1、2.5G高性能SFP光收發(fā)模塊的研制摘要光收發(fā)合一模塊作為光有源器件中的重要組成部分在寬帶網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中占有十分重要的地位，它提供了光網(wǎng)絡(luò)的主要功能，也占據(jù)了光通訊系統(tǒng)的主要成本，使其具備高網(wǎng)絡(luò)帶寬，傳輸距離長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。光模塊的先進(jìn)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性也會(huì)直接影響到系統(tǒng)設(shè)備乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。SFP光收發(fā)合一模塊是目前最先進(jìn)的光模塊封裝形式之一，它符合SFP-MSA協(xié)議，ITU G.957標(biāo)準(zhǔn)和SFF-8472數(shù)字診斷標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。其傳輸速率從155Mbit/s到5Gbit/s、傳輸距離從300m到120km。它不僅具有可帶電插拔易于更換、端口密度高、功耗低、設(shè)計(jì)周期更短和整體成本降低

2、的的優(yōu)勢(shì)，并能實(shí)時(shí)上報(bào)模塊工作時(shí)的工作電壓，工作溫度，發(fā)射光功率，發(fā)射偏流，接受光功率，使得光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作更加智能化，提高其可靠性。本文從25G長(zhǎng)程帶DDM功能的SFP光收發(fā)合一模塊的光器件選型開(kāi)始，詳細(xì)研究了模塊電路，結(jié)構(gòu)等整套設(shè)計(jì)方案，并成功研制出樣品以及樣品的詳細(xì)測(cè)試的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。本文主要內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分：第一部分闡述了SFP模塊的研究背景，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及研究狀況，并概括了全文的主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)。在第二部分，作者闡述和介紹了模塊的原理，基于國(guó)際相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，總體方案設(shè)計(jì)和光器件選型。在第三部分，作者介紹了模塊的具體設(shè)計(jì)，包括了模塊的電路方案設(shè)計(jì)和軟件方面數(shù)字診斷功能的實(shí)

3、現(xiàn)。在第四部分，給出了樣品的制作工藝和在測(cè)試系統(tǒng)上的測(cè)試結(jié)果。最后一部分對(duì)全文相關(guān)工作進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞： SFP光收發(fā)合一模塊、SFP-MSA協(xié)議、ITU G.957標(biāo)準(zhǔn)、SFF-8472協(xié)議、數(shù)字診斷功能一、緒論11 SFP(Small Form-Factor Pluggable)光收發(fā)合一模塊概述SFP(Small Form-Factor Pluggable)光收發(fā)合一模塊(Transceiver)作為光收發(fā)合一模塊的一種，它的發(fā)展已有好幾年的歷史。它是實(shí)現(xiàn)光電、電光轉(zhuǎn)換，具有獨(dú)立發(fā)射驅(qū)動(dòng)和接收放大電路，收發(fā)功能合一，符合電信傳輸標(biāo)準(zhǔn)的光電子系統(tǒng)。SFP光收發(fā)合一模塊將傳統(tǒng)的分離發(fā)射、接

4、收組件合二為一集成一起，不僅具有其他封裝的光收發(fā)合一模塊的通常優(yōu)點(diǎn)：(1)小型化：在組件中采用該集成度的集成電路(IC)來(lái)分別完成發(fā)射模塊的APC、溫度補(bǔ)償、驅(qū)動(dòng)、慢啟動(dòng)保護(hù)等功能以及接收模塊的前置放大、限幅放大、信號(hào)告警等功能f2l。SFP光收發(fā)合一模塊尺寸不僅比單一光發(fā)射模塊或光接收模塊更小，而且由于它采用的LC型封裝的同軸光器件，其尺寸比其他封裝形式的光收發(fā)合一模塊更加小，在系統(tǒng)機(jī)盤(pán)上的安裝也能更加密集一些，在機(jī)盤(pán)上的安裝密度能夠達(dá)到32口，64口甚至更高。(2)低成本：光收發(fā)合一，不僅較以前分離的光接收和光發(fā)射模塊節(jié)省了原材料，而且節(jié)省了工時(shí)。因此光收發(fā)合一模塊是實(shí)現(xiàn)低成本雙向傳輸和光

5、互連最佳方案。(3)高的可靠性：在組件內(nèi)采用了IC并進(jìn)行了隔離，保證了電路的可靠性。同時(shí)采用To管殼的同軸封裝，保證光電器件管芯的使用壽命。在制作工藝中，采用激光焊接工藝，提高了可靠性。在組件考核中，遵從Bellcore983的可靠性試驗(yàn)，保證模塊整體的可靠性。(4)好的性能：光收發(fā)合一模塊內(nèi)部的發(fā)射和接收部分是完全獨(dú)立的，且電源接地均單獨(dú)使用，減少兩者之間的串繞。SFP作為光收發(fā)合一模塊發(fā)展到至今較為先進(jìn)的一種封裝形式，更具備自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。(1)可帶電熱插拔：SFP采用長(zhǎng)短金手指的管腳定義，使得模塊工作上電不同功能腳上電的先后順序有所區(qū)別，保證了SFP模塊在SFP金手指插座帶電的情況下可以

6、熱插拔使用，方便了系統(tǒng)機(jī)盤(pán)的的維護(hù)。(2)具備數(shù)字診斷功能(DDM)：能對(duì)模塊的一些相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控上報(bào)，使得系統(tǒng)廠(chǎng)商能夠?qū)ζ涔ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)控。綜上所述，SFP封裝的光收發(fā)合一模塊是5G以下光收發(fā)合一模塊發(fā)展到至今最先進(jìn)和最方便的光模塊。它不僅非常適用于數(shù)據(jù)通訊傳輸，可以滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的需要。而且，在接入網(wǎng)中，SFP光收發(fā)合一模塊也是不可缺少的核心部件，隨著其品種的不斷完善，光收發(fā)合一模塊在數(shù)據(jù)通信和電信傳輸中均有廣闊的應(yīng)用前景。12 國(guó)內(nèi)外概況研究及發(fā)展趨勢(shì)2000年9月，國(guó)外Agilent Technologies、Blaze Network Products、E20 Comm

7、unications、ExceLight Communications、Finisar Corporation等業(yè)內(nèi)知名光通信公司經(jīng)過(guò)協(xié)議討論，聯(lián)合推出了SFP-MSA多源協(xié)議，確定了SFP光收發(fā)合一模塊的封裝，管腳定義，熱插拔等重要特性。為SFP模塊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了廣闊的前景。2001年中2002年底Agilent Technologies、Finisar Corporation、ADVA等公司紛紛推出其研制的SFP光收發(fā)合一模塊，工作速率已高達(dá)2.5G。2002年8月1日，國(guó)際SFF通訊委員會(huì)發(fā)布了由Agilent Technologies、Finisar Corporation、EMC

8、等公司一起討論的關(guān)于實(shí)現(xiàn)SFP數(shù)字診斷功能擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議SFF-8472。這是SFP模塊在功能擴(kuò)展上的又一里程碑。2003年6月5日，Agilent Technologies德國(guó)公司率先推出了具備DDM功能的SFP光收發(fā)合模塊工作速率達(dá)到1.25G。此后其他國(guó)外光通信廠(chǎng)商紛紛推出自己具有DDM功能的SFP模塊，模塊的工作速率也由155M逐漸提升至5G。國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r相應(yīng)滯后一年多的樣子，2002年中旬國(guó)內(nèi)較為知名的光模塊制造廠(chǎng)商如武漢電信器件有限公司，深圳飛通光電有限公司等開(kāi)始研制SFP光收發(fā)合一模塊。2003年中旬武漢電信器件有限公司，深圳飛通光電有限公司等國(guó)內(nèi)光模塊制造廠(chǎng)商開(kāi)始推出SFP光收

9、發(fā)合一模塊，速率最高可工作于2.5G。2005年國(guó)內(nèi)光模塊制造廠(chǎng)商開(kāi)始陸續(xù)推出具備DDM功能的SFP模塊。2005年6月，飛通光電公司的SFP光收發(fā)合一模塊項(xiàng)目被列入國(guó)家開(kāi)發(fā)計(jì)劃，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商的SFP模塊開(kāi)發(fā)得到國(guó)家的支持。2005年至2006年，SFP光模塊開(kāi)始真正在國(guó)內(nèi)光通信市場(chǎng)火爆起束，SFP模塊種類(lèi)從傳輸距離，工作速率上開(kāi)始逐漸多樣化起來(lái)。工作速率開(kāi)始向5G發(fā)展，采用高靈敏度的APD接收的長(zhǎng)程SFP光模塊也開(kāi)始開(kāi)發(fā)并逐漸成熟。支持粗波分光通信系統(tǒng)的CWDM SFP也出現(xiàn)了。今后，SFP光模塊的發(fā)展將繼續(xù)向著多樣化，高集成度，陣列化方向發(fā)展。高于5G的SFP光收發(fā)合一模塊、應(yīng)用于DWDM密集

10、波分復(fù)用的DWDM SFP、4路高密度可插拔光模塊QSFP的開(kāi)發(fā)都是今后SFP模塊研究的方向。SFP光模塊正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在光通信發(fā)展的大路上快速向前。本論文所研究的高性能SFP光收發(fā)合一模塊集成了目前國(guó)內(nèi)外光收發(fā)模塊的先進(jìn)技術(shù)，不僅采取了高集成度的SFP模塊封裝形式并具有高靈敏度和長(zhǎng)傳輸距離的特點(diǎn)，而且具備數(shù)字診斷功能這一先進(jìn)的模塊功能。整個(gè)模塊的光電參數(shù)指標(biāo)都滿(mǎn)足和優(yōu)于光通信標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。13 論文研究的內(nèi)容與意義，關(guān)鍵技術(shù)描述本文以研制的小封裝SFP(Small Form-Factor Pluggable)主流光模塊，對(duì)光收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)原理，關(guān)鍵技術(shù)，LD/PD組件和設(shè)計(jì)原理

11、，測(cè)試系統(tǒng)和方法加以分析和研究。本論文研究?jī)?nèi)容的關(guān)鍵技術(shù)：(1)總體方案設(shè)計(jì)：為實(shí)現(xiàn)光電器件、印刷電路板(PCB)、DUPLEX LC光接口的混合集成?？紤]光器件的長(zhǎng)度和模塊的限制尺寸，模塊的布板面積非常小。為此，應(yīng)盡量采用短的光器件以給PCB電路扳留出盡可能大的面積、在PCB設(shè)計(jì)時(shí)可采用封裝好的IC塊進(jìn)行自動(dòng)化表面組裝技術(shù)(SMT)工藝。(2)發(fā)射部分：模塊需要長(zhǎng)程傳輸，并且調(diào)制速率達(dá)到2.5G。因此需要選型1550nm低傳輸損耗的無(wú)制冷DFB激光器吼為滿(mǎn)足模塊對(duì)光功率、可靠性、光反射、光路長(zhǎng)度的要求，需解決相應(yīng)LC同軸激光器的耦合問(wèn)題。為此，應(yīng)盡量采用全金屬化耦合封裝工藝、避免采用分離的自

12、聚焦透鏡、優(yōu)化光路設(shè)計(jì)、增加光隔離器并采用光纖適配器的原理以提高激光器插拔重復(fù)性，并減小光反射。(3)接收部分：為滿(mǎn)足接收靈敏度、抗干擾和穩(wěn)定性的要求，應(yīng)采用集成前放技術(shù)的APD器件以減小寄生參量的影響并提高抗外界干擾的性能。采用屏蔽技術(shù)提高整個(gè)模塊接收部分的抗干擾性能。(4)電路功能實(shí)現(xiàn)：應(yīng)采用專(zhuān)用IC來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射部分的APC、溫度補(bǔ)償，接收部分的2R功能和APD器件的高偏壓電路和模塊數(shù)字診斷功能的實(shí)現(xiàn)。二、2.5G高性能SFP光模塊開(kāi)發(fā)的總體方案1221 模塊工作原理產(chǎn)品為SFP帶有APD接收的長(zhǎng)程光收發(fā)合一模塊，工作速率2500Mbps，傳輸距離80km，電接口可以熱插拔無(wú)需斷電，光接口為

13、雙LC插拔型，具備DDM數(shù)字診斷功能。模塊基本原理框圖如圖2-1所示，模塊分為發(fā)射與接收兩個(gè)部分。發(fā)射部分由一個(gè)帶APC控制電路的lC驅(qū)動(dòng)的集成電路和DFB-LD組件組成。該集成電路接收LVPECL邏輯電平信號(hào)，并為L(zhǎng)D提供偏置和調(diào)制電流，APC環(huán)路根據(jù)LD發(fā)射光功率的大小產(chǎn)生背光電流大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射光功率的自動(dòng)控制工能。該集成電路帶發(fā)射關(guān)斷功能；接收部分包括APD TIA組件和限幅放大芯片。限幅放大器輸出CML邏輯電平信號(hào)，并具有信號(hào)告警LOS功能。2.5G的電調(diào)制信號(hào)，通過(guò)TD差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入腳輸入到光模塊發(fā)射部分，通過(guò)模塊內(nèi)部的Laser Driver產(chǎn)生調(diào)制光信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)光纖傳輸。光信號(hào)

14、到接收數(shù)據(jù)端，通過(guò)光模塊的接收部分將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)制電信號(hào)并進(jìn)行整形放大，通過(guò)模塊的Rx差分?jǐn)?shù)據(jù)腳進(jìn)行輸出。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖的長(zhǎng)程傳輸。模塊MOD-DEF管腳提供標(biāo)準(zhǔn)的12C總線(xiàn)接口，使模塊與外接系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)DDM數(shù)字診斷功能。22 基于相關(guān)光通訊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SFP模塊設(shè)計(jì)在光纖通訊領(lǐng)域?yàn)榱吮ＷC產(chǎn)品最大的易用性和兼容性，一些相關(guān)光通訊行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，我們此方案設(shè)計(jì)的SFP主要涉及到ITU G.957，SFP-MSA，SFF-8472三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。12212222.1 基于ITU G.957標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)ITU G.957此標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定我們?cè)O(shè)計(jì)此SFP光模塊所需要滿(mǎn)足的光電參數(shù)性能，已

15、滿(mǎn)足我們80km的長(zhǎng)程傳輸。它主要給出以下幾點(diǎn)關(guān)于SFP光模塊的主要要求：(1)一些光電測(cè)試參數(shù)的定義；(2)這些光電參數(shù)的測(cè)試條件和測(cè)試方法；(3)給出應(yīng)用于SDH/SONET光通訊系統(tǒng)各個(gè)速率光收發(fā)合一模塊應(yīng)該滿(mǎn)足的光電參數(shù)指標(biāo)。本課題主要針對(duì)的是SDH STM-16和SONET OC-48 80km L16.2的長(zhǎng)程SFP模塊，因此我們需要設(shè)計(jì)的光模塊的光電參數(shù)指標(biāo)需要符合標(biāo)準(zhǔn)定義或者更好，我們?cè)O(shè)計(jì)SFP模塊的目標(biāo)光電參數(shù)如下：22.2 基于SFP-MSA多源協(xié)議的設(shè)計(jì)SFP-MSA多源協(xié)議主要規(guī)定了我們?cè)O(shè)計(jì)的SFI需要滿(mǎn)足的機(jī)械尺寸、封裝、模塊金手指插排的定義以及模塊外圍應(yīng)用電路，使其

16、在光通信設(shè)備上具備廣泛的兼容性。根據(jù)協(xié)議的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了符合協(xié)議要求的SFP模塊外殼，其機(jī)械結(jié)構(gòu)見(jiàn)2-2圖所示：模塊接口設(shè)計(jì)采用雙面金手指插排的接口方式，一共二十根，其定義如下：模塊外圍典型應(yīng)用電路，定義如下，見(jiàn)圖2-4：22.3 基于SFF-8472標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)SFF-8472標(biāo)準(zhǔn)主要定義了SFP模塊數(shù)字診斷功能的實(shí)現(xiàn)原理和模塊內(nèi)部軟件存儲(chǔ)空間的標(biāo)準(zhǔn)定義，使得系統(tǒng)廠(chǎng)商能夠通過(guò)模塊的MOD-DEF(0)MOD-DEF(2)三個(gè)軟件控制腳對(duì)模塊的工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。它對(duì)帶DDM功能的SFP光模塊內(nèi)部的EEPROM結(jié)構(gòu)作出了如下結(jié)構(gòu)定義：根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)的定義，此SFP模塊設(shè)計(jì)能對(duì)其工作電壓(上報(bào)精度

17、3)、工作溫度(上報(bào)精度3)、發(fā)射光功率(上報(bào)精度3dB)、發(fā)射偏流(上報(bào)精度10)、接收光功率(上報(bào)精度+3dB)進(jìn)行實(shí)時(shí)上報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)SFP的數(shù)字診斷功能。23 總體設(shè)計(jì)方案模塊總體設(shè)計(jì)框架如圖26所示：23.1 模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊外形結(jié)構(gòu)已由圖2-3給出，模塊金手指定義已由圖2-4給出，我們?cè)O(shè)計(jì)的模塊電路板和器件定位要求符合模塊金屬管殼的尺寸和內(nèi)部定位結(jié)構(gòu)。23.2 模塊電路總體設(shè)計(jì)(1)模塊發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路用于數(shù)字傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)合一模塊的驅(qū)動(dòng)電路主要是為激光器提供一個(gè)高速電流開(kāi)關(guān)電路，為激光器提供偏流和調(diào)制電流，并結(jié)合激光器的背光二極管的反饋功能對(duì)激光器提供自動(dòng)光功率控制功能(APC)、溫

18、度補(bǔ)償功能、保護(hù)啟動(dòng)功能等等。激光器接口直流耦合電路如圖2-7所示：如圖所示，驅(qū)動(dòng)IC通過(guò)BIAS腳提供激光需要的偏置電流，使激光器產(chǎn)生激射。雙端差分調(diào)制電流輸出腳OUT+，OUT-提供激光器所需要的調(diào)制電流產(chǎn)生調(diào)制光信號(hào)。RC是作為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)調(diào)制光信號(hào)的質(zhì)量。激光器自動(dòng)光功率控制電路(APC)功能如圖2-8所示：如圖所示，驅(qū)動(dòng)器主要通過(guò)檢測(cè)背光二極管(PD)產(chǎn)生的背光光電流IMD(平均值)來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。它通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器提供的偏置電流來(lái)維持激光器前向出光的穩(wěn)定。(2)模塊接收電路模塊接收電路主要組成如圖2-9所示：TIA由于易受外界噪聲影響，且應(yīng)用電路比較簡(jiǎn)單，因此一般和APD管芯一起封

19、裝在同軸器件的TO座之內(nèi)通過(guò)鍵合金絲連接電路。TIA的主要作用就是將APD上產(chǎn)生的光生電流轉(zhuǎn)換為差分電壓型號(hào)進(jìn)行輸出。由于運(yùn)算放大器構(gòu)成的I-V變換電路中有一個(gè)反饋電阻，所以TIA被稱(chēng)為跨阻放大器(TlA-Tranimpedance Amplifier)。TIA輸出的是模擬信號(hào)，需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能被信號(hào)處理電路識(shí)別。限幅放大器起的作用就是把TIA輸出的幅度不同的信號(hào)處理成等幅的數(shù)字信號(hào)。限幅放大器主要有三部分組成：直流耦合多級(jí)放大器、直流漂移補(bǔ)償(自動(dòng)調(diào)零)電路、光功率檢測(cè)告警電路(有滯回的比較器)。它將TIA輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大整型變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。(3)APD偏壓電路雪崩光電二極

20、管APD在具有高靈敏度和高帶寬的同時(shí)，其工作需要較高的反向偏壓。其偏壓電路設(shè)計(jì)采用小型化，高集成度的DC-DC轉(zhuǎn)換升壓器再經(jīng)過(guò)二極管進(jìn)行倍壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。(4)數(shù)字診斷功能電路數(shù)字診斷功能電路設(shè)計(jì)主要是對(duì)模塊的工作電壓、工作溫度、發(fā)射光功率、發(fā)射偏流、接收光功率進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)12C總線(xiàn)進(jìn)行上報(bào)，我們采用滿(mǎn)足SFF-8472協(xié)議的功能芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。24 光器件選型24.1 發(fā)射光器件選型由于模塊工作速率達(dá)到2.5G，傳輸達(dá)到80km而且封裝很小。因此我們選用帶隔離器的LC型1550nm DFB同軸激光器作為本設(shè)計(jì)方案的發(fā)射器件。(1)DFB器件特性：DFB激光器屬于一種單縱模(SLM，S

21、ingle LongitudinaL Mode)半導(dǎo)體激光器。SLM半導(dǎo)體激光器與法布里一珀羅激光器相比，它的諧振腔損耗不再與模式無(wú)關(guān)，而是設(shè)計(jì)成對(duì)不同的縱模具有不同的損耗。圖2-10表示這種激光器的增益和損耗曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，增益曲線(xiàn)首先和模式具有最小損耗的曲線(xiàn)接觸的B模開(kāi)始起振，并且變成主導(dǎo)模。其它相鄰模由于其損耗較大，不能達(dá)到閾值，因而也不會(huì)從自發(fā)輻射中建立起振蕩。這些邊模攜帶的功率通常占總發(fā)射功率的很小比例(1%)。單縱模激光器的性能常常用邊模抑制比(MSR，Mode-Suppression Ratio)來(lái)表示，定義為MSR=Pmm/Psm (2-1)式中Pmm是主模(main-mode

22、)功率，Psm為邊模(side-mode)功率。通常對(duì)于好的SLM激光器，MSR應(yīng)超過(guò)1000(或30dB)。為使LD單縱模(單頻)工作，一條途徑是采用短腔結(jié)構(gòu)減小腔長(zhǎng)以增加相鄰縱模的間隔，獲得單模LD更有效的方法是通過(guò)改善模式選擇性，采用頻率選擇性反饋，使不同的縱模有不同的損耗，其中基模的損耗最低，有兩種機(jī)理可實(shí)現(xiàn)這一目的，即耦合腔結(jié)構(gòu)和分布反饋結(jié)構(gòu)，其中由以分布反饋結(jié)構(gòu)獲得最廣泛的應(yīng)用。DFB激光器的反饋，就像DFB名稱(chēng)所暗示的那樣，不是局限在界面上，而是分布在整個(gè)腔體長(zhǎng)度上。這是通過(guò)在腔體內(nèi)構(gòu)成的衍射光柵使折射率周期性地波動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。衍射光柵產(chǎn)生布拉格衍射，即前向和后向方向上傳輸波的諧振耦

23、合現(xiàn)象。DFB機(jī)理的模式選擇性來(lái)自布拉格條件，即只有當(dāng)波長(zhǎng)B滿(mǎn)足式=m(B/2n) (22)時(shí)，耦合才會(huì)發(fā)生。在(2-2)式中，是光柵間距(衍射周期)，n是介質(zhì)折射率，整數(shù)m代表布拉格衍射的階數(shù)。一階布拉格衍射(m=1)的前向和后向波間的耦合最強(qiáng)。假如在式(2-2)中，m=l，n=3.3，B =1.55m，此時(shí)DFB激光器的只有235nm。這樣細(xì)小的光柵可使用全息技術(shù)來(lái)制作。分布反饋(DFB)激光器結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2-11雖然在DFB激光器里，在腔體長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生了反饋；定義增益極限為邊模的最大增益達(dá)到閾值所要求的附加增益，通常對(duì)于連續(xù)電流工作的DFB激光器，只要35cm-1的增益極限就可以便MSR

24、30dB。然而，當(dāng)DFB激光器被直接調(diào)制時(shí)，大的增益極限(10cm-1)是需要的。常使用移相DFB激光器，因?yàn)樗瘸Ｒ?guī)的DFB激光器能提供更大的增益容限。移相DFB激光器足使激光器中的激活區(qū)中心光柵移動(dòng)了B/4。以便產(chǎn)生/2的相差。通過(guò)LD速率方程組的瞬態(tài)解得到的張弛振蕩頻率r及其幅度衰減時(shí)間to和電光延遲時(shí)間td的表達(dá)式為：式中，to是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時(shí)間，j和jth血分別為注入電流密度和閾值電流密度。tsp和tph分別為電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命。驅(qū)動(dòng)的DFB激光器工作特性如圖2-12所示：如圖所示隨著工作溫度的升高，DFB的閾值電流Ith增大，斜效率S降低。模塊

25、驅(qū)動(dòng)電路需要為了保持輸出平均光功率和消光比不變，在溫度上升時(shí)要增大偏流IBIAS和調(diào)制電流IMOD。另外為了反饋DFB激光器的前向出光功率，同軸器件罩面還會(huì)相應(yīng)封裝一個(gè)背光二極管PD在里面。(2)實(shí)際激光器選型發(fā)射激光器選用的是住友的SLT2486-LN 1550nm帶隔離器LC型同軸DFB激光器。其光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。激光器的LD和PD采用共陽(yáng)連接方式，其內(nèi)部連接和管腳定義如圖2-14所示：24.2 接收光器件選型模塊接收采用2.5G APD/TIA LC型封裝同軸器件作為接收光器件。(1)APD器件特性雪崩光電二極管(APD)是利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)，從而產(chǎn)生光

26、電流的倍增作用。所謂雪崩倍增效應(yīng)是指PN結(jié)外加高反向偏壓后，在耗盡區(qū)內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)。當(dāng)耗盡區(qū)吸收光子時(shí)，激發(fā)出來(lái)的光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，以極高的速度與耗盡區(qū)的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子，并形成鏈鎖反應(yīng)，從而使光電流在光電二極管內(nèi)部獲得倍增。圖2-15是拉通型APD的結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出，它是由N+區(qū)、P區(qū)、I區(qū)和P+區(qū)四層結(jié)構(gòu)組成。其中N+層是高摻雜的N型半導(dǎo)體；P層是P型半導(dǎo)體；I層是摻雜極輕的P型半導(dǎo)體層，由于摻雜極輕，近似于本征半導(dǎo)體，所以稱(chēng)I層；P+層是高摻雜的P型半導(dǎo)體層。未加電壓時(shí)，N+與P之間形成PN結(jié)己由于P層摻雜較輕，圖2-15雪崩光電管結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布所

27、以耗盡區(qū)較寬。反偏壓時(shí)，電壓基本上降在PN結(jié)上，且在反偏壓作用下，耗盡區(qū)將增寬。反偏壓繼續(xù)增大時(shí)，耗盡區(qū)繼續(xù)加寬，一直延伸到I層，擴(kuò)展到P+層。由于P+層摻雜很重，其所占耗盡區(qū)很窄。在高反偏壓作用下，N+區(qū)積累正電荷，其電荷密度較大；P層整個(gè)區(qū)域帶負(fù)電荷，其密度較??；在I層，電荷密度更小，幾乎可忽略不計(jì)；P+區(qū)負(fù)電荷密度很大，但電荷層很薄。這樣的空間電荷分布形成了內(nèi)建電場(chǎng)，如圖2-15所示。從圖2-15可見(jiàn)，最強(qiáng)的電場(chǎng)在PN結(jié)區(qū)內(nèi)，其電場(chǎng)強(qiáng)度大得足以使到達(dá)這里的載流子引起碰撞電離，這就是雪崩區(qū)。I層的電場(chǎng)較弱，它是光的收集吸收區(qū)。當(dāng)光從P+層一端入射時(shí)，光電材料吸收光子能量，產(chǎn)生一次光生電子一

28、空穴對(duì)，并在弱電場(chǎng)作用下向PN結(jié)方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)它穿過(guò)I層到達(dá)PN結(jié)時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被加速而獲得很高的動(dòng)能。被加速的光生載流子在漂移途中與晶格中的原子碰撞，使其電離而產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這種通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)稱(chēng)為二次電子-空穴對(duì)。新生的載流子與原來(lái)載流子一起，再被強(qiáng)電場(chǎng)加速而獲得很高的動(dòng)能，在漂移途中可能再次碰撞晶格上的原予，又使原子電離而產(chǎn)生新的載流子,如此下去，使耗盡區(qū)的載流子急劇地增加，這就如雪崩過(guò)程中的雪球越滾越大一樣。載流子由于雪崩而猛烈地倍增，使電流迅速增加，這就是雪崩倍增效應(yīng)。雪崩光電管由于內(nèi)部存在雪崩倍增效應(yīng)，所以能使輸出電流大大地增加。但雪崩光電二極管在完成光電變

29、換的過(guò)程中，也將引入由于雪崩倍增的隨機(jī)性而產(chǎn)生的噪聲，這種噪聲稱(chēng)為倍增噪聲。此外，APD管的擊穿電壓VB對(duì)溫度十分敏感。當(dāng)溫度變化時(shí)，由于VB的變化將引起倍增因子G的變化，使得APD管工作不穩(wěn)定。因此，為了保證APD管穩(wěn)定工作，必須采用溫度補(bǔ)償措施。雖然APD管在使用時(shí)比PIN光電二極管復(fù)雜，需要很高的反向偏壓，但由于A(yíng)PD管倍增作用顯著，使得采用APD管光接收機(jī)的靈敏度比采用PIN管光接收機(jī)的要高，因此在光纖長(zhǎng)程傳輸中使用較多。APD/TIA內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)如圖2-16所示：(2)實(shí)際APD光器件選型接收光器件選用公司PTCM967-425 2.5G APD/TIA LC型同軸器件，其擊穿電壓在

30、55v60v之間。其光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-17所示：器件管腳定義如圖2-18所示：如圖所示，Vpd為APD管芯的方向偏壓腳，Vcc為T(mén)o里TIA的工作供電腳，OUTP和OUTN為T(mén)IA輸出的差分信號(hào)腳，GND為工作地腳。三、2.5G高性能SFP光模塊設(shè)計(jì)331 電路原理設(shè)計(jì)和計(jì)算31.1 模塊發(fā)射部分原理設(shè)計(jì)模塊發(fā)射部分的驅(qū)動(dòng)IC選用MAX3735A驅(qū)動(dòng)芯片。MAX3735A是一款成熟的+3.3V激光驅(qū)動(dòng)器，用于155Mbps至2.7Gbps的SFP/SFF系統(tǒng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理框圖如下圖3-1所示：該芯片接收差分輸入數(shù)據(jù)，并提供驅(qū)動(dòng)激光器的偏置電流和調(diào)制電流。與激光器的直流耦合允許多速率應(yīng)

31、用，并減少外圍元件的數(shù)量。MAX3735A完全滿(mǎn)足SFP MSA時(shí)序要求和SFF-8472發(fā)送診斷要求。自動(dòng)功率控制(APC)反饋回路使平均光功率在整個(gè)溫度范圍和芯片使用期限內(nèi)保持恒定?？商峁?0mA至60mA的寬范圍調(diào)制電流(交流耦合時(shí)可達(dá)85mA)和1mA至100mA的偏置電流，非常適合驅(qū)動(dòng)光纖模塊中FP/DFB激光二極管。MAX3735A提供發(fā)射禁止控制、帶鎖存的單點(diǎn)發(fā)送故障監(jiān)視輸出、光電流監(jiān)視和用來(lái)指示APC環(huán)路無(wú)法維持平均光功率的偏置電流監(jiān)視功能并具有改進(jìn)的多速率工作特性。MAX3735A在直流耦合驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)電流理論供給能力Ibias=1100mA，IMOD=1060mA。為了滿(mǎn)足

32、模塊出纖光功率和消光比的要求，我們對(duì)其器件提出的常溫下指標(biāo)要求其在Ith+20mA條件下，出纖光功率大于1.5mW。這樣常溫下我們調(diào)到模塊出纖光功率的典型值0dBm(1mW)左右需要調(diào)制電流需要20x2xl/1.5=26.7mA左右。在高溫下，激光器電光轉(zhuǎn)換(SE)的下降，以高溫下SE和常溫下的比值0.55計(jì)算，為了保證模塊能正常工作，再加上RC補(bǔ)償回路分流和留有一定余量的考慮，要求LDD能提供的IMOD上限只少需要大于50mA。MAX3735A能提供的IMOD理論上限值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。一般Ibias的值略高于激光器Ith 03mA，選用的1550波長(zhǎng)DFB-LD在常溫下的Ith約為10mA。

33、Ith隨溫度的升高而增加，關(guān)系式為Ith(T)=I0+K1eT/T1 (3-1)I0、K1、T1乃是常量。對(duì)DFB-LD來(lái)說(shuō)，假設(shè)參數(shù)I0 =1.8mA，K1=3.85mA，T1=40按照此公式估算，當(dāng)LD溫度大概為85的時(shí)候，其Ith大概為34mA左右。這樣由LDD提供的最大Ibias只要大于40mA就能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。而芯片能夠提供的偏置電流可達(dá)100mA，故激光器Ith一般滿(mǎn)足要求。MAX3735A調(diào)制電流的上升和下降時(shí)間分別小于65ps和85ps，能滿(mǎn)足在在2.5G速率下工作的要求，而且功耗低。根據(jù)MAX3735A DATASHEET，芯片工作電壓最大為3.6V芯片最大工作電流為50m

34、A，激光器典型壓降1.3V，假設(shè)激光器工作在極限工作條件下，其提供的電流Ibias=50mA，Imod=60mA，其最大功耗為3.650+(3.61.3)(50+30)=364mw。MAX3735A不帶溫度補(bǔ)償電路，我們采用在調(diào)制電阻回路上加負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的方法對(duì)模塊的消光比進(jìn)行補(bǔ)償。31.2 接收電路設(shè)計(jì)接收限放選用MAX3748A限放芯片，MAX3748A是一款成熟的+3.3V接收限幅放大器，用于155Mbps至3.2Gbps的SFP/SFF系統(tǒng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理框圖如下圖所示：限幅放大器由輸入緩沖器、多級(jí)放大器、失調(diào)校準(zhǔn)電路、輸出緩沖器及信號(hào)檢測(cè)電路組成。(1)輸入緩沖器輸入緩沖器

35、結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，它為每一路輸入信號(hào)IN+和IN-提供50的端接電阻。可將MAX3748A直流或交流耦合至APD的前放TIA。(2)失調(diào)校準(zhǔn)電路MAX3748A易受信號(hào)通路直流失調(diào)的影響，因?yàn)樗哂泻芨叩脑鲆?。在使?0占空比的NRZ數(shù)據(jù)的通訊系統(tǒng)中，信號(hào)的脈寬失真或互阻放大器產(chǎn)生的脈寬失真表現(xiàn)為輸入失調(diào)，需要靠失調(diào)校準(zhǔn)環(huán)路抑制。千兆位以太網(wǎng)及光纖通道應(yīng)用無(wú)需使用電容。但對(duì)于SDH和SONET的應(yīng)用，建議采用CAZ=0.1uF，此電容決定了數(shù)據(jù)通路的3dB頻率。(3)CMI輸出緩沖器CML輸出緩沖器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-4，MAX3748A限幅放大器的CML輸出為阻抗失配和感性連接器提供了較高的容限。

36、輸出電流大約為18mA。將DISABLE與VCC連接可禁止輸出。LOS引腳接DISABLE引腳時(shí)，只要輸入信號(hào)低于LOS門(mén)限，輸出OUT+及OUT-均會(huì)處于靜態(tài)電壓(靜噪)。輸出緩沖器可以交流或直流耦合到負(fù)載。(4)功率檢測(cè)及信號(hào)丟失指示器MAX3748A配備有LOS電路，指示輸入信號(hào)是否低于門(mén)限，門(mén)限值由TH引腳的外接RTH電阻進(jìn)行設(shè)置。平均峰值功率檢測(cè)器將輸入信號(hào)幅度與此門(mén)限進(jìn)行比較，并將信號(hào)檢測(cè)信息反饋給集電極開(kāi)路輸出的LOS腳。兩路控制電壓Vassert及Vdeassert，定義L0S的報(bào)警和解除報(bào)警門(mén)限電平。為避免LOS在設(shè)置門(mén)限附近抖動(dòng)，在LOS的報(bào)警/解除報(bào)警電路中引入了大約2d

37、B的滯回。一旦產(chǎn)生報(bào)警，LOS將在輸入信號(hào)幅度恢復(fù)到所需要的電平(Vdeassert)后解除報(bào)警。31.3 APD高壓電路方案APD器件工作需要較高的直流偏壓，由于SFP光模塊的供電電源為單一的+3.3V直流電源，因此我們需要設(shè)計(jì)高集成度，噪聲低的直流電壓升壓電路。APD高壓電路主要包括升壓電路、倍壓電路和溫度補(bǔ)償三個(gè)部分，如圖3-5所示。光模塊設(shè)計(jì)采用的升壓電路采用能夠?qū)崿F(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換功能的專(zhuān)用升壓芯片LTl930A。通過(guò)DC/DC Converter能將輸入的電源電壓(3.3V或5V)轉(zhuǎn)換成最高36V的高壓輸出。升壓變換器主要由開(kāi)關(guān)晶體管VT、二極管VD、儲(chǔ)能電感L和輸出濾波電容C所組成

38、。其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及波形如圖3-6所示。其升壓過(guò)程：VT的工作周期Ts=ton+toff，VT在ton期間導(dǎo)通，在toff期間截止。ton期間，電源Uin的能量存儲(chǔ)于L中，VT導(dǎo)通，VD反偏，由C向負(fù)載供給能量。在toff期間，VT截止，L中的電流不能突變，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)阻止電流減小，感應(yīng)電勢(shì)的極性為右正左負(fù)，VD導(dǎo)通，L中存儲(chǔ)的能量經(jīng)VD、流入C，并供給負(fù)載。Uo=11-Uin，其中，d=ton/Ts為占空比，當(dāng)改變d時(shí)，就能獲得所需的上升的電壓值。在實(shí)際IC電路應(yīng)用中，DC/DC Converter芯片的輸出電壓經(jīng)分壓得到的反饋電壓與芯片內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)經(jīng)由PWM控制器

39、(根據(jù)誤差信號(hào)產(chǎn)生不同的占空比d來(lái)控制信號(hào))來(lái)控制功率管的開(kāi)關(guān)。當(dāng)誤差放大器EA的輸出增加時(shí)，輸出的開(kāi)關(guān)電流增加；當(dāng)EA的輸出減小時(shí)，輸出的開(kāi)關(guān)電流減小，從而實(shí)現(xiàn)高壓輸出的自動(dòng)調(diào)節(jié)，其升壓原理框圖如圖3-7所示。雖然DC/DC Converter能輸出36伏的電壓，但APD的工作電壓高達(dá)50、60幾伏，這就需要將Converter的輸出電壓進(jìn)行倍壓，以滿(mǎn)足APD的工作需要。倍壓電路一般由整流二極管和電容構(gòu)成，對(duì)前面介紹的Boost Converter進(jìn)行倍壓，倍壓電路設(shè)計(jì)如圖3-8所示。APD的溫度補(bǔ)償主要為了補(bǔ)償APD隨溫度升高其擊穿電壓相應(yīng)增加的特性，一般是通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的

40、。熱敏電阻(APD內(nèi)部集成或者外圍提供)將環(huán)境溫度的變化反映到DC/DC Converter的輸入反饋電壓處，從而控制APD的高壓隨工作溫度的變化而變化。整個(gè)APD偏壓設(shè)計(jì)的應(yīng)用電路如圖3-9所示：31.4 數(shù)字診斷監(jiān)控上報(bào)功能的電路實(shí)現(xiàn)：(1)發(fā)射光功率監(jiān)控取樣方案MAX3735A為滿(mǎn)足SFF-8472的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)激光器的背光二極管進(jìn)行了電流取樣，并通過(guò)取樣電阻轉(zhuǎn)換成取樣電壓。由于激光器的背光二極管的背光電流與激光器的前向光功率成正比，因此對(duì)激光器的背光二極管的背光電流進(jìn)行取樣即可對(duì)模塊的發(fā)射光功率進(jìn)行取樣監(jiān)控。其PC_MON管腳上的取樣電壓與背光電流計(jì)算關(guān)系如下：Vpc_MON=IMDRpc

41、_MON (3-2)(2)發(fā)射偏流監(jiān)控取樣方案MAX3735A驅(qū)動(dòng)芯片提供了對(duì)激光器發(fā)射偏流的監(jiān)控取樣功能，通過(guò)外接取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊發(fā)射偏流的取樣監(jiān)控。其BC_MON管腳上的取樣電壓與實(shí)際偏流的計(jì)算關(guān)系如下：VBC_MON=(IBIAS/76)RBC_MON (33)(3)接收光功率的監(jiān)控取樣方案接收光功率監(jiān)控用高精度電流監(jiān)控芯片MAX4007來(lái)實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)電路如下：MAX4007利用鏡像電流源，輸出電流IOUT為實(shí)際流經(jīng)APD管的光電流IAPD的1/10，將I0UT通過(guò)對(duì)地參考電阻轉(zhuǎn)化為電壓VRXMON，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)接收光功率的監(jiān)控。MAX4007接收光功率Input O

42、ptical Power(W)與監(jiān)控電壓VRXMON-Monitor Voltage(V)的關(guān)系如圖3-11所示：DSl859是一款與SFF-8472完全兼容的實(shí)現(xiàn)數(shù)字診斷上報(bào)芯片，它采用2線(xiàn)I2C接口通訊，具有5個(gè)監(jiān)控信道(溫度，電壓，MONl，MON2，MON3)并具有2個(gè)51K數(shù)字電位器。溫度上報(bào)由DSl859內(nèi)置的溫度傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接上報(bào)，電壓由DSl859的供電電壓直接實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接上報(bào)，二者都可以滿(mǎn)足SFF-8472規(guī)定的精度要求。MONl，MON2，MON3需要輸入電壓模擬量，在DSl859中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行上報(bào)。在這3個(gè)監(jiān)控信道輸入端，我們分別輸入偏流監(jiān)控

43、電壓，發(fā)射光功率監(jiān)控電壓，接收光功率監(jiān)控電壓。然后通過(guò)軟件調(diào)節(jié)DSl859增益值對(duì)模塊參數(shù)上報(bào)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行校準(zhǔn)和擬合，滿(mǎn)足SFF-8472協(xié)議上報(bào)精度要求并通過(guò)12C總線(xiàn)進(jìn)行上報(bào)。綜上所述，對(duì)模塊整體原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，其原理圖參見(jiàn)附錄I：模塊原理設(shè)計(jì)圖。32 模塊PCB設(shè)計(jì)采用Protel 99SE完成對(duì)模塊PCB設(shè)計(jì)，由于布板空間有限，模塊PCB設(shè)計(jì)分為兩塊PCB設(shè)計(jì)，1塊為APD的偏壓板，二層板，板厚0.5mm。另一塊板為模塊的主工作板，六層板，板厚lmm。兩塊板通過(guò)金屬插針橋連在一起。32.1 PCB板布局主要符合以下原則：(1)按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流

44、通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。(2)以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上。盡量減少和縮短各元器件之間的引線(xiàn)和連接。(3)在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀(guān)。而且裝焊容易。易于批量生產(chǎn)。(4)PCB板邊緣根據(jù)外殼的定位方式，留出相應(yīng)的禁布區(qū)。32.2 PCB走線(xiàn)主要規(guī)則控制如下：(1)走線(xiàn)的寬度導(dǎo)線(xiàn)寬度最小值以承受的電流大小而定，但最小不小于0.2mm。印制導(dǎo)線(xiàn)的公共地線(xiàn)使用大面積鋪銅的方法。(2)走線(xiàn)的間距相鄰導(dǎo)線(xiàn)間距滿(mǎn)足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也盡量放寬。最

45、小間距滿(mǎn)足適合承受的電壓要求。這個(gè)電壓一般包括工作電壓、附加波動(dòng)電壓以及其它原因引起的峰值電壓。在布線(xiàn)密度較低時(shí)，信號(hào)線(xiàn)的間距適當(dāng)?shù)丶哟螅瑢?duì)高、低電平懸殊的信號(hào)線(xiàn)盡可能的短且加大間距。布板控制最小線(xiàn)間距在6mil以上。(3)走線(xiàn)的屏蔽與接地接地和電源的圖形盡可能與數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向平行，增強(qiáng)抑制噪聲能力；多層印制線(xiàn)路板采取中間層作屏蔽層，電源層、地線(xiàn)層均可視為屏蔽層，地線(xiàn)層和電源層設(shè)計(jì)在多層印制線(xiàn)路板的內(nèi)層，信號(hào)線(xiàn)設(shè)計(jì)在內(nèi)層和外層。(4)在電(地)層上走線(xiàn)在布線(xiàn)時(shí)，有時(shí)必須在在電(地)層上進(jìn)行布線(xiàn)。首先考慮用電源層，其次才是地層，保留地層的完整性。(5)合理的走向輸入/輸出，交流/直流，強(qiáng)/弱信號(hào)

46、，高頻/低頻，高壓/低壓等它們的走向呈線(xiàn)形的(或分離)，不相互交融，主要為了防止相互干擾。走向盡量按直線(xiàn)，不易實(shí)現(xiàn)的地方設(shè)隔離帶來(lái)改善。(6)電源、地線(xiàn)的處理做成多層板，電源占一層，地層采用大面積鋪銅方式將電源作為中間層包圍在里面。(7)差分信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)對(duì)需要低誤碼率的高帶寬、高密度的數(shù)據(jù)鏈路。差分信號(hào)可以不受共模噪聲的影響，而這種噪聲在許多應(yīng)用系統(tǒng)中普遍存在。如使用差分信號(hào)可以避免常見(jiàn)的地線(xiàn)反彈，在使用單端接口的許多高密度IC中我們都會(huì)遇到這種噪聲問(wèn)題。它還提供了更高的噪聲容限，以便改善數(shù)字信號(hào)鏈路的誤碼率。在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中我們采用差分的信號(hào)互連方式。本設(shè)計(jì)采用100歐姆差分線(xiàn)，單端50歐姆

47、阻抗作為差分?jǐn)?shù)據(jù)型號(hào)的輸入和輸出，其共模阻抗ZO與差模阻抗Zdiff的關(guān)系可由以下表達(dá)式得到：Zdiff=2ZO(1-k)/(1+k) (34)其中k是走線(xiàn)耦合系數(shù)。50歐姆的接地電阻通常用來(lái)最終連接100歐姆的差分線(xiàn)對(duì)，它提供了差分線(xiàn)的理想終端，由于數(shù)據(jù)連接是采用差分信號(hào)，這也是最重要的。對(duì)共模時(shí)的少許阻抗不匹配影響不大，通常只有噪聲和串?dāng)_信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在共模中。32.3 PCB層間設(shè)計(jì)本PCB板設(shè)計(jì)中用到六層板設(shè)計(jì)，多層的金屬走線(xiàn)可以提供較高的連接密度、低串?dāng)_和良好的電磁兼容性(EMC)，保證在信號(hào)互連時(shí)得到最佳的信號(hào)完整性。33 模塊計(jì)算機(jī)軟件調(diào)測(cè)模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的12C接口，在SFP測(cè)試盒上轉(zhuǎn)

48、換為并口與PC進(jìn)行通訊調(diào)試。(1)12C總線(xiàn)介紹I2C總線(xiàn)特征：要求兩條總線(xiàn)，串行數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA和串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL。每個(gè)連到總線(xiàn)的設(shè)備都有一個(gè)唯一的，可以軟件尋址的地址，而且以簡(jiǎn)單的主/從關(guān)系存在于總線(xiàn)上。主機(jī)可以作為主發(fā)送器，也可以作為主接收器。它是一個(gè)真正的多主機(jī)總線(xiàn)，連接到相同總線(xiàn)的IC數(shù)量收到總線(xiàn)最大電容400pF的限制。串行8位雙向數(shù)據(jù)傳輸，標(biāo)準(zhǔn)模式100Kbps，快速模式400Kbps，高速模式3.4Mbps。SDA和SCL都是雙向線(xiàn)路，都通過(guò)一個(gè)電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓。總線(xiàn)空閑時(shí)，都是高電平。連接到總線(xiàn)的器件輸出級(jí)必須是漏極開(kāi)路或者集電極開(kāi)路才能執(zhí)行線(xiàn)與的功能，其電路結(jié)

49、構(gòu)如圖3-19所示。I2C總線(xiàn)位傳輸：SDA線(xiàn)上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線(xiàn)的高或低電平狀態(tài)只有在SCL的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變。I2C數(shù)據(jù)傳輸起始和停止條件：I2C總線(xiàn)中唯一出現(xiàn)的是定義為起始(S)和停止(P)條件的情況。起始：SCL高電平時(shí)，SDA從高電平向低電平切換停止：SCL高電平時(shí)，SDA從低電平向高電平切換I2C字節(jié)格式：發(fā)送到SDA上的每個(gè)字節(jié)必須為8位。每次傳輸可以發(fā)送的數(shù)量不受限制。每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位(MSB)。如果從機(jī)要完成一些其他功能后才能接收或發(fā)送下一個(gè)字節(jié)，可以使SCL保持低電平迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接

50、收下個(gè)字節(jié)并釋放SCL后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。I2C響應(yīng)：數(shù)據(jù)傳輸必須帶響應(yīng)。相關(guān)的響應(yīng)時(shí)鐘脈沖由主機(jī)產(chǎn)生。在響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間，發(fā)送器釋放SDA(高)在響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間，接收器必須將SDA拉低，使它在這個(gè)時(shí)鐘脈沖的高電平期間保持穩(wěn)定的低電平。(ACK)(2)并口調(diào)試接口為了方便計(jì)算機(jī)調(diào)試，我們采用計(jì)算機(jī)并口對(duì)模塊的12C總線(xiàn)進(jìn)行調(diào)試，其應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路如圖3-24所示：該接口基于一個(gè)74HC05芯片構(gòu)建，在原理圖中以U1表示。74HC05包含六個(gè)集電極開(kāi)路輸出的反相器。在本應(yīng)用中該芯片具有好幾個(gè)功能。首先，它為PC并口電路與下一級(jí)電路提供隔離功能。同時(shí)將并口的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)成2線(xiàn)接口需要的集電極開(kāi)路輸

51、出。集電極開(kāi)路輸出需要連接雙向SDA信號(hào)到一個(gè)專(zhuān)門(mén)的并口輸入引腳和一個(gè)專(zhuān)門(mén)的并口輸出引腳(與使用一個(gè)并口雙向引腳的情形相反，這通常需要用戶(hù)設(shè)置PC BIOS)。2線(xiàn)接口的SCL信號(hào)對(duì)芯片來(lái)說(shuō)為僅為輸入(不實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘擴(kuò)展)，可使用并口的D0產(chǎn)生SCL(PC DB-25連接器的引腳2)，配置為輸出。D0連接到74HC05反相器(U1E)的一個(gè)輸入。一些并口可能不能輸出足夠高的電壓，反相器無(wú)法判斷電壓為高電平，所以電阻R3用作上拉電阻使接口對(duì)PC之間的差異不敏感。反相器U1E的輸出為SCL。因?yàn)檩敵鰹槁O開(kāi)路，需要上拉電阻R1實(shí)現(xiàn)高電平邏輯。另外一個(gè)方面SDA信號(hào)是雙向。使用一個(gè)輸入引腳(PC DB-

52、25連接器引腳12)和一個(gè)輸出引腳(Dl，PC DB-25連接器引腳3)實(shí)現(xiàn)雙向工作。從PC到2線(xiàn)設(shè)備的通信由產(chǎn)生SCL信號(hào)的同樣電路實(shí)現(xiàn)。并口的輸出D1連接到另外74HC05(U1)的另一個(gè)反相器的輸入(U1A)。為保證并口高電平邏輯足夠高，反相器能夠正確判斷，上拉電阻R4將信號(hào)D1電平上拉到VCC。同樣地，反相器的輸出為漏極開(kāi)路，需要R2實(shí)現(xiàn)高電平邏輯。使用并口的一個(gè)輸入引腳(引腳12)和74HC05反相器(UlB)實(shí)現(xiàn)從2線(xiàn)設(shè)備到PC的SDA通信。為使設(shè)備能夠與PC通信，應(yīng)用軟件必須使D1為低電平，這樣反相器的輸出釋放SDA，允許2線(xiàn)設(shè)備控制SDA。反相器U1B的輸入監(jiān)視SDA。反相器的

53、輸出通過(guò)R6上拉到VCC，R6負(fù)責(zé)判定高電平邏輯。串聯(lián)電阻R5用作沖突狀態(tài)下的保護(hù)。僅需要74HC05六個(gè)反相器中的三個(gè)用于實(shí)現(xiàn)2線(xiàn)通信，其余三個(gè)反相器并未沒(méi)用。其余沒(méi)有用到的反相器輸入應(yīng)當(dāng)連接到GND，輸出高阻以防止沖突。PC與接口之間的通信使用三個(gè)寄存器中的四位實(shí)現(xiàn)。并口(LPTl)缺省基地址為378h。其余的兩個(gè)可能地址為3BCh和278h。基地址為8位數(shù)據(jù)字節(jié)的地址。該字節(jié)包含控制引腳D7-D0的位，最低有效位(LSB)為D0。在數(shù)據(jù)字節(jié)后面、基地址+1處的字節(jié)為狀態(tài)字節(jié)。在給出的原理圖圖3-24中，狀態(tài)字節(jié)的第5位(位0為L(zhǎng)SB)為SDA的輸入。狀態(tài)字節(jié)位5的讀數(shù)指示SDA的狀態(tài)(通

54、過(guò)U1B的倒相)。在執(zhí)行讀操作之前，確保數(shù)據(jù)字節(jié)中的D1寫(xiě)為低電平使得反相器U1A為高阻，允許反相器UIB檢測(cè)SDA的狀態(tài)。狀態(tài)字節(jié)之后基地址+2處的字節(jié)為控制字節(jié)。(3)模塊調(diào)試軟件界面設(shè)計(jì)模塊調(diào)試軟件由公司軟件人員進(jìn)行編寫(xiě)，其主界面如圖3-25所示：1)1區(qū)作用：調(diào)節(jié)模塊5個(gè)上報(bào)參數(shù)的內(nèi)部校準(zhǔn)系數(shù)，分別是溫度偏移、VCC增益(電壓增益)、VCC偏移(電壓偏移)、Bias增益(偏流增益)、Bias偏移(偏流偏移)、Tx增益(發(fā)射光功率增益)、Tx偏移(發(fā)射光功率偏移)、Rx增益(接收光功率增益)、Rx偏移(接收光功率偏移)。用戶(hù)可輸入的變量范圍為0-65535之間的整數(shù)，沒(méi)有單位。使用者可以

55、直接拖動(dòng)滾動(dòng)條來(lái)確定內(nèi)部校準(zhǔn)系數(shù)值，也可以直接將系數(shù)值寫(xiě)入到相應(yīng)的編輯框中，但必須在單擊“寫(xiě)入”按鈕后才能將參數(shù)值寫(xiě)入到模塊中。2)2區(qū)作用：調(diào)節(jié)控制模塊發(fā)射光功率和消光比(Ext)的數(shù)字電位器。用戶(hù)可輸入的變量范圍：電位器的輸入范圍是從0-51之間的小數(shù)，精度是0.2，單位是K歐姆。3)3區(qū)作用：該區(qū)域?qū)?shí)現(xiàn)ESFP模塊的關(guān)鍵功能，即監(jiān)控模塊當(dāng)前的工作參數(shù)、以及工作狀態(tài)，該區(qū)對(duì)應(yīng)圖一A2h的96119 EEPROM存儲(chǔ)區(qū)。該區(qū)域只用于輸出，不用于輸入。當(dāng)使用者選中“實(shí)時(shí)監(jiān)控”，程序首先讀取模塊中已經(jīng)設(shè)置好的告警值，并顯示在滾動(dòng)軸下邊；之后程序?qū)?duì)SFF-8472 R9.3中要求監(jiān)控的5個(gè)參數(shù)(溫度、電壓、偏流、發(fā)射光功率、接收光功率)及其相應(yīng)狀態(tài)按每秒一次的頻率進(jìn)行采集上報(bào)，參數(shù)值顯示在編輯框中，工作狀態(tài)以不同顏色指示燈的形式顯示在滾動(dòng)軸右邊。下圖3-27給出軟件的實(shí)際監(jiān)控圖例： 如圖3-27，模塊實(shí)時(shí)上報(bào)溫度、電壓、發(fā)射偏流、發(fā)射光功率和接收光功率實(shí)際值，并通過(guò)綠燈、黃燈和紅燈來(lái)指示模塊上報(bào)參數(shù)正?；蛘弋惓＃沟檬褂谜呖梢院芊奖銓?duì)模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。4)4區(qū)作用：該區(qū)域主要是設(shè)置Bias右移、Tx右移、Rx右移。設(shè)置右移主要是針對(duì)DSl859內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器只有12位特性而進(jìn)行的寄存器移位操作，主要是根據(jù)模塊的工作參數(shù)的范圍，