1、    光收發(fā)芯片在高速光模塊中的應(yīng)用和研究    摘 要 光收發(fā)芯片是高速光模塊的核心器件，也是光通信系統(tǒng)接入網(wǎng)的關(guān)鍵器件，一直以來都是光通信領(lǐng)域的研究熱點。激光器平均光功率和消光比參數(shù)控制、實時數(shù)字診斷偵測是光模塊的重要性能指標，在光模塊生產(chǎn)調(diào)試中需要嚴格校正。文章從高速光模塊的實際應(yīng)用出發(fā)，闡述了幾種常見的光模塊調(diào)試校正方法，然后提出了一個全新的光收發(fā)芯片方案，有效的保證了激光器性能和數(shù)字診斷偵測的準確性，提高了光模塊的生產(chǎn)效率，對研究高速光模塊有較高的參考價值。關(guān)鍵詞 高速光模塊；實時數(shù)字診斷偵測；平均光功率；消光比；光收發(fā)芯片：tn29 ：a

2、：1671-7597（2014）02-0031-02在國家大力發(fā)展寬帶戰(zhàn)略的背景下，光通信產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇。高速光模塊是光通信系統(tǒng)接入網(wǎng)的關(guān)鍵器件，其中的光收發(fā)芯片一直以來都是光通信領(lǐng)域的研究熱點。光收發(fā)芯片主要包括限幅放大器、激光器驅(qū)動器，完成高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送和接收，但激光器平均光功率和消光比的參數(shù)控制、實時數(shù)字診斷偵測這些指標都是外置mcu控制器完成，并且在光模塊生產(chǎn)過程中需要校正，因此芯片設(shè)計在技術(shù)上還有優(yōu)化和改進的必要。1 光模塊調(diào)試1.1 激光器平均光功率和消光比參數(shù)控制根據(jù)激光器的固有特性，激光器的閾值電流和斜效率會隨著溫度的變化波動，而且長時間工作也會造成激光器的閾值電流

3、發(fā)生波動，導(dǎo)致激光器的輸出功率和消光比都發(fā)送變化。圖1是激光器輸出光功率與驅(qū)動電流的p-i關(guān)系曲線，兩條曲線分別對應(yīng)t1和t2兩個不同溫度，ibias1、ibias2是驅(qū)動偏置電流，imod1、imod2是驅(qū)動調(diào)制電流。圖1 激光器在不同溫度下的p-i關(guān)系曲線1.1.1 平均光功率控制目前對于平均光功率的控制通常采用開環(huán)查找表法、傳統(tǒng)模擬自動功率控制法、數(shù)字快速自動功率控制法。開環(huán)查找表法是在芯片外的eeprom存儲器上內(nèi)置一組與溫度對應(yīng)的偏置電流查找表，根據(jù)激光器工作時的環(huán)境溫度值，對應(yīng)的調(diào)整偏置電流大小，實現(xiàn)對平均光功率的控制，保持平均光功率不變。此方法沒有引入反饋控制環(huán)路，溫度變化時補償

4、精度不高，誤差在2dbm左右。而且每只激光器都需要有單獨對應(yīng)的查找表。模擬自動功率控制法是采樣激光器內(nèi)置的光電二極管pd的電流，通過芯片外部的下拉電阻轉(zhuǎn)換成電壓，進入芯片內(nèi)部與基準電壓進行比較，再對驅(qū)動偏置電流進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。此方法引入了反饋控制環(huán)路，補償精度可以保證，功率誤差控制在0.5dbm以內(nèi)，但模擬環(huán)路的響應(yīng)時間很長，自動功率控制需要很長時間才能達到穩(wěn)定，不能適應(yīng)pon突發(fā)式快速穩(wěn)定的需求，只能應(yīng)用在sfp連續(xù)式應(yīng)用中。數(shù)字快速自動功率控制法是在模擬自動功率控制法的基礎(chǔ)上改進而來，根據(jù)采樣的光電二極管pd電流值，通過數(shù)字狀態(tài)機和寄存器控制，采用二分法逐次逼近目標光功率。1.1.

5、2 消光比控制目前對于消光比的控制通常采用熱敏電阻控制法以及開環(huán)查找表法。熱敏電阻控制法是把調(diào)制電流大小與熱敏電阻關(guān)聯(lián)起來，隨溫度變化熱敏電阻的電阻值會發(fā)生改變，芯片的調(diào)制電流也跟隨變化，這種方法在早期的模塊調(diào)試中比較常用。開環(huán)查找表法是在芯片外的eeprom存儲器上內(nèi)置一組與溫度對應(yīng)的調(diào)制電流查找表，這樣在激光器正常工作時通過檢測模塊環(huán)境溫度，調(diào)整對應(yīng)的調(diào)制電流值，達到保持消光比的目的。此方法沒有引入反饋控制環(huán)路，溫度變化時補償精度不高，誤差在3dbm以上。而且每只激光器都需要有單獨對應(yīng)的查找表。1.2 數(shù)字診斷調(diào)試高速光模塊中的實時數(shù)字診斷功能，可以及時給系統(tǒng)管理提供模塊壽命預(yù)測、故障定位

6、以及模塊兼容性的驗證，是系統(tǒng)迫切需要的一種性能監(jiān)測方法。主要包括電源電壓、溫度、發(fā)送光功率、發(fā)送偏置電流和接收光功率的實時數(shù)據(jù)，以及其他狀態(tài)信息。在sff-8472標準協(xié)議中，規(guī)定了數(shù)字診斷偵測以及其他相關(guān)功能的詳細內(nèi)容。該標準提出由光模塊完成所有待偵測信號的采集以及數(shù)字化的工作，并按照標準中的格式要求，提供偵測結(jié)果或者參數(shù)的數(shù)字化參數(shù)。這些信息被存放在對應(yīng)的a0、a2地址存儲器中，由上位機系統(tǒng)通過i2c總線進行數(shù)據(jù)讀寫傳輸?，F(xiàn)在數(shù)字診斷功能常用的做法是采用數(shù)字控制器芯片（如ds1856）和外掛mcu處理器來實現(xiàn)。其原理是通過控制器芯片或者mcu芯片的adc通道，從激光二極管驅(qū)動器芯片、限幅放

7、大器芯片的引腳，采樣數(shù)字診斷功能所需要的信號數(shù)據(jù)，在芯片內(nèi)部進行處理，實現(xiàn)數(shù)字診斷偵測的目的。但由于每只光模塊的差異，需要在生產(chǎn)調(diào)試過程中，對每只光模塊的接收光功率、發(fā)送光功率、溫度、發(fā)送偏置電流和電源電壓這五個監(jiān)控量進行逐一校正，保持產(chǎn)品的一致性，這樣做降低了模塊生產(chǎn)的自動化程度。2 光收發(fā)三合一芯片的基本原理根據(jù)光模塊的應(yīng)用需求，再結(jié)合上述的高速光模塊調(diào)試方法，提出了光收發(fā)三合一芯片方案。芯片的原理圖如圖2所示。芯片將限幅放大器、激光二極管驅(qū)動器、8位mcu處理器集成在同一顆芯片中，簡化了光模塊的布板線路，同時在模擬線路中引入了更多的數(shù)字化控制，有利于光模塊調(diào)試。圖2 芯片原理圖2.1 芯

8、片整體設(shè)計說明芯片采用0.18um cmos工藝設(shè)計。限幅放大器包括放大級、輸出級、失調(diào)消除電路、峰值檢測電路等；激光二極管驅(qū)動器包括輸入級、放大級、輸出級、突發(fā)控制級、以及apc控制、偏置輸出、調(diào)制輸出電路等；8位mcu電路包括mcu核、2kb程序空間、主從i2c控制器、512b數(shù)字診斷監(jiān)測寄存器，以及振蕩器、溫度傳感器、穩(wěn)壓器、12位adc、12位dac等。endprint2.2 平均光功率控制芯片采用快速數(shù)字自動功率控制（dapc）法，控制電路采樣激光器內(nèi)置的光電二極管pd的電流，進入芯片內(nèi)部與基準電壓進行比較，再通過數(shù)字狀態(tài)機和寄存器控制，對驅(qū)動偏置電流進行調(diào)節(jié)，控制平均光功率。因為光

9、電二極管直接采樣激光二極管的光信號強度，所以光電流大小與激光二極管平均光功率大小具有線性比例關(guān)系，設(shè)為。那么由式（1）和式（2）可知，如果要保持激光二極管的平均光功率不變，只需保持穩(wěn)定即可。（1）（2）其中，激光器的輸出光功率、分別代表無光和有光，對應(yīng)邏輯“0”和“1”時數(shù)字信號。這里，dapc的輸出引入二分法粗調(diào)模式和最小步長精調(diào)模式。實驗表明，光功率的變化率在0.2dbm左右。2.3 消光比控制芯片采用k-因子補償法和數(shù)字查找表補償法相結(jié)合的方式來實現(xiàn)消光比控制。根據(jù)光功率-電流曲線斜率的定義以及激光二極管的特性，可以得到式（3），其中、是常數(shù)：（3）即 （4）根據(jù)激光器的固有電光轉(zhuǎn)換特性

10、，激光器的閾值電流和斜效率會隨著溫度的變化波動，要保持光信號的調(diào)制輸出幅度和原來相同，需要相應(yīng)的調(diào)節(jié)調(diào)制電流。“k-因子”補償特性，就是在激光器dapc電路平均光功率控制時，檢測偏置電流大小的變化，按照一定的比例系數(shù)，補償?shù)秸{(diào)制電流，設(shè)定為。這樣，實際的調(diào)制電流將由兩個部分組成，如式（5）。其中，代表原有調(diào)制電流。（5）對比式（5）和式（4）可以看出是一致的，因此“k-因子”補償法在理論上是成立的。但由于消光比隨調(diào)制電流的變化也是不連續(xù)的，因此“k-因子”補償不可能完全補償消光比的變化，實驗表明，消光比的變化率小于1db。結(jié)合數(shù)字查找表補償?shù)碾x散補償方式，根據(jù)環(huán)境溫度值對應(yīng)的數(shù)字寄存器地址，從

11、中查找對應(yīng)的調(diào)制電流值，進行消光比的補償。這樣，消光比的變化幅度會更小。經(jīng)過實驗，結(jié)果表明，消光比的變化率在0.3db左右。這樣，在整個溫度變化范圍內(nèi)，消光比控制電路的響應(yīng)會更加平坦。2.4 數(shù)字診斷功能芯片設(shè)計中，對激光二極管偏置電流大小和調(diào)制電流大小的控制，都采用數(shù)字寄存器來配置，提高控制精度；數(shù)字診斷功能要求的電源電壓、溫度、發(fā)送光功率和發(fā)送偏置電流這四個實時監(jiān)控量均直接從芯片內(nèi)部電路直接采樣模擬信號，避免了芯片間互連引起的走線誤差，接收光功率信號從跨阻放大器芯片輸出，進入到本芯片的adc輸入腳。芯片內(nèi)部采用10通道adc，在mcu的程序控制下，可以對更多的模擬信號進行實時監(jiān)測。3 三合

12、一芯片方案的光模塊調(diào)試芯片的i2c slave引腳是與上位機數(shù)據(jù)通信的預(yù)留端口，芯片內(nèi)部的狀態(tài)信息和內(nèi)部數(shù)字診斷功能信息都可以通過此引腳實時上報，上位機也可以通過此引腳對芯片進行控制。光模塊調(diào)試時，首先準備一個模塊調(diào)試板，上面預(yù)留兩個光模塊接口，上位機可以同時與這兩個光模塊進行通信。將一只已經(jīng)校正完畢的光模塊作為標準模塊接入，另一只待調(diào)試接入調(diào)試板時，光發(fā)送端接入標準模塊的光接收端，而光接收端接入標準模塊的光發(fā)送端。讀取標準模塊的接收光功率信息，可以獲取待測模塊的實時發(fā)送光功率，調(diào)整待測模塊芯片的寄存器參數(shù)，使發(fā)送光功率和消光比達到目標值，與待測模塊的發(fā)送功率信息比對并進行校正；讀取標準模塊的

13、發(fā)送光功率信息，與待測模塊的接收光功率信息比對并進行校正；兩只模塊處于同一調(diào)試板上工作，電源電壓和環(huán)境溫度相同，因此，讀取標準模塊的電源電壓和溫度信息，與待測模塊的電源電壓和溫度信息比對并進行校正即可。4 結(jié)束語本文提出的全新的光收發(fā)芯片方案，可以讓研發(fā)人員根據(jù)自己的光模塊產(chǎn)品要求，來選擇更加適合的芯片方案。 同時，關(guān)于激光二極管平均光功率和消光比參數(shù)控制、數(shù)字診斷性能的分析，以及補償校正方法的討論，對研究高速光模塊有一定的參考價值。參考文獻1葛建軍，胡毅，徐紅春.高速sfp光模塊消光比的溫度補償研究j.光通信研究，2010（5）：1-2.2sff-8472-2007， specification for diagnostic monitoring interface for optical transceivers rev10.1s.3razavi，b.design of integrated circuits for optical communications， 2nd revised edition， john wiley & sons inc； 2012.4grain l