CN202190270U - 一种低成本的尾纤型光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低成本的尾纤型光模块，包括激光器、光电接收器和一颗集成有激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器内核的三合一芯片，所述三合一芯片分别与所述的激光器和光电接收器相连接；所述激光器和光电接收器连接尾纤的一端，所述尾纤穿出光模块的壳体，另一端与光接头相连接。本实用新型采用三合一单芯片配合光电接收器和激光器设计光模块电路，在大幅降低硬件成本的同时，简化了PCB走线，节约了模块空间，增强了光模块工作的稳定性，并且避免了传统双芯片方案之间软硬件配合出现的问题，同时更具目的性的专用型单芯片避免了芯片中无用资源的浪费，使芯片的资源利用率最优化，真正实现了发射、接收和MCU内核控制的无缝连接。

Description

一种低成本的尾纤型光模块

技术领域

本实用新型属于光通讯技术领域，具体地说，是涉及一种应用在光通信系统中的尾纤型光模块。

背景技术

目前光通信市场正处于飞速发展的阶段，随着技术的成熟和市场对带宽的需求，光纤通信系统已经开始被大规模地应用并逐步进入了千家万户。作为光纤通信系统的核心部件——光模块，其价格压力也日益增大。一些在满足光模块产品基本功能基础上的降成本方案，已经被迅速开发并替代传统的光模块解决方案。作为用户端所使用的光网络单元ONU光模块，由于世界范围内对其的海量需求，也使得其成本控制在整个光模块的研发生产过程中显得尤为重要。

具有数字诊断功能的ONU光模块是近年来市场上的主流产品，其内部硬件设计多采用发射和接收一体的芯片搭配低成本的单片机来实现智能监控诊断功能。目前这种设计方案日趋成熟，各模块厂商之间产品性能质量极为接近，价格战愈演愈烈。但是，采用这种多芯片的电路设计方案不可避免地会引入更多的引脚走线，从而必须增加光模块内部PCB板的信号层数，这样一来，不仅会使得整个光模块的硬件成本上升，也给PCB板布线带来了困难。

同时，由于通用型单片机并非专门为光模块所设计，其与发射接收一体芯片之间的软硬件配合在应对不同应用环境时经常会出现误动作等问题，从而为今后的海量应用埋下了隐患。并且，如果要满足光模块的应用，单片机最低也要8位以上、带高精度ADC和DAC、并且内置温度传感器等检测部件。目前市面上要满足以上要求的单片机选型范围较小，价格居高不下，一般需要占据整个光模块硬件成本的30%至50%（根据不同功能要求略有区别），这也给光模块低成本设计方案的提出带来了困难。

基于以上原因，如何能够以极低的硬件成本实现光模块对数字诊断功能的支持，以满足电信运营商、通信设备商大幅降低光模块成本的需求，是广大光模块开发商亟待解决的主要问题之一。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种低成本的尾纤型光模块，通过采用三合一集成芯片设计光模块电路，从而在满足光模块所要求具备的基本功能的同时，简化了电路结构，大幅降低了硬件成本。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种低成本的尾纤型光模块，包括激光器、光电接收器和一颗集成有激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器内核的三合一芯片，所述三合一芯片分别与所述的激光器和光电接收器相连接；所述激光器和光电接收器连接尾纤的一端，所述尾纤穿出光模块的壳体，另一端与光接头相连接。

进一步的，所述三合一芯片通过总线连接存储器。

优选的，所述存储器优选采用EEPROM存储器，通过I²C总线连接所述的三合一芯片。

进一步的，所述三合一芯片的偏置电流输出端和调制电流端子分别连接激光器的负端，所述激光器的正端连接直流电源。

其中，所述激光器可以采用内部仅集成有发光二极管的激光器进行电路设计，无需封装背光检测二极管，由此可以进一步降低电路成本。

为了对激光器当前是否发光进行监测，可以将所述激光器的负端连接到光模块的发光指示信号输出接口上，根据激光器负端的电平变化来判断激光器当前是否处于发光状态。

又进一步的，所述光电接收器将接收到的光信号转换成电信号，通过其差分数据输出端传输至所述的三合一芯片。

优选的，所述光电接收器的差分数据输出端通过串联的隔直电容连接所述的三合一芯片。

再进一步的，所述光电接收器根据接收到的光信号产生与之对应的响应电流，并将所述响应电流通过采样保持电路传输至所述的三合一芯片，以用于计算平均接收光功率。

更进一步的，在所述采样保持电路中包含有一电容，所述电容的正极分别与光电接收器的响应电流输出端和三合一芯片的ADC端口相连接，负极接地，对光电接收器输出的响应电流进行采样保持。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型采用三合一集成芯片配合光电接收器和激光器设计光模块电路，在大幅降低硬件成本的同时，采用单芯片的设计方案简化了PCB走线，节约了空间，增强了光模块工作的稳定性，并且避免了传统双芯片方案之间软硬件配合出现的问题，同时更具目的性的专用型单芯片避免了芯片中无用资源的浪费，使芯片的资源利用率最大最优化，真正实现了发射、接收和MCU内核控制的无缝连接。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是采用传统双芯片方案设计的光模块的一种实施例的电路原理图；

图2是本实用新型所提出的低成本光模块的一种实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

在传统的光模块电路设计中，以用户端的光网络单元ONU为例进行说明，通常都是采用双芯片的闭环设计方案，参见图1所示。其中，双芯片即指集成有激光驱动器和限幅放大器的收发一体芯片U1和具有一定数据存储容量的通用型单片机MCU。采用所述双芯片配合光电接收器PIN和激光器BOSA构成闭环控制回路，即可实现光模块对数字诊断功能的支持。

具体来讲，在进行闭环控制回路设计时，首先需要选用集成有发光二极管和背光检测二极管的激光器BOSA，通过收发一体芯片U1输出偏置电流Ibias和调制电流Imod，驱动激光器BOSA中发光二极管发光，以将用户发送的数据转换为光信号通过光纤传送至局端。为了实现发送光功率的检测，需要利用激光器BOSA中集成的背光检测二极管来检测发光二极管的发光强度。激光器BOSA中背光检测二极管根据发光二极管发出的光线强弱产生相应大小的背光电流Imd，通过由开关芯片K和储能电容C4组成的采样保持电路进行采样保持后，进而通过MCU的ADC端口进行模数转换，以提供给MCU实现对突发模式下平均发送光功率的监控及准确计算。与偏置电流Ibias相当的电流信号Bias-MON经下拉电阻R1后，转换为电压信号传输至MCU的另外一路ADC端口，进行模数转换后，以实现对偏置电流Ibias的监控校准。

为了保持稳定的平均光功率，还需要设计自动功率控制回路APC LOOP，如图1所示。所述自动功率控制回路APC LOOP利用激光器BOSA封装的背光检测二极管产生的背光电流Imd，调节激光驱动器所产生的偏置电流Ibias，使得检测到的偏置电流Ibias能够与其内部预先设置的参考电流相当，即成一定的比例关系，以提供恒定的光输出功率。

对于下行接收光功率的检测，现有的光网络单元ONU将光电接收器PIN输出的响应电流Ipd通过一采样保持电路（可以由电阻R3和电容C3并联组成）传输至MCU的另外一路ADC端口，如图1所示，以实现光网络单元ONU在连续模式下对接收光功率的精确监控。

由图1所示的双芯片闭环电路设计方案可以清楚地看出：传统的光模块电路结构复杂，需要考虑两个芯片之间软硬件的配合问题，不仅PCB布线复杂、硬件成本高，而且可选用的单片机型号较少，模块工作的稳定性差。

为了解决传统光模块电路所存在的上述缺陷，本实施例提出了一种采用三合一集成芯片设计的光模块电路，以达到简化电路设计、降低硬件成本的目的。下面通过一个具体的实施例来详细阐述所述光模块电路的具体组建结构及其工作原理。

实施例一，参见图2所示，本实施例将激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器MCU内核集成在一颗三合一芯片U2中，配合光电接收器PIN和激光器LD，采用开环控制方式组建光模块电路。其中，在所述三合一芯片U2中还可以进一步集成ADC、DAC、主从I²C控制器、温度传感器、电压参考源和振荡器等功能单元，以简化外围电路的设计。微控制器MCU内核与激光驱动电路、限幅放大电路通信，以实现对激光器驱动电路和限幅放大电路的控制和配置，同时读取需要的监控量，用于实现光模块的监控功能。

采用单芯片的开环电路设计方案不仅适用于局端的光线路终端OLT光模块，也同样适用于用户端的光网络单元ONU光模块。本实施例下面仅以ONU光模块为例进行说明。

如图2所示，三合一芯片U2通过其两个差分信号输入端连接数据接收端DATA，接收用户发出的发送或者接收控制指令以及数据信号。三合一芯片U2的偏置电流输出端和调制电流端子分别连接激光器LD的负端，所述激光器LD的正端连接直流电源VCCT。当用户需要发送数据时，三合一芯片U2中的激光驱动器首先产生偏置电流Ibias，作用于激光器LD中的发光二极管，驱动发光二极管发光。与此同时，用户发出的数据信号输入到激光驱动器，进而生成调制电流Imod调制到偏置电流Ibias上，通过控制激光器LD中发光二极管的导通程度来改变其发光强弱，进而将数据信号转变成光信号，通过光纤线缆传送至局端。

考虑到激光器的典型阈值电流在温度由低温升高到高温的过程中，激光器的阈值电流会升高大约20毫安。由于阈值电流的升高，为了保持同样的平均光功率输出，激光器的电流就需要增大；反之，如果对激光器的阈值升高不进行补偿的话，就会导致平均光功率产生很大的变化。对于光功率的补偿问题，传统的双芯片设计方案需要增加自动功率控制回路APC LOOP，形成闭环控制回路，如图1所示，利用激光器BOSA封装的背光检测二极管产生的背光电流Imd，调节激光驱动器产生的偏置电流Ibias，以达到光输出功率的恒定。而采用本实施例所提出的单芯片设计方案，则可以采用开环模式实现，即利用光功率补偿查表的方法来补偿光功率随温度变化而产生的变化，从而使得光功率在高低温的环境下都能保持恒定，避免了自动功率控制回路APC LOOP的使用，简化了电路结构。不仅如此，采用单芯片的设计方案，在选择激光器LD时，可以采用仅封装有发光二极管而无背光检测二极管的激光器元件进行电路设计，从而可以达到进一步降低硬件成本的目的。

此外，传统的双芯片设计方案采用通过MCU模拟I²C接口的方法与激光驱动器进行通信。这种通过软件模拟I²C接口的方法不够稳定，同时MCU对激光驱动器的智能控制由于I²C接口的速率瓶颈也会造成了时间延迟，这种延迟性的控制对于工作在1.25G速率的激光驱动器来说，控制反应略显滞后。而采用三合一单芯片U2的设计方案则可以通过芯片内部的MCU实现对激光驱动电路的直接控制，从而达到快速控制响应的目的。以上这种快速控制的优势还体现在MCU可以根据实时监控的收发模块的温度、供电电压和激光偏置电流的不同情况来对激光驱动电路进行及时的控制，以保证光模块的无故障运行。

而对于光模块的发光指示功能，考虑到半导体激光器LD在其发光和关断时，其负端电平会发生变化的特性，本实施例将激光器LD的负端连接光模块的发光指示信号输出接口Tx_SD，将激光器LD的负端电平变化发送至外部系统，供网络管理单元探测和使用，以指示该模块中激光器LD的工作状态。

在光信号的接收方面，光电接收器PIN通过其内部的光敏二极管接收通过光纤输入的光信号，并将光信号转换成电信号后，通过其差分数据输出端OUT 、-OUT输出。通过光电接收器PIN输出的差分数据信号各自经由一路隔直电容C1、C2隔离掉其中的直流成分后，输入到三合一芯片U2中的限幅放大电路，以对接收到的差分数据信号的幅值进行放大处理，然后输出至后续电路。

在接收光功率监控方面，光电接收器PIN通过其内部的光敏二极管接收通过光纤输入的光信号，进而产生与之对应的响应电流Ipd。将所述响应电流Ipd通过采样保持电路传输至三合一芯片U2的ADC端口，进而通过三合一芯片U2内置的模数转换器ADC转换成数字量，以提供给MCU内核实现对连续模式下平均接收光功率的监控校准。所述采样保持电路可以采用一颗与三合一芯片U2外接的电容C3配合三合一芯片U2的内置电阻组成，将电容C3的正极分别与光电接收器PIN的响应电流输出端和三合一芯片U2的所述ADC端口相连接，负极接地。利用所述电容C3在对光电接收器PIN输出的响应电流Ipd进行采样保持的同时，还可以对响应电流Ipd起到低通滤波的作用，以滤除干扰脉冲；利用三合一芯片U2的内置电阻可以将电流信号转换成电压信号，并通过对其阻值进行合理配置，以满足三合一芯片U2的ADC端口所支持的输入电平范围，并充分考虑在整个光接收动态范围内满足SFF-8472规定的精度。

在三合一芯片U2的外围需要配置一颗大容量的存储器，本实施例以EEPROM存储器为例进行说明，如图2所示，其容量可以根据需要具体选择，优选采用I²C总线的方式与三合一芯片U2连接通信。在EEPROM内部划分有程序存储区和数据存储区，三合一芯片U2中的微处理器MCU通过I²C总线从EEPROM内上载程序和传输数据，即通过一颗三合一芯片U2和一个EEPROM芯片，实现了光模块的发射、接收、数字诊断等全部功能，电路结构极为简单。

另外，对于工作温度和供电电压的监控则可以采用三合一芯片U2内部集成的温度传感器和内部ADC进行采集转换实现。

将本实施例的光模块封装成尾纤形式，将尾纤的一端连接光模块内部的光电接收器PIN和激光器LD，另一端穿出光模块的壳体，连接光接头（即用来连接光纤线缆的物理接口），进而通过光接头与外部光纤实现对接。

本实施例所提出的光模块单芯片设计方案集成度高，成本低，外围器件使用少，为日益小型化的光模块提供了更多的布线空间，从根本上解决了目前选用独立单片机来实现数字诊断功能的诸多劣势，比如价格高、可选型号少、稳定性差等，从而以简单的电路结构满足了光模块的发射、接收、数字诊断三大功能要求。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种低成本的尾纤型光模块，其特征在于：包括激光器、光电接收器和一颗集成有激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器内核的三合一芯片，所述三合一芯片分别与所述的激光器和光电接收器相连接；所述激光器和光电接收器连接尾纤的一端，所述尾纤穿出光模块的壳体，另一端与光接头相连接。

2.根据权利要求1所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：所述三合一芯片通过总线连接存储器。

3.根据权利要求2所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：所述存储器为EEPROM，通过I²C总线连接所述的三合一芯片。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：所述三合一芯片的偏置电流输出端和调制电流端子分别连接激光器的负端，所述激光器的正端连接直流电源。

5.根据权利要求4所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：在所述激光器中仅设置有发光二极管。

6.根据权利要求4所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：所述激光器的负端连接光模块的发光指示信号输出接口。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：所述光电接收器将接收到的光信号转换成电信号，通过其差分数据输出端传输至所述的三合一芯片。

8.根据权利要求7所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：所述光电接收器的差分数据输出端通过串联的隔直电容连接所述的三合一芯片。

9.根据权利要求7所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：所述光电接收器根据接收到的光信号产生与之对应的响应电流，并将所述响应电流通过采样保持电路传输至所述的三合一芯片。

10.根据权利要求9所述的低成本的尾纤型光模块，其特征在于：在所述采样保持电路中包含有一电容，所述电容的正极分别与光电接收器的响应电流输出端和三合一芯片的ADC端口相连接，负极接地。

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