CN102298401B - 一种长距离sfp+光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长距离SFP+光模块，涉及光纤通信，旨在提供一种能够降低光模块内部温度的低功耗长距离SFP+光模块，本发明的技术要点：在原有的SFP+光模块上采用EML激光器和驱动器，增加热电制冷器、APD高压控制单元及相应的温度采集电路、DA转换器，控制器单元用于控制与监测激光器驱动单元、限幅放大器单元、热电制冷器与APD高压控制单元。控制器单元分别根据光发送接口组件与光接收接口组件的工作温度控制热电制冷器与APD高压控制单元，使得光发送接口组件中的激光器的工作温度稳定，从而输出波长稳定的光信号，根据光接收接口组件的工作温度对其中的APD光电二极管的反向击穿电压进行补偿，从而提高接收灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其是一种支持长距离信号传输的SFP+光模块。
背景技术
文中技术术语解释：
ADC (Analog to Digital Converter)模拟数字转换
APC (Automatic Power Control)自动功率控制
APD (Avalanche Photo Diode)雪崩光电二极管
CWDM (Coarse wavelength division multiplexing) 稀疏波分复用
DAC (Digital to Analog Converter)数字模拟转换
DWDM (Dense wavelength division multiplexing) 密集波分复用
EML (Electroabsorption-Modulated-Laser)电吸收调制激光器
ROSA (Receiver Optical Sub-Assembly)光发模块接口组件
SFP (Small From-Factor Pluggable Plus)小型可插拔光模块
SFP+ (Small From-Factor Pluggable Plus)增强型小型可插拔光模块
TIA (Trans-Impedance Amplifier)跨阻放大器
TEC (Thermal electronic cooler)热电制冷器
SFP+ ER 传输距离大于40km的SFP+光模块
SFP+ ZR 传输距离大于70km的SFP+光模块。
SFP+光模块是在SFP光模块的基础上发展而来。为了适应更高的数据速率，SFF(Small Form Factor)委员会定义了最大支持11.1Gbps的SFP+光模块。SFP+光模块的主要技术标准为SFF-8431规范和SFF-8432规范。SFF-8431主要定义了SFP+光模块的电气接口特性，SFF-8432主要定义了SFP+光模块插座和屏蔽罩等的机械规格要求。
随着光纤通信的发展，光传输系统对光模块提出了更高的要求。光模块逐渐向小尺寸、低功耗、大容量、低成本方向发展。SFP+光模块相比更早的XFP光模块，外形要小很多。在10G速率长距离传输条件下，如SFP+ ER（40km传输距离）、SFP+ ZR（80km 传输距离）及长距离的SFP+ CWDM和DWDM模块，一般都采用带制冷器的EML激光器，功耗较大，但由于SFP+光模块体积较小，散热将是一个严重的问题。如果功耗大，热量又不能很好地散发出去，将导致SFP+光模块内部温度较高，使模块性能下降，光器件寿命减少，严重情况下将使光模块的关键器件由于温度过高而损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效降低光模块内部温度的低功耗的支持长距离信号传输的SFP+光模块：
本发明采用的技术方案是这样的：包括激光驱动器单元、限幅放大器单元、微控制器单元、电源、上位机接口电路、光发送接口组件与光接收接口组件，所述微控制器单元同时与激光驱动器单元、限幅放大器单元有信号连接，微控制器单元与上位机接口电路有信号连接，用于分别实现激光驱动器单元、限幅放大器单元的控制与监测；激光驱动器单元与上位机接口电路有信号连接，激光驱动器单元还与与光发送接口组件有信号连接；限幅放大器单元与上位机接口电路有信号连接，限幅放大器单元还与光接收接口组件有信号连接；电源用于提供微控制器单元、激光驱动器单元、限幅放大器单元、光发送接口组件与光接收接口组件的工作电源，此外还包括光发送组件温度采集电路、热电制冷器与第一DA转换器；热电制冷器具有电流控制端；热电制冷器用于给光发送组件加温或者降温；
所述光发送接口组件光温度采集电路用于采集光发送接口组件内部的温度，光发送组件温度采集电路输出的温度信号传至微控制器单元；
所述第一DA转换器的输入端与微控制器单元连接，第一DA转换器的输出端与热电制冷器的电流控制端连接。
本发明采用的附加技术方案是这样的：
优选地，所述光发送组件温度采集电路为第一直流电压源、第一热敏电阻、第一分压电阻构成的串联闭合电路，所述长距离SFP+光模块还包括第一AD转换器，所述第一AD转换器用于采集第一热敏电阻上的电压，第一AD转换器的输出端与微控制器单元连接。
优选地，所述光接收接口组件为APDTIA型光接收接口组件，且所述长距离SFP+光模块还包括光接收接口组件温度采集电路、APD高压控制单元与第二DA转换器；APD高压控制单元具有电压输入端、电压输出端；
所述光接收接口组件温度采集电路用于采集光接收接口组件内部的温度，光接收接口组件温度采集电路输出的温度信号传至微控制器单元；
所述第二DA转换器的信号输入端与微控制器单元连接，第二DA转换器的信号输出端与APD高压控制单元的电压输入端连接；APD高压控制单元的电压输出端输出的电压提供APDTIA型光接收接口组件中的APD光电二极管反向击穿电压。
优选地，所述光接收组件温度采集电路为第二直流电压源、第二热敏电阻、第二分压电阻构成的串联闭合电路，所述长距离SFP+光模块还包括第二AD转换器，所述第二AD转换器用于采集第二热敏电阻上的电压，并将第二热敏电阻上的电压信号传输至微控制器单元。
优选地，所述APD高压控制单元具有监测电流输出端，所述长距离SFP+光模块还包括第三AD转换器，所述监测电流输出端与第三AD转换器的输入端连接，第三AD转换器的输出端与微控制器单元连接。
优选地，所述激光驱动器单元、限幅放大器单元采用激光器驱动及限幅放大一体化集成芯片实现。
优选地，所述第一AD转换器、第二AD转换器与第三AD转换器集成于所述的微控制器单元上。
优选地，所述激光驱动器单元为EML激光驱动器，所述光发送接收组件中的激光器为EML激光器。
优选地，所述激光驱动器单元、限幅放大器单元采用激光器驱动及限幅放大一体化集成芯片实现。
优选地，所述上位机接口电路为20脚金手指连接器。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的电路方案采用低功耗单片收发一体的激光器驱动及限幅放大集成芯片，有效降低光模块的功耗。
2、采用温度采集电路采集光发送接口组件内部温度，微控制器单元根据温度设置热电制冷器的制冷电流，从而稳定了发送接口组件中激光器的温度，获得稳定波长的光信号。
3、本发明还针对使用APDTIA型光接收接口组件的SFP+光模块，增设了APD高压控制单元，由微控制器单元根据光接收接口组件内的温度控制APD高压控制器使其输出长距离APD二极管所需的高压。
由于APD光器件的特性是随着工作温度变化的，本发明通过检测光接收接口组件的工作温度，微控制器单元根据工作温度精确地调整APD高压控制器的输出电压，控制高压范围，从而提高了SFP+光模块的接收灵敏度，使其更好的支持长距离信号传输。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明总体系统框图。
图2是SFP+光模块光发送信号传输示意图。
图3是SFP+光模块光接收信号传输示意图。
图4是热电制冷器部分的电路结构示意图。
图5是APD高压控制单元部分的电路结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其它等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1，本发明中的SFP+光模块包括微控制器单元、电源、激光器驱动单元、限幅放大器单元、光发送接口组件、光接收接口组件，此外还增设有热电制冷器、APD高压控制单元及相应的DA转换器与AD转换器，控制器单元用于控制与监测激光器驱动单元、限幅放大器单元、热电制冷器与APD高压控制单元。
电源用以向SFP+光模块中的各个用电部件供电。SFP+光模块的电源为上位机通过20脚金手指连接器提供，利用电容控制MOS管导通的缓启动方式，在SFP+光模块接入光纤通信系统时电源缓慢上电，减少在上电瞬间容性负载对上位机的电源产生影响，同时也使本光模块可靠地上电启动；电源单元部分对电源进行滤波处理，减少电源上的干扰和噪声，并产生光发送接口组件中激光器工作所需的负压。
微控制器单元与20脚金手指连接器相连，通过I2C接口与上位机进行通信；所述激光驱动器单元、限幅放大器单元采用激光器驱动及限幅放大一体化集成芯片实现，且激光器驱动及限幅放大一体化集成芯片中的激光驱动器单元为EML激光驱动器，相应的光发送接口组件中的激光器选用EML激光器；此种激光器驱动及限幅放大一体化集成芯片相对于独立分开的激光驱动器单元、限幅放大器单元功耗大大减小。微控制器单元同时通过另外的I2C接口连接激光器驱动及限幅放大器单元，实现激光器驱动和限幅放大器单元的控制和监测。
如图2，激光驱动单元通过20脚金手指连接器接收从上位机来的高速电信号，驱动光发送接口组件的激光器发光，实现电信号到光信号的转换，激光驱动单元监视光发送模块接口组件的背光电流，进行APC自动功率控制，实现发送光功率的稳定。
所述热电制冷器采用MAX8521或者MAX8520等能够实现电热制冷作用以及具有制冷控制端的芯片实现。热电制冷器用于保持光发送接口组件中的EML激光器的工作温度恒定，具有供控制器单元控制制冷或制热程度的电流控制端；所述光发送接口组件中还设置有温度采集电路，用于采集光发送接口组件内部的温度，光发送接口组件温度采集电路输出的温度信号传至微控制器单元。微控制器单元根据光发送接口组件的工作温度设置热电制冷器的制冷或制热电流大小，微控制器单元输出的TEC电流控制信号通过DA转换器输出至热电制冷器的电流控制端连接。如图4。激光器的输出光波长会随温度而变化，本发明通过监控光发送接口组件中EML激光器的工作温度，根据SFP+光模块的相应的波长漂移要求，调整TEC的电流，使热电制冷器致热或制冷，从而使得EML激光器工作温度恒定，使输出的光波长稳定，满足SFP+ ER/ZR、CWDM或DWDM的波长要求。
所述光发送组件温度采集电路为一组直流电压源、热敏电阻、分压电阻构成的串联闭合电路（此部分在图中已省略），热敏电阻的阻值具有随温度变化而变化的特性，热敏电阻上的电压能够反映当前的温度信息，采用一AD转换器采集热敏电阻上的电压并送至微控制器单元。当微控制器单元选用集成了AD转换器的单片机时，此AD转换器不需在微控制器单元上外接，而直接由微控制器单元提供。
目前，光接收接口组件主要有两种类型，一类是PINTIA型光接收接口组件，一类是APDTIA光接收接口组件。对于APDTIA光接收接口组件，其中的APD光电二极管把接收的光信号转换成高速电信号，经过光接收接口组件中跨阻放大器放大给限幅放大器单元，限幅放大器单元放大后输出的标准的电信号，通过20脚金手指连接器输出给上位机。如图3。
本发明针对所述的APDTIA光接收接口组件，设计了APD高压控制单元，并且在光接收接口组件也设置了温度采集电路。如图5。
所述光接收组件温度采集电路为另一组直流电压源、热敏电阻、分压电阻构成的串联闭合电路，热敏电阻上的电压由一AD转换器采集后输出至微控制器单元。当微控制器单元选用集成了AD转换器的单片机时，此AD转换器不需在微控制器单元上外接，而直接由微控制器单元提供。
APD高压控制单元由升压转换器芯片实现，例如：MAX15031等具有等同作用的电路结构均可。APD高压控制单元具有电压输入端、电压输出端、监测电流输出端。
光接收接口组件光温度采集电路用于采集光接收接口组件内部的温度，光接收接口组件温度采集电路输出的温度信号传至微控制器单元；微控制器单元根据光接收接口组件的工作温度，输出适当的电压值，该电压值经过DA转换器转化为模拟量后送至APD高压控制单元的电压输入端；APD高压控制单元的电压输出端输出的电压提供APD光电二极管反向击穿电压。
APD高压控制单元的监测电流输出端输出的电流信号由另一个AD转换器采集后送至微控制器单元。当微控制器单元选用集成了AD转换器的单片机时，此AD转换器不需在微控制器单元上外接，而直接由微控制器单元提供。APD高压控制单元的监测电流输出端输出的电流信号能够反映APD光电二极管的工作电流的大小，通过所述的监测电流输出端输出的电流信号，微控制器单元能够监测光接收接口组件的接收光功率，由于APD光电二极管的特性是随着工作温度变化的，本发明通过根据光接收接口组件的工作温度，由微控制器单元进行温度补偿，精确地控制APD高压控制单元的输入电压，使提供给APD光电二极管的高压在最佳工作点上，提高光接收灵敏度。APD光电二极管的雪崩电压随工作温度变化，最佳的工作点一般在雪崩电压值减3V左右，通过监控APD的工作温度，控制器控制DAC的输出调整高压输出，使高压在全温范围内一直处在APD光电二极管的最佳工作点上。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种长距离SFP+光模块，包括激光驱动器单元、限幅放大器单元、微控制器单元、电源、上位机接口电路、光发送接口组件与光接收接口组件，所述微控制器单元同时与激光驱动器单元、限幅放大器单元有信号连接，微控制器单元与上位机接口电路有信号连接，微控制器单元用于实现激光驱动器单元、限幅放大器单元的控制与监测；激光驱动器单元与上位机接口电路有信号连接，激光驱动器单元还与光发送接口组件有信号连接；限幅放大器单元与上位机接口电路有信号连接，限幅放大器单元还与光接收接口组件有信号连接；电源用于提供微控制器单元、激光驱动器单元、限幅放大器单元、光发送接口组件与光接收接口组件的工作电源，其特征在于，还包括光发送组件温度采集电路、热电制冷器与第一DA转换器；热电制冷器具有电流控制端；热电制冷器用于给光发送组件加温或者降温；
所述光发送接口组件光温度采集电路用于采集光发送接口组件内部的温度，光发送组件温度采集电路输出的温度信号传至微控制器单元；
所述第一DA转换器的输入端与微控制器单元连接，第一DA转换器的输出端与热电制冷器的电流控制端连接；
所述光接收接口组件为APDTIA型光接收接口组件，且所述长距离SFP+光模块还包括光接收接口组件温度采集电路、APD高压控制单元与第二DA转换器；APD高压控制单元具有电压输入端、电压输出端；
所述光接收接口组件温度采集电路用于采集光接收接口组件内部的温度，光接收接口组件光温度采集电路输出的温度信号传至微控制器单元；
所述第二DA转换器的信号输入端与微控制器单元连接，第二DA转换器的信号输出端与APD高压控制单元的电压输入端连接；APD高压控制单元的电压输出端输出的电压提供APDTIA型光接收接口组件中的APD光电二极管反向击穿电压；
微控制器单元根据光接收接口组件的工作温度进行温度补偿，从而控制APD高压控制单元的输入电压，使其提供给APD光电二极管的高压在最佳工作点，所述最佳工作点为雪崩电压值减3V。
2.根据权利要求1所述的一种长距离SFP+光模块，其特征在于，所述光发送组件温度采集电路为第一直流电压源、第一热敏电阻、第一分压电阻构成的串联闭合电路，所述长距离SFP+光模块还包括第一AD转换器，所述第一AD转换器用于采集第一热敏电阻上的电压，第一AD转换器的输出端与微控制器单元连接。
3.根据权利要求1所述的一种长距离SFP+光模块，其特征在于，所述光接收接口组件温度采集电路为第二直流电压源、第二热敏电阻、第二分压电阻构成的串联闭合电路，所述长距离SFP+光模块还包括第二AD转换器，所述第二AD转换器用于采集第二热敏电阻上的电压，并将第二热敏电阻上的电压信号传输至微控制器单元。
4.根据权利要求1或者3所述的一种长距离SFP+光模块，其特征在于，所述APD高压控制单元具有监测电流输出端，所述长距离SFP+光模块还包括第三AD转换器，所述监测电流输出端与第三AD转换器的输入端连接，第三AD转换器的输出端与微控制器单元连接。
5.根据权利要求4所述的一种长距离SFP+光模块，其特征在于，所述第一AD转换器、第二AD转换器与第三AD转换器集成于所述的微控制器单元上。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种长距离SFP+光模块，其特征在于，所述激光驱动器单元为EML激光驱动器，所述光发送接口组件中的激光器为EML激光器。
7.根据权利要求6所述的一种长距离SFP+光模块，其特征在于，所述激光驱动器单元、限幅放大器单元采用激光器驱动及限幅放大一体化集成芯片实现。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种长距离SFP+光模块，其特征在于，所述上位机接口电路为20脚金手指连接器。
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