胡 亮

（江苏奥雷有限公司，江苏 镇江 212009）

0 引言

光模块是光纤通信系统的核心器件之一，是光通信设备最重要的组成部分，主要作用是实现光电信号转换。随着互联网的发展，网络数据量呈指数级增长，互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）建设驱动光模块市场增长。企业方面，中国光模块厂商有望进一步提升在全球市场的份额，下游运营商对光模块的需求较大。整体而言，中国光模块市场规模增速有望赶超全球。光模块应用场景丰富，具体可分为电信市场和数通市场，涵盖了数据宽带、电信通信、数据中心、光纤接入、安防监控以及智能电网等领域，其中数通市场近年来逐渐成长为驱动光模块市场增长的主要细分领域。

1 光模块系统原理

光模块系统原理如图1 所示。光模块主要由光发射组件（Transmitter Optical Subassembly，TOSA）、光接收组件（ReceiverOptical Subassembly，ROSA）、高速收发一体驱动芯片、控制器（Microcontroller Unit，MCU）组成。TOSA 将电信号变成光信号，ROSA 将光信号变成电信号，高速收发驱动芯片负责驱动光发射组件和光接收组件。MCU 主要有三个功能[5]：一是与主机设备（Host）实时进行数据交互，对整个模块系统进行监控，管理控制信号逻辑输入输出，对驱动芯片功能引脚进行配置，写入初始化配置参数；二是读取环境温度，实时更新驱动芯片的偏置电流和调制电流，对激光器进行温度补偿，保证输出的光信号始终满足传输链路的要求；三是反馈激光器工作情况，针对异常情况报警，实现链路的智能监控。

图1 光模块系统原理

具体工作过程如下：模块供电后，MCU 控制器开始工作，负责配置驱动芯片，设置参数；高速收发驱动芯片设置完参数后开始正常工作，将从Host接收到的高速差分电信号转换为驱动激光器的偏置电流和调制电流，驱动TOSA 发光并传送光信号；从ROSA 接收到的光信号经ROSA 转换为电信号后发送至高速收发驱动芯片限幅放大器进行放大，然后送给Host 处理；MCU 对驱动芯片的工作参数进行实时调整，控制TOSA 在各种环境条件下保持工作状态稳定。MCU 通过输入/输出（I/O）接口及I2C 数据接口与驱动芯片互连。

2 光模块器件特性

2.1 激光器的类型

目前，TOSA 内部的半导体激光器（Laser diode，LD）种类很多。按照结构分类，可分F-P型LD（以下简称FP-LD）、分布反馈（Distributed Feedback，DFB）LD（以下简称DFB-LD）、分布Bvragg 反射器（DBR）LD、量子阱（Quantum Well，QW）LD 以及垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）。在光纤通信中，F-P型LD、分布反馈（DFB）LD 以及垂直腔面发射激光器（VCSEL）是使用最普遍的光器件。F-P 型LD和分布反馈（DFB）LD 属于单模器件，垂直腔面发射激光器（VCSEL）属于多模器件。F-P 型LD 和分布反馈（DFB）LD 的主要区别在于F-P 型LD有一个集总反射谐振腔反射镜，而分布反馈（DFB）LD 的反射机构是由源区波导上的Bragg 光栅提供的，这种反射机构是一种分布式反馈机构。因有了Bragg 光栅，其具有更好的偏振特性，故它的谱线宽度非常窄。在光纤通信中，DFB-LD 是中长距离应用的主要光器件。FP-LD 和DFB-LD 的性能比较如表1、图2、图3 所示。

图2 光谱对比图

图3 过纤对比图

从表1 中的数据对比得出，DFB-LD 的谱宽要远小于FP-LD，其谱宽＜1 nm，通过长距离10 km光纤后DFB-LD 的光眼图优于FP-LD 的光眼图，根据光纤传输公式，带宽距离积为：

表1 DFB-LD 与FP-LD 的性能对比

式中：BSMF为带宽，L为距离。从式（1）可以得出，光谱越小，传输距离越远。从性能稳定角度看，选择DFB 激光器更合适。

2.2 激光器的特性

激光器存在温度特性[1]，表现在其阀值随着温度升高而增加，如图4 所示。当激光器中的工作电流小于其阀值电流Ith时，激光器仅能发出极微弱的非相干光，这相当于激光器中的谐振腔未产生振荡。而当激光器中的工作电流大于其阀值电流Ith时，激光器会发出谱线狭窄的激光，此时激光器中的谐振腔产生了振荡。故在不同的温度下，给激光器预置大于阀值Ith的工作电流，激光器才能稳定工作。

图4 激光器温度特性曲线

2.3 ROSA 的特性

ROSA 由铟镓砷（InGaAs）材料的PIN 光电二极管或PN 结雪崩光电二极管APD 加上宽带跨阻放大器（Trans Impedance Amplifiers，TIA）构成，前者起到将光信号转换为电信号的作用，后者放大电信号。PIN 和APD 的区别是PIN 光电二极管不能使原信号光电流发生倍增，灵敏度性能一般，但价格便宜，不需额外增加电路设计，可以增加可靠性。而APD 能够使原信号光电流发生倍增，从而使接收机的灵敏度增加，但价格比较贵，需要增加额外的升压电路给APD且电路复杂，同时也是个干扰源。在设计电路时，要考虑隔绝此干扰源问题，避免给PCB 电路布局（LAYOUT）带来麻烦，降低可靠性。

TIA 的作用是将PIN 转换过来的10 Gb·s-1电信号进行放大输出，所以输出端采用阻抗100Ω 高速对称差分信号输出，有利于抗干扰，传输高速率信号。

中距10 Gb·s-1光接收系统在误码率为1×10-12的条件下的接收灵敏度要求为-14.4 dBm[2]。故通过对比发现，采用PIN/TIA 的组合即可满足需求，性价比高。

3 光模块硬件设计

3.1 PCB 信号完整性设计

目前10 Gb·s-1光模块的驱动芯片内集成了发射激光器调制电路和接收限幅整形放大电路。为了能传输10 Gb·s-1高速信号，芯片发射和接收输入/输出端采用高速差分对称输入/输出方式。发射部分信号输入端阻抗为100 Ω，输出端驱动50 Ω；接收部分信号输入端阻抗100 Ω，输出端阻抗100 Ω。故在PCB 设计时，需考虑如下几个方面。

（1）选用低介电常数，低介电损耗板材。根据式（2）：

式中：εγ为介电常数，v为信号传播速度。可见，PCB 设计选择介电常数损耗板材越低越好，传播速度越快，有利于传输10 Gb·s-1高速信号。

（2）采用多层板设计，第一层放置关键走线如四组高速差分输入/输出阻抗线，第二层放置参考层地，可以控制高速差分线阻抗，而且高速信号走过信号线后，其回流必在走线正下方，这样的叠层设计可以减少高频信号的回流路径。高频信号流过信号线的损耗变小，抗电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）也可以提高。电源要求完整，可以布在一个层面，根据电路功能进行分割，避免电源间相互干扰。在相邻层放地层可以增加耦合，将电源上的干扰源耦合到地，提高抗干扰性能，使模块工作稳定。走线按照间距3W 原则，避免线间干扰。

（3）阻抗匹配。根据传输线理论定义[3]，如图5 所示，当驱动器将信号发送到传输线上时，信号初始幅度Vi等于驱动源电压乘以传输线特征阻抗与源电阻之比，如式（3）所示，初始电压Vi会沿传输线传播。

图5 传输线负载不匹配反射图

式中：Vi是传输线初始电压，Vs是电源电压，Zs是电源内阻，Zo是传输线阻抗。

如果在传输线终端接一个与传输线特征阻抗匹配的阻抗，那么，幅度Vi的信号就是端接到地的信号，如果传输线终端所接阻抗Zt不等于传输线的特征阻抗Zo，则信号的一部分将端接到地，其余部分将朝源方向反射回传输线。反射信号分量的多少取决于反射系数，反射系数计算公式为：

式中：是反射系数，Zt是负载阻抗，Zo是传输线阻抗。

因此，在电路布局高速差分阻抗走线时，其特征阻抗必须根据驱动芯片的输入输出阻抗进行控制。如过阻抗不匹配就会出现发射问题，影响到信号质量。走高速差分阻抗线可以借助软件Shortcut to Si9000 来仿真建模，确定走线宽度和间距，严格控制阻抗，以减少反射发生。

3.2 光器件与PCB 连接设计

因10 Gb·s-1信号属于高速信号，对阻抗匹配要求极高，光器件与PCB 的连接需要考虑以下问题。

为管控阻抗连续及减小信号损耗，连接方式采用阻抗可控的软板作为连接媒介，如图6 所示。这样可以保证连接软板阻抗与PCB 高速差分走线特征阻抗一致，阻抗连续，可以减少反射和信号损耗，另外，由于软板采用柔性材质，可以任意角度弯曲，不会伤害信号连通性，也方便安装，能够为光模块提供稳定、可靠保障。

图6 PCB 与光器件连接图

4 光模块软件设计

前文提到，激光器存在温度特性问题。在不同的温度下，激光器的阀值电流不一样，随着温度升高，阀值电流会增加。为使激光器能稳定工作，必须给激光器大于阀值电流Ith的工作电流。所以需要通过软件设计，根据温度变化对光器件进行电流补偿。从简单可靠的角度考虑，比较稳定可靠的算法是根据光模块应用的环境温度进行制表，每2 度一格，从最低温度到最高温度进行规划。设置2 张电流表，一张是IMOD调制电流表，一张是IBIAS偏置电流表。软件根据MCU 芯片采集的温度点分别依次到电流表中采集当下温度的IMOD调制电流和IBIAS偏置电流数据，把数据分配给激光器驱动芯片，让其产生合适的激光器所需的工作电流，使激光器稳定工作。

另外，光模块软件设计要满足行业协议SFF-8472[4]的相关规定。

5 实验数据测试

本节对设计出的光模块进行测试。图7 为测试拓扑图，被测试模块为双纤光模块。拓扑图中，A点为光功率测试点，B 点为光眼图测试点，C 点为灵敏度、告警测试点。测试信号采用PRBS31伪码流，测试信号速率为10 Gb·s-1，测试温度在-40～85 ℃，测试项目为消光比、光功率及光眼图。

图7 测试拓扑

5.1 测试数据

测试结果数据如表2 所示。-40～85 ℃的光眼图和电眼图如图8 所示。

图8 -40～85 ℃的光眼图和电眼图

表2 测试数据

5.2 数据分析

根据测试数据分析，在温度-40～85 ℃下，光眼图和电眼图信号图形完整，上升沿抖动小，“1”电平和“0”电平平滑，表明PCB 满足高频信号传输特性，阻抗匹配并且连续，高频信号损耗小，干扰小。消光比保持在5.2～5.7 dB，全温变化＜1 dB，光功率保持在-2.5～-1.1 dBm，全温变化＜2 dB，表明软件电流补偿算法有效，电流补偿达到激光器正常工作电流要求。灵敏度保持在-17.5～-16.5 dBm，在全温下，光模块温度特性表现非常好，10 Gb·s-1SFP+LR 协议规范要求[2]消光比＞3.5 dB，发射光功率-8.2～+0.5 dBm，灵敏度SEN ＜-14.4 dBm。测试数据远优于规范要求，与客户端匹配窗口大，因此光模块与客户端兼容性好、稳定，光模块设计合格。

6 结语

本文通过对光器件选型，在硬件设计上遵循高速信号设计理论，通过软件算法弥补激光器温度特性带来的Ith不稳定问题，实现对光器件全温电流补偿，使其在-40～85 ℃稳定工作，完成了中距10 km 10 Gb·s-1SFP+光模块的稳定性研究设计。光模块指标和全温特性完全符合光模块标准。目前产品已实现量产并产生经济效益。