3GSFP光發(fā)射模塊設(shè)計(jì)原理與性能研究

袁丹

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070）

引 言

在傳統(tǒng)的演播環(huán)境中都是用同軸電纜傳輸未壓縮數(shù)字視頻信號(hào)，而3GSFP光發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能使光纖代替同軸電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸。SFP光發(fā)射模塊又稱小型可熱插拔光發(fā)射模塊，它的作用是通過模塊內(nèi)的發(fā)射組件TOSA將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，使得信號(hào)可以用光纖進(jìn)行傳輸。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外光發(fā)射模塊市場(chǎng)以2.5G為主，10G光發(fā)射模塊和40G光發(fā)射模塊也在迅速地發(fā)展。對(duì)于傳輸高清數(shù)字視頻信號(hào)的SFP光發(fā)射模塊，僅支持速率為1.485Gbps的1080i和720p視頻信號(hào)，3GSFP的研究則針對(duì)全高清1080p視頻信號(hào)，最高速率達(dá)2.97Gbps。

本文研究了3GSFP光發(fā)射模塊，其作用是將速率為2.97Gbps的數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，用光纖傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同軸電纜傳輸，不僅大大地節(jié)約了基礎(chǔ)設(shè)備的資金投入，同時(shí)也給管理員維護(hù)升級(jí)帶來了便利。

1 光發(fā)射模塊基本原理

這里的3G指的是3GSDI串行鏈路標(biāo)準(zhǔn)。串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）是ITU－R BT.656以及移動(dòng)圖像和電視工程師協(xié)會(huì)（SMPTE）提出的串行鏈路標(biāo)準(zhǔn)，在演播環(huán)境中通過75Ω同軸電纜來傳輸未壓縮的數(shù)字視頻。該標(biāo)準(zhǔn)的第一版是SMPTE 259M。隨著1080i和720p等高清視頻標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，對(duì)接口進(jìn)行了調(diào)整以處理更高的1.485Gbps數(shù)據(jù)速率，由SMPTE 292M進(jìn)行定義。幸運(yùn)的是，為了支持1080p和數(shù)字影院等分辨率更高的圖像質(zhì)量，SMPTE批準(zhǔn)了名為SMPTE 424M［1］的新標(biāo)準(zhǔn)，SDI數(shù)據(jù)速率達(dá)到了2.97Gbps，這一標(biāo)準(zhǔn)也稱為3G SDI。

3GSFP光發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)要滿足SFP MSA多源協(xié)議［2］和SFF－8472協(xié)議［3］的要求。該發(fā)射模塊主要由 TOSA及LD驅(qū)動(dòng)電路組成。TOSA即光發(fā)射組件，包括激光器LD和光電二極管PD，其作用是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而LD驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)控制LD。首先，輸入模塊的電信號(hào)由LD驅(qū)動(dòng)電路接收，并調(diào)制到LD的驅(qū)動(dòng)電流上，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出帶有數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)的激光。LD驅(qū)動(dòng)電路具備自動(dòng)功率控制（APC）功能，可通過檢測(cè)背光二極管產(chǎn)生的光電流來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過APC環(huán)路，LD驅(qū)動(dòng)電路可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)LD驅(qū)動(dòng)電流的大小。

作為發(fā)射模塊的重要功能部件的選擇，必須依據(jù)各類型光源器件的特點(diǎn)和匹配性能需求來進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。常用光源的半導(dǎo)體發(fā)光器件主要有3種：LED發(fā)光管、FP激光器、DFB激光器。它們各自特點(diǎn)如下：LED發(fā)光管輸出光功率低、發(fā)散角大、光譜寬、調(diào)制速率低、價(jià)格低廉，適合短距離通信；FP激光器輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜較窄、調(diào)制速率高，適合中距離通信；DFB激光器是在FP激光器的基礎(chǔ)上采用光柵濾光器件使其只有一個(gè)縱模輸出，性能優(yōu)于FP激光器，成本較高，用于長(zhǎng)距離通信。

3GSFP光發(fā)射模塊主要用于在演播室環(huán)境中傳輸高清視頻信號(hào)，傳輸距離不會(huì)超過10km。綜合考慮，選擇1310nm FP型激光器作為TOSA的激光器。

在LD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上，采用MCU加外圍電路的方式。MCU芯片采用ADN2873，該款芯片完全符合SFF－8472要求，工作速率為50Mbps～4.25Gbps，內(nèi)帶自動(dòng)功率控制環(huán)路，3.3V供電，滿足3GSFP光發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)速率要求。

2 光發(fā)射功能的主要性能研究

在光發(fā)射模塊中，激光二極管是半導(dǎo)體器件。溫度升高時(shí)，它的閾值電流增大，光功率－電流曲線斜率就降低。光功率－電流（PI）曲線如圖1所示。

圖1 光功率－電流（PI）曲線

設(shè)計(jì)光發(fā)射模塊最重要的指標(biāo)是模塊的平均光功率和消光比［4］。要使所設(shè)計(jì)的光發(fā)射模塊工作穩(wěn)定，就要保證平均光功率和消光比維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

平均光功率PAVG用公式表示為：

其中，P1表示高電平時(shí)最大光功率，P0表示低電平時(shí)最小光功率。APC環(huán)路通過調(diào)節(jié)偏置電流變化可以維持PAV的穩(wěn)定。

消光比ER的公式：

要想穩(wěn)定ER就要知道P1和P0。在知道平均光功率PAVC的情況下，由于光幅度功率PP－P是最大光功率與最小光功率的差值（即 PP－P＝P1－P0），因此，P1和 P0可以用PAVG和PP－P表示，即消光比的穩(wěn)定與平均光功率和光幅度功率有關(guān)，在驅(qū)動(dòng)電路中通過調(diào)節(jié)調(diào)制電流變化維持PP－P穩(wěn)定。

ADN2873內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。ADN2873內(nèi)置APC自動(dòng)功率控制環(huán)路，外接MPD背光二極管后形成一個(gè)閉環(huán)反饋回路。當(dāng)輸出平均光功率變化時(shí)，流過MPD二極管的電流也相應(yīng)地發(fā)生變化，APC環(huán)路根據(jù)這種變化相應(yīng)調(diào)整偏置電流大小，達(dá)到穩(wěn)定平均光功率的目的。在ADN2873中，反饋電流IMPD就是引腳PAVSET到地的電流。設(shè)計(jì)時(shí)PAVSET外接電阻，反饋電流IMPD等于PAVSET端電壓與該電阻的比值，而PAVSET端電壓是芯片內(nèi)部固定電壓（為1.2V），所以只需要知道外接電阻的大小就能確定IMPD的大小。APC電路根據(jù)IMPD的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)偏置電流，保證平均光功率穩(wěn)定。

圖2 ADN2873內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

同樣，在引腳ERSET外接電阻RERSET。由圖2可知，標(biāo)準(zhǔn)電壓1.2V經(jīng)過了100倍的放大，那么調(diào)制電流IMOD＝1.2V×100／RERSET。RERSET是熱敏電阻，當(dāng)模塊溫度改變時(shí)，熱敏電阻改變電阻值以補(bǔ)充激光器隨溫度影響的變化，通過校準(zhǔn)溫度系數(shù)值來穩(wěn)定調(diào)制電流，從而達(dá)到維持消光比穩(wěn)定的目的。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試中用模擬的pathological圖樣信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)［5］，給3GSFP光發(fā)射模塊提供2.97Gbps的pathological圖樣信號(hào)，測(cè)試溫度為常溫25℃，供電電壓為3.3V，選用4.25G濾波器。發(fā)射光眼圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射光眼圖

從圖3可以看到清晰的眼圖，同時(shí)可以讀出峰峰抖動(dòng)值為72.11ps，上升時(shí)間為123.4ps，下降時(shí)間為135.7ps，上升最大時(shí)間不得超過165ps，下降最大時(shí)間不得超過180ps，即所設(shè)計(jì)的3GSFP光發(fā)射模塊可滿足傳輸3G SDI信號(hào)的要求。

［1］移動(dòng)圖像和電視工程師協(xié)會(huì).SMPTE 424M—2006for Television－3Gb／s Signal／Data Serial Interface［S］.

［2］SFF Committee.Small Form－factor Pluggable Transceiver Multi Source Agreement，2000.

［3］SFF Committee.SFF－8472Specification for Diagnostic Monitoring Interface for Optical Transceivers.Rev 10.4，2009－01－30.

［4］陳曉鵬，王亞飛.4.25Gb／s光收發(fā)模塊性能研究［J］.光通信技術(shù)，2006（7）.

［5］Giacomo Losio.Video SFP Requirements，2009.