一種降成本雙向光組件貼的設計

上海貝爾股份有限公司 鄭偉峰

1.引言

隨著寬帶光網技術的迅速發(fā)展，我國成為全球光纖接入FTTx（Fiber-to-the-x）用戶最多的國家，現(xiàn)網無源光纖網絡PON（Passive Optical Network）的應用規(guī)模已超過1億線。雖然我國FTTx建設取得了一定成績，但與期望目標還有差距，F(xiàn)TTx的部署成本問題在一定程度上延緩了FTTx的大規(guī)模部署進度。因此，對降低終端成本的要求越來越高。

在FTTx接入網的終端成本中，光模塊占20-30%，電芯片部分成本下降空間相對較小，而光模塊的成本降低將有效促進整個FTTx接入網的成本降低，從而加速FTTx的大規(guī)模部署。

可見，降低光模塊成本變得非常重要。為了實現(xiàn)對光部分成本的降低，提出并設計了一種雙向光組件貼的設計方案。

2.硬件部分設計

相關領域現(xiàn)有雙向光組件在板設計方案跟普通光模塊比可以降低一些成本，其中包括省掉原來模塊里的處理器（代之以主芯片進行控制和生產測試校準）；省掉光模塊的20腳連接器。不過，在板生產較為復雜；設備投資較大；對光組件供應商一致性要求高；只能做成尾纖型，很難做成插拔型；由于需要返回工廠校準，很難當場修理更換。

雙向光組件貼是把在板方案做到獨立小板上，優(yōu)點有：采用FP（Fabry-perot）法布里-珀羅代替DFB（Distribute Feedback）分布反饋式激光器應用于10公里降低成本；采用PIN/Super TIA（Transimpedance Amplifier跨 阻放大器）光電二極管代替APD（Avalanche Photo Diode）雪崩光電二極管降低光接收器成本；省去APD的升壓電路器件；小板可以開個口焊光組件，跟在板方案必須把激光器4個發(fā)送腳彎起比，降低了高頻損耗發(fā)送信號質量更好，省去彎腳夾具方便生產；器件成本跟在板相似；可以叫現(xiàn)有模塊供應商生產，不需要投資大型測試設備；小板已經在工廠調試好，放到終端上減少測試時間和降低測試難度；終端生產更換光器件部分省時省力；可以做成插拔型；可以當場修理更換。

硬件部分主要由激光驅動器和限幅放大器組合芯片、雙向光組件、存儲器等組成，硬件結構圖如圖1所示。由兩部分組成：發(fā)射部分和接收部分。發(fā)送部分由低擺幅差分接收配合突發(fā)模式的激光驅動器組成。信號通過低擺幅差分接收傳輸?shù)酵话l(fā)模式的激光驅動器，進而驅動激光二極管TOSA，并同時通過監(jiān)測二極管監(jiān)視實際輸出的發(fā)光功率。接收部分由連續(xù)模式跨阻放大器TIA、限幅放大器和低擺幅差分接收組成。從光探測器ROSA來的微弱電流信號經連續(xù)模式的跨阻放大器TIA放大為微弱的電壓信號，再經過限幅放大器 放大為較大的電壓信號，最后經低擺幅差分接收輸出。

圖1 硬件結構圖

圖2 軟件設計流程圖

2.1 信號定義

在SFF對外接口設計中，通常是使用SFF MSA[1]作為對外接口標準。該標準按照引腳不同分為2x5/2x6和2x10兩種形式，后者增加了許多自動檢測的引腳，不過也增加了引腳成本。本文利用2x5重復的地和電源用作監(jiān)控（SDA IIC數(shù)據線，SCL IIC時鐘線）既智能化又不會增加成本。

2.2 光組件選擇

為了降低成本，考慮到中國市場往往是小區(qū)比較集中，很多還是在10公里以內，可以采用FP/PIN Super TIA支持EPON[2]/GPON兩種模式10公里應用。PIN的應用省去了APD升壓元器件成本。支持2種模式，使用戶從EPON升級到GPON時不必更換終端，運營商可以任意運用終端，這樣會有很大靈活性和大幅降低庫存成本。

現(xiàn)在市場上已經有成熟的Super TIA跨阻放大器推出，如Nanotech公司的NT25L59，它在誤碼率10E-10時靈敏度達到-30.5dBm，內部有AGC（自動增益控制），動態(tài)范圍達到33dB。成熟光組件廠商靈敏度常溫可以做到-29dBm，全溫范圍靈敏度可以做到-27.5dBm，能達到GPON標準[3]-27dBm要求。

2.3 激光驅動器和限幅放大器組合芯片的選擇

為了方便生產調試，雙閉環(huán)控制組合芯片是比較好的選擇，目前市場上這類芯片供應商主要有敏迅和美信等。敏迅推出的M02098[4]，是使用雙閉環(huán)控制，整個工作溫度范圍都可以保持消光比穩(wěn)定，不需要收集很多光組件的數(shù)據（在不同溫度下）制作查找表進行調制電流校準。美信的MAX3710也有雙閉環(huán)控制，不過內部無溫度傳感器；接口采用3線（并非比較常用的IIC）；推出時間也晚一些。另外這類芯片還要SEMTECH公司的GN25L95也是一個選擇。本文介紹選用的是敏迅產品M02098。

2.4 敏迅方案布板注意事項

組合芯片靠近激光器放置，越近越好，差分線減少走線長度，并且不要在走線中放置過孔。差分信號走線長度要相等。

光板要求阻抗控制，接收為100歐姆線對，組合芯片到光組件微帶線阻抗控制在25～30歐姆，這個有些特殊，經過工具計算得出線寬為1.0毫米，間距為0.2毫米，生產時要求阻抗控制。

過高速信號的磁珠最好選用0402封裝，并且直流阻抗小于1歐姆。

電源濾除高頻噪聲用的磁珠必須能夠承受300毫安的電流，直流阻抗小于1歐姆。

光組件目前基本上都是人工焊接，焊盤大小要考慮人工焊接的方便性，考慮焊錫沾著的安全間距。

光組件發(fā)熱厲害，光板頂層和底層鋪地平面可以降低溫升。

3.軟件部分設計

軟件部分分為配制單元和監(jiān)控單元，流程圖如圖2所示。上電后組合芯片從存儲器AT24C08獲取基本配置數(shù)據，然后被終端主芯片控制。配制單元上電后對組合芯片基本寄存器進行檢查設置；進行溫度傳感器校準；進行流氓ONU檢測等。監(jiān)控單元實時監(jiān)測激光器的溫度、供電電壓、激光偏置電流、發(fā)射和接收光功率[5]。這些參數(shù)的測量，可以幫助終端在需要的時候找出光纖鏈路中發(fā)生故障的位置[6]，簡化維護工作，提高系統(tǒng)的可靠性；這個單元還可以進行報警和警告工作。

3.1 溫度傳感器校準

由于溫度傳感器在組合芯片內部，芯片的溫升，散熱，其他發(fā)熱源傳遞熱量都會影響這個傳感器精度，所以溫度傳感器需要校準。在終端實際部署后，如果發(fā)現(xiàn)故障，有時需要檢查光部分狀況，這時準確的溫度可以用來判斷光組件是否超出正常工作范圍[7]。

光組件是板子上最熱的器件，溫度一般校準到光組件表面溫度。光組件表面溫度Y由下列方程式給出：Y=KX+B。K 是斜率，B是偏移量。X是組合芯片內部傳感器AD轉換值。

Y用點溫計測量得到，熱電偶直接貼在光組件上方最熱位置是最準的，方程里K，B為未知數(shù)，可以讀兩組Y和X值，比如商業(yè)級讀60度，70度（一般關注高溫，低溫因為板子本身發(fā)熱不容易出現(xiàn)問題），然后列兩個等式就可以求出K，B2個未知數(shù)。

3.2 流氓終端檢測

正常終端是在指定時間發(fā)送數(shù)據，發(fā)送完畢后關閉激光器，等待下一次發(fā)送時間。流氓終端是指：當某個終端在沒有被分配的時間戳里發(fā)光，就會與其它 終端的發(fā)光信號發(fā)生沖突，這樣會影響到其它某個終端或者所有終端的正常通訊，這種不按照分配的時間戳發(fā)送光信號的終端叫流氓終端。如果流氓終端隨機或者一直發(fā)送數(shù)據，就會造成其它終端丟包或者掉線。因此流氓終端檢測是光部分的重要功能[8]。

流氓終端一般是光部分異常，激光器不能正常關斷造成的。雙向光組件貼檢測流氓終端的原理是：如果TX_BRST突發(fā)控制信號使激光器關斷，但實際激光器的檢測電壓還有，邏輯不一致就能判斷為流氓終端。TX_BRST突發(fā)控制信號關斷期間如果檢測到激光器動作，M02098芯片會把故障腳拉高報告流氓終端問題。通過軟件輪詢寄存器就可以發(fā)現(xiàn)流氓終端問題，方法是把流氓終端開關寄存器第4位先設1（關閉流氓終端報告功能），然后把該位設0（打開流氓終端報告功能），接著讀故障標志寄存器第0位為1就判斷為流氓ONU。

另外，輔助流氓終端控制手段有：有時需要關閉和打開發(fā)光判斷是否真是流氓終端，該組合芯片TX_BRST突發(fā)控制寄存器可以關閉和打開發(fā)光；有時需要復位整個組合芯片就可以恢復正常工作，該組合芯片復位寄存器就可以進行整個芯片的軟件復位。

4.結論

該設計采用高集成度多功能組合芯片，達到終端要求的光部分的功能；生產上測試時間短，適合批量生產。實際測試表明該設計比光模塊降低了成本，也便于當場修理更換，達到了設計目標。

[1]SFF MSA標準Rev 20[S].2010(7):7-9.

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

[3]ITU-T GPON標準G.984.2-2003[S]:1-2.

[4]敏迅公司產品數(shù)據手冊MINDSPEED datasheet[EB/OL].2009:34-35.www.mindspeed.com

[5]SFF-8472光模塊標準Rev 10.4[S].2009(1):7-8.

[6]王妮,侯韶華.基于SFP光模塊控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].光通信技術,2010(9):36-38.