CXP光模塊及測試系統(tǒng)的研究*

王 波，于 佩

（江蘇奧雷光電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

0 引 言

隨著寬帶業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，100 Gb/s光通信系統(tǒng)已逐漸成熟和普及。光模塊作為光通信系統(tǒng)的重要組成部分，也在不斷升級換代。如何高效研發(fā)和生產(chǎn)100 Gb/s光模塊并快速投放市場，已成為各大光模塊廠家迫切需要解決的問題[1-2]。

CXP模塊是100 Gb/s光模塊主流封裝形式之一，其光、電、外形尺寸以及軟件等相關(guān)性能和運(yùn)行參數(shù)等已由CXP MSA（多源協(xié)議）規(guī)范[3]。參照CXP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，選取一款市場主流方案對CXP模塊進(jìn)行研究和開發(fā)。本文介紹該方案的整體框架、光路電路部分設(shè)計，并搭建了自動測試系統(tǒng)，對本方案下制作的CXP模塊進(jìn)行了測試和優(yōu)化。

1 CXP模塊技術(shù)方案

1.1 CXP總體框圖

按照CXP MSA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定，CXP有上下兩塊PCB板組成，如圖1所示。上板為發(fā)射板包含12通道VCSEL激光器陣列、集成12通道VCSEL driver、MCU，下板為接收板包含12通道PIN陣列、12通道PIN driver。兩塊PCB板由軟板相連接，使MCU能同時對發(fā)射、接收板進(jìn)行通信與配置。下文將分別對電路部分與光路部分進(jìn)行介紹。

圖1 CXP

1.2 電路部分

該CXP模塊采用集成發(fā)射、接收驅(qū)動芯片外加51內(nèi)核單片機(jī)作為MCU的設(shè)計方案，使得電路設(shè)計更加簡化。在發(fā)射部分，發(fā)射信號由電容交流耦合至激光器驅(qū)動芯片信號輸入端，驅(qū)動芯片為VCSEL陣列提供調(diào)制電流、偏置電流。在接收部分，PIN陣列將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并進(jìn)行放大、限幅等處理。MCU通過IIC總線控制發(fā)射、接收驅(qū)動。

1.2.1 發(fā)射部分

在發(fā)射電路中，采用某公司的12通道16 Gb/s VCSEL驅(qū)動器。該芯片可提供最高10 mA的偏置電流和10 mA的調(diào)制電流。同時，該芯片還具有均衡、預(yù)加重功能。在實際應(yīng)用中，當(dāng)發(fā)射信號質(zhì)量很差時，為達(dá)到光纖傳輸無誤碼的要求，可通過對均衡值進(jìn)行設(shè)置來補(bǔ)償發(fā)射信號惡化對通信帶來的影響。

1.2.2 接收部分

在接收電路中采用某公司的12通道16 Gb/s接收芯片。該芯片由跨阻放大器、自動增益控制電路、限幅放大器等部分組成。電源為PIN管提供反向偏置電壓，跨阻放大器將PIN管產(chǎn)生的微弱電流信號進(jìn)行放大處理并轉(zhuǎn)換成電壓信號。自動增益控制電路可通過調(diào)節(jié)增益系數(shù)將輸出幅值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，避免輸出幅值過大對系統(tǒng)造成影響。此外，該芯片還具有預(yù)加重功能，可通過調(diào)整預(yù)加重比例改變輸出幅值大小，從而提高系統(tǒng)接收靈敏度。

1.2.3 MCU控制部分

本CXP模塊采用C8051F507單片機(jī)作為MCU。與傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機(jī)相比，該芯片具有更大的RAM，可提供更大的存儲空間滿足CXP模塊多通道大數(shù)據(jù)量的要求。MCU主要工作為：對發(fā)射、接收芯片進(jìn)行初始化配置，SFF8642標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的嵌入，ADC數(shù)據(jù)采集，flash數(shù)據(jù)的寫入與讀取，MOD_LUT、BIAS_LUT寫入，與發(fā)射、接收芯片通信以及CXP模塊與系統(tǒng)板的通信[4]。在CXP模塊實際生產(chǎn)中，將所有配置制成一個固件，模塊組裝完成后只需將該固件燒錄進(jìn)MCU，就可對模塊完成所有配置。然后，通過自制上位機(jī)軟件，可對模塊發(fā)射、接收芯片參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到最優(yōu)化的發(fā)射光眼圖和接收電眼圖。

1.3 光路部分

光路設(shè)計上采用VCSEL陣列和PIN陣列，通過點膠工藝將VCSEL陣列和PIN陣列固定在陶瓷墊片上，該陶瓷墊片則預(yù)先固定在PCB板上。由于VCSEL為垂直發(fā)光器件，為使光傳輸方向與PCB平行，采用FA耦合的方式對激光傳播方向進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)[5]。由于FA耦合精度明顯低于透鏡耦合，對FA耦合工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用有源耦合的方式提高耦合精度。

有源耦合是在耦合過程中通過自制上位軟件分別對各通道發(fā)射光功率與接收響應(yīng)電流值進(jìn)行監(jiān)控。在發(fā)射板耦合過程中，找出12通道光功率都接近最大值時的位置。同樣，在接收板上找出12通道接收響應(yīng)電流都接近最大值時的位置，然后分別進(jìn)行點膠固化[6]。該工藝可有效提高耦合精度，提高產(chǎn)品合格率。表1為CXP模塊發(fā)射、接收有源耦合數(shù)據(jù)。

表1 有源耦合數(shù)據(jù)

2 CXP模塊測試系統(tǒng)

區(qū)別于以往單通道光模塊測試系統(tǒng)，為提高CXP模塊測試效率，需優(yōu)先設(shè)計測試系統(tǒng)。CXP模塊測試系統(tǒng)如圖2所示。下面將分別對發(fā)射光眼圖與接收靈敏度測試方法進(jìn)行介紹。

2.1 發(fā)射光眼圖測試

圖中4#、5#、6#為4通道10 Gb/s誤碼儀；12#是帶10 Gb/s濾波的DCA；7#是3路18 Gb/s射頻電開關(guān)，通過切換開關(guān)依次將三臺誤碼儀trigger信號分別連接到DCA的triger輸入口；8#、9#、10#、11#是4路光開關(guān)，將12路光信號分別連接到DCA光口上。在測試模塊發(fā)射端時，插入待測模塊，通過切換光開關(guān)與射頻電開關(guān)完成對12路發(fā)射的測試。

圖2 CXP測試系統(tǒng)

2.2 接收靈敏度測試

在測試模塊接收靈敏度時，選取1只12通道發(fā)射光眼圖都合格的CXP模塊作為標(biāo)準(zhǔn)光源，經(jīng)過1#、2#、3#多模衰減器將輸出光功率進(jìn)行衰減，通過3臺10 Gb/s誤碼儀測試模塊的接收靈敏度。另外，使用熱流儀，可快速測試模塊在-20 ℃、25 ℃、70 ℃下的發(fā)射、接收性能。

3 CXP模塊性能分析

根據(jù)CXP標(biāo)準(zhǔn)要求，在10.312 Gb/s速率下，發(fā)射光眼圖應(yīng)滿足：消光比3～5 dB、發(fā)射光功率-4～+2 dBm、交叉點45%～50%。首先，在環(huán)境溫度25 ℃下，通過設(shè)置合適的調(diào)制電流、偏置電流，將發(fā)射光眼圖調(diào)整到最佳狀態(tài)。有時還需調(diào)節(jié)輸入均衡值，優(yōu)化眼圖。圖3（a）眼圖上升沿過緩，通過調(diào)節(jié)均衡參數(shù)對上升沿進(jìn)行改進(jìn)，得到圖3（b）眼圖。為保證在環(huán)境溫度-20～70 ℃下發(fā)射光眼圖都滿足要求，根據(jù)VCSEL器件在高低溫下的不同特性，設(shè)計了MOD_LUT、BIAS_LUT。模塊在運(yùn)行過程中，MCU根據(jù)環(huán)境溫度實時調(diào)整加載到VCSEL器件的調(diào)制電流、偏置電流。圖3為模塊通道1、通道2在高低溫下的眼圖。

由圖4可知，在環(huán)境溫度-20～70 ℃下，發(fā)射光眼圖形狀較好。消光比保持在3.5～4.5 dB，交叉點保持在45%～50%，光功率變化小于1.5 dBm。在10GBE 10.3125眼膜下，眼膜大于25%，說明模塊在全溫度范圍下具有良好特性，滿足CXP協(xié)議要求。

圖3 發(fā)射光眼圖

圖4 發(fā)射光眼圖

在接收端主要測試模塊接收靈敏度。實際應(yīng)用中為提高接收靈敏度，可適當(dāng)增加預(yù)加重幅值。圖5（a）接收電眼圖輸出幅值較小，眼圖張開度不夠，通過增加預(yù)加重比例，可提高電眼圖輸出幅值，從而提高接收靈敏度，改善后電眼圖如圖5（b）所示。表2為CXP模塊在10.312 Gb/s速率、231-1碼型下，-20 ℃、25 ℃、70 ℃下的接收靈敏度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，CXP模塊在環(huán)境溫度-20～70 ℃下完全可滿足100 m OM3多模光纖傳輸無誤碼要求。

圖5 接收電眼圖

4 結(jié) 語

本文對CXP模塊的光路、電路部分以及測試系統(tǒng)進(jìn)行研究和總結(jié)，并通過測試對模塊的發(fā)射、接收眼圖進(jìn)行優(yōu)化。測試結(jié)果表明，該模塊在環(huán)境溫度-20～70 ℃下，發(fā)射、接收指標(biāo)正常，能滿足100 m短距離高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的要求。

表2 接收靈敏度測試數(shù)據(jù)