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展，我國成為全球光纖接入FTTx（Fiber-to-the-x）用戶最多的國家，現網無源光纖網絡PON（Passive Optical Network）的應用規模已超過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，FTTx的部署成本問題在一定程度上延緩了FTTx的大規模部署進度。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的大規模部署。

可見，降低光模塊成本變得非常重要。為了實現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個發送腳彎起比，降低了高頻損耗發送信號質量更好，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：發射部分和接收部分。發送部分由低擺幅差分接收配合突發模式的激光驅動器組成。信號通過低擺幅差分接收傳輸到突發模式的激光驅動器，進而驅動激光二極管TOSA，并同時通過監測二極管監視實際輸出的發光功率。接收部分由連續模式跨阻放大器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控（SDA IIC數據線，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]，是使用雙閉環控制，整個工作溫度范圍都可以保持消光比穩定，不需要收集很多光組件的數據（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。監控單元實時監測激光器的溫度、供電電壓、激光偏置電流、發射和接收光功率[5]。這些參數的測量，可以幫助終端在需要的時候找出光纖鏈路中發生故障的位置[6]，簡化維護工作，提高系統的可靠性；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，如果發現故障，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，可以讀兩組Y和X值，比如商業級讀60度，70度（一般關注高溫，低溫因為板子本身發熱不容易出現問題），然后列兩個等式就可以求出K，B2個未知數。

3.2 流氓終端檢測

正常終端是在指定時間發送數據，發送完畢后關閉激光器，等待下一次發送時間。流氓終端是指：當某個終端在沒有被分配的時間戳里發光，就會與其它 終端的發光信號發生沖突，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送數據，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現流氓終端問題，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光判斷是否真是流氓終端，該組合芯片TX_BRST突發控制寄存器可以關閉和打開發光；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光模塊控制系統的設計和實現[J].光通信技術,2010(9):36-38.