一種低成本帶高精度數字診斷功能的sfp模塊的制作方法

專利名稱：一種低成本帶高精度數字診斷功能的sfp模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信技術，尤其是一種帶高精度數字診斷功能的SFP模塊。
背景技術：
文中縮略語解釋
APC(Automatic Power Control)自動功率控制
APD(Avalanche Photo Diode)雪崩光電二極管
BOSA(Bidirectional Optical Sub-Assembly)雙向接口組件
DDM(Digital Diagnostic Monitor)數字診斷監控
LA(Limit Amplifier) 限幅放大器
LDD(Laser Diode Driver)激光二極管驅動
MSA(Multi-Source Agreement)多源協議
PIN(Positive Intrinsic-Negative) PIN 二極管
ROSA(Receiver Optical Sub-Assembly)光接收接口組件
SFP(Small From-Factor Pluggable)小型可插拔光模塊
TIA(Trans-Impedance Amplifier)跨阻放大器
TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly)光發送接口組件
SFP是一種支持熱插拔的小型光模塊，其符合多元協議(MSA)規范，一般采用LC接口， 單纖雙向模塊有LC和SC兩種類型。SFP速率一般可高達4. 25G，廣泛地應用于數據、電信等通信領域。SFP光模塊比1X9、SFF光模塊具有支持熱插拔功能，維護方便，且體積比早期熱插拔的GBIC光模塊小一半，可以在同樣大小設備面板配置多一倍的光模塊數量，因此廣泛地應用于通信、監控、電力等各行業，實現光信號和電信號的轉換。目前市面上的SFP —般采用激光器驅動芯片及限幅放大集成芯片兩片主芯片加微處理器的設計方案。兩片式結構一般成本較高，且由于采用微處理器單元，需要軟件開發，生產中也需要燒寫程序代碼，這些都會增加設計和制造成本，且軟件的穩定性決定SFP 模塊性能的穩定性。除此之外，現有的SFP模塊還具有以下不足
1.采用獨立的激光器驅動芯片和限幅放大器芯片的方案，集成度不高，外圍器件多，光模塊成本高；
2.采用通用的微處理器，ADC—般只有纊10位，分辨率有限，實現的數字診斷的精度和范圍較低；
3.一般采用外置數字電位器或電阻、電位器的方式，進行出光參數的調整，增加了光模塊的材料成本或調試難度和一致性。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足提供一種采用單片收發一體激光器驅動與限幅放大集成芯片、具有高精度數字診斷功能(高精度數字診斷功能以下簡稱為DDM)的低成本SFP。本發明采用的技術方案是這樣的
一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，包括控制器單元、電接口單元、激光器驅動和限幅放大器單元、光發送接口組件與光接收接口組件，電接口單元用于實現控制器單元、激光器驅動和限幅放大器單元與外部電路的信號傳輸；激光器驅動和限幅放大器單元的激光驅動器部分用于通過電接口單元接收從外部電路傳來的待發送電信號，驅動光發送接口組件的激光器發光，實現電信號到光信號的轉換；光接收接口組件用于把接收的光信號轉換成電信號，輸出給激光器驅動和限幅放大器單元的限幅放大器部分，限幅放大器放大后輸出的電信號通過電接口單元傳輸給外部電路，激光驅動器部分還用于監測光發送接口組件的背光電流，對光發送接口組件進行自動功率控制，實現發送光功率的穩定；控制器單元與限幅放大器部分監測光接收接口組件的接收光功率，當接收光功率小于一定閾值時，限幅放大器部分向控制器電路與外部電路輸出接收光信號丟失指示信號。優選地，激光驅動器部分還具有自動功率控制單元、關斷控制信號輸入端、故障指示信號輸出端；所述自動功率控制單元用于采集光發送接口組件中PIN光電二極管的電流信號，并向光發送接口組件輸出偏置電流；關斷控制信號輸入端與電接口單元連接；激光驅動器部分還用于監測光發送接口組件中激光器的工作狀態，當所述激光器及激光驅動器部分出現異常時，激光驅動器部分發出故障指示信號，所述故障指示信號輸出端接至電接口單元和控制器單元；
所述控制器單元包括第一 AD采樣電路、第二 AD采樣電路；第一 AD采樣電路用于采集激光驅動器輸出的出光功率信號；第二 AD采樣電路用于采集激光驅動器輸出的偏置電流； 所述控制器單元還用于設置自動功率控制電流與調制電流大小。優選地，限幅放大器部分具有光信號丟失信號輸出端，所述光信號丟失信號輸出端接至電接口單元和控制器單元。優選地，所述控制器單元還包括第一數字電位器與第二數字電位器；第一數字電位器用于設置自動功率控制電流大小；第二數字電位器用于設置調制電流大小。優選地，在第一數字電位器與第二數字電位器上分別并聯一個電阻。優選地，所述光接收接口組件為光收發接口組件中的光接收接口組件部分；光發送接口組件為光收發接口組件中的光發送接口組件部分。優選地，所述光接收接口組件為PIN型，所述控制器單元還具有第三AD采樣電路， 光接收接口組件輸出與接收光功率成比例的鏡像電流，控制器單元的第三AD采集電路用于采集所述鏡像電流。優選地，光接收接口組件與激光器驅動和限幅放大器單元的限幅放大器部分之間接有2階貝塞爾濾波器。優選地，還具有APD高壓控制電路，所述控制器單元還具有第三AD采樣電路與DA 轉換器，所述光接收接口組件為APD型，光接收接口組件輸出與接收光功率成比例的鏡像電流，控制器單元的第三AD采樣電路用于采集所述鏡像電流，控制器單元的DA轉換器用于向APD高壓控制電路輸出控制信號。優選地，光接收接口組件與激光器驅動和限幅放大器單元的限幅放大器部分之間接有2階貝塞爾濾波器。綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是
1.采用一體化激光器驅動與限幅放大器芯片MindspeedM02095/02096，有效減少了外圍器件，降低了光模塊生產成本；
2.采用DS1856作為控制器單元，其上集成有12位ADC、兩支256步長的數字電位器， 激光器驅動與限幅放大器芯片Mindspeed M02095/02096具有自動功率控制單元與關斷控制信號輸入端，控制器與激光器驅動與限幅放大器芯片配合，實現了高精度DDM功能；
3.從而避免了控制器單元內置的數字電位器控制激光器的出光功率和消光比參數，在上電瞬間，數字電位器阻值大于1兆歐，而使激光器驅動器處在不正常的工作狀態下，本發明分別在這兩個數字電位器上各并聯一個電阻到地，這樣在上電瞬間控制激光器的出光功率和消光比參數的電阻值就不會是大于1兆歐，從而不會進入故障狀態而不發光；
4.本發明在光接收接口組件的TIA和激光器驅動和限幅放大器單元的限幅放大器部分的LA之間加了一個2階貝塞爾低通濾波器，SFP光模塊的接收靈敏度有約廣3dB的改善， 且電眼圖有明顯的改善，在成本變化不大的情況下，改善了光模塊的傳輸性能。


本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中 圖1是本發明的SFP模塊結構示意圖2是圖1中光發送部分的結構示意圖； 圖3是圖1中光接受部分的結構示意圖。
具體實施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。如圖1，本發明公開的SFP光模塊包括滿足MSA (多元協議)規范定義的20腳金手指電接口單元、控制器單元、激光器驅動和限幅放大器單元、光發送接口組件、光接收接口組件。本發明采用DS1856芯片構成控制器單元，選用Mindspeed M02095/02096芯片構
成激光器驅動和限幅放大器單元。控制器單元用以實現對激光器驅動和限幅放大器單元的控制和監測，實現符合 MSA協議的數字診斷功能(DDM)，控制器單元對外提供標準的I2C接口與外部電路通信；激光驅動器部分接收從外部電路來的高速電信號，驅動光發送接口組件的激光器發光，實現電信號到光信號的轉換，并監視光發送模塊接口組件的背光電流，進行APC自動功率控制， 實現發送光功率的穩定；光接收接口組件中的PIN或APD光電二極管把接收的光信號轉換成高速電信號，經過光接收接口組件中跨阻放大器(TIA)放大給限幅放大器部分，限幅放大器放大后輸出的標準的電信號，通過20腳金手指電接口給外部電路。
當光接收接口組件采用APD光電二極管器件的情況下，SFP模塊還包括APD高壓控制電路，APD高壓控制電路輸出APD光電二極管所需的擊穿高壓，提高光接收接口組件的靈敏度。由于APD光器件的特性是隨著工作溫度變化的，本發明在APD高壓控制單元上用熱敏電阻對高壓進行溫度補償。如圖2所示的是本發明中光發送部分的結構示意圖。從外部電路來的高速電信號從20腳金手指電接口進入到激光器驅動部分，激光器驅動器(LDD)驅動激光器發光，并監測背光PIN光電二極管的電流信號，通過激光器驅動部分中的自動功率控制單元控制發送光信號的功率穩定。當激光器二極管發光的時候，背光PIN光電二極管產生與輸出光強度成比例關系的Ipd電流。通過設置控制器電路的數字電位器Rape電阻值設定自動功率控制電流Iapc，自動功率控制單元將Ipd與自動功率控制電流Iapc進行比較。當Iapc>Ipd 時，表示激光器二極管輸出光功率小于設定功率，自動功率控制單元將通過增加偏置電流 Ibias來增加激光二極管的輸出光功率；當Iapc<Ipd時，表示激光二極管輸出光功率大于設定功率，自動功率控制單元將通過減小偏置電流rtias來減小激光二極管的輸出光功率。最終Iapc與Imd相等從而實現對輸出光功率的穩定控制。消光比定義為信號“0”時平均光功率p0和“1”時平均光功率Pl之比，在發光功率一定的情況下，消光比的大小與調制電流Imod的大小成一定關系。調整控制器單元中的另一個數字電位器Rmod的阻值來設置調制電流Imod的大小，從而設置消光比的大小。控制器內部集成了兩只數字電位器，分別用來做Rape和Rmod，各有256個步長，外部設備，如外部電路，通過I2C接口操作控制器相應的寄存器，可以精確地設置數字電位器的阻值，從而實現激光器發光功率和消光比的精確控制。避免了生產線復雜的手工調試過程。控制器單元內部集成有12位高精度的ADC電路，可以監測激光驅動器部分輸出的激光器出光功率信號和偏置電流，同時控制器單元也監測發光的故障指示信號(故障指示信號由激光器驅動部分芯片內部的安全電路根據激光器及相關電路的狀態產生)。激光器驅動部分具有關斷控制信號輸入端，關斷控制信號輸入端接至電接口單元，外部電路通過關斷控制信號輸入端控制激光器發光還是不發光。當激光器驅動部分出現故障時，將通過20腳金手指電接口單元輸出激光器故障指示信號給外部電路。本發明采用控制器內置的數字電位器控制激光器的出光功率和消光比參數，但由于此控制器內的數字電位器在上電瞬間，數字電位器阻值是大于1兆歐，這樣會有可能使激光器驅動器處在不正常的工作狀態下，驅動器內部的安全電路將輸出故障指示信號，且關斷激光器的輸出。為了避免上電瞬間由于數字電位器的原因導致光模塊不發光，本發明分別在這兩個數字電位器上各并聯一個電阻到地，這樣在上電瞬間控制激光器的出光功率和消光比參數的電阻值就不會是大于1兆歐，從而不會進入故障狀態而不發光。如圖2所示的是本發明中光接收部分的結構示意圖。對于信號接收端來說，本發明具有PINTIA和APDTIA兩種方式。當采用PINTIA方式時，PIN光電二極管把接收的光信號轉換成電信號給跨阻放大器(TIA)，跨阻放大器(TIA)輸出高速電信號給限幅放大器(LA)， 限幅放大器(LA)輸出標準的電信號給外部電路。APDTIA情況下，需要APD高壓控制電路提供給APD所需的擊穿高壓，其它工作原理基本與PINTIA相同。本發明采用的電路支持Vpd和Isource兩種方式的光接收接口組件(ROSA)，Vpd方式的R0SA，需要采用單獨的鏡像電流源用于監測接收光功率的大小，而 Isource的ROSA，自身就輸出鏡像電流用于接收功率監測。鏡像電流源輸出與PIN或APD 的工作電流成一定比例關系的鏡像電流，此電流與接收光功率成比例關系。控制器單元通過12位的ADC監測PIN或APD的鏡像電流源輸出的鏡像電流的大小來來監測接收光功率的大小。當控制器單元發現接收光功率大小低于門限值時，限幅放大器部分將輸出光信號丟失信號給外部電路和控制器。外部電路通過I2C接口可以訪問接收光功率和接收光信號狀態。為了改善接收信號的質量，本發明在跨阻放大器(TIA)和限幅放大器(LA)之間加了一個2階貝塞爾低通濾波器，針對不同的接收速率，濾波器電路參數選擇不同。通過仿真計算和實驗，增加濾波器后，本發明的SFP光模塊的接收靈敏度有約廣3dB的改善，且電眼圖有明顯的改善，在成本變化不大的情況下，改善了光模塊的傳輸性能。本發明采用的控制器內部還集成有溫度傳感器和電壓監測電路，通過內部12位的ADC，實現高精度的溫度和工作電壓監測。本發明采用的控制器的電路架構，實現了工作溫度、工作電壓、接收光功率、發送光功率、偏置電流等模擬量的精確監測，同時也實現激光器故障、接收信號丟失等狀態的監視及控制，對外提供標準的I2C接口用于外部電路對光模塊的訪問和控制，滿足SFF-8472 要求。當采用BOSA時(取代TOSA和R0SA)，本方案也支持單纖雙向的SFP模塊，根據BOSA 的接口，又可以分為LC單纖雙向SFP模塊和SC單纖雙向SFP模塊。本發明并不局限于前述的具體實施方式
。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
1.一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，包括控制器單元、電接口單元、激光器驅動和限幅放大器單元、光發送接口組件與光接收接口組件，電接口單元用于實現控制器單元、激光器驅動和限幅放大器單元與外部電路的信號傳輸；激光器驅動和限幅放大器單元的激光驅動器部分用于通過電接口單元接收從外部電路傳來的待發送電信號，驅動光發送接口組件的激光器發光，實現電信號到光信號的轉換；光接收接口組件用于把接收的光信號轉換成電信號，輸出給激光器驅動和限幅放大器單元的限幅放大器部分，限幅放大器放大后輸出的電信號通過電接口單元傳輸給外部電路，其特征在于，激光驅動器部分還用于監測光發送接口組件的背光電流，對光發送接口組件進行自動功率控制，實現發送光功率的穩定；控制器單元與限幅放大器部分監測光接收接口組件的接收光功率，當接收光功率小于一定閾值時，限幅放大器部分向控制器電路與外部電路輸出接收光信號丟失指示信號。
2.根據權利要求1所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于， 激光驅動器部分還具有自動功率控制單元、關斷控制信號輸入端、故障指示信號輸出端；所述自動功率控制單元用于采集光發送接口組件中PIN光電二極管的電流信號，并向光發送接口組件輸出偏置電流；關斷控制信號輸入端與電接口單元連接；激光驅動器部分還用于監測光發送接口組件中激光器的工作狀態，當所述激光器及激光驅動器部分出現異常時， 激光驅動器部分發出故障指示信號，所述故障指示信號輸出端接至電接口單元和控制器單元；所述控制器單元包括第一 AD采樣電路、第二 AD采樣電路；第一 AD采樣電路用于采集激光驅動器輸出的出光功率信號；第二 AD采樣電路用于采集激光驅動器輸出的偏置電流；所述控制器單元還用于設置自動功率控制電流與調制電流大小。
3.根據權利要求1或2所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于，限幅放大器部分具有光信號丟失信號輸出端，所述光信號丟失信號輸出端接至電接口單元和控制器單元。
4.根據權利要求2所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于， 所述控制器單元還包括第一數字電位器與第二數字電位器；第一數字電位器用于設置自動功率控制電流大小；第二數字電位器用于設置調制電流大小。
5.根據權利要求4所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于， 在第一數字電位器與第二數字電位器上分別并聯一個電阻。
6.根據權利要求4所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于， 所述光接收接口組件為光收發接口組件中的光接收接口組件部分；光發送接口組件為光收發接口組件中的光發送接口組件部分。
7.根據權利要求6所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于， 所述光接收接口組件為PIN型，所述控制器單元還具有第三AD采樣電路，光接收接口組件輸出與接收光功率成比例的鏡像電流，控制器單元的第三AD采集電路用于采集所述鏡像電流。
8.根據權利要求1或6或7所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于，光接收接口組件與激光器驅動和限幅放大器單元的限幅放大器部分之間接有2 階貝塞爾濾波器。
9.根據權利要求6所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于， 還具有APD高壓控制電路，所述控制器單元還具有第三AD采樣電路與DA轉換器，所述光接收接口組件為APD型，光接收接口組件輸出與接收光功率成比例的鏡像電流，控制器單元的第三AD采樣電路用于采集所述鏡像電流，控制器單元的DA轉換器用于向APD高壓控制電路輸出控制信號。
10.根據權利要求9所述的一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，其特征在于，光接收接口組件與激光器驅動和限幅放大器單元的限幅放大器部分之間接有2階貝塞爾濾波器。
全文摘要
本發明公開了一種低成本帶高精度數字診斷功能的SFP模塊，涉及光纖通信技術領域。旨在提供一種滿足SFF-8472中規定的數字診斷功能的低成本SFP模塊。本發明的技術要點在于采用激光器驅動和限幅放大器集成的單芯片，并配合控制器單元實現了高精度數字診斷功能。在光接收接口組件與激光器驅動和限幅放大器單元的限幅放大器部分之間接入濾波器來提高模塊的靈敏度及信號質量。在控制器單元的數字電位器的引腳上采用外加電阻的方式避免出現上電不發光的故障問題。本發明可以用于LC單纖雙向SFP模塊、SC單纖雙向SFP模塊及LC雙纖SFP模塊。
文檔編號H04B10/24GK102299746SQ20111019005
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者宛明, 黃小雷 申請人:成都新易盛通信技術有限公司