CN102299746B - 一种低成本带高精度数字诊断功能的sfp模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，涉及光纤通信技术领域。旨在提供一种满足SFF-8472中规定的数字诊断功能的低成本SFP模块。本发明的技术要点在于：采用激光器驱动和限幅放大器集成的单芯片，并配合控制器单元实现了高精度数字诊断功能。在光接收接口组件与激光器驱动和限幅放大器单元的限幅放大器部分之间接入滤波器来提高模块的灵敏度及信号质量。在控制器单元的数字电位器的引脚上采用外加电阻的方式避免出现上电不发光的故障问题。本发明可以用于LC单纤双向SFP模块、SC单纤双向SFP模块及LC双纤SFP模块。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术，尤其是一种带高精度数字诊断功能的SFP模块。
背景技术
文中缩略语解释
APC (Automatic Power Control)自动功率控制
APD (Avalanche Photo Diode)雪崩光电二极管
BOSA (Bidirectional Optical Sub-Assembly)双向接口组件
DDM (Digital Diagnostic Monitor) 数字诊断监控
LA (Limit Amplifier) 限幅放大器
LDD (Laser Diode Driver) 激光二极管驱动
MSA (Multi-Source Agreement)多源协议
PIN (Positive Intrinsic-Negative) PIN二极管
ROSA (Receiver Optical Sub-Assembly)光接收接口组件
SFP (Small From-Factor Pluggable)小型可插拔光模块
TIA (Trans-Impedance Amplifier)跨阻放大器
TOSA (Transmitter Optical Sub-Assembly)光发送接口组件
SFP是一种支持热插拔的小型光模块，其符合多元协议（MSA）规范，一般采用LC接口，单纤双向模块有LC和SC两种类型。SFP速率一般可高达4.25G，广泛地应用于数据、电信等通信领域。
SFP光模块比1×9、SFF光模块具有支持热插拔功能，维护方便，且体积比早期热插拔的GBIC光模块小一半，可以在同样大小设备面板配置多一倍的光模块数量，因此广泛地应用于通信、监控、电力等各行业，实现光信号和电信号的转换。
目前市面上的SFP一般采用激光器驱动芯片及限幅放大集成芯片两片主芯片加微处理器的设计方案。两片式结构一般成本较高，且由于采用微处理器单元，需要软件开发，生产中也需要烧写程序代码，这些都会增加设计和制造成本，且软件的稳定性决定SFP模块性能的稳定性。除此之外，现有的SFP模块还具有以下不足：
1.采用独立的激光器驱动芯片和限幅放大器芯片的方案，集成度不高，外围器件多，光模块成本高；
2.采用通用的微处理器，ADC一般只有8~10位，分辨率有限，实现的数字诊断的精度和范围较低；
3.一般采用外置数字电位器或电阻、电位器的方式，进行出光参数的调整，增加了光模块的材料成本或调试难度和一致性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种采用单片收发一体激光器驱动与限幅放大集成芯片、具有高精度数字诊断功能（高精度数字诊断功能以下简称为DDM）的低成本SFP。
本发明采用的技术方案是这样的：
一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，包括控制器单元、电接口单元、激光器驱动和限幅放大器单元、光发送接口组件与光接收接口组件，电接口单元用于实现控制器单元、激光器驱动和限幅放大器单元与外部电路的信号传输；激光器驱动和限幅放大器单元的激光驱动器部分用于通过电接口单元接收从外部电路传来的待发送电信号，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；光接收接口组件用于把接收的光信号转换成电信号，输出给激光器驱动和限幅放大器单元的限幅放大器部分，限幅放大器放大后输出的电信号通过电接口单元传输给外部电路，激光驱动器部分还用于监测光发送接口组件的背光电流，对光发送接口组件进行自动功率控制，实现发送光功率的稳定；控制器单元与限幅放大器部分监测光接收接口组件的接收光功率，当接收光功率小于一定阈值时，限幅放大器部分向控制器电路与外部电路输出接收光信号丢失指示信号。
优选地，激光驱动器部分还具有自动功率控制单元、关断控制信号输入端、故障指示信号输出端；所述自动功率控制单元用于采集光发送接口组件中PIN光电二极管的电流信号，并向光发送接口组件输出偏置电流；关断控制信号输入端与电接口单元连接；激光驱动器部分还用于监测光发送接口组件中激光器的工作状态，当所述激光器及激光驱动器部分出现异常时，激光驱动器部分发出故障指示信号，所述故障指示信号输出端接至电接口单元和控制器单元；
所述控制器单元包括第一AD采样电路、第二AD采样电路；第一AD采样电路用于采集激光驱动器输出的出光功率信号；第二AD采样电路用于采集激光驱动器输出的偏置电流；
所述控制器单元还用于设置自动功率控制电流与调制电流大小。
优选地，限幅放大器部分具有光信号丢失信号输出端，所述光信号丢失信号输出端接至电接口单元和控制器单元。
优选地，所述控制器单元还包括第一数字电位器与第二数字电位器；第一数字电位器用于设置自动功率控制电流大小；第二数字电位器用于设置调制电流大小。
优选地，在第一数字电位器与第二数字电位器上分别并联一个电阻。
优选地，所述光接收接口组件为光收发接口组件中的光接收接口组件部分；光发送接口组件为光收发接口组件中的光发送接口组件部分。
优选地，所述光接收接口组件为PIN型，所述控制器单元还具有第三AD采样电路，光接收接口组件输出与接收光功率成比例的镜像电流，控制器单元的第三AD采集电路用于采集所述镜像电流。
优选地，光接收接口组件与激光器驱动和限幅放大器单元的限幅放大器部分之间接有2阶贝塞尔滤波器。
优选地，还具有APD高压控制电路，所述控制器单元还具有第三AD采样电路与DA转换器，所述光接收接口组件为APD型，光接收接口组件输出与接收光功率成比例的镜像电流，控制器单元的第三AD采样电路用于采集所述镜像电流，控制器单元的DA转换器用于向APD高压控制电路输出控制信号。
优选地，光接收接口组件与激光器驱动和限幅放大器单元的限幅放大器部分之间接有2阶贝塞尔滤波器。
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.采用一体化激光器驱动与限幅放大器芯片Mindspeed M02095/02096，有效减少了外围器件，降低了光模块生产成本；
2.采用DS1856作为控制器单元，其上集成有12位ADC、两支256步长的数字电位器，激光器驱动与限幅放大器芯片Mindspeed M02095/02096具有自动功率控制单元与关断控制信号输入端，控制器与激光器驱动与限幅放大器芯片配合，实现了高精度DDM功能；
3.从而避免了控制器单元内置的数字电位器控制激光器的出光功率和消光比参数，在上电瞬间，数字电位器阻值大于1兆欧，而使激光器驱动器处在不正常的工作状态下，本发明分别在这两个数字电位器上各并联一个电阻到地，这样在上电瞬间控制激光器的出光功率和消光比参数的电阻值就不会是大于1兆欧，从而不会进入故障状态而不发光；
4.本发明在光接收接口组件的TIA和激光器驱动和限幅放大器单元的限幅放大器部分的LA之间加了一个2阶贝塞尔低通滤波器，SFP光模块的接收灵敏度有约1~3dB的改善，且电眼图有明显的改善，在成本变化不大的情况下，改善了光模块的传输性能。
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是本发明的SFP模块结构示意图；
图2是图1中光发送部分的结构示意图；
图3是图1中光接受部分的结构示意图。
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，均可被其他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，本发明公开的SFP光模块包括满足MSA（多元协议）规范定义的20脚金手指电接口单元、控制器单元、激光器驱动和限幅放大器单元、光发送接口组件、光接收接口组件。
本发明采用DS1856芯片构成控制器单元，选用Mindspeed M02095/02096芯片构成激光器驱动和限幅放大器单元。
控制器单元用以实现对激光器驱动和限幅放大器单元的控制和监测，实现符合MSA协议的数字诊断功能（DDM），控制器单元对外提供标准的I2C接口与外部电路通信；激光驱动器部分接收从外部电路来的高速电信号，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，并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；光接收接口组件中的PIN或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（TIA）放大给限幅放大器部分，限幅放大器放大后输出的标准的电信号，通过20脚金手指电接口给外部电路。
当光接收接口组件采用APD光电二极管器件的情况下，SFP模块还包括APD高压控制电路，APD高压控制电路输出APD光电二极管所需的击穿高压，提高光接收接口组件的灵敏度。由于APD光器件的特性是随着工作温度变化的，本发明在APD高压控制单元上用热敏电阻对高压进行温度补偿。
如图2所示的是本发明中光发送部分的结构示意图。从外部电路来的高速电信号从20脚金手指电接口进入到激光器驱动部分，激光器驱动器（LDD）驱动激光器发光，并监测背光PIN光电二极管的电流信号，通过激光器驱动部分中的自动功率控制单元控制发送光信号的功率稳定。当激光器二极管发光的时候，背光PIN光电二极管产生与输出光强度成比例关系的Ipd电流。通过设置控制器电路的数字电位器Rapc电阻值设定自动功率控制电流Iapc，自动功率控制单元将Ipd与自动功率控制电流Iapc进行比较。当Iapc>Ipd时，表示激光器二极管输出光功率小于设定功率，自动功率控制单元将通过增加偏置电流Ibias来增加激光二极管的输出光功率；当Iapc<Ipd时，表示激光二极管输出光功率大于设定功率，自动功率控制单元将通过减小偏置电流Ibias来减小激光二极管的输出光功率。最终Iapc与Imd相等从而实现对输出光功率的稳定控制。
消光比定义为信号“0”时平均光功率p0和 “1”时平均光功率p1之比，在发光功率一定的情况下，消光比的大小与调制电流Imod的大小成一定关系。调整控制器单元中的另一个数字电位器Rmod的阻值来设置调制电流Imod的大小，从而设置消光比的大小。
控制器内部集成了两只数字电位器，分别用来做Rapc和Rmod，各有256个步长，外部设备，如外部电路，通过I2C接口操作控制器相应的寄存器，可以精确地设置数字电位器的阻值，从而实现激光器发光功率和消光比的精确控制。避免了生产线复杂的手工调试过程。
控制器单元内部集成有12位高精度的ADC电路，可以监测激光驱动器部分输出的激光器出光功率信号和偏置电流，同时控制器单元也监测发光的故障指示信号（故障指示信号由激光器驱动部分芯片内部的安全电路根据激光器及相关电路的状态产生）。
激光器驱动部分具有关断控制信号输入端，关断控制信号输入端接至电接口单元，外部电路通过关断控制信号输入端控制激光器发光还是不发光。当激光器驱动部分出现故障时，将通过20脚金手指电接口单元输出激光器故障指示信号给外部电路。
本发明采用控制器内置的数字电位器控制激光器的出光功率和消光比参数，但由于此控制器内的数字电位器在上电瞬间，数字电位器阻值是大于1兆欧，这样会有可能使激光器驱动器处在不正常的工作状态下，驱动器内部的安全电路将输出故障指示信号，且关断激光器的输出。为了避免上电瞬间由于数字电位器的原因导致光模块不发光，本发明分别在这两个数字电位器上各并联一个电阻到地，这样在上电瞬间控制激光器的出光功率和消光比参数的电阻值就不会是大于1兆欧，从而不会进入故障状态而不发光。
如图2所示的是本发明中光接收部分的结构示意图。对于信号接收端来说，本发明具有PINTIA和APDTIA两种方式。当采用PINTIA方式时，PIN光电二极管把接收的光信号转换成电信号给跨阻放大器（TIA），跨阻放大器（TIA）输出高速电信号给限幅放大器（LA），限幅放大器（LA）输出标准的电信号给外部电路。
APDTIA情况下，需要APD高压控制电路提供给APD所需的击穿高压，其它工作原理基本与PINTIA相同。本发明采用的电路支持Vpd和Isource两种方式的光接收接口组件（ROSA），Vpd方式的ROSA，需要采用单独的镜像电流源用于监测接收光功率的大小，而Isource的ROSA，自身就输出镜像电流用于接收功率监测。镜像电流源输出与PIN或APD的工作电流成一定比例关系的镜像电流，此电流与接收光功率成比例关系。控制器单元通过12位的ADC监测PIN或APD的镜像电流源输出的镜像电流的大小来来监测接收光功率的大小。
当控制器单元发现接收光功率大小低于门限值时，限幅放大器部分将输出光信号丢失信号给外部电路和控制器。外部电路通过I2C接口可以访问接收光功率和接收光信号状态。
为了改善接收信号的质量，本发明在跨阻放大器（TIA）和限幅放大器（LA）之间加了一个2阶贝塞尔低通滤波器，针对不同的接收速率，滤波器电路参数选择不同。通过仿真计算和实验，增加滤波器后，本发明的SFP光模块的接收灵敏度有约1~3dB的改善，且电眼图有明显的改善，在成本变化不大的情况下，改善了光模块的传输性能。
本发明采用的控制器内部还集成有温度传感器和电压监测电路，通过内部12位的ADC，实现高精度的温度和工作电压监测。
本发明采用的控制器的电路架构，实现了工作温度、工作电压、接收光功率、发送光功率、偏置电流等模拟量的精确监测，同时也实现激光器故障、接收信号丢失等状态的监视及控制，对外提供标准的I2C接口用于外部电路对光模块的访问和控制，满足SFF-8472要求。
当采用BOSA时（取代TOSA和ROSA），本方案也支持单纤双向的SFP模块，根据BOSA的接口，又可以分为LC单纤双向SFP模块和SC单纤双向SFP模块。
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 (9)
1. 一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，包括控制器单元、电接口单元、激光器驱动和限幅放大器单元、光发送接口组件与光接收接口组件，电接口单元用于实现控制器单元、激光器驱动和限幅放大器单元与外部电路的信号传输；激光器驱动和限幅放大器单元的激光驱动器部分用于通过电接口单元接收从外部电路传来的待发送电信号，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；光接收接口组件用于把接收的光信号转换成电信号，输出给激光器驱动和限幅放大器单元的限幅放大器部分，限幅放大器放大后输出的电信号通过电接口单元传输给外部电路，其特征在于，激光驱动器部分还用于监测光发送接口组件的背光电流，对光发送接口组件进行自动功率控制，实现发送光功率的稳定；控制器单元与限幅放大器部分监测光接收接口组件的接收光功率，当接收光功率小于一定阈值时，限幅放大器部分向控制器电路与外部电路输出接收光信号丢失指示信号；
激光驱动器部分还具有自动功率控制单元、关断控制信号输入端、故障指示信号输出端；所述自动功率控制单元用于采集光发送接口组件中PIN光电二极管的电流信号，并向光发送接口组件输出偏置电流；关断控制信号输入端与电接口单元连接；激光驱动器部分还用于监测光发送接口组件中激光器的工作状态，当所述激光器及激光驱动器部分出现异常时，激光驱动器部分发出故障指示信号，所述故障指示信号输出端接至电接口单元和控制器单元；
所述控制器单元包括第一AD采样电路、第二AD采样电路；第一AD采样电路用于采集激光驱动器输出的出光功率信号；第二AD采样电路用于采集激光驱动器输出的偏置电流；
所述控制器单元还用于设置自动功率控制电流与调制电流大小；
其中，自动功率控制单元将光发送接口组件中PIN光电二极管的电流信号Ipd与自动功率控制电流Iapc进行比较；
当Iapc>Ipd时，表示激光器二极管输出光功率小于设定功率，自动功率控制单元将通过增加偏置电流Ibias来增加激光二极管的输出光功率；当Iapc<Ipd时，表示激光二极管输出光功率大于设定功率，自动功率控制单元将通过减小偏置电流Ibias来减小激光二极管的输出光功率。
2. 根据权利要求1所述的一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，其特征在于，限幅放大器部分具有光信号丢失信号输出端，所述光信号丢失信号输出端接至电接口单元和控制器单元。
3. 根据权利要求2所述的一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，其特征在于，所述控制器单元还包括第一数字电位器与第二数字电位器；第一数字电位器用于设置自动功率控制电流大小；第二数字电位器用于设置调制电流大小。
4. 根据权利要求3所述的一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，其特征在于，在第一数字电位器与第二数字电位器上分别并联一个电阻。
5. 根据权利要求3所述的一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，其特征在于，所述光接收接口组件为光收发接口组件中的光接收接口组件部分；光发送接口组件为光收发接口组件中的光发送接口组件部分。
6. 根据权利要求5所述的一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，其特征在于，所述光接收接口组件为PIN型，所述控制器单元还具有第三AD采样电路，光接收接口组件输出与接收光功率成比例的镜像电流，控制器单元的第三AD采集电路用于采集所述镜像电流。
7. 根据权利要求1或5或6所述的一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，其特征在于，光接收接口组件与激光器驱动和限幅放大器单元的限幅放大器部分之间接有2阶贝塞尔滤波器。
8. 根据权利要求5所述的一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，其特征在于，还具有APD高压控制电路，所述控制器单元还具有第三AD采样电路与DA转换器，所述光接收接口组件为APD型，光接收接口组件输出与接收光功率成比例的镜像电流，控制器单元的第三AD采样电路用于采集所述镜像电流，控制器单元的DA转换器用于向APD高压控制电路输出控制信号。
9. 根据权利要求8所述的一种低成本带高精度数字诊断功能的SFP模块，其特征在于，光接收接口组件与激光器驱动和限幅放大器单元的限幅放大器部分之间接有2阶贝塞尔滤波器。
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