一種超小型光纖收發(fā)器的設(shè)計和測試系統(tǒng)

張金輝

（江蘇奧雷光電有限公司市場技術(shù)部，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

0 引言

光纖收發(fā)器是一種將較短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行相互轉(zhuǎn)換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，在很多地方也被稱為光電轉(zhuǎn)換器（Fiber Converter）[1]。光纖收發(fā)器產(chǎn)品一般應(yīng)用于有限長度的以太網(wǎng)電纜無法覆蓋、必須使用光纖來延長傳輸距離的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中[2]。常用的光纖收發(fā)器如圖1所示，其基本形態(tài)包括電源輸入、電口（以太網(wǎng)電信號輸入輸出端口）、光口（光信號輸入輸出端口）。

圖1 光纖收發(fā)器基本形態(tài)

光纖收發(fā)器產(chǎn)品種類極為豐富，可以分成很多不同種類，比如可以分成傳輸距離20千米至120千米的單模光纖收發(fā)器和傳輸距離2千米到5千米的多模光纖收發(fā)器；也可以分成接收發(fā)送的數(shù)據(jù)在一根光纖的單纖光纖收發(fā)器和接收發(fā)送的數(shù)據(jù)在一對光纖上傳輸雙纖光纖收發(fā)器；以及按照結(jié)構(gòu)分成的桌面式（獨立式）光纖收發(fā)器和機架式（模塊化）光纖收發(fā)器。但無論怎樣分類，其工作模式均是采用一個電源輸入（無論是外置電源還是內(nèi)置電源），使用RJ-45電纜線連接以太網(wǎng)設(shè)備，將以太網(wǎng)電信號轉(zhuǎn)換成光信號，從光口輸出，在數(shù)據(jù)接收端則將光口接收到的光信號轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)電信號，通過RJ-45電纜線傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)設(shè)備，以此形成整個數(shù)據(jù)發(fā)送、接收的環(huán)路系統(tǒng)。

圖2 光纖收發(fā)器工作模式

1 超小型光纖收發(fā)器的設(shè)計

設(shè)計一款適用于新型應(yīng)用場合的超小型光纖收發(fā)器（如圖3所示），它由電接口單元、物理層轉(zhuǎn)換單元、光電轉(zhuǎn)換單元、光接口單元和電源轉(zhuǎn)換單元組成。

圖3 超小型光纖收發(fā)器

電接口單元摒棄市面上常用的RJ-45母頭電接口，采用RJ-45連接器（公頭），可以直接插入現(xiàn)有通用的以太網(wǎng)設(shè)備RJ-45端口使用，將電信號輸出和輸入。

物理層轉(zhuǎn)換單元先使用網(wǎng)口變壓器將RJ-45電接口傳入的信號進行隔離，然后使用物理層電PHY芯片將以太網(wǎng)電信號轉(zhuǎn)換成適用于光電傳輸?shù)牟罘蛛娦盘??；谑忻嫔铣Ｓ玫腉igabit以太網(wǎng)（GbE）收發(fā)器REALTEK RTL8213B-CG，相較于其他方案，這是一款相對低成本、低功耗、小封裝的物理層電PHY方案，這些特性更適用于超小型光纖收發(fā)器的設(shè)計和安裝，包含單個Gigabit以太網(wǎng)收發(fā)器，執(zhí)行10/100/1000 BASE-T標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層相關(guān)要求，支持RGMII（減少直連引腳數(shù)量的GMII）接口，支持10/100/1000 Mbps全雙工連通性和10/100 Mbps半雙工模式。

光電轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部包含兩部分內(nèi)容，分別是光發(fā)射部分和光接收部分，光發(fā)射部分主要由激光驅(qū)動器電路和激光器組成，光接收部分由光敏二極管（PIN）+互阻放大器（TIA）和限幅放大器組成，完成對數(shù)字信號透明光/電、電/光轉(zhuǎn)換的功能（如圖4所示）。激光驅(qū)動器和限幅放大器目前市面上有成熟的分立方案和集成方案可供選擇，縱觀成本、性能、應(yīng)用等因素考慮，集成方案在將來會越來越具有優(yōu)勢[3]。

圖4 光電轉(zhuǎn)換單元

光接口單元，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可使用多種不同的光纖接口（包含但不限于SC、LC、FC、ST等不同的母頭光接口，也包含帶尾纖光接口，尾纖光接口包含但不限于SC、LC、FC、ST等不同的公頭光接口），將光信號輸出和輸入，非常利于應(yīng)用現(xiàn)場的靈活安裝和布線，將光纖鏈路中的非本證衰減降到最小[4]。

電源轉(zhuǎn)換單元的功能是，將外置電源適配器的直流輸入電源轉(zhuǎn)換成內(nèi)部電路所需要的電壓，如+3.3 V。當(dāng)然也可以設(shè)計成內(nèi)置電源方案，直接將交流220 V電壓轉(zhuǎn)換成所需的目標(biāo)電壓，但這樣設(shè)計勢必導(dǎo)致整個產(chǎn)品的體積龐大。

以上各單元在設(shè)計初期就要考慮到產(chǎn)品的整體功耗和良好的散熱設(shè)計，通過低功耗方案選型，適當(dāng)減小激光器偏置電流和調(diào)制電流，通過合理的溫度查表來進行電流溫度補償，產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和導(dǎo)熱、散熱設(shè)計等措施，有效提升產(chǎn)品的工作溫度窗口，以便在客戶端一個或多個光纖收發(fā)器同時工作在極限溫度時仍能完成整個鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。

2 超小型光纖收發(fā)器的優(yōu)點

目前現(xiàn)有的光纖收發(fā)器存在體積大、笨重等問題，同時在安裝使用時必須額外使用一根RJ-45電纜來連接以太網(wǎng)設(shè)備，會產(chǎn)生較高的成本，也會對應(yīng)用現(xiàn)場的布線帶來較大影響。另外，現(xiàn)有的光纖收發(fā)器的光接口形式較為單一。

超小型光纖收發(fā)器繼承了光纖收發(fā)器的用途，并在此基礎(chǔ)上采用RJ-45連接器（公頭），可以直接插入以太網(wǎng)設(shè)備RJ-45端口，即插即用，同時將體積縮小至U盤尺寸（甚至更小），也不需要電纜線對用戶設(shè)備進行連接，在優(yōu)化信號傳輸?shù)耐瑫r，安裝、使用和維護均可降低成本，而且便捷可靠。另外，在小封裝的基礎(chǔ)上，加上其優(yōu)良的溫度特性，可以在設(shè)計和使用多個光纖收發(fā)器同時工作時令用戶非常滿意。

3 超小型光纖收發(fā)器的測試系統(tǒng)

3.1 可測試性設(shè)計

超小型光纖收發(fā)器采用可測試性設(shè)計，設(shè)計時將內(nèi)部的電接口單元、物理層轉(zhuǎn)換單元和電源轉(zhuǎn)換單元設(shè)計為一個整體，將光電轉(zhuǎn)換單元和光接口單元設(shè)計為另一個整體。兩者之間用高速電連接器可靠連接。在試制時可以分開生產(chǎn)和測試，確保各自性能合格后進行組裝，最終成品測試合格后交付。如圖5所示。

圖5 可測試性設(shè)計

3.2 測試系統(tǒng)

（1）針對光電轉(zhuǎn)換單元和光接口單元，必須搭建高效測試系統(tǒng)。基于誤碼儀、數(shù)據(jù)通信分析儀、光衰減器和光功率計等設(shè)備，可以按照圖6所示搭建測試系統(tǒng)。

圖6 光電轉(zhuǎn)換測試系統(tǒng)

（2）將誤碼儀的數(shù)據(jù)輸出接口（Data out，差分輸出）通過同軸電纜連到測試板，將被測的光電轉(zhuǎn)換單元插入測試板專用插座，用光纖連接被測產(chǎn)品的光接口單元和數(shù)據(jù)通信分析儀，測試發(fā)射端各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，如平均光功率（Po）、消光比（E.r）、交叉點（Crossing）等。如圖7所示。

圖7 發(fā)射端指標(biāo)測試

（3）將合格的發(fā)射端光信號用光纖送到光衰減器、光分路器、光功率計，然后送到被測光電轉(zhuǎn)換單元的接收端，再將測試板的數(shù)據(jù)輸出端口用同軸電纜連接到誤碼儀的數(shù)據(jù)輸入接口（Data in，可以采用差分輸入方式，也可以采用單端輸入方式）。通過調(diào)節(jié)光衰減器，可以測試得到保證系統(tǒng)要求合格誤碼率要求下的最大接收光功率（即飽和光功率），和合格誤碼率要求下的最小接收光功率（即接收靈敏度）。

（4）針對上述光電轉(zhuǎn)換單元各項測試合格后（如表1所示，必要時進行常溫、高溫、低溫的三溫性能測試），以及在確保超小型光纖收發(fā)器前端電源部分、物理層轉(zhuǎn)換部分焊接和安裝合格后，將兩部分組裝成一體。使用千兆位在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)測試儀進行丟包率測試。如圖8所示。

表1 光電轉(zhuǎn)換部分測試數(shù)據(jù)

圖8 網(wǎng)絡(luò)測試儀測試

如圖9所示，在100%速率下光纖直連和20 km盤纖測試中數(shù)據(jù)丟包率均為0%。根據(jù)不同產(chǎn)品的要求，可以安排在不同環(huán)境溫度要求下的常溫、高溫、低溫的三溫測試，以確保產(chǎn)品較高的性能要求和長期可靠性。

圖9 丟包率測試結(jié)果

4 產(chǎn)品優(yōu)化

電接口單元的優(yōu)化方向是RJ-45公頭連接器和PCB的可靠連接，必要時針對RJ-45連接器自主開模生產(chǎn)，滿足更高等級的跌落、振動等各項技術(shù)要求。電源轉(zhuǎn)換單元的優(yōu)化方向是需要提高直流電壓轉(zhuǎn)換器（DC-DC）的效率，不斷優(yōu)化光電匹配參數(shù)和嵌入式軟件的堅固性和兼容性，采用性價比更高的激光驅(qū)動器、限幅放大器、激光器以及進一步的小封裝化，甚至適應(yīng)客戶應(yīng)用時新的電源接入方式，如光電混合纜電源接入。光電轉(zhuǎn)換單元向更低成本的驅(qū)動方案優(yōu)化，必要時采用板上芯片貼裝技術(shù)（Chip On Board）進一步優(yōu)化板端設(shè)計，滿足小型化要求。

5 結(jié)束語

針對市場上現(xiàn)有的光纖收發(fā)器，本文提出了一種可滿足新型應(yīng)用場合的超小型光纖收發(fā)器的設(shè)計和測試系統(tǒng)。該光纖收發(fā)器能滿足千兆位以太網(wǎng)應(yīng)用，具有較高的可測試性設(shè)計，顯著減小產(chǎn)品的功耗和尺寸，可以滿足客戶端采用高密度組裝方式和即插即用的實際應(yīng)用需求。同時，針對超小型光纖收發(fā)器，詳細描述了各單元的測試系統(tǒng)和測試內(nèi)容，以及最終成品的網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)架構(gòu)和結(jié)果演示。