CN102164006A - 一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，涉及光通信技术，尤其涉及光通信中实现光电信号转换的光模块电路。本发明的设计要点是：包括接口电路、微控制器、第一光收发模块组件与第二光收发模块组件，第一收发一体芯片与第二收发一体芯片、电源启动电路；第一光收发模块组件与第一收发一体芯片构成第一光通道；第二光收发模块组件与第二收发一体芯片构成第二光通道；每组光通道的收发模块组件的电信号输出端与收发一体芯片的电信号接收端连接；所述接口电路用于实现微控制器、两组收发一体芯片的信号接口及电源启动电路这四个电路模块与上位机的通信。本发明具有成本低、电路结构简单、尺寸小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术，尤其涉及一种紧凑小型可插拔光收发模块电路结构。
背景技术
缩略语定义：
BOSA：(Bi-directional Optical Sub-Assembly)光收发模块接口组件；
CSFP：(Compact Small From-Factor Pluggable)紧凑小型可插拔光模块；
SFP：(Small From-Factor Pluggable)小型可插拔光模块；
MSA：(Multi-Source Agreement)多源协议；
PLC：(Planar optical waveguide)平面光波导；
PCB：(Printed Circuit Board) 印制电路板；
TO38/TO56/TO46：光器件芯片不同机械尺寸的封装形式，其中TO38尺寸较小价格较贵不常用，TO56及TO46为常用的机械尺寸结构；
DDM：(Digital Diagnostic Monitor)数字诊断监控。
随着光纤通信的发展，光传输系统对光模块提出了更高的要求。光模块逐渐向低成本、小尺寸、大容量方向发展。为了达到大容量和小尺寸的要求，CSFP MSA（Multi Source Agreement）国际联盟提出了采用传统SFP工业标准外型尺寸单通道SFP MSA机械结构内需实现双通道数据传输的CSFP光模块的要求，进而使原来的SFP面板空间得到双倍的利用从而提高了端口利用率。
要在单通道的SFP模块里放置双通道的CSFP，对双通道的CSFP的尺寸大小、集成度提出了更高的要求。对于双通道CSFP光器件的选择，业内采用方案为采用PLC工艺或采用小尺寸封装BOSA，如采用封装规格为TO38的BOSA。
但目前所采用的PLC技术光收发组件存在封装技术要求高，成本较高且设计灵活性差等缺点，同时，该光收发组件生产及销售均有国外企业垄断。另外，采用PLC工艺，激光器和光信号接收端芯片均需安装在光波导的固定位置上，若需改变芯片型号需要对整个光收发模块接口组件进行新研发，不能满足客户定制化要求。
虽然TO38封装的自由空间耦合光收发模块接口组件尺寸较小，但TO38尺寸光芯片一般不会在常规的SFP光模块中使用，这也导致了其价格较高，封装技术不成熟等特点。同时，利用此TO38尺寸封装的BOSA结构也为非常规结构，进一步增加了光模块的成本。
在光器件驱动及光信号放大方面，业内光模块生产厂家的传统做法是采用激光器驱动单元及限幅放大单元分开的双芯片方案。但是由于机械尺寸方面的限制，双通道的CSFP对所选用的芯片尺寸及功能提出了更高的要求，双芯片方案已经不能满足CSFP设计需要。对于数字诊断监控模块，业内通常采用微控制器对所有需要监控的模拟量进行模数转换，并将结果进行运算转换并输出到上位机。该方法的模数转换需要增加大量的外部元器件及增加算法的难度，进而增加光模块的成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足提供一种满足双通道CSFP协议标准、低成本、集成度高、电路结构简单、体积小、具有极大的接收端功率监控动态范围、高灵敏度的双通道紧凑型小型可插拔光模块（以下简称为光模块）电路。
本发明采用的技术方案是这样的：一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，包括接口电路、微控制器、第一光收发模块组件与第二光收发模块组件，其特征在于，还包括第一收发一体芯片与第二收发一体芯片、电源启动电路；所述电源启动电路用于向微控制器及两组收发一体芯片供电；第一光收发模块组件的电信号输出端与第一收发一体芯片的电信号接收端连接，第一收发一体芯片的激光器驱动信号输出端与第一光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接；第二光收发模块组件的电信号输出端与第二收发一体芯片的电信号接收端连接，第二收发一体芯片的激光器驱动信号输出端与第二光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接；所述微控制器分别与第一收发一体芯片和第二收发一体芯片有信号线路连接；所述接口电路用于实现微控制器、两组收发一体芯片的信号接口这三个电路模块与上位机的通信。
优选地，所述电源启动电路为电源缓启动电路；上位机通过接口电路向电源缓启动电路提供输入电源。
优选地，所述第一或第二光收发模块组件还包含接收信号强度指示输出端、激光器输出光功率监控信号输出端；
所述第一或第二收发一体芯片内部包括：芯片配置及信号采集单元、限幅放大单元与激光器驱动单元、发送端信号失效指示信号输出端；第一或第二收发一体芯片还通过接口电路向上位机输出接收端信号丢失指示信号；
微控制器与两组收发一体芯片的芯片配置及采集单元有信号连接；
在每组收发一体芯片内，芯片配置及采集单元还分别与限幅放大单元、激光器驱动单元有信号连接；
所述第一收发一体芯片的芯片配置及信号采集单元接收第一光收发模块组件输出的接收信号强度指示与激光器输出光功率监控信号，第一收发一体芯片的限幅放大单元信号输入端与第一光收发模块组件的电信号输出端连接，第一收发一体芯片的限幅放大单元电信号输出端通过接口电路与上位机连接；第一收发一体芯片的激光器驱动单元信号输出端与第一光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接，第一收发一体芯片的激光器驱动单元电信号输入端通过接口电路与上位机连接；
所述第二收发一体芯片的芯片配置及信号采集单元接收第二光收发模块组件输出的接收信号强度指示与激光器输出光功率监控信号；第二收发一体芯片的限幅放大单元信号输入端与第二光收发模块组件的电信号输出端连接，第二收发一体芯片的限幅放大单元电信号输出端通过接口电路与上位机连接；第二收发一体芯片的激光器驱动单元信号输出端与第二光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接，第二收发一体芯片的激光器驱动单元电信号输入端通过接口电路与上位机连接。
优选地，还包括模块失效判决单元；所述模块失效判决单元用于接收第一收发一体芯片与第二收发一体芯片输出的发送端信号失效指示信号，所述模块失效判决单元的输出为第一收发一体芯片与第二收发一体芯片输出的发送端信号失效指示信号作或运算的结果；且模块失效判决单元的输出信号通过接口电路传输至上位机。
优选地，还包括第一滤波器与第二滤波器；
所述第一与第二光收发模块组件内部包含激光器二极管、光探测二极管及跨阻放大器；其中，激光器二极管用于将从收发一体集成芯片传送过来的电信号转化成为光信号并输出；光探测二极管用于将输入的光信号转换成为微弱的电流信号；跨阻放大器用于将光探测二极管输出的电流信号转化为电压信号，并将该电压信号输出；
所述第一光收发模块组件的跨阻放大器的输出端及第一收发一体芯片中的限幅放大器的输入端之间接有第一滤波器；
所述第二光收发模块组件的跨阻放大器的输出端及第二收发一体芯片中的限幅放大器的输入端之间接有第二滤波器。
优选地，还包括第一滤波器与第二滤波器；
第一滤波器接入第一光收发模块组件与第一收发一体芯片之间的信号通路中，用于滤除第一光收发模块组件向第一收发一体芯片输出的电信号中的噪声；
第二滤波器接入第二光收发模块组件与第二收发一体芯片之间的信号通路中，用于滤除第二光收发模块组件向第二收发一体芯片输出的电信号中的噪声。
优选地，所述第一或第二滤波器为贝塞尔滤波器。
优选地，还包括温度采集单元，所述温度采集单元用于将温度信号转换为电信号，并将此电信号传输至微控制器。
优选地，所述微控制器、接口电路、两组收发一体芯片、温度采集电路、低通滤波器及模块失效判决单元设置在一块PCB板上。
优选地，所述两组光收发模块组件通过软板上设置的阻抗匹配传输线与PCB板上的收发一体芯片及滤波器进行通信。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用的收发一体芯片内部集成限幅放大器单元及激光器驱动单元，具有电路结构简单、集成度高的优点；
本设计采用微控制器配置收发一体芯片以设置接收端信号丢失时输入光功率的强度，进而更加方便生产及调试。
本发明通过在各组光收发模块组件与收发一体芯片之间的信号通路中增加贝塞尔低通滤波器滤除信号带宽以外的高频噪声干扰，将光模块灵敏度提高了1～3dB，提高了光接收机抗干扰的性能。
本发明采用的收发一体芯片采用跨阻放大器将光收发模块接口组件输出的接收信号强度指示的电流信号转换成为电压信号，并通过收发一体芯片内置的模数转换电路将该电压模拟信号转化成为数字信号并存入芯片内部寄存器以实现对接收端光功率的采集。采用类似的方式，收发一体芯片利用芯片内部集成模数转换器对激光器偏置电流、激光器输出光功率及芯片电压进行采集，并将转换结果存入芯片内部对应寄存器。微控制器单元通过与收发一体芯片之间的I2C总线读取芯片内部存储的转换结果。同时，微控制器将获得转换结果进行简单的转换并按照CSFP MSA存储到的对应位置的寄存器。上位机通过20PIN电接口的I2C总线访问微控制器以得到CSFP光模块的数字诊断结果。
本发明中微控制器单元通过软件实现CSFP MSA定义的A0H、B0H、A2H、B2H寄存器映射。对于数字诊断监控（DDM）的设计，现有通用方法为直接通过微控制器的采集及数模转换单元获得光模块的发送光功率、接收光功率、模块温度、模块电压及偏置电流等信息。对于单通道的SFP来说该设计方法能基本满足要求，但对于双通道的CSFP来说，若采用业内通用方法微控制器的采集及转换负担将加倍，对微控制器性能及程序复杂度提出了更高的要求。本发明中，除温度信息外其它所有的模拟信号采集均由收发一体芯片采集，进而大大的降低了程序设计复杂度，减少了外围器件。
与传统光模块相比，本发明中CSFP所有需要调试的指标（包括功率指标、消光比指标、信号丢失幅度设置等）均能通过电脑自动化软件进行设置便于大规模自动化生产，进而进一步降低了模块的成本提高了模块的可靠性。
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是本发明电路原理框图。
图2是本发明中一个光通道结构及信号传输示意图。
图3是本发明的20PIN电接口电路板的正面。
图4是本发明的20PIN电接口电路板的反面。
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，本发明所述的双通道紧凑小型光模块包括满足CSFP MSA定义的接口电路、电源启动电路、微控制器、两组收发一体芯片、两路通用光收发模块组件、模块失效判决单元、温度采集单元组成。
所述电源启动电路为由电容、门电路配合组成的电源缓启动电路，电源缓启动电路的入端电源由上位机提供，其电源输出分别与两组收发一体芯片及微控制器芯片连接。当光模块接入系统后，该电源缓启动单元将后续收发一体芯片及微控制器芯片延迟上电以减少在上电瞬间容性负载对上位机的电源产生影响。
光收发模块组件采用传统的TO56/TO46封装的BOSA。其内部包含激光器二极管、光探测二极管及跨阻放大器。其中，激光器二极管将从收发一体集成芯片传送过来的电信号转化成为光信号并输出到外部光纤；光探测二极管将从光纤输入的光信号转换成为微弱的电流信号，继而由其后的跨阻放大器将电流信号转化为电压信号，并将该电压信号输出。
温度采集单元将采集的温度信号转换为电信号后传输给微控制器；微控制器的主要功能是通过I2C总线与上位机进行通信及通过I2C总线根据上位机的配置信息对两组一体化芯片、温度采集电路进行配置，同时将这三部分的状态信息及温度信息传输给上位机。
如图2，为双通道CSFP其中一个通道的组成。收发一体芯片包括芯片配置及信号采集单元、限幅放大单元与激光器驱动单元、发送端信号失效指示信号输出端；所述芯片配置及采集单元分别与限幅放大单元、激光器驱动单元有信号连接；芯片配置及采集单元用于根据控制器的配置信息对芯片内部的限幅放大单元、激光器驱动单元进行维持其正常工作必要的配置工作；芯片配置及采集单元还接收来自光收发模块组件输出的接收信号强度指示与激光器输出光功率监控信号。
收发一体芯片中的限幅放大器单元将接收电信号进行进一步放大并将放大后的信号传输给上位机。激光驱动器单元则是将从上位机传输过来的电压信号转换成为驱动激光器的调制电流信号并将调制电流信号传输给光收发模块组件中的激光器二极管，产生光信号输出。
收发一体芯片还向上位机输出接收端信号丢失指示信号；收发一体芯片具有发送端信号失效指示信号输出端，用于输出发送端信号失效指示信号。
收发一体芯片采用跨阻放大器将光收发模块接口组件输出的接收信号强度指示的电流信号转换成为电压信号，并通过收发一体芯片内置的模数转换电路将该电压模拟信号转化成为数字信号并存入芯片内部寄存器以实现对接收端光功率的采集。采用类似的方式，收发一体芯片利用芯片内部集成模数转换器对激光器偏置电流、激光器输出光功率及芯片电压进行采集，并将转换结果存入芯片内部对应寄存器。微控制器单元通过与收发一体芯片之间的I2C总线读取芯片内部存储的转换结果。同时，微控制器将获得转换结果进行简单的转换并按照CSFP MSA存储到的对应位置的寄存器，即微控制器通过软件实现CSFP MSA定义的A0H、B0H、A2H、B2H寄存器映射。上位机通过20PIN电接口的I2C总线访问微控制器以得到CSFP光模块的数字诊断结果。
本发明公开的双通道紧凑小型可插拔光模块电路设置有第一收发一体芯片、第二收发一体芯片、第一光收发模块组件、第二光收发模块组件。第一光通道由第一收发一体芯片与第一光收发模块组件组成；第二光通道由第二收发一体芯片与第二光收发模块组件组成。
所述第一收发一体芯片的芯片配置及信号采集单元接收第一光收发模块组件输出的接收信号强度指示与激光器输出光功率监控信号，第一收发一体芯片的限幅放大单元信号输入端与第一光收发模块组件的电信号输出端连接，第一收发一体芯片的限幅放大单元通过接口电路向上位机输出放大后的电信号；第一收发一体芯片的激光器驱动单元信号输出端与第一光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接；第一收发一体芯片的激光器驱动单元信号通过接口电路接收上位机输出的待发送的电信号。
第二光通道中第二收发一体芯片与第二光收发模块组件的连接关系与第一通道的连接方式相同，在此不再重复描述。
模块失效判决单元用于接收第一收发一体芯片与第二收发一体芯片输出的发送端信号失效指示信号，所述模块失效判决单元的输出为第一收发一体芯片与第二收发一体芯片输出的发送端信号失效指示信号作或运算的结果；且模块失效判决单元的输出信号传输至上位机。
所述微控制器、两组收发一体芯片、电源缓启动单元及模块失效判决单元四部分中所有需要与上位机建立通信或电连接的接口均通过接口电路与上位机连接。如图4，所述接口电路是CSFP MSA 定义的20PIN电接口单元。本发明采用的20PIN电接口单元与传统的SFP引脚兼容，即可将本发明的双通道CSFP光模块与常规单通道SFP模块换用而不产生任何问题。
在光模块设计中，影响光模块灵敏度的主要因素之一为串扰问题。本发明可以在每组光通道的光收发模块组件的电信号输出端与收发一体芯片的电信号接收端之间增加低通滤波器，具体而言，是在光收发模块组件的跨阻放大器的输出及收发一体芯片中的限幅放大器的输入级之间增加贝塞尔低通滤波器滤除信号带宽以外的高频噪声干扰。
作为本发明所述光模块电路的实施方式，可以将接口电路、微处理器、两组收发一体芯片、温度采集电路、低通滤波器及模块失效判决单元设置在一块PCB板上。每组光通道中光收发模块组件的接收通过软板上设置的阻抗匹配传输线与PCB板上的收发一体芯片及滤波器进行通信。相对于现有技术，本发明在软板设计过程中仅保留了必要的焊接引脚，进一步减少了软板焊接所占用的空间。
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 (10)
1.一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，包括接口电路、微控制器、第一光收发模块组件与第二光收发模块组件，其特征在于，还包括第一收发一体芯片与第二收发一体芯片、电源启动电路；所述电源启动电路用于向微控制器及两组收发一体芯片供电；第一光收发模块组件的电信号输出端与第一收发一体芯片的电信号接收端连接，第一收发一体芯片的激光器驱动信号输出端与第一光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接；第二光收发模块组件的电信号输出端与第二收发一体芯片的电信号接收端连接，第二收发一体芯片的激光器驱动信号输出端与第二光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接；所述微控制器分别与第一收发一体芯片和第二收发一体芯片有信号线路连接；所述接口电路用于实现微控制器、两组收发一体芯片的信号接口这三个电路模块与上位机的通信。
2.根据权利要求1所述的一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，所述电源启动电路为电源缓启动电路；上位机通过接口电路向电源缓启动电路提供输入电源。
3.根据权利要求1所述的一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，所述第一或第二光收发模块组件还包含接收信号强度指示输出端、激光器输出光功率监控信号输出端；
所述第一或第二收发一体芯片内部包括：芯片配置及信号采集单元、限幅放大单元与激光器驱动单元、发送端信号失效指示信号输出端；第一或第二收发一体芯片还通过接口电路向上位机输出接收端信号丢失指示信号；
微控制器与两组收发一体芯片的芯片配置及采集单元有信号连接；
在每组收发一体芯片内，芯片配置及采集单元还分别与限幅放大单元、激光器驱动单元有信号连接；
所述第一收发一体芯片的芯片配置及信号采集单元接收第一光收发模块组件输出的接收信号强度指示与激光器输出光功率监控信号，第一收发一体芯片的限幅放大单元信号输入端与第一光收发模块组件的电信号输出端连接，第一收发一体芯片的限幅放大单元电信号输出端通过接口电路与上位机连接；第一收发一体芯片的激光器驱动单元信号输出端与第一光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接，第一收发一体芯片的激光器驱动单元电信号输入端通过接口电路与上位机连接；
所述第二收发一体芯片的芯片配置及信号采集单元接收第二光收发模块组件输出的接收信号强度指示与激光器输出光功率监控信号；第二收发一体芯片的限幅放大单元信号输入端与第二光收发模块组件的电信号输出端连接，第二收发一体芯片的限幅放大单元电信号输出端通过接口电路与上位机连接；第二收发一体芯片的激光器驱动单元信号输出端与第二光收发模块组件的激光器驱动信号接收端连接，第二收发一体芯片的激光器驱动单元电信号输入端通过接口电路与上位机连接。
4.根据权利要求3所述的一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，还包括模块失效判决单元；所述模块失效判决单元用于接收第一收发一体芯片与第二收发一体芯片输出的发送端信号失效指示信号，所述模块失效判决单元的输出为第一收发一体芯片与第二收发一体芯片输出的发送端信号失效指示信号作或运算的结果；且模块失效判决单元的输出信号通过接口电路传输至上位机。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，还包括第一滤波器与第二滤波器；
所述第一与第二光收发模块组件内部包含激光器二极管、光探测二极管及跨阻放大器；其中，激光器二极管用于将从收发一体集成芯片传送过来的电信号转化成为光信号并输出；光探测二极管用于将输入的光信号转换成为微弱的电流信号；跨阻放大器用于将光探测二极管输出的电流信号转化为电压信号，并将该电压信号输出；
所述第一光收发模块组件的跨阻放大器的输出端及第一收发一体芯片中的限幅放大器的输入端之间接有第一滤波器；
所述第二光收发模块组件的跨阻放大器的输出端及第二收发一体芯片中的限幅放大器的输入端之间接有第二滤波器。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，还包括第一滤波器与第二滤波器；
第一滤波器接入第一光收发模块组件与第一收发一体芯片之间的信号通路中，用于滤除第一光收发模块组件向第一收发一体芯片输出的电信号中的噪声；
第二滤波器接入第二光收发模块组件与第二收发一体芯片之间的信号通路中，用于滤除第二光收发模块组件向第二收发一体芯片输出的电信号中的噪声。
7.根据权利要求5或6所述的一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，所述第一或第二滤波器为贝塞尔滤波器。
8.根据权利要求7所述的一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，还包括温度采集单元，所述温度采集单元用于将温度信号转换为电信号，并将此电信号传输至微控制器。
9.根据权利要求8所述的一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，所述微控制器、接口电路、两组收发一体芯片、温度采集电路、低通滤波器及模块失效判决单元设置在一块PCB板上。
10.根据权利要求9所述的一种双通道紧凑小型可插拔光模块电路，其特征在于，所述两组光收发模块组件通过软板上设置的阻抗匹配传输线与PCB板上的收发一体芯片及滤波器进行通信。
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