4.25 Gbps 小型可热插拔光收发模块的设计与测试

刘 希 ，薛 原，徐红春

(武汉电信器件有限公司 光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北 武汉430074)

1 引 言

近年来，随着光纤到户、全光网络等热点应用的兴起，通信业正面临带宽和速度的巨大挑战，大容量、高速率、高质量的光纤通信已成为信息产业发展的必然趋势。在此背景下，作为网络通信设备关键部件的光收发一体模块也呈现出高速化、智能化、小型化和集成化等特点。本文研究的4.25 Gbps 小型可热插拔( SFP) 模块是一种极具代表性的光通信模块，目前主要应用于各种存储区域网络( SAN)［1］，这种网络依托光纤通道为服务器和存储设备的连接提供更高的吞吐能力，支持更远的距离和更可靠的连通，并且不需要对现有设备进行全面升级，适用于对数据存储性能要求高、系统升级方面具有很强的动态容量可扩展性和灵活性的企事业单位。光模块在其中主要完成光源驱动、光电转换及告警输出等功能［2］。

本文研究和设计了数据速率达到4.25 Gbps的高速SFP 光模块，并对其性能进行了测试。通过分析数据结果，验证产品的性能稳定性和个体一致性，证实了设计方案的可行性，为高速SFP光模块的实际生产提供理论依据。

2 参数设计原理

4.25 Gbps SFP 光模块设计的优劣取决于其能否满足性能需求，输出平均光功率和消光比是最重要的两项指标［3］。输出平均光功率定义为光输出为高时的功率P1与光输出为低时的功率P0的平均值，即:

而激光器的光功率为激光器的斜效率η 与通过激光器的电流的乘积I，即:

为了获得较高的储备峰值以驱动高速电流开关，激光二极管与驱动电路之间可采用交流耦合方式连接。此时，当光输出为高时，通过激光器的电流I1为:

式中:IBIAS为偏置电流，IMOD为调制电流，Ith为阈值电流。

当光输出为低时，通过激光器的电流I0为:

消光比定义为全“1”时的平均光功率P1与全“0”时的平均光功率P0之比，即:

4.25 Gbps SFP 光模块的输出平均光功率和消光比的设计值为PAVG= - 5.5 dBm ( 即0.28 mW) ，Ex=6 dB。由式( 1) 可得，P1+P0=0.56 mW; 由式( 5) 可得，P1/P0=4; 所以P1=0.448 mW，P0=0.112 mW。

经查阅资料，本次设计所需要的垂直腔面发射激光器( VCSEL) 在-40、25 和85 ℃下的典型斜效率η 分别为0.15、0.11 和0.06 mW/mA，阈值电流Ith约为2 mA，则:

(1) -40 ℃时，由式(2) 、(3) 和(4) 可得:

由上述计算可知，输出平均光功率仅与偏置电流IBIAS有关，而与调制电流IMOD无关。因此，通过控制自动功率控制( APC) 回路即可实现输出平均光功率的稳定。但随着温度上升，激光器的斜效率逐渐降低，为了保证输出平均光功率不变，偏置电流要相应增大，如果调制电流不变，那么消光比就会降低。为了使消光比稳定，有必要对调制电流也进行补偿，本文是通过微控制器的寄存器设置对调制电流进行补偿的。

3 设计方案

对4.25 Gbps SFP 光模块的设计方案进行了讨论，其结构由独立的发射、接收和控制部分组成，具体结构如图1 所示。

图1 光模块结构Fig.1 Optical module structure

3.1 发射部分设计

模块发射部分由光发射组件( TOSA) 及激光器驱动电路组成，而TOSA 由激光二极管( LD) 及背光二极管( PD) 组成。LD 采用的是VCSEL，驱动电路的作用是驱动和控制LD。输入模块的电数据信号首先由LD 驱动电路接收，并调制到LD的驱动电流( 包括偏置电流和调制电流) 上，驱动LD 发出带有数据调制信号的激光。LD 驱动电路具备自动功率控制( APC) 功能［4］，可根据监控LD发光大小的背向光输出电流，确定加给LD 的驱动电流的大小。通过APC 电路，激光器驱动电路可动态调节驱动电流的大小［5］。

本文采用的TOSA 是一种TO-46 封装、带LC连接器的850 nm VCSEL，它能将电信号转换成数据速率高达4.25 Gbps 的光信号，其圆形光束能为50/125 μm 和62.5/125 μm 多模光纤提供最佳的功率耦合效率，在-40 ～85 ℃的环境温度下，仍然具有很高的可靠性，可满足4.25 Gbps 光收发模块的需求。

激光器驱动芯片采用4 mm ×4 mm 小型贴片，20 引脚QFN 封装，包括一个集成的APC 回路以支持激光器安全特性和收发器管理系统，同时提供一个2 线接口，允许调制电流和偏置电流的数字控制，是一种多功能、宽工作温度的高速VCSEL驱动。

3.2 接收部分设计

光接收组件( ROSA) 及限幅放大器组成了光模块的接收部分，其中ROSA 又由PD 及前置放大器( 即互阻放大器) 组成。从模块光接收端输入的光信号，通过模块内部的PD 转换为电信号，输入到前置放大器进行放大。前置放大器具备自动增益控制( AGC) 功能，即对小功率输入光转换后的小幅度电信号采用大增益的放大倍数，而对大功率输入光转换后的大幅度信号采用小增益的放大倍数，从而使其输出电信号的波动幅度远远小于输入光信号的波动幅度。最后，主放大器接收经前置放大器放大后的信号进行二级放大，输出模块的电数据信号。

与TOSA 相匹配，本文选用的850 nm LC ROSA具备较高的多模光纤耦合效率及宽泛的工作温度等特点，可靠性较高。3.3 V 供电时，其典型工作电流仅为15 mA，能将光信号转换成数据速率高达4.25 Gbps 的电信号，较好地满足了高速光纤通信的需要。值得注意的是，这款ROSA中的TIA 具有较低的输入噪声、2.8 GHz 带宽、AGC 功能、3.2 kΩ 互阻和接收信号强度指示( RSSI) 等特点，使其能用作4.25 Gbps 光接收器的高速互阻放大器。

限幅放大器提供一个2 线接口，带宽、输出幅度和LOS 阈值校准均允许数字式调整，单3.3 V供电，能在-40 ～85 ℃环境温度下正常工作。

3.3 控制部分设计

EEPROM 单元主要用于存储模块类型、接口形式、传输特性、产品型号、流水号及制造日期等信息，而带自动诊断监测( DDM) 功能的SFP 模块除了存储上述基本信息外，还有微控制器和一系列的数模和模数转换电路，用于模块的电压、温度、激光器偏置电流、输入光功率和输出光功率等参数的实时监控［6］。这5 个DDM 参数首先由采集电路采集转换，然后送至模数转换电路输入端，5 个模拟电压量转换成数字信号，经译码电路存于支持DDM 的存储器的相应地址位上［7］。

SFP 的控制功能由常用的DS1859 和EEPROM 单元实现。DS1859 包含2 个50 kΩ 或2 个20 kΩ 的256 级线性可变电阻，3 个模拟监视器输入端以及直接数字化温度传感器［6］。这款双路温控器件可对偏置电压和电流进行设置和温度补偿，非常适合于需要小尺寸电路的控制应用。可变电阻的设置保存在EEPROM 存储器中，通过I2C串行总线进行访问。

3． 4 印刷电路板(PCB)布板设计

考虑到此款4.25 Gbps 光收发模块传输速率非常高，电路板的设计除了应满足高速设计的一般要求外，还应注意以下几点:

(1) 发射和接收部分的直流电源与接地端必须各自独立，电源与地应都设计成单一平面，同时发射地与接收地最好区分开来。

(2) 同一组差分信号尽量处于同一平面以对称方式布线，两线之间的间距应考虑电路的阻抗匹配，使其信号变异性降至最低。

(3) IC 的滤波或去耦电容尽量靠近电源并与芯片处于同一平面，考虑PCB 布板空间有限，去耦电容可以放置于另一平面对应的IC 下方，以过孔连接，从而使传导路径达到最短，降低寄生效应。

(4) 信号路径越短越好，当遇到转折处时以圆弧或45°角方式连接，避免阻抗变化。

(5) 由于在电路中传输的是高频信号，应将信号线与周围电路隔离，并在其周围多打地孔，以减小干扰［8］。

4 模块性能测试及分析

根据本设计方案，研制了4.25 Gbps SFP 光模块样品，并对其性能进行了测试及数据分析。

4.1 测试方法

测试平台连接方式如图2 所示。将SFP 光模块插入测试板，测试板与一个稳压电源连接，提供模块所需的3.3 V 供电电压。激光器的输出信号经光衰减器衰减后由分路器一分为二，一路连接到示波器的光口，测试发射光眼图。另一路作为光源，输入到光模块的接收端。与示波器同步的误码仪用来产生和接受4.25 Gbps 的PRBS-23 数据流，对比测试后计算出传输误码率。电脑通过串口，并口或USB 接口与测试板相连接，通过测试软件对模块进行监控和读写操作［6］。

图2 测试平台Fig.2 Test platform

对于发射端，主要测试模块在-40 ～85 ℃环境温度下的平均光功率、消光比、波长等参数，接收端方面则测试灵敏度、告警点和告警恢复点等，并且需要考虑在宽温工作范围内光电参数的稳定性和各模块之间的性能一致性［9］。

值得注意的是，图2 中测试板的TX-端没有连接时，应接上匹配头或在TX-端与地之间串联一个50 Ω 匹配电阻以保证差分信号传输质量，这有利于更好地测试模块性能［10］。

4.2 测试数据及分析

表1 列举了样品模块以4.25 Gbps 传输速率分别在-40、25 和85 ℃环境温度下的性能测试数据。

从表1 可以看到，SFP 样品模块在- 40 ～85 ℃环境温度下工作时，输出光功率均满足设计要求，且变化幅度不超过1 dBm，消光比和灵敏度也比较稳定。在宽温范围内告警和告警恢复基本保持了2 dBm 的功率间隔，有效避免了某些情况下光模块在告警点上的反复报警。

表1 测试数据Tab．1 Test data

为了验证此设计方案的性能一致性，需要测试批量样品模块在宽温下的性能表现，主要包括光功率、消光比和灵敏度等参数指标。

图3 为10 支SFP 光模块在-40、25 和85 ℃环境温度下的光功率变化趋势。从图3 可以看到，宽温环境下各模块的光功率相对集中，-40、25 和85 ℃3 个温度点下的变化幅度控制在1 dBm以内，且各支模块的变化趋势基本一致，APC 回路发挥了较大作用。值得注意的是，-40 ℃时的功率集中程度最好，这是由于温度较低时激光器的斜效率较高，要达到额定光功率所需的偏置电流IBIAS较小，激光器的差异不会明显表现出来。当温度升高时激光器斜效率降低，偏置电流IBIAS和调制电流IMOD相应增加，LD 工作活性增强，放大了模块个体的性能差异。

图3 光功率变化趋势Fig.3 Change trend of optical power

图4 为10 支SFP 光模块在-40、25 和85 ℃环境温度下的消光比变化趋势。在环境温度改变时，模块个体消光比的集中度较好，即使从-40 ℃上升到85 ℃，变化幅度也不超过1 dB。

图4 消光比变化趋势Fig.4 Change trend of extinction ratio

图5 为10 支SFP 光模块在-40、25 和85 ℃环境温度下的灵敏度变化趋势。3 个工作温度下的灵敏度分别集中于 - 19.5、- 18.5 和-18 dBm，且变化趋势基本相同，符合协议要求，表现出较好的接收性能。

图5 灵敏度变化趋势Fig.5 Change trend of sensitivity

从以上各参数变化趋势可以看出，样品模块在其工作温度和电压范围内各项性能指标变化幅度较小，性能非常稳定。另一方面，模块个体之间的性能区别较小，一致性较好。

5 结 论

本文设计并研制了SFP 模块样品，该模块符合光纤通道、SFP MSA 及SFF-8472 标准，光功率、消光比和灵敏度等性能参数符合典型值，即使在环境温度大范围变化情况下仍能稳定工作，参数变化幅度很小，并且小批量试产后模块个体一致性较好，具有较高的可行性，经过进一步的调试及改进，通过中试优化后即可大规模生产并投入市场。

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