基于GN25L95的SFP光模塊方案設(shè)計(jì)

胡方衍

（武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074）

基于GN25L95的SFP光模塊方案設(shè)計(jì)

胡方衍

（武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074）

提出一種基于SEMTECH公司GN25L95芯片對于1.25G SFP（小型可插拔）光模塊設(shè)計(jì)新方案。該方案在PCBA電路上使用一片集成芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)射與接收分別采用獨(dú)立芯片的設(shè)計(jì)，從而降低模塊成本。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，對其隨機(jī)抽樣進(jìn)行橫向比較試驗(yàn)，并且與傳統(tǒng)方案光模塊進(jìn)行對比試驗(yàn)，分析其技術(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該SFP光模塊方案能在工業(yè)溫度（-40℃～+85℃）范圍內(nèi)能符合設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)與采用獨(dú)立芯片的傳統(tǒng)方案一致。

1.25Gb/s SFP；光模塊；GN25L95；SFF-8472

國務(wù)院2013年發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于“印發(fā)”寬帶中國戰(zhàn)略及實(shí)施方案的通知》，我國寬帶網(wǎng)絡(luò)首次成為國家戰(zhàn)略性公共基礎(chǔ)設(shè)施。工信部為貫徹和落實(shí)國務(wù)院精神提出2015年具體目標(biāo)新增光纖到戶覆蓋家庭8000萬戶，一批城市率先成為“全光網(wǎng)城市”；其中新增光纖到戶寬帶用戶4000萬戶，促進(jìn)普通家庭上網(wǎng)體驗(yàn)得到飛躍性提升［1］。持續(xù)高漲的FTTx建設(shè)熱潮，激發(fā)了低速光模塊巨大的市場需求。更低成本的解決方案無疑能使產(chǎn)品在低速光模塊市場有著更大的競爭力。本文提出一種基于SEMTECH公司GN25L95單芯片的1.25GSFP光模塊降成本設(shè)計(jì)方案，并通過對比試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析得出相應(yīng)的可行性結(jié)論。

1　1.25G SFP光模塊的工作原理

光收發(fā)模塊（簡稱“光模塊”）的主要作用是進(jìn)行“光電-電光”轉(zhuǎn)換，它采用全雙工模式，將從交換機(jī)或路由器接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成光信號發(fā)送到光纖，同時(shí)將來自光纖的光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳回給交換機(jī)或者路由器。光模塊的應(yīng)用速率從155M，1.25G到10G，40G不等，而其封裝也有SFF、 SFP、QSFP+等的區(qū)別。本文將要探討的是雙纖1.25G SFP光收發(fā)模塊，其封裝為SFP，使用雙向LC型連接器，最大支持1.25Gb/s的雙向數(shù)據(jù)傳輸，兼容SFF-8472協(xié)議，可應(yīng)用于1.25Gb/s Ethernet 1000Base-LX與1.0625Gb/Fiber Channel。

1.25G SFP光模塊在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上分為光發(fā)射模塊和光接收模塊。光發(fā)射模塊的作用是將從交換機(jī)或路由器接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為特定的光信號發(fā)送到光纖鏈路中，它通常由激光器驅(qū)動電路、溫度補(bǔ)償電路和光發(fā)射次模塊（TOSA）組成。其中激光器驅(qū)動電路的作用是從主板（Host Board）接受的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動激光器調(diào)制電流并提供用于驅(qū)動激光器的驅(qū)動電流；隨著溫度的變化和LD的老化，斜效率會發(fā)生變化，而溫度補(bǔ)償電路的作用就是對激光器發(fā)出的光的功率和消光比進(jìn)行正（或負(fù)）補(bǔ)償［2］。光接收模塊的作用是將從光纖鏈路中接收到的光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送到主板中，它通常由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、限幅放大電路、始終數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（某些有）和光接收次組件（ROSA）組成。其中電流-電壓轉(zhuǎn)換電流是將光電探測器（PIN或者APD）中發(fā)出的電流信號通過跨阻放大器（TIA）放大為電壓信號、限幅放大器的作用是將從TIA接收的模擬電壓信號整型放大為可供主板端識別的數(shù)字電平信號，通常PIN-TIA或者APD-TIA會被集成為ROSA器件中，而不在PCBA的電路中。傳統(tǒng)的1.25G光模塊對于發(fā)射和接收每一部分功能電路都是由獨(dú)立的芯片提供。圖1為采用傳統(tǒng)方案的1.25G SFP的電路構(gòu)成。

區(qū)別于傳統(tǒng)方案，本文所提方案采用SEMTECH公司的GN25L95芯片。該芯片集成了激光驅(qū)動、限幅放大與溫度補(bǔ)償功能，將傳統(tǒng)的3片芯片合為1片，同時(shí)采用4×4 mm QFN封裝，保持了尺寸的不變。在電路設(shè)計(jì)上采用該芯片，不僅降低了光模塊的物料成本，同時(shí)也為設(shè)計(jì)更小尺寸的PCBA提供了可能。圖2為采用GN25L95芯片的方案的1.25G SFP的電路構(gòu)成。

圖1　1.25G SFP光模塊傳統(tǒng)方案電路構(gòu)成

圖2　GN25L95方案1.25G光模塊電路構(gòu)成

2　SFF-8472協(xié)議簡介

SFF-8472協(xié)議定義規(guī)范了用于SFP光收發(fā)模塊的數(shù)字診斷監(jiān)控接口。它的作用在于對于A0h與A2h這兩個(gè)256字節(jié)的存儲表的內(nèi)存映射和定義進(jìn)行了明確的規(guī)范，使得任何遵從它設(shè)計(jì)的SFP光模塊與終端設(shè)備進(jìn)行互相識別，并能使得交換機(jī)或路由器能正確讀出模塊的監(jiān)控信息［3］。SFF-8472定義了5種類型的基本監(jiān)控值，分別為：模塊溫度、供電電壓、發(fā)射偏置電流、發(fā)射輸出光功率和接受光功率。這5個(gè)監(jiān)控量對于交換機(jī)判斷整個(gè)模塊工作狀態(tài)非常重要，交換機(jī)通過讀出這5個(gè)監(jiān)控量和相應(yīng)的warning和alarm告警位，可以更加方便的監(jiān)控模塊，同時(shí)在出現(xiàn)異常時(shí)能迅速定位，簡化了維護(hù)工作。而光模塊設(shè)計(jì)方將依據(jù)各自的光模塊的需求規(guī)格對這5個(gè)監(jiān)控量的典型值進(jìn)行合理的設(shè)定，從而有助于提供穩(wěn)定的工作性能。

3　GN25L95特性與關(guān)鍵引腳定義

SEMTECH公司新近推出的GN25L95芯片結(jié)合了帶有突發(fā)模式的激光驅(qū)動器和一個(gè)用于光收發(fā)模塊的后置限幅放大器，并提供了完全兼容于SFF-8472的數(shù)字診斷監(jiān)控功能。它的主要特點(diǎn)有［4］：

①能提供最大90 mA的偏置電流和最大85 mA的調(diào)制電流；

②提供用于完全兼容于SFF-8472的數(shù)字診斷監(jiān)控功能；

③自動功率控制與自動消光比控制；

④高速的突發(fā)模式設(shè)定時(shí)間；

⑤能為APD偏執(zhí)控制提供DAC轉(zhuǎn)換的電流；

⑥Tx fault檢測和安全邏輯電路；

⑦CSFP I2C尋址的支持。

GN25L95芯片的引腳分配形式如圖3所示。

圖3　GN25L95芯片引腳分配圖

4　電路設(shè)計(jì)和關(guān)鍵配置

4.1簡化的原理圖

圖4位簡化的PCB設(shè)計(jì)原理圖

4.2EEPROM寄存器配置

GN25L95提供了3種操作和配置內(nèi)存接口的模式

1）內(nèi)部NVM模式——使用內(nèi)部NVM來存儲配置數(shù)據(jù)

2）外部EEPROM模式——使用外部EEPROM來存儲配置數(shù)據(jù)

3）外部MCU模式——使用外部MCU來存儲和處理數(shù)據(jù)

本文所探討的方案采用的是的第3種模式，即外部EEPROM模式。為了能完整的提供可重復(fù)寫入SFF-8472的數(shù)字診斷監(jiān)控功能。GN25L95需要外掛一個(gè)8k bit的EEPROM，在模塊上電時(shí)，EEPROM里的數(shù)據(jù)將會載進(jìn)GN25L95的易失性的寄存器中。圖5為8472協(xié)議的字節(jié)和GN25L95的用于查找表等拓展表的字節(jié)的內(nèi)存地址分布圖。

4.3電源與啟動時(shí)序

GN25L95芯片有3個(gè)獨(dú)立的電源域：VCC_TX是為發(fā)送機(jī)供電，VCC_RX是為接收機(jī)供電，VCC_DIG是為數(shù)字模塊供電。VCC_TX與VCC_RX既可以在物理上直接相連也可以各自獨(dú)立供電。VCC_DIG連接VCC_RX時(shí)，需要相應(yīng)的濾波網(wǎng)絡(luò)。但在設(shè)計(jì)電路時(shí)，因?yàn)椴淮_定外部VCC_TX與VCC_RX是否同時(shí)上電，所以還是應(yīng)該將VCC_TX與VCC_TX物理上直接相連，以保證它們的上電時(shí)序是一致的。

圖4　簡化的PCB原理圖

圖5　采用外部EEPROM的內(nèi)存地址分布圖

4.4調(diào)制電流查找表LUT（Look Up Table）

在數(shù)字光纖通信中，激光器發(fā)出的調(diào)制光可以看作是光頻載波，光調(diào)制一般采用強(qiáng)度調(diào)制的方式。調(diào)制電路的主要功能就是為激光器提供產(chǎn)生光頻載波所需的調(diào)制電流，并將電信號調(diào)制到光頻載波上。調(diào)制電流的大小與消光比的大小息息相關(guān)，隨著溫度的波動，消光比會發(fā)生變化，維持消光比恒定或者在一定范圍內(nèi)的波動對于保持高低溫下靈敏度恒定很有幫助。光模塊一般有兩種消光比補(bǔ)償模式，第一種為自動消光比控制（Automatic Extinction Ratio Control ARC）；第二種為查找表（Look Up Table LUT）。對于采用GN25L95本設(shè)計(jì)方案，采用查找表（LUT）模式，PCBA的EEPROM會有一片區(qū)域存儲根據(jù)不同溫度點(diǎn)算好的調(diào)至電流值，隨著溫度的變化，芯片會根據(jù)當(dāng)前芯片算出來的上報(bào)溫度直接去找對應(yīng)的溫度點(diǎn)的調(diào)制電流設(shè)定值，并用該值作為當(dāng)前的調(diào)至電流值［5-6］。該查找表地址位于A2的高字節(jié)的Table 4。是一個(gè)128字節(jié)的存儲單元。該128個(gè)字節(jié)的查找表包含了64個(gè)溫度點(diǎn)的值。從-40℃到+120℃，每2.5℃一個(gè)對應(yīng)的調(diào)至電流值。

5　模塊測試

1.25G 20 km SFP光模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)為光功率典型值-6 dB，消光比典型值12，靈敏度-28 dB。

試驗(yàn)中，隨機(jī)選取5只按照GN25L95方案設(shè)計(jì)的1.25G 20 km SFP光模塊和1只傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的光模塊。將它們按照工業(yè)溫度標(biāo)準(zhǔn)（-40℃～+85℃）進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)中，選取了-40℃、+25℃和+85℃這3個(gè)溫度點(diǎn)分別作為低溫、常溫和高溫的測試環(huán)境。在每個(gè)溫度點(diǎn)分別測量其發(fā)射光功率（實(shí)際值）、消光比、上報(bào)功率、偏流、靈敏度、告警點(diǎn)和恢復(fù)告警點(diǎn)。表2位試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6為選取GN25L95-1模塊的測試的眼圖

表2　對比測試數(shù)據(jù)

圖6　GN25L95-1模塊測試眼圖

通過對這5只采用GN25L95方案的1.25G SFP模塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，其各項(xiàng)參測試數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)將其與傳統(tǒng)方案的光模塊對比，可以看出各項(xiàng)參數(shù)相比于傳統(tǒng)方案并沒有異常的差異。

6　結(jié)束語

當(dāng)前，社會對低速光模塊有著巨大的市場需求，更低成本解決方案的產(chǎn)品往往有更強(qiáng)的競爭力。本文針對1.25G SFP光模塊提出采用GN25L95集成芯片設(shè)計(jì)方案，相較于傳統(tǒng)的發(fā)射與接收采用獨(dú)立芯片的方案，成本更低。而通過對比驗(yàn)證試驗(yàn)表明，采用GN25L95芯片的1.25G SFP光模塊的各項(xiàng)功能與技術(shù)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求。這都將為其后期的小批量驗(yàn)證（PVT）和量產(chǎn)（MP）提供技術(shù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

［1］李群.寬帶中國升級為國家戰(zhàn)略明確時(shí)間表路線圖［EB/ OL］.（2013-08-18）http://it.chinabyte.com/11/12692511.shtml.

［2］DS1856 Datasheet［R］.Maxim integrated，2006.

［3］SFF Comunittee.SFF-8472 Rev 11.0［S］，Sept 14，2010.

［4］GN25L95 Final Data Sheet［R］.SEMTECH Corporation，2014.

［5］吳振剛，司淑平.2.5G光模塊的設(shè)計(jì)與調(diào)試［J］.光纖光纜傳輸系統(tǒng)，2014（4）:13-16.

［6］張莉，夏振中，秦艷，等.10Gbit/s SFP+短距離光模塊的溫度補(bǔ)償技術(shù)［J］.光通信研究，2015（1）:31-34.

The design of SFP optical module scheme based on GN25L95

HU Fang-yan
（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunication，Wuhan 430074，China）

This paper presents a new approach to design 1.25 SFP（Small Form Factor Pluggable）optical modules which is based on the chip of SEMTECH Company's GN25L95.Instead of using independent chips on the transmit circuit and receive circuit，this new scheme apples a single integrated chip on the PCBA，so that we can reduce the costs of the module.To verify the feasibility of the scheme，the comparative experiments have been made for the random samples of the new GN25L95 scheme，and an optical module which is used traditional scheme.And analyze their technical characters.The test results shows that，in the scope of industrial temperature（-40℃～+85℃），this approach is matched with the design requirements，its performance characters are consistent with the traditional scheme.

1.25Gb/s SFP；optical module；GN25L95；SFF-8472

TN29

A

1674－6236（2016）12-0093-04

2015-07-02稿件編號：201507022

胡方衍（1989—），男，湖北武漢人，碩士研究生。研究方向：光通信系統(tǒng)。