一种降成本双向光组件贴的设计

上海贝尔股份有限公司 郑伟峰

1.引言

随着宽带光网技术的迅速发展，我国成为全球光纤接入FTTx（Fiber-to-the-x）用户最多的国家，现网无源光纤网络PON（Passive Optical Network）的应用规模已超过1亿线。虽然我国FTTx建设取得了一定成绩，但与期望目标还有差距，FTTx的部署成本问题在一定程度上延缓了FTTx的大规模部署进度。因此，对降低终端成本的要求越来越高。

在FTTx接入网的终端成本中，光模块占20-30%，电芯片部分成本下降空间相对较小，而光模块的成本降低将有效促进整个FTTx接入网的成本降低，从而加速FTTx的大规模部署。

可见，降低光模块成本变得非常重要。为了实现对光部分成本的降低，提出并设计了一种双向光组件贴的设计方案。

2.硬件部分设计

相关领域现有双向光组件在板设计方案跟普通光模块比可以降低一些成本，其中包括省掉原来模块里的处理器（代之以主芯片进行控制和生产测试校准）；省掉光模块的20脚连接器。不过，在板生产较为复杂；设备投资较大；对光组件供应商一致性要求高；只能做成尾纤型，很难做成插拔型；由于需要返回工厂校准，很难当场修理更换。

双向光组件贴是把在板方案做到独立小板上，优点有：采用FP（Fabry-perot）法布里-珀罗代替DFB（Distribute Feedback）分布反馈式激光器应用于10公里降低成本；采用PIN/Super TIA（Transimpedance Amplifier跨 阻放大器）光电二极管代替APD（Avalanche Photo Diode）雪崩光电二极管降低光接收器成本；省去APD的升压电路器件；小板可以开个口焊光组件，跟在板方案必须把激光器4个发送脚弯起比，降低了高频损耗发送信号质量更好，省去弯脚夹具方便生产；器件成本跟在板相似；可以叫现有模块供应商生产，不需要投资大型测试设备；小板已经在工厂调试好，放到终端上减少测试时间和降低测试难度；终端生产更换光器件部分省时省力；可以做成插拔型；可以当场修理更换。

硬件部分主要由激光驱动器和限幅放大器组合芯片、双向光组件、存储器等组成，硬件结构图如图1所示。由两部分组成：发射部分和接收部分。发送部分由低摆幅差分接收配合突发模式的激光驱动器组成。信号通过低摆幅差分接收传输到突发模式的激光驱动器，进而驱动激光二极管TOSA，并同时通过监测二极管监视实际输出的发光功率。接收部分由连续模式跨阻放大器TIA、限幅放大器和低摆幅差分接收组成。从光探测器ROSA来的微弱电流信号经连续模式的跨阻放大器TIA放大为微弱的电压信号，再经过限幅放大器 放大为较大的电压信号，最后经低摆幅差分接收输出。

图1 硬件结构图

图2 软件设计流程图

2.1 信号定义

在SFF对外接口设计中，通常是使用SFF MSA[1]作为对外接口标准。该标准按照引脚不同分为2x5/2x6和2x10两种形式，后者增加了许多自动检测的引脚，不过也增加了引脚成本。本文利用2x5重复的地和电源用作监控（SDA IIC数据线，SCL IIC时钟线）既智能化又不会增加成本。

2.2 光组件选择

为了降低成本，考虑到中国市场往往是小区比较集中，很多还是在10公里以内，可以采用FP/PIN Super TIA支持EPON[2]/GPON两种模式10公里应用。PIN的应用省去了APD升压元器件成本。支持2种模式，使用户从EPON升级到GPON时不必更换终端，运营商可以任意运用终端，这样会有很大灵活性和大幅降低库存成本。

现在市场上已经有成熟的Super TIA跨阻放大器推出，如Nanotech公司的NT25L59，它在误码率10E-10时灵敏度达到-30.5dBm，内部有AGC（自动增益控制），动态范围达到33dB。成熟光组件厂商灵敏度常温可以做到-29dBm，全温范围灵敏度可以做到-27.5dBm，能达到GPON标准[3]-27dBm要求。

2.3 激光驱动器和限幅放大器组合芯片的选择

为了方便生产调试，双闭环控制组合芯片是比较好的选择，目前市场上这类芯片供应商主要有敏迅和美信等。敏迅推出的M02098[4]，是使用双闭环控制，整个工作温度范围都可以保持消光比稳定，不需要收集很多光组件的数据（在不同温度下）制作查找表进行调制电流校准。美信的MAX3710也有双闭环控制，不过内部无温度传感器；接口采用3线（并非比较常用的IIC）；推出时间也晚一些。另外这类芯片还要SEMTECH公司的GN25L95也是一个选择。本文介绍选用的是敏迅产品M02098。

2.4 敏迅方案布板注意事项

组合芯片靠近激光器放置，越近越好，差分线减少走线长度，并且不要在走线中放置过孔。差分信号走线长度要相等。

光板要求阻抗控制，接收为100欧姆线对，组合芯片到光组件微带线阻抗控制在25～30欧姆，这个有些特殊，经过工具计算得出线宽为1.0毫米，间距为0.2毫米，生产时要求阻抗控制。

过高速信号的磁珠最好选用0402封装，并且直流阻抗小于1欧姆。

电源滤除高频噪声用的磁珠必须能够承受300毫安的电流，直流阻抗小于1欧姆。

光组件目前基本上都是人工焊接，焊盘大小要考虑人工焊接的方便性，考虑焊锡沾着的安全间距。

光组件发热厉害，光板顶层和底层铺地平面可以降低温升。

3.软件部分设计

软件部分分为配制单元和监控单元，流程图如图2所示。上电后组合芯片从存储器AT24C08获取基本配置数据，然后被终端主芯片控制。配制单元上电后对组合芯片基本寄存器进行检查设置；进行温度传感器校准；进行流氓ONU检测等。监控单元实时监测激光器的温度、供电电压、激光偏置电流、发射和接收光功率[5]。这些参数的测量，可以帮助终端在需要的时候找出光纤链路中发生故障的位置[6]，简化维护工作，提高系统的可靠性；这个单元还可以进行报警和警告工作。

3.1 温度传感器校准

由于温度传感器在组合芯片内部，芯片的温升，散热，其他发热源传递热量都会影响这个传感器精度，所以温度传感器需要校准。在终端实际部署后，如果发现故障，有时需要检查光部分状况，这时准确的温度可以用来判断光组件是否超出正常工作范围[7]。

光组件是板子上最热的器件，温度一般校准到光组件表面温度。光组件表面温度Y由下列方程式给出：Y=KX+B。K 是斜率，B是偏移量。X是组合芯片内部传感器AD转换值。

Y用点温计测量得到，热电偶直接贴在光组件上方最热位置是最准的，方程里K，B为未知数，可以读两组Y和X值，比如商业级读60度，70度（一般关注高温，低温因为板子本身发热不容易出现问题），然后列两个等式就可以求出K，B2个未知数。

3.2 流氓终端检测

正常终端是在指定时间发送数据，发送完毕后关闭激光器，等待下一次发送时间。流氓终端是指：当某个终端在没有被分配的时间戳里发光，就会与其它 终端的发光信号发生冲突，这样会影响到其它某个终端或者所有终端的正常通讯，这种不按照分配的时间戳发送光信号的终端叫流氓终端。如果流氓终端随机或者一直发送数据，就会造成其它终端丢包或者掉线。因此流氓终端检测是光部分的重要功能[8]。

流氓终端一般是光部分异常，激光器不能正常关断造成的。双向光组件贴检测流氓终端的原理是：如果TX_BRST突发控制信号使激光器关断，但实际激光器的检测电压还有，逻辑不一致就能判断为流氓终端。TX_BRST突发控制信号关断期间如果检测到激光器动作，M02098芯片会把故障脚拉高报告流氓终端问题。通过软件轮询寄存器就可以发现流氓终端问题，方法是把流氓终端开关寄存器第4位先设1（关闭流氓终端报告功能），然后把该位设0（打开流氓终端报告功能），接着读故障标志寄存器第0位为1就判断为流氓ONU。

另外，辅助流氓终端控制手段有：有时需要关闭和打开发光判断是否真是流氓终端，该组合芯片TX_BRST突发控制寄存器可以关闭和打开发光；有时需要复位整个组合芯片就可以恢复正常工作，该组合芯片复位寄存器就可以进行整个芯片的软件复位。

4.结论

该设计采用高集成度多功能组合芯片，达到终端要求的光部分的功能；生产上测试时间短，适合批量生产。实际测试表明该设计比光模块降低了成本，也便于当场修理更换，达到了设计目标。

[1]SFF MSA标准Rev 20[S].2010(7):7-9.

[2]IEEE EPON标准802.3ah-2004[S]:307-309.

[3]ITU-T GPON标准G.984.2-2003[S]:1-2.

[4]敏迅公司产品数据手册MINDSPEED datasheet[EB/OL].2009:34-35.www.mindspeed.com

[5]SFF-8472光模块标准Rev 10.4[S].2009(1):7-8.

[6]王妮,侯韶华.基于SFP光模块控制系统的设计和实现[J].光通信技术,2010(9):36-38.