CN116388877A - 一种光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光模块，包括电源电路、电接口电路、驱动集成电路、微控制器、56G光探测器和56G激光器，所述电源电路用于给整个光模块提供电源，所述56G光探测器和56G激光器分别与驱动集成电路连接，所述驱动集成电路与电接口电路连接，所述微控制器与驱动集成电路连接。所述微控制器用于控制驱动集成电路的运行实现数字诊断和自动光功率控制。所述光探测器包括PD和TIA，光探测器用于接收光信号，经过PD和TIA放大后输出高速电压信号，TIA集成VGC电路自动增益可调，微控制器与光探测器连接，用于控制光探测器的输出增益大小。本发明提供了一种采用PAM4调制方式、高带宽、低功耗、高速率9.83～53.125Gbps传输速率、低成本、高可靠性的光模块，应用于5G前传光模块。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种光模块。
背景技术
随着5G演进，针对未来即将部署的更高通道 Massive MIMO、U6G频段、5G毫米波基站等场景，若天线数和空口带宽进一步增加，运营商需要扩展更多的端口、消耗更多的光纤来应对，加大了5G大规模部署的难度。通过将单通道速率从25Gbps升级到50Gbps，可以节省50%端口，为前传带宽的进一步提升创造了灵活性。50GbpsPAM4是未来以太网高速互连接口的技术方向，是ICT产业升级的推进器，具有非常广阔的市场应用前景,单通道56Gbps PAM4调制 SFP56小封装、低功耗高性能、高可靠性、低成本光模块在移动前传中的应用将成为挑战。
随着穿戴式设备、智能家居、车联网、物联网、自动驾驶、高清视频等大规模商用，将带来大量人与物、物与物的连接，从而形成更广阔和开放的物联网世界。为满足日益增长的带宽需求和人们的生活方式，更高的连接带宽需求被提出。 随着光通信行业的发展，对SFP(Small Form-factor Pluggables，小型热插拔)类的产品需求是越来越多，SFP 光模块是符合 MSA 协议定义的小型可热插拔光模块，它在光通信系统中提供双向数据传输的功能，5G时代将会大规模采用56G光模块，目前50G SFP56 LR方案和产业链已经成熟，随着后续发展以及光纤资源分配， 5G无线通信下一代前传方案，对于光模块解决方案需求速率需要达到56G，采用SFP56小型化封装，满足工业级应用，传输距离100m（多模）~10km（单模2~10km）。由于5G基站建设密度大，为满足5G前传网络在不同应用场景和不同建设阶段的需求。
5G部署初期，三大运营商将BBU集中，降低机房资源需求，从而实现快速规模部署。但集中式无线接入网（CRAN）场景对主干光纤消耗较大，业界相应提出基于25Gb/s的6波CWDM、12波LWDM/MWDM、48波DWDM等波分复用方案以收敛节约光纤资源。随着5G演进，后续版本（Rel17/Rel 18）的重点将在Sub 10GHz、毫米波等频段上展开，若天线数和空口带宽进一步增加，将需要56Gb/s及更高速率的光模块来满足前传带宽需求。
为了全面支撑运营商的5G业务拓展，基于单通道的56G PAM4技术可以更好的适配5G对网络成本以及性能的诉求，构筑从接入，汇聚到核心网的最优解决方案。低成本的56GSFP56 PAM4 模块将更好的与现有设备适配，成为前期5G承载网中接入层的最佳选择。
5G网络部署主流运营商主要采用6GHz频段，eCPRI接口数据压缩后光模块速率为25Gbps，不同运营商建网的频谱不同，前传光模块6或12只组网。由于5G中长期应用需求将推动前传速率进一步提升，根据PHY芯片和光芯片演进趋势，初步认为56G速率将最有可能成为下一代前传的解决方案；同时，基站对于密度和功耗一直以来是最看重的因素之一，56G SFP56及50GBSAE DSFP被公认为最优的光模块解决方案。为此，为满足客户对5G前传下一代产品的需求，需开发一款符合客户要求的产品。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的至少一种缺陷，提供了一种光模块。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种光模块，包括电源电路、电接口电路、驱动集成电路、BIAS-T驱动电路、微控制器、光探测器和激光器，所述电源电路用于给整个光模块提供电源，所述光探测器和激光器分别与驱动集成电路连接，所述驱动集成电路与电接口电路连接，所述微控制器与驱动集成电路连接。
进一步地，所述驱动集成电路包括接收时钟恢复电路、发射时钟恢复电路、限幅放大电路、激光驱动电路，所述发射时钟恢复电路的输入端与电接口电路连接，所述发射时钟恢复电路的输出端与激光驱动电路的输入端连接，所述激光驱动电路的输出端与激光器连接，所述接收时钟恢复电路的输入端与光探测器连接，所述接收时钟恢复电路的输出端与限幅放大电路的输入端连接，所述限幅放大电路的输出端与电接口电路连接。
进一步地，所述接收时钟恢复电路与光探测器之间设有EQ均衡电路，所述EQ均衡电路的输入端与光探测器连接，EQ均衡电路的输出端与接收时钟恢复电路的输入端连接，所述EQ均衡电路用于对光探测器输出的电压信号进行滤波，对高频信号补偿后，输出给接收时钟恢复电路，所述接收时钟恢复电路用于对电压信号进行整形再生恢复后输出给限幅放大电路，所述限幅放大电路用于对信号进行放大和限幅输出。
进一步地，所述发射时钟恢复电路与电接口电路之间设有CTLE均衡电路，所述CTLE均衡电路的输入端与电接口电路连接，CTLE均衡电路的输出端与发射时钟恢复电路的输入端连接。
进一步地，激光驱动电路经差分交流耦合后BIAS-T电路驱动与第一柔性PCB将放大调制后的信号输出到激光器。
进一步地，光探测器经第二柔性PCB将电压信号输出给接收时钟恢复电路。
进一步地，所述电源电路的输入端与电接口电路连接，通过电接口电路输入供电电压，所述电源电路包括第一电源管理电路和第二电源管理电路，所述第一电源管理电路用于将输入的供电电压降压成第一电压给接收时钟恢复电路、发射时钟恢复电路供电；所述第二电源管理电路用于将输入的供电电压降压成第二电压给激光器驱动电路以及BIAS-T驱动电路供电。
进一步地，第一电源管理电路和第二电源管理电路均采用DC-DC降压电路。
进一步地，所述微控制器用于控制驱动集成电路的运行实现数字诊断和自动光功率控制。
进一步地，所述激光驱动电路与激光器间采用交流耦合方式连接，且激光驱动电路设置于激光器外部。
进一步地，所述激光驱动电路的正极输出端与激光器的正极直接连接，所述激光驱动电路的负极输出端一端与AC耦合电容C2的一端连接，AC耦合电容C2的另一端与激光器的负极连接，所述激光器的正极连接有第一BIAS-T电路，激光器的负极连接有第二BIAS-T电路，所述激光驱动电路的负极输出端连接有第三BIAS-T电路。
进一步地，所述第一BIAS-T电路包括电阻R1、电容C3以及电感L3，电感L3的一端与激光器的正极直接连接或电感L3的一端与激光器的正极之间串联至少一个电感，电感L3的另一端与电容C3的一端以及第二电压连接，电容C3的另一端接地，电阻R1并联在电感L3的两端；所述第二BIAS-T电路包括电感L5和电阻R2，电感L5的一端与激光器的负极直接连接或电感L5的一端与激光器的负极之间串联至少一个电感，电感L5的另一端与恒流源连接，所述恒流源与微控制器连接，通过微处理器控制调节恒流源电流为激光器提供大小可调偏置电流，电阻R2并联在电感L5的两端；所述第三BIAS-T电路包括电感L8和电阻R3、电容C4，电感L8的一端与激光驱动电路的负极输出端直接连接或电感L8的一端与激光驱动电路的负极输出端之间串联至少一个电感，电感L8的另一端与电容C4的一端以及第二电压连接，电容C4的另一端接地，电阻R3并联在电感L8的两端。
电容C4的两端并联有电容C5。
进一步地，所述光探测器包括PD和TIA，光探测器用于接收光信号，经过PD和TIA放大后输出高速电压信号，TIA集成VGC电路自动增益可调，微控制器与光探测器连接，用于控制光探测器的输出增益大小。
进一步地，所述光探测器包括25G PD和56G 高带宽线性TIA，所述激光器采用56G高带宽激光器。
本发明至少具有如下有益效果：本发明通过采用第一电源管理电路和第二电源管理电路分别对CDR时钟恢复电路以及激光器驱动电路电压进行管理，第一电源管理电路给CDR供电实现低功耗驱动，保证对时钟数据信号质量整形恢复，第二电源管理电路降压后的输出电压对激光驱动电路以及BIAS-T驱动电路供电，从而为激光调制器提供足够的headroom，保证高频信号传输不被损耗，并加强高频信号对驱动电路隔离度，以及高速传输线路和终端激光器阻抗连续性，保证电路工作在良好的偏置电压下，同时保持更低功耗。
激光驱动电路与激光器间采用交流耦合方式连接，采用此方式，在传输线上对外围偏置T行电路调节，从而保证了传输线上特性阻抗连续。
高速PD和TIA对微弱光信号转换成电信号，电信号经过TIA跨阻放大器放大后，TIA集成VGC电路自动增益可调，并可通过MCU控制输出增益大小，经过柔性PCB输出给CDR，并能够保证信号在传输中获得良好的信号完整性，CDR集成均衡对TIA和柔性PCB高速信号进行高频损耗补偿以及内部集成12抽头FFE线性均衡对高速模拟信号进行补偿整形恢复，并经过限幅放大器功能使输出高速信号质量和幅度一致，保证高速链路传输质量。
所述发射时钟恢复电路与电接口电路之间设有CTLE均衡电路，所述CTLE均衡电路的输入端与电接口电路连接，CTLE均衡电路的输出端与发射时钟恢复电路的输入端连接。经过均衡CTLE、FFE电路后的信号质量有明显改善。
本发明提供了一种低功耗、小封装、9.8～53.125Gbps传输速率的采用PAM4调制技术光模块，以能用于56G以太网和5th Generation 无线网络基站5G前传、中传的方案建设。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的 56G SFP56 PAM4光模块的原理框图；
图2为本发明一种实施例提供的 56G SFP56 LR 10km PAM4光模块内部控制功能框图；
图3为本发明一种实施例提供的激光驱动电路与激光器之间的电路图；
图4为本发明另一种实施例提供的激光驱动电路与激光器之间的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
面向下一代5G前传无线接入光网络低成本、高速率、低功耗、小封装56G SFP56PAM4 LR光模块研发需求，本发明提供了一种应用于5G前传下一代56G SFP56 LR 10kmPAM4（4Pulse Amplitude Modulation：4脉冲幅度调制）调制可热插拔小型化封装光模块，需要采用SFP56封装，LC接口类型，传输距离达到2~10km，支持-40~85℃工业温度应用，整体功耗小于2W。50G SFP56 LR产品为下一代5G建设无线使用光模块，本发明采用PAM4调制方式、高带宽、低功耗、小封装、高速率9.83～53.125Gbps传输速率、低成本、高可靠性，应用于5G前传光模块。
本发明提供了一种低功耗、小封装、9.8～53.125Gbps传输速率的采用PAM4调制技术光模块，以能用于56G以太网和5th Generation 无线网络基站5G前传、中传的方案建设。
参见图1和图2，本发明实施例提供一种56G SFP56 封装的LR 10km光模块，包括电源电路、电接口电路(金手指)、驱动集成电路、BIAS-T驱动电路、微控制器、光探测器和激光器，所述电源电路用于给整个光模块提供电源，所述光探测器和激光器分别与驱动集成电路连接，所述驱动集成电路与电接口电路连接，所述微控制器与驱动集成电路连接，所述微控制器用于控制驱动集成电路的运行实现数字诊断和自动光功率控制（APC:Automaticpower control）。
进一步地，所述驱动集成电路为CDR/DSP驱动集成电路。
进一步地，所述光探测器包括25G PD（Photo diode）和56G 高带宽线性TIA（跨阻放大器），所述激光器采用56G高带宽激光器。
进一步地，所述驱动集成电路包括接收时钟恢复电路、发射时钟恢复电路、限幅放大电路、激光驱动电路，所述发射时钟恢复电路的输入端与电接口电路连接，所述发射时钟恢复电路的输出端与激光驱动电路的输入端连接，所述激光驱动电路的输出端与激光器连接，所述接收时钟恢复电路的输入端与光探测器连接，所述接收时钟恢复电路的输出端与限幅放大电路的输入端连接，所述限幅放大电路的输出端与电接口电路连接。
进一步地，所述光探测器包括PD和TIA，光探测器用于接收光信号，经过PD和TIA放大后输出高速电压信号，TIA集成VGC电路自动增益可调，微控制器与光探测器连接，用于控制光探测器的输出增益大小。
进一步地，所述接收时钟恢复电路与光探测器之间设有EQ均衡电路，所述EQ均衡电路的输入端与光探测器连接，EQ均衡电路的输出端与接收时钟恢复电路的输入端连接，光探测器接收到光信号，经过PD和TIA放大后输出高速电压信号到EQ均衡电路，所述EQ均衡电路用于对光探测器输出的电压信号进行滤波，对高频信号补偿后，输出给接收时钟恢复电路，所述接收时钟恢复电路对输入信号进行时钟恢复，进行数据整形后输出给下级接收限幅放大电路进行信号放大和限幅输出，输出单通道9.8～53.125Gbps的高速电信号。
进一步地，所述发射时钟恢复电路或者DSP数字信号处理器电路输出信号经过激光驱动电路放大，驱动56G激光器发光，从而使56激光器输出调制光信号，所述光信号速率为9.8～53.125Gbps。
进一步地，所述发射时钟恢复电路与电接口电路之间设有CTLE均衡电路，所述CTLE均衡电路的输入端与电接口电路连接，CTLE均衡电路的输出端与发射时钟恢复电路的输入端连接。
进一步地，所述发射时钟恢复电路或者DSP数字信号处理器电路，输出信号经过激光驱动电路放大，驱动56G激光器发光，从而使56G激光器输出带调制光信号，所述光信号速率为9.8～53.125Gbps。
进一步地，激光驱动电路经AC耦合电路和BIAS-T驱动电路，到达第一柔性PCB将放大调制后的信号输出到激光器。
进一步地，光探测器经第二柔性PCB将电压信号输出给接收时钟恢复电路，能够保证信号在传输中获得良好的信号完整性。
进一步地，所述电源电路的输入端与电接口电路连接，通过电接口电路输入供电电压，所述电源电路包括第一电源管理电路和第二电源管理电路，所述第一电源管理电路用于将输入的供电电压降压成第一电压给接收时钟恢复电路、发射时钟恢复电路供电；所述第二电源管理电路用于将输入的供电电压降压成第二电压给激光器驱动电路供电。第一电源管理电路和第二电源管理电路分与微控制器连接。所述第一电源管理电路降压后对CDR时钟恢复单元电路进行供电，保证低功耗、低纹波输出，以及时钟信号低干扰；所述第二电源管理降压电路，对56G激光器驱动电路以及BIAS-T驱动电路进行供电，降低供电电压同时，降低模块功耗和发热，增强模块可靠性，第二电源管理电路降压后的输出电压对激光驱动电路供电该电路通过微处理实现实时可调输出电压，从而为不同激光调制器提供足够的headroom，保证电路工作在良好的偏置电压下，并增强驱动电路高频信号隔离度，保证高频传输信号质量不被损耗，增加激光器兼容性。
所述电接口电路为SFI接口。本实施例的SFI接口输入供电电压为3.3V，所述第一电源管理电路将输入电压3.3V降低到1.6V对CDR时钟恢复电路供电，降低光模块整体功耗。所述第二电源管理电路将输入电压3.3V降低到2.3V或者不同激光器需要的电压，对激光驱动电路和BIAS-T驱动电路供电。
进一步地，第一电源管理电路和第二电源管理电路均采用DC-DC降压电路。
在本实施例中，为了获得足够好的光信号输出质量，在接收时钟恢复电路与56G光探测器间采用柔性PCB连接，如此就能够保证信号在传输中获得良好的信号完整性；所述发射时钟恢复电路连接有激光驱动电路，所述激光驱动电路连接56G激光器，激光驱动电路放置于56G激光器的外部，增强散热同时，降低激光器的功耗，保证了光芯片优良的热性能。为了保证传输线上良好的特性阻抗，设计中需要保证传输线上各点的阻抗连续，需减少传输线上分离元件的数量，在本实施例中，所述激光驱动电路与56G激光器间采用极简交流耦合方式实现信号驱动，减少一路偏置T型电路，采用此方式，在传输线上降低分离元件同时，减少高频信号损耗和外界干扰，保证了传输线上特性阻抗连续，激光驱动电路与高速激光器TOSA通过柔性PCB连接，柔性PCB高速信号焊盘阻抗和信号完整性需要保证，以及使用热压焊和TO底座焊接焊盘对齐和压合会直接影响信号的质量，在生产焊接工艺上必须控制。
所述电接口电路为标准的SFI接口，所述电信号通过电接口、CTLE均衡电路输入到发射时钟恢复电路，再由激光驱动电路经柔性PCB将放大调制后的信号输出到56G激光器；所述56G光探测器接收到光信号后经过高性能、高带宽、低噪声和暗电流的高速光电二极管（PD）转换为电信号，电信号经过线性跨阻放大器（TIA）放大(微弱电流信号转换为电压信号)，且所述光探测器TIA具备高增益高线性度输出，通过外部微处理可以自动控制输出增益，放大电压信号经柔性PCB将电信号传输到GN2255 RX EQ均衡电路经过滤波，对高频信号补偿后，输入到接收时钟恢复电路，对信号整形再生回复，然后输出限幅放大电路，再由输出到SFP电接口电路给单板BBU RRU侧。
所述第一电源管理电路降压后对CDR时钟恢复单元电路进行供电，保证低功耗、低纹波输出，以及时钟信号低干扰；所述第二电源管理降压电路，对56G激光器驱动电路进行供电，降低供电电压同时，降低模块功耗和发热，增强模块可靠性。
进一步地，激光器发射组件的MPD、LDchip可贴片区域范围大，直接贴于TO底座立柱、TO底座底部、以及侧方，相互独立，不会影响各自的贴片位置，且随着温度和湿度以及外部机械振动等不会产生干涉位移，也不影响耦合光路，可靠性更高。
其中激光器发射组件包括TO底座，所述TO底座上设有第一凸台，LDchip固定在第一凸台的侧壁，MPDchip固定在TO底座的上端面上。
进一步地，MPDchip可以固定在TO底座上设有的第二凸台的上端面。
进一步地，所述激光驱动电路与激光器间采用交流耦合方式连接，且激光驱动电路设置于激光器外部。
一种实施例为：参见图3，所述激光驱动电路的正极输出端一端与AC耦合电容C1的一端连接，AC耦合电容C1的另一端与激光器的正极连接，所述激光驱动电路的负极输出端一端与AC耦合电容C2的一端连接，AC耦合电容C2的另一端与激光器的负极连接，所述激光器的正极连接有第一BIAS-T电路1，激光器的负极连接有第二BIAS-T电路2，所述激光驱动电路的负极输出端连接有第三BIAS-T电路3，所述激光驱动电路的正极输出端连接有第四BIAS-T电路4。
所述第一BIAS-T电路包括电阻R1、电容C3以及电感L3，电感L3的一端与激光器的正极直接连接或电感L3的一端与激光器的正极之间串联至少一个电感，电感L3的另一端与电容C3的一端以及第二电压连接，电容C3的另一端接地，电阻R1并联在电感L3的两端；所述第二BIAS-T电路包括电感L5和电阻R2，电感L5的一端与激光器的负极直接连接或电感L5的一端与激光器的负极之间串联至少一个电感，电感L5的另一端与恒流源连接，所述恒流源与微控制器连接，通过微处理器控制调节恒流源电流为激光器提供大小可调偏置电流，电阻R2并联在电感L5的两端；所述第三BIAS-T电路包括电感L8和电阻R3、电容C4，电感L8的一端与激光驱动电路的负极输出端直接连接或电感L8的一端与激光驱动电路的负极输出端之间串联至少一个电感，电感L8的另一端与电容C4的一端以及第二电压连接，电容C4的另一端接地，电阻R3并联在电感L8的两端。电容C4的两端并联有电容C5。所述第四BIAS-T电路包括电感L11和电阻R4、电容C6，电感L11的一端与激光驱动电路的正极输出端直接连接或电感L11的一端与激光驱动电路的正极输出端之间串联至少一个电感，电感L11的另一端与电容C6的一端以及第二电压连接，电容C6的另一端接地，电阻R4并联在电感L11的两端。电容C6的两端并联有电容C7。
另一种针对上述实施例优化后的方案为：参见图4，所述激光驱动电路的正极输出端与激光器的正极直接连接，所述激光驱动电路的负极输出端一端与AC耦合电容C2的一端连接，AC耦合电容C2的另一端与激光器的负极连接，所述激光器的正极连接有第一BIAS-T电路1，激光器的负极连接有第二BIAS-T电路2，所述激光驱动电路的负极输出端连接有第三BIAS-T电路3。
进一步地，所述第一BIAS-T电路包括电阻R1、电容C3以及电感L3，电感L3的一端与激光器的正极直接连接或电感L3的一端与激光器的正极之间串联至少一个电感，电感L3的另一端与电容C3的一端以及第二电压连接，电容C3的另一端接地，电阻R1并联在电感L3的两端；所述第二BIAS-T电路包括电感L5和电阻R2，电感L5的一端与激光器的负极直接连接或电感L5的一端与激光器的负极之间串联至少一个电感，电感L5的另一端与恒流源连接，所述恒流源与微控制器连接，通过微处理器控制调节恒流源电流为激光器提供大小可调偏置电流，电阻R2并联在电感L5的两端；所述第三BIAS-T电路包括电感L8和电阻R3、电容C4，电感L8的一端与激光驱动电路的负极输出端直接连接或电感L8的一端与激光驱动电路的负极输出端之间串联至少一个电感，电感L8的另一端与电容C4的一端以及第二电压连接，电容C4的另一端接地，电阻R3并联在电感L8的两端。电容C4的两端并联有电容C5。
进一步地，所述第一BIAS-T电路包括电感L1、电感L2、电感L3和电阻R1、电容C3，电感L1的一端与激光器的正极连接，电感L1的另一端与电感L2的一端连接，电感L2的另一端与电感L3的一端连接，电感L3的另一端与电容C3的一端以及第二电压连接，电容C3的另一端接地，电阻R1并联在电感L3的两端；所述第二BIAS-T电路包括电感L4、电感L5和电阻R2，电感L4的一端与激光器的负极连接，电感L4的另一端与电感L5的一端连接，电感L5的另一端与恒流源连接，电阻R2并联在电感L5的两端；所述第三BIAS-T电路包括电感L6、电感L7、电感L8和电阻R3、电容C5、电容C4，电感L6的一端与激光驱动电路的负极输出端连接，电感L6的另一端与电感L7的一端连接，电感L7的另一端与电感L8的一端连接，电感L8的另一端与电容C4的一端以及第二电压连接，电容C4的另一端接地，电阻R3并联在电感L8的两端，电容C5并联在电容C4的两端。BIAS-T 提供偏置电流所需要直流偏置电压，偏流流过激光器LD+、LD-到达sink端最终流入集成驱动电路恒流源。通过微处理器控制调节恒流源电流为激光器提供大小可调偏置电流，让激光器即使在温度变化时也能维持发光稳定。
本发明在差分交流耦合电路中可以将差分AC耦合双电容C1\C2（如图3所示）改为去掉正极C1 AC耦合电容，在负极使用AC耦合电容（如图4所示），负极高速差分线直连单电容方式，而且还可以将四路BIAS-T电路优化合并为三路，电路元器件减少，降低了PCB布局难度以及高速差分线焊盘过孔过多带来阻抗不连续，引起高速差分线反射带来影响，采用优化后的实施方案，在传输线上可以通过调整三级BIAS-T电路阻容感元器件特性，匹配更多种类以及低带宽激光器，使得模块激光驱动器兼容性更强，并降低了整体的光模块成本。并且第二电源管理电路通过微处理实时监控温度可调输出，提升激光器Headroom同时，降低驱动电压同时降低模块整体功耗。
综上所述，本发明提供了一种5G前传下一代56G SFP56 LR 10km PAM4调制光模块，具有低功耗、小封装、9.83～53.125Gbps传输速率的PAM4调制光模块，用于50G以太网和下一代5th Generation 无线网络基站5G前传、中传光模块。激光驱动电路与56G激光器间采用交流耦合方式连接，且激光驱动电路设置于激光器外部。通过先进电磁仿真和高速信号完整性链路仿真模型库建立，可以通过仿真和实践相结合方式，调整高速信号线上过冲、振铃、反射进行优化，从而保证了传输线上特性阻抗连续。接收时钟恢复电路与25G光探测器间采用柔性PCB连接，能够保证信号在传输中获得良好的信号完整性，加上先进整机热管理技术和电磁兼容技术，保证56GSFP56 PAM4 LR光模块低功耗、长距离、高可靠性传输要求。
本发明主要为满足客户对5G前传下一代产品的需求，提前进行方案设计验证，把握关键技术的发展趋势，为下一代主打产品提早布局。本发明主要研究56G 产品采用SFP56封装基于CDR技术或者DSP技术及DML激光器，实现传输距离达到2~10km的PAM信号传输，支持-40~85℃工业温度应用，整体功耗小于2W。
本发明采用DML以及CDR方案56G SFP56 PAM4 LR光模块具有如下优点或有益效果：
基于自研国产化56G PAM4 DML激光器高速光组件封装技术
TO封装耦合设备成本低，代工成本低：典型的发射光组件封装高速链路主要由FPC、高速 RF 管脚、RF 管脚与过渡块邦定线、陶瓷过渡块、陶瓷与芯片绑定线及光电芯片组成，由于内部较为复杂的三维连接特性，存在较多的不连续连接部分，阻抗连续性及射频特性需要仔细地仿真优化。共用现有25G同轴灰光的5 pin TO底座和封装工艺以及设备，创新性的降低了新增设备成本和夹具开模成本，并使用批量的Submount,射频性能已经经过验证优化，信号完整性得以保证，降低产品开发周期。
TO封装工艺简单、COC贴片精度范围宽、TO成品良率高、可靠性高：PD、LDchip可贴片区域范围大，直接贴于TO底座立柱顶部、TO底座底部、以及侧方，相互独立，不会影响各自的贴片位置，且随着温度和湿度以及外部机械振动等不会产生干涉位移，也不影响耦合光路，可靠性更高。减少COC转接板共晶以及TEC、热敏电阻贴片、45°反射镜贴片、点胶、烘烤固化、温循和老化流程，TO生产效率提升50%，成品良率提升10%，达到99%。
TOSA耦合测试工序简单：采用目前海量发货25G 灰光同轴工艺，工艺简单、加工方便、减少了TEC和热敏电阻合规性测试工序，生产效率提高20%，良率提升10%，可靠性得到市场检验，5G前传灰光模块目前已经批量发货1000万pcs未出现可靠性质量事故，高可靠性，市场使用风险更低。
(2)高速 PAM4光模块的系统级信号完整性优化技术
PAM4 信号相比 NRZ 信号相邻电平更加靠近，眼图裕量小，对信噪比容限要求高，对链路信号完整性有更为苛刻的要求。在利用自研国产化光芯片替代进口芯片过程中，建立器件、芯片和PCB通道模型，建立了支撑材料的模型库，评估特性，减弱材料玻纤效应影响，选择工艺与铜箔，保证良好的信号传输质量，完成无源链路仿真分析和传输线的低通滤波效应,传输线的辐射，色散，谐振等的分析库，完成有源链路建模分析。从系统层面对无源链路和有源链路进行联合优化，实现高质量的高速 PAM4 信号收发，经过均衡CTLE、FFE电路后的信号质量有明显改善。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应用于5G下一代前传和以太网56G SFP56 LRPAM4光模块，对于光模块激光器TO采用气密封装原理以及电源管理控制算法和激光器控制驱动电路以及BIAS-T AC耦合创新电路、电磁兼容仿真、信号完整性仿真技术、以及先进热流体分析、磁热互耦、热致应力管理技术受本专利保护，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光模块，其特征在于：包括电源电路、电接口电路、驱动集成电路、微控制器、光探测器和激光器，所述电源电路用于给整个光模块提供电源，所述光探测器和激光器分别与驱动集成电路连接，所述驱动集成电路与电接口电路连接，所述微控制器与驱动集成电路连接。
2.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：所述驱动集成电路包括接收时钟恢复电路、发射时钟恢复电路、限幅放大电路、激光驱动电路，所述发射时钟恢复电路的输入端与电接口电路连接，所述发射时钟恢复电路的输出端与激光驱动电路的输入端连接，所述激光驱动电路的输出端与激光器连接，所述接收时钟恢复电路的输入端与光探测器连接，所述接收时钟恢复电路的输出端与限幅放大电路的输入端连接，所述限幅放大电路的输出端与电接口电路连接。
3.如权利要求2所述的光模块，其特征在于：所述接收时钟恢复电路与光探测器之间设有EQ均衡电路，所述EQ均衡电路的输入端与光探测器连接，EQ均衡电路的输出端与接收时钟恢复电路的输入端连接，所述EQ均衡电路用于对光探测器输出的电压信号进行滤波，对高频信号补偿后，输出给接收时钟恢复电路，所述接收时钟恢复电路用于对电压信号进行整形再生恢复后输出给限幅放大电路，所述限幅放大电路用于对信号进行放大和限幅输出。
4.如权利要求2所述的光模块，其特征在于：所述发射时钟恢复电路与电接口电路之间设有CTLE均衡电路，所述CTLE均衡电路的输入端与电接口电路连接，CTLE均衡电路的输出端与发射时钟恢复电路的输入端连接。
5.如权利要求2所述的光模块，其特征在于：激光驱动电路经第一柔性PCB将放大调制后的信号输出到激光器；光探测器经第二柔性PCB将电压信号输出给接收时钟恢复电路。
6.如权利要求2所述的光模块，其特征在于：所述电源电路的输入端与电接口电路连接，通过电接口电路输入供电电压，所述电源电路包括第一电源管理电路和第二电源管理电路，所述第一电源管理电路用于将输入的供电电压降压成第一电压给接收时钟恢复电路、发射时钟恢复电路供电；所述第二电源管理电路用于将输入的供电电压降压成第二电压给激光器驱动电路供电。
7.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：所述激光驱动电路与激光器间采用交流耦合方式连接，且激光驱动电路设置于激光器外部。
8.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：所述激光驱动电路的正极输出端与激光器的正极直接连接，所述激光驱动电路的负极输出端一端与AC耦合电容C2的一端连接，AC耦合电容C2的另一端与激光器的负极连接，所述激光器的正极连接有第一BIAS-T电路，激光器的负极连接有第二BIAS-T电路，所述激光驱动电路的负极输出端连接有第三BIAS-T电路。
9.如权利要求8所述的光模块，其特征在于：所述第一BIAS-T电路包括电阻R1、电容C3以及电感L3，电感L3的一端与激光器的正极直接连接或电感L3的一端与激光器的正极之间串联至少一个电感，电感L3的另一端与电容C3的一端以及第二电压连接，电容C3的另一端接地，电阻R1并联在电感L3的两端；所述第二BIAS-T电路包括电感L5和电阻R2，电感L5的一端与激光器的负极直接连接或电感L5的一端与激光器的负极之间串联至少一个电感，电感L5的另一端与恒流源连接，所述恒流源与微控制器连接，通过微处理器控制调节恒流源电流为激光器提供大小可调偏置电流，电阻R2并联在电感L5的两端；所述第三BIAS-T电路包括电感L8和电阻R3、电容C4，电感L8的一端与激光驱动电路的负极输出端直接连接或电感L8的一端与激光驱动电路的负极输出端之间串联至少一个电感，电感L8的另一端与电容C4的一端以及第二电压连接，电容C4的另一端接地，电阻R3并联在电感L8的两端。
10.如权利要求1所述的光模块，其特征在于：所述光探测器包括PD和TIA，光探测器用于接收光信号，经过PD和TIA放大后输出高速电压信号，TIA集成VGC电路自动增益可调，微控制器与光探测器连接，用于控制光探测器的输出增益大小。
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