CN203590233U - 一种光模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光模块，包括用于接收光信号的光接收器、用于发射光信号的激光器和一颗至少集成有激光驱动器、接收信号限幅放大器、控制器和存储器的收发一体芯片；所述收发一体芯片分别连接所述的光接收器和激光器。本实用新型的光模块集成度高，成本低，外围器件少，为日益小型化的光模块提供了更多的布线空间，从根本上解决了传统选用独立单片机来实现数字诊断功能的诸多劣势，真正实现了发射、接收和数字诊断功能DDMI的无缝连接。
Description
技术领域
本实用新型属于光通信技术领域，具体地说，是涉及一种应用在光通信链路中用于接收和发射光信号的光模块电路结构设计。
背景技术
随着互联网技术的飞速发展，人们对网络资源的需求急速增长，对互联网提供的服务趋向多元化，而这一切的实现都需要高速的光网络作为载体。目前高速光网络的建设已成为国家意志，三网融合已成为大势所趋，丰富的网络资源在为用户提供崭新的互动娱乐方式和生活体验的同时，也为企业和商户提供着全面的服务。
随着光纤到户/小区的大规模部署和越发成熟的光网络建设，各大设备商、原料商、器件商逐鹿光通信产业，从而加剧了FTTH（Fiber To The Home ，光纤到户）产业链的商业化技术性竞争。作为光纤通信系统的核心部件——光模块，在当前世界范围内对其的海量需求，也使得光模块的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（Optical Network Unit，光网络单元）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芯片搭配低成本单片机来实现智能监控诊断功能。目前这种方案日趋成熟，各模块厂商之间产品性能质量极为接近，价格战愈演愈烈。这种多芯片方案引入了更多的引脚走线，增加了PCB板的信号层数，增加了成本，也为布线带来了困难。
同时，由于通用型单片机并非专为光模块所设计，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出现误动作等问题，这也为今后的海量应用埋下隐患。
基于以上原因，如何能够以较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光模块，利用高集成的收发一体芯片代替传统的多芯片方案，不仅简化了PCB走线，节约了空间，而且避免了传统双芯片方案之间软硬件配合出现的问题，提高了光模块的稳定性。
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：
一种光模块，包括用于接收光信号的光接收器、用于发射光信号的激光器和一颗至少集成有激光驱动器、接收信号限幅放大器、控制器和存储器的收发一体芯片；所述收发一体芯片分别连接所述的光接收器和激光器。
在所述光模块中还设置有升压电路和电流镜像器，所述升压电路产生高压，输出至电流镜像器，并通过电流镜像器传输至光接收器；所述电流镜像器镜像光接收器产生的响应电流，并进行缩放处理后输出至所述的收发一体芯片，所述收发一体芯片连接升压电路，对升压电路输出的高压幅值进行调节。
作为所述升压电路的一种优选电路组建方式，在所述升压电路中设置有场效应管、电感和整流二极管；所述场效应管的栅极接收收发一体芯片输出的控制信号，场效应管的漏极和源极连接在所述电感的一端与地之间，所述电感的另一端连接直流电源；所述整流二极管的阳极连接电感与场效应管的中间节点，阴极连接所述的电流镜像器，向电流镜像器输出高压。
优选的，所述场效应管优选采用N沟道MOS管，所述N沟道MOS的栅极连接所述的收发一体芯片，源极接地，漏极连接所述的电感和整流二极管的阳极。
进一步的，所述N沟道MOS的栅极连接收发一体芯片的脉冲信号输出端，接收收发一体芯片输出的PWM控制信号。
为了使通过升压电路输出的高压保持稳定，在所述升压电路的输出端连接有分压电路，所述分压电路对升压电路输出的高压进行分压后，输出至所述收发一体芯片的ADC接口，实现收发一体芯片对升压电路输出高压的采样检测。
为了进一步提高升压电路输出高压的稳定性，通过所述升压电路输出的高压经滤波电路处理后，输出至所述的电流镜像器。
再进一步的，所述收发一体芯片接收外部数字终端输出的发送数据，并生成偏置电流和调制电流输出至激光器，驱动激光器发射光信号；通过激光器中背光二极管产生的背光电流反馈至所述的收发一体芯片，以控制激光器的发光功率。
更进一步的，所述光接收器将接收到的光信号转换成差分信号，经由一组串联的隔直电容发送至收发一体芯片，经收发一体芯片处理后，通过另外一组串联的隔直电容，以差分信号的形式输出至外部的数字终端。
优选的，所述光模块优选为基于GPON的ONU光模块，通过I2C总线与外部的数字终端传输控制指令，通过差分信号线传输收发数据。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型通过采用高集成的收发一体芯片代替传统多芯片设计方案中的发射和接收一体芯片、单片机和存储器等独立芯片，实现传统设计中多个芯片协同完成的功能，从而只需配置简单的外围电路即可完成光模块的整体电路设计，不仅简化了PCB走线，节约了空间，降低了硬件成本，而且通过采用双闭环控制策略，在简化生产流程的同时，增加了光模块的稳定性。此外，一体化的设计避免了传统多芯片方案中芯片之间软硬件配合出现的问题，同时，专业化更具目的性的专用型芯片的使用节约了无用芯片资源的浪费，使得芯片资源的利用率最大最优化，更好地实现了光模块的发射、接收和数字诊断三大功能。
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是传统采用多芯片方案设计的光模块的内部电路原理图；
图2是本实用新型所提出的光模块的内部电路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。
在传统光模块的多芯片设计方案中，大多采用发射和接收一体芯片U1搭配低成本的单片机MCU实现智能监控和数字诊断功能。同时，对于光模块中光接收器工作所需的高压电源，也经常需要采用升压芯片配合倍压整流电路转换生成，参见图1所示。这种多芯片设计方案不仅导致电路结构的复杂化，而且芯片之间在软硬件配合方面经常会出现问题，进而导致误动作的产生，影响光模块运行的稳定性。
为了简化光模块的内部电路结构，解决传统多芯片方案所存在的芯片之间软硬件配合在应对不同应用环境时容易出现误动作的问题，本实施例提出了一种采用高集成的收发一体芯片代替传统光模块设计中的接收和发射一体芯片、单片机甚至存储器和升压芯片，完成光模块的发射、接收、智能监控和数字诊断任务的单芯片电路设计方案，通过将原本芯片间复杂的逻辑连接集成于芯片内部，从而简化了PCB走线，方便了电路板的布线设计。
本实施例的光模块采用激光器TA1、光接收器RA1和一颗收发一体芯片U2配合简单的外围电路组建而成，参见图2所示。其中，所述的收发一体芯片U2是一颗内部至少集成有激光驱动器、接收信号限幅放大器、控制器和存储器的高集成芯片，以最大限度地简化外围电路结构，减小光模块体积。由于该芯片U2具备数据处理能力，因此，无需外接单片机，即可完成目前主流光模块所要求的智能监控任务和数字诊断功能DDMI。
激光器TA1作为光模块的发射端，连接所述的收发一体芯片U2，如图2所示，在收发一体芯片U2的驱动控制下，将用户发送的数据转换成光信号耦合至光纤，通过光纤网络传送出去。
在本实施例中，优选采用内置有背光二极管的激光器TA1连接所述的收发一体芯片U2，以实现对激光驱动器输出的偏置电流Ibias的有效调节。具体来讲，将所述收发一体芯片U2连接接口电路，通过接口电路连接外部的数字终端，接收数字终端输入的发送数据。本实施例优选以差分信号的形式实现光模块与数字终端之间数据信号的双向传输，例如差分形式的发送数据TD+、TD-和差分形式的接收数据RD+、RD-，如图2所示。当用户需要发送数据时，收发一体芯片U2中的激光驱动器产生偏置电流Ibias，作用于激光器TA1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TA1中发光二极管的导通程度来改变其发光强弱，以将数据信号转变成光信号通过光纤传输出去。
在激光器TA1中，背光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Impd，反馈给激光驱动器，通过调节激光驱动器产生的偏置电流Ibias，使得检测到的偏置电流Ibias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。
在提高光功率和消光比的稳定性方面，由于激光器TA1的发光功率和消光比会受到高低温的影响，以往传统的设计方案，都是根据激光器的特性事先生成查找表，存入存储器；然后，在日后的工作过程中，根据温度的高低来调整补偿偏置电流Ibias和调制电流Imod，以期稳定光模块的光功率和消光比。但是，这种设计方案在激光器发生老化时，原来的查找表则会失效，从而无法保证光功率和消光比的稳定性。
为了实现光功率和消光比的自动控制，本实施例在光模块的发射端采用双闭环的控制策略：一方面，收发一体芯片U2会根据温度的变化，自动调整需要补偿的偏置电流Ibias和调制电流Imod，这样可以大大提高光模块的成品率和稳定性；另一方面，收发一体芯片U2实时监控调制电流Imod和背光电流Impd，当光功率或消光比下降时，驱动调制电流Imod增加；当光功率或消光比增加时，驱动调制电流Imod下降，由此来使激光器TA1始终保持恒定的输出光功率和消光比，提高光模块的稳定性。
光接收器RA1作为光模块的接收端，连接所述的收发一体芯片U2，如图2所示，将通过光纤传送过来光信号转换成电信号，输出至所述的收发一体芯片U2，通过收发一体芯片U2传输至外部的数字终端，实现数据的接收。
在本实施例中，通过光接收器RA1转换生成的电信号优选以差分信号的形式通过一组串联的隔直电容C2、C3进行隔直处理后，传输至所述的收发一体芯片U2，并经由收发一体芯片U2进行处理后，生成差分数据RD+、RD-分别经由另外一组串联的隔直电容C4、C5传输至光模块的接口电路，通过所述接口电路传输至外部的数字终端。
收发一体芯片U2通过I2C总线连接外部的数字终端，进行控制指令的双向传输。
本实施例在光模块的接收端还设置有升压电路和镜像电流源，参见图2所示。通过收发一体芯片U2生成控制信号输出至升压电路，控制升压电路生成高压HV，输出至电流镜像器。通过电流镜像器输出的高压VAPD传输至光接收器RA1，具体可以传输至光接收器RA1的响应电流输出端，为光接收器RA1的正常工作提供高压支持。在光接收器RA1中封装有雪崩光电二极管APD和跨阻抗放大器TIA，光接收器RA1通过其内部的雪崩光电二极管APD接收通过光纤输入的光信号，并产生与之对应的响应电流Ipd。所述电流镜像器镜像光接收器产生的响应电流Ipd，并对所述响应电流Ipd进行一定比例的缩放处理后，输出至所述的收发一体芯片U2。
在本实施例中，所述电流镜像器对响应电流Ipd可以按照5:1的缩小比例进行处理，然后通过其输出端输出电流Io，传输至收发一体芯片U2的模数转换接口ADC，或者通过独立的模数转换器连接收发一体芯片U2的数据接口，以实现收发一体芯片U2对输入的光信号强度的检测识别，进而产生相应的控制信号输出至升压电路，以用于对升压电路输出的高压HV的幅值进行调节。当有破坏性强光输入时，收发一体芯片U2控制升压电路降低其输出的高压HV的幅值，此时APD不能正常工作，进而实现对光接收器RA1中雪崩光电二极管APD的高压保护功能。
对于所述的升压电路，本实施例优选采用一颗场效应管Q1、一个电感L1和一个整流二极管D1连接而成，参见图2所示。将所述场效应管Q1的栅极连接收发一体芯片U2，例如收发一体芯片U2的其中一路脉冲信号输出端，接收收发一体芯片U2输出的PWM控制信号，以控制场效应管Q1的通断时序。将场效应管Q1的漏极和源极连接在所述电感L1的一端与地之间，电感L1的另一端连接直流电源Vcc。电感L1在场效应管Q1的通断控制下，将低压直流电源Vcc转换成高压交流电源，通过整流二极管D1整流后，输出直流高压HV，传送至所述的镜像电流源。
对于所述的场效应管Q1，本实施例优选采用一颗N沟道MOS管进行电路设计，如图2所示。将N沟道MOS管Q1的栅极连接收发一体芯片U2，接收收发一体芯片U2输出的PWM控制信号；将N沟道MOS管Q1的源极接地，漏极分别与电感L1和整流二极管D1的阳极对应连接，整流二极管D1的阴极连接所述的镜像电流源。
为了确保通过整流二极管D1输出的高压HV稳定，本实施例在所述整流二极管D1的阴极还连接有分压电路，例如采用分压电阻R1、R2连接而成的电阻分压网络，如图2所示。所述整流二极管D1的阴极通过串联的分压电阻R1、R2接地，通过分压电阻R1、R2对整流二极管D1输出的高压HV进行分压，以形成低幅值的采样电压传输至收发一体芯片U2的ADC接口。所述收发一体芯片U2根据接收到的采样电压调节其输出的PWM信号的占空比，以控制高压HV稳定。
为了稳定通过升压电路输出的高压HV，本实施例在所述升压电路与电流镜像器之间还设置有滤波电路，优选采用一个滤波电容C1连接在所述整流二极管D1的阴极与地之间，参见图2所示，以对高压HV进行滤波处理。
由于本实施例所选用的收发一体芯片U2除了内部集成有限幅放大器外，本身还能够输出PWM控制波形及对输出的高压HV采集实现负反馈，从而维持了高压的稳定，保证了光接收器RA1的正常运行。同时，根据探测器的特性，设置查找表，保证了光接收器RA1在不同温度下均能工作在最佳灵敏度点，使光模块达到高速率、高灵敏度的工作状态。
在接收光功率监控方面，通过镜像电流源镜像光接收器RA1的响应电流Ipd，经过镜像电流源内部采样电阻网络（将电流信号转换为电压信号）采样保持并进行低通滤波后，由收发一体芯片U2内的ADC进行转换，从而实现了百兆光模块的数字RSSI功能（即接收信号强度指示功能）。另外，温度和电压监控则可以采用收发一体芯片U2内部集成的温度传感器和内部ADC进行采集转换。
此外，传统的光模块设计方案，通过单片机MCU模拟I2C接口与发射和接收一体芯片U1进行通信，如图1所示。这种通过软件模拟I2C接口的方法不够稳定，同时MCU对芯片U1的智能控制由于I2C接口的速率瓶颈也会造成时间上的延迟，这种延迟性的控制对于工作在发射1.25G、接收2.5G速率的激光器驱动电路来说，控制反应略显滞后。而本实施例的收发一体芯片U2则可以通过芯片内部寄存器实现对激光器驱动部分的直接控制，从而达到快速控制响应的目的。这种快速控制的优势还体现在寄存器可以根据实时监控到的收发模块的温度、供电电压和激光偏置电流、调制电流的情况，来对激光器驱动部分进行及时的控制，保证光模块无故障工作。
本实施例的光模块集成度高，成本低，外围器件少，为日益小型化的光模块提供了更多的布线空间，从根本上解决了传统选用独立单片机来实现数字诊断功能的诸多劣势，真正实现了发射、接收和数字诊断功能DDMI的无缝连接。 该电路设计不仅可以应用在GPON ONU光模块中，对于应用在局端的GPON OLT(光线路终端)光模块同样适用。
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)
1.一种光模块，包括用于接收光信号的光接收器和用于发射光信号的激光器，其特征在于：还包括一颗至少集成有激光驱动器、接收信号限幅放大器、控制器和存储器的收发一体芯片；所述收发一体芯片分别连接所述的光接收器和激光器。
2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于：在所述光模块中还设置有升压电路和电流镜像器，所述升压电路产生高压，输出至电流镜像器，并通过电流镜像器传输至光接收器；所述电流镜像器镜像光接收器产生的响应电流，并进行缩放处理后输出至所述的收发一体芯片，所述收发一体芯片连接升压电路，对升压电路输出的高压幅值进行调节。
3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于：在所述升压电路中设置有场效应管、电感和整流二极管；所述场效应管的栅极接收收发一体芯片输出的控制信号，场效应管的漏极和源极连接在所述电感的一端与地之间，所述电感的另一端连接直流电源；所述整流二极管的阳极连接电感与场效应管的中间节点，阴极连接所述的电流镜像器，向电流镜像器输出高压。
4.根据权利要求3所述的光模块，其特征在于：所述场效应管为N沟道MOS管，所述N沟道MOS的栅极连接所述的收发一体芯片，源极接地，漏极连接所述的电感和整流二极管的阳极。
5.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于：所述N沟道MOS的栅极连接收发一体芯片的脉冲信号输出端，接收收发一体芯片输出的PWM控制信号。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的光模块，其特征在于：在所述升压电路的输出端连接有分压电路，所述分压电路对升压电路输出的高压进行分压后，输出至所述收发一体芯片的ADC接口。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的光模块，其特征在于：通过所述升压电路输出的高压经滤波电路处理后，输出至所述的电流镜像器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的光模块，其特征在于：所述收发一体芯片接收外部数字终端输出的发送数据，并生成偏置电流和调制电流输出至激光器，驱动激光器发射光信号；通过激光器中背光二极管产生的背光电流反馈至所述的收发一体芯片，以控制激光器的发光功率。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的光模块，其特征在于：所述光接收器将接收到的光信号转换成差分信号，经由一组串联的隔直电容发送至收发一体芯片，经收发一体芯片处理后，通过另外一组串联的隔直电容，以差分信号的形式输出至外部的数字终端。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的光模块，其特征在于：所述光模块为基于GPON的ONU光模块，通过I2C总线与外部的数字终端传输控制指令，通过差分信号线传输收发数据。
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