原创极端温度10G光模块的设计

 2008-10-31 09:59  2231 8 8 分类: 通信

极端温度10G光模块的设计

作者：Matthew Dru

尽管2.5Gbit/s和1/2/4Gbit/s光通模块已经能应用在温度范围很宽的环境（通常是-20℃至+85℃）中了，但10Gbit/s模块却落在了后面。
在如此宽的温度范围内使用如此高速率的光模块的需求是显而易见的。线路卡密度已经增加到80Gbit/s，10Gbit/s线速率正逐渐接近环境不易控制的本地接入点。此外，新的可插拔收发器多源协议（MSA），如XFP，对温度适应能力提出了更高的要求。

这三个因素促使器件制造商开发具有更宽温度（-20℃至+85℃）性能的10Gbit/s模块。然而，同时满足环境温度和传输速率要求的技术最近才出现。

在更宽温度下

EML与DML的比较

对于单模光纤1310nm短距离（10km）传输系统，无制冷直接调制激光器（DML）是种很好的选择。分布反馈（DFB）DML尤其受欢迎，它们在短距离传输，特别是10Gbit/s以太网中成功应用了很长一段时间。

然而，如果让DML应用在更宽温度下或达到SONET的性能，则存在很大的挑战。所有DML的光电转换曲线（L-I曲线）都会随着温度和时间改变。这种效应是由于激光的非对称性引起的。

图1显示了激光上升时间和下降时间的差别。这种非对称性也随着温度变化。补偿这些效应的最常用方法是使用查询表，该表记录了激光器生产过程中进行的多次温度测试的数据。

典型的10Gbit/sDML的眼图说明了激光上升时间和下降时间的内在非对称性。这种非对称性随着温度变化。

另一种克服这些激光效应和非对称性的方法是让激光器始终输出光，配合一个外调制器来调制输出光，这就是所说的外调制激光器（EML）。这种情况下，基于电吸收（EA）调制器的EML由于尺寸和调制驱动方面的优点，是最合适的。EML的RF性能由EA部件的快速吸收能力决定，与激光的动态特性无关，因而能获得与运行温度无关的稳定的RF性能。

通常将EML用于1550nm40千米或更远的传输，优化EA调制器的运行可使啁啾很小或为负啁啾，从而使低调制电压也能获得线性消光曲线。当调制电流变化时，DML的消光曲线也是线性的。但DML的调制范围仍是个问题，因为当“0”电平接近发光阈值时，DML会产生不利的激发效应。对于两种激光器，要实现线性电-光转换功能，都需要对从驱动器到模块的整个RF通道进行严格的RF设计。也即设计必须保持对调制幅度的严格控制才能得到合适的输出性能。

无制冷1310nmEML的引入改变了这种状况。此类发射器的结构特点在于激光的产生和调制两个功能集成在分开的垂直耦合的波导元件中。通过垂直耦合这些元件，可以独立优化每个功能来达到无制冷运行的要求，不需要经过EML制作中常见的昂贵的再生步骤。DFB激光器元件是铝基的，无制冷运行时可产生良好的输出光功率性能。EA被设计成具有反S形状的转换曲线，这个曲线与上面所说的线性曲线不一样。由于EA工作在光“1”和光“0”的限定状态下，所以EA能被驱动到饱和态。

限制EA调制曲线的好处在于使无制冷1310nmEML在开环控制下，在整个温度范围内都能稳定运行（见图2）。这样，调制驱动器的RF输出漂移不需随温度以及寿命的变化进行调整，就可确保获得预期的消光比（ER）。由于RF配置与温度和寿命无关，使用这些无制冷EMLTOSA可以将模块特性测试及生产测试简化为直流测试。

从10GBase-LR眼图看出，无制冷EML在-20℃（左）到+95℃（右）范围内运行时具有良好的性能。

这里获得的ER比SONET链路的6dB要求还大得多，使得模块厂商可以在模块中安装一套发射组件就能用于10Gbit/s以太网和SONET/SDH。如果厂商比较关心电源功耗，他们可利用无制冷EML的ER实际上随着温度增加而增加这一特性，用高温下较小的RF漂移来减少电源功耗。

对于1310nm10km传输系统，特别是10GBase-LR和OC-192SR1系统，无制冷1310nmEML TOSA由于使用开环控制，结构很简单；开环控制还能提高性能。无制冷1310nm EML也使类似发射器技术能应用在更长距离1550nm传输中，并允许设计者在多种结构中充分利用一个调制驱动器。

更宽温度下无

制冷EML的驱动设计

正确选择无制冷EML的调制驱动器能进一步减小设计工作量并缩短上市时间。如果激光器的平均输出功率仍然随温度变化，无制冷1310nmEML就需要DML中用到的DC控制环路。然而，目前大多数驱动器只具有RF调制功能，需要外部器件来支持激光器所需的DC控制环路并满足保护眼睛的需要。尽管这些外围支持电路很简单，但由于数量众多，许多模块生厂商很难将以前的模块封装成小型模块（如XFP）。

为了解决这个问题，需要一种集成了自动功率控制（APC）环路的调制驱动器。这样可以减少器件数量，使占用的空间能符合所有已商用的10Gbit/s模块封装。将故障防范和激光控制定时功能集成在一起，还能进一步减少芯片数目和占用空间。

如上所说，运行在开路下具有恒定调制幅度的无制冷EML，需要一个在温度、电源电压和数据速率变化时均保持RF漂移稳定性的调制驱动器。使用一个简单的电阻分压器细心设置控制电压可获得这种性能。这样，设计者就能保证在任何情况下都有足够的输出飘移，减少产品测试次数。

图3展示了1310nm无制冷EML及其相关调制驱动电路的布局。该布局以商用参考设计为基础。在过去的五年里，许多设计团队在把器件集成为自己的产品前，依靠参考设计来论证器件的可用性，以缩短上市时间、减少成本压力和工作量。这些参考设计通常是完整的电路板结构图表和布局，包括激光驱动器和连接到微控制器的TOSA控制电路，以及从驱动器到TOSA电路的RF接口的关键设计。RF接口的三维模型是设计正确的RF接口电路的关键。一个结合了测试数据的合理的参考设计给设计者提供良好的起点，使设计者能快速从实验室评估直接过渡到10Gbit/s模块最终产品的封装，包括XFP、X2、XENPAK，以及300针等封装。

本框图基于Vitesse公司的VSC7982EML驱动器和ApogeePhotonics公司的10T3081更宽温度范围的1310nm无制冷EMLTOSA的联合参考设计，提供了符合XFP和类似的小封装（SFP）的设计实例。

从SONET/SDHOC-192速率的光数据眼图（图4）和10GBase-LR的光数据眼图（图2）可清楚看出器件的合适的RF匹配以及模块的带宽与电器件和光器件无关带来的好处，即模块性能可以很好地满足应用规范。

无制冷EML用于OC-192传输，在-20℃（左）到+90℃（右）范围内也有很好的性能。

单模光纤光模块需要实现高容量10km距离的传输。事实上，系统设计师正在提高线路卡密度以减少成本，运营商在中心局外逐渐开通10Gbit/s链路，这些推动了对温度适应范围超过0℃至70℃的器件的需求。这是行业发展的自然进程，就像1990年代对2.5Gbit/s模块的需求一样，在未来几年对10G模块的需求会变得更加明显。现在已经出现了开发这些模块的技术，它们为模块设计师满足这种新需求铺平了道路。