基于GN25L95的SFP光模塊方案設計

胡方衍

（武漢郵電科學研究院湖北武漢430074）

基于GN25L95的SFP光模塊方案設計

胡方衍

（武漢郵電科學研究院湖北武漢430074）

提出一種基于SEMTECH公司GN25L95芯片對于1.25G SFP（小型可插拔）光模塊設計新方案。該方案在PCBA電路上使用一片集成芯片代替傳統發射與接收分別采用獨立芯片的設計，從而降低模塊成本。為了驗證設計方案的可行性，對其隨機抽樣進行橫向比較試驗，并且與傳統方案光模塊進行對比試驗，分析其技術指標。試驗數據表明，該SFP光模塊方案能在工業溫度（-40℃～+85℃）范圍內能符合設計要求，各項性能指標與采用獨立芯片的傳統方案一致。

1.25Gb/s SFP；光模塊；GN25L95；SFF-8472

國務院2013年發布《國務院關于“印發”寬帶中國戰略及實施方案的通知》，我國寬帶網絡首次成為國家戰略性公共基礎設施。工信部為貫徹和落實國務院精神提出2015年具體目標新增光纖到戶覆蓋家庭8000萬戶，一批城市率先成為“全光網城市”；其中新增光纖到戶寬帶用戶4000萬戶，促進普通家庭上網體驗得到飛躍性提升［1］。持續高漲的FTTx建設熱潮，激發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光模塊降成本設計方案，并通過對比試驗和數據分析得出相應的可行性結論。

1　1.25G SFP光模塊的工作原理

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

1.25G SFP光模塊在內部結構上分為光發射模塊和光接收模塊。光發射模塊的作用是將從交換機或路由器接收到的數字信號轉化為特定的光信號發送到光纖鏈路中，它通常由激光器驅動電路、溫度補償電路和光發射次模塊（TOSA）組成。其中激光器驅動電路的作用是從主板（Host Board）接受的數字信號轉換為驅動激光器調制電流并提供用于驅動激光器的驅動電流；隨著溫度的變化和LD的老化，斜效率會發生變化，而溫度補償電路的作用就是對激光器發出的光的功率和消光比進行正（或負）補償［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換為數字信號發送到主板中，它通常由電流-電壓轉換電路、限幅放大電路、始終數據恢復電路（某些有）和光接收次組件（ROSA）組成。其中電流-電壓轉換電流是將光電探測器（PIN或者APD）中發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。傳統的1.25G光模塊對于發射和接收每一部分功能電路都是由獨立的芯片提供。圖1為采用傳統方案的1.25G SFP的電路構成。

區別于傳統方案，本文所提方案采用SEMTECH公司的GN25L95芯片。該芯片集成了激光驅動、限幅放大與溫度補償功能，將傳統的3片芯片合為1片，同時采用4×4 mm QFN封裝，保持了尺寸的不變。在電路設計上采用該芯片，不僅降低了光模塊的物料成本，同時也為設計更小尺寸的PCBA提供了可能。圖2為采用GN25L95芯片的方案的1.25G SFP的電路構成。

圖1　1.25G SFP光模塊傳統方案電路構成

圖2　GN25L95方案1.25G光模塊電路構成

2　SFF-8472協議簡介

SFF-8472協議定義規范了用于SFP光收發模塊的數字診斷監控接口。它的作用在于對于A0h與A2h這兩個256字節的存儲表的內存映射和定義進行了明確的規范，使得任何遵從它設計的SFP光模塊與終端設備進行互相識別，并能使得交換機或路由器能正確讀出模塊的監控信息［3］。SFF-8472定義了5種類型的基本監控值，分別為：模塊溫度、供電電壓、發射偏置電流、發射輸出光功率和接受光功率。這5個監控量對于交換機判斷整個模塊工作狀態非常重要，交換機通過讀出這5個監控量和相應的warning和alarm告警位，可以更加方便的監控模塊，同時在出現異常時能迅速定位，簡化了維護工作。而光模塊設計方將依據各自的光模塊的需求規格對這5個監控量的典型值進行合理的設定，從而有助于提供穩定的工作性能。

3　GN25L95特性與關鍵引腳定義

SEMTECH公司新近推出的GN25L95芯片結合了帶有突發模式的激光驅動器和一個用于光收發模塊的后置限幅放大器，并提供了完全兼容于SFF-8472的數字診斷監控功能。它的主要特點有［4］：

①能提供最大90 mA的偏置電流和最大85 mA的調制電流；

②提供用于完全兼容于SFF-8472的數字診斷監控功能；

③自動功率控制與自動消光比控制；

④高速的突發模式設定時間；

⑤能為APD偏執控制提供DAC轉換的電流；

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　電路設計和關鍵配置

4.1簡化的原理圖

圖4位簡化的PCB設計原理圖

4.2EEPROM寄存器配置

GN25L95提供了3種操作和配置內存接口的模式

1）內部NVM模式——使用內部NVM來存儲配置數據

2）外部EEPROM模式——使用外部EEPROM來存儲配置數據

3）外部MCU模式——使用外部MCU來存儲和處理數據

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寫入SFF-8472的數字診斷監控功能。GN25L95需要外掛一個8k bit的EEPROM，在模塊上電時，EEPROM里的數據將會載進GN25L95的易失性的寄存器中。圖5為8472協議的字節和GN25L95的用于查找表等拓展表的字節的內存地址分布圖。

4.3電源與啟動時序

GN25L95芯片有3個獨立的電源域：VCC_TX是為發送機供電，VCC_RX是為接收機供電，VCC_DIG是為數字模塊供電。VCC_TX與VCC_RX既可以在物理上直接相連也可以各自獨立供電。VCC_DIG連接VCC_RX時，需要相應的濾波網絡。但在設計電路時，因為不確定外部VCC_TX與VCC_RX是否同時上電，所以還是應該將VCC_TX與VCC_TX物理上直接相連，以保證它們的上電時序是一致的。

圖4　簡化的PCB原理圖

圖5　采用外部EEPROM的內存地址分布圖

4.4調制電流查找表LUT（Look Up Table）

在數字光纖通信中，激光器發出的調制光可以看作是光頻載波，光調制一般采用強度調制的方式。調制電路的主要功能就是為激光器提供產生光頻載波所需的調制電流，并將電信號調制到光頻載波上。調制電流的大小與消光比的大小息息相關，隨著溫度的波動，消光比會發生變化，維持消光比恒定或者在一定范圍內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本設計方案，采用查找表（LUT）模式，PCBA的EEPROM會有一片區域存儲根據不同溫度點算好的調至電流值，隨著溫度的變化，芯片會根據當前芯片算出來的上報溫度直接去找對應的溫度點的調制電流設定值，并用該值作為當前的調至電流值［5-6］。該查找表地址位于A2的高字節的Table 4。是一個128字節的存儲單元。該128個字節的查找表包含了64個溫度點的值。從-40℃到+120℃，每2.5℃一個對應的調至電流值。

5　模塊測試

1.25G 20 km SFP光模塊的設計指標為光功率典型值-6 dB，消光比典型值12，靈敏度-28 dB。

試驗中，隨機選取5只按照GN25L95方案設計的1.25G 20 km SFP光模塊和1只傳統設計方案的光模塊。將它們按照工業溫度標準（-40℃～+85℃）進行驗證。在試驗中，選取了-40℃、+25℃和+85℃這3個溫度點分別作為低溫、常溫和高溫的測試環境。在每個溫度點分別測量其發射光功率（實際值）、消光比、上報功率、偏流、靈敏度、告警點和恢復告警點。表2位試驗數據。

圖6為選取GN25L95-1模塊的測試的眼圖

表2　對比測試數據

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模塊試驗數據分析，其各項參測試數據均符合設計要求。同時將其與傳統方案的光模塊對比，可以看出各項參數相比于傳統方案并沒有異常的差異。

6　結束語

當前，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品往往有更強的競爭力。本文針對1.25G SFP光模塊提出采用GN25L95集成芯片設計方案，相較于傳統的發射與接收采用獨立芯片的方案，成本更低。而通過對比驗證試驗表明，采用GN25L95芯片的1.25G SFP光模塊的各項功能與技術指標都符合設計要求。這都將為其后期的小批量驗證（PVT）和量產（MP）提供技術基礎和依據。

［1］李群.寬帶中國升級為國家戰略明確時間表路線圖［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光模塊的設計與調試［J］.光纖光纜傳輸系統，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償技術［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。