万兆光模块的设计方法

万兆光模块的设计方法

赵盼

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心   天津   300304

摘要：与传统的技术相比，网络具有点到多点拓扑、终端数量增加、业务复杂性提升等多方面特点，这对电信运营商的固定接入网络部署、维护流程及系统带来巨大挑战。尤其是在航空、航天电子系统中，各个功能模块之间要传输海量的数据信息，要求总线带宽具有万兆级。同时，当今科技的发展为航空电子系统进行高速数据通信提供了多种选择，包括万兆以太网和光纤通道技术在内的COTS网络技术，可以用作航空电子总线技术的支持和补充。万兆级网络综合测试系统主要对航空电子系统网络的各项性能进行测试与调试。本文进行了万兆级光模块的设计，其目标是提高万兆以太网和光纤通道网络的可用性。

关键词：万兆；光模块；设计

一、引言

本文设计的一体化光收发模块由光模块（插座）、光纤连接器（插头）（带尾缆）组成。一体化光收发模块以下简称模块，在壳体插座内集成两路光收发模块，应用于万兆以太网高速信号传输，实现光电信号转换和光纤对接。

二、一体化万兆光模块设计

（一）万兆光模块设计原理

万兆一体化光收发模块本质上是在连接器中集成两个高速光收发一体模块，通过插座部分（即为光模块部分）实现光电信号转换。插座中发射印制板将电信号转换为光信号，光信号再经过单模光缆传输后进入光接收设备，两个模块之间相互独立，每个通道传输速率10Gbps，通过光电转换和光传输，在该模块内部形成一个20Gbps高速数据收发通路。每一个光模块中的电信号转换为光信号都是通过驱动器+DFB激光器来实现，将差分电压信号转换为电流信号，驱动DFB激光器发光，光功率的强弱变换即代表数字信号的1和0。在插座接收印制板上，通过PIN二极管阵列和跨阻放大器，将强弱变化的光信号转换为差分电压信号。另外需要通过一个单片机来实现对驱动器芯片和放大器芯片的控制以及全温度范围内的补偿。产品的原理框图如图1所示：

图 1 一体化光收发模块原理框图

（二）光模块的原理图设计

一体化光收发模块分为发射部分和接收部分，其中一体化光收发模块的发射部分包括激光驱动器，DFB激光器，单片机和滤波电路完成电光信号转换，驱动器阵列可以及DFB激光器可以根据实际需要选用市场现有的通用产品型号。一体化光收发模块的接收部分包括线性放大器，PIN光电二极管及滤波电路。驱动器芯片和放大器芯片内部集成了控制单元、RAM，芯片对外有IIC总线接口，工作状态由RAM寄存器中的值来确定。RAM值可通过IIC总线接口更改，从而实现对产品功能的控制。在产品内部采用AC耦合电容实现和主机之间的交流耦合，根据数据传输的速率，AC电容选取0.1μF。

在本设计中，内部MCU通过IIC总线接口实现对光电转换芯片的控制，为使产品设计简单化，让两个光模块共用一个时钟信号，再分别使用两个SDA信号与两个光模块进行通信，从而实现一个MCU对两个光模块的发射、接收以及全温度范围补偿控制。其中图2为光模块发射端的原理图：

图 2 光模块发射端原理图

在本设计中，为抑制发射端和接收端的电源噪声信号的相互干扰，可以将外部电源分割为发射部分电源、接收部分电源和MCU电源。

MCU选用单片机实现，具体地通过单片机来实现将驱动器和放大器芯片中RAM的值通过IIC接口读出，并在MCU内部存入指定的RAM地址，从而实现对产品功能的数字控制。单片机除了实现与器件的通信外，同时实现芯片的使能、温度值读取与补偿等控制操作。

（三）一体式光模块设计

（3.1）光电转换插座

光电转换插座由插座壳体、内壳体、光电收发模块、印制板、模块固定压板、导热板、胶垫、柔性连接模块、聚四氟乙烯垫以及相关紧固螺钉组成。

（3.2）光收发器件固定结构

通过5个M1.6沉头螺钉将内壳体固定于插座壳体上，通过螺钉模块将导热壳体与内壳体固定，插座部件通过制作位置工装保证光电收发模块前端外圆、内壳体孔位前端、插座壳体两点支撑内圆以及插座壳体五键位置，实现精准模块定位。

（3.3）印制板固定结构

第一层印制板用螺钉将其固定在预插座壳体上，然后焊接光模块，取下预固定螺钉，装上第二层印制板后，将两层印制板连同导热板通过5个螺钉模块固定在插座壳体上。

（四）对接插头设计

（4.1）对接插头

对接插头可以由插头壳体部件、光插针部件以及封线体三大部分组成，通过光插针部件上的卡环及插针部件尾端环形突起固定在插头壳体中，并通过壳体和光插针上的防转槽和防转键防止接触件沿轴线转动。

（4.2）壳体部件

壳体部件由花键壳体、连接螺帽、卡圈、卡圈1以及波纹弹簧组成，该壳体结构具备防松功能，能够满足产品机械性能要求。光插针与壳体配合间隙处0.15～0.3中，使得光插针部件在壳体部件中有一定的活动量，方便光插针的引导，实现高精度对接。

（4.3）光接触件

光接触件设计：由外壳体、卡环、法兰盘、LC插针、压接套、后套、弹簧以及φ1.8ETFE松套光缆组成，外壳体对内部光纤插针起到引导作用，弹簧提供光纤插针接触弹力，保证回波损耗满足要求。后端压接套保证光缆抗拉力。

（4.4）座对接三级引导设计

插头和插座对接过程中，总共存在三级引导，保证光纤插针在插座内部不受到横向应力作用而导致光学性能指标变化。

（4.5）头座对接两层定位设计

通过特殊的光接触件和插座内壳体的设计，在插头插座对接以后，光纤插针具备两层定位，从而保证光纤插针与激光器、探测器之间的精准对接，减小对接引起的插入损耗，同时提高光纤插针在振动、冲击条件下的对接稳定性。

三、总结

通过以上论述，拟采用上述方案进行产品设计，该方案合理、先进、适用、经济、可行，关键技术问题明确且有解决措施，关键材料、工艺、加工设备明确了解决途径与措施，满足研制任务书的要求。