發(fā)展光纖模塊和光連接器 提高數(shù)字光通信系統(tǒng)品質(zhì)

目前，MT-RJ光連接器已被廣泛應(yīng)用在100Mb/s快速以太網(wǎng)及千兆位(Gbit)以太網(wǎng)中。MT-RJ連接器采用一個塑料套管，簡化了裝配難度,也降低了成本,其較小的端口尺寸也相應(yīng)降低了千兆比特系統(tǒng)的輻射噪聲。

安捷倫（Agilent）科技公司的MT-RJ小封裝光纖模塊（HFBR/HFCT-5910/5912在數(shù)碼速率高達1.25Gb/s的應(yīng)用中具有寬廣的適用領(lǐng)域。本文將重點介紹該系列產(chǎn)品在光纖信道以及千兆以太網(wǎng)的應(yīng)用。前為HFBR的模塊適用于多模光纖,前為HFCT的模塊適用于單模光纖；后為5910E的模塊用于光纖信道,后為5912E的模塊則應(yīng)用于千兆以太網(wǎng)。

將并行結(jié)構(gòu)的數(shù)字系統(tǒng)連接至一個千兆位串行通信鏈路的功能塊如圖1所示。當(dāng)數(shù)據(jù)從多位并行字轉(zhuǎn)換成8位字節(jié),編碼成10字節(jié)碼位,并轉(zhuǎn)換成高速串行數(shù)據(jù)時，隨著時鐘頻率的提高和字節(jié)周期的縮短,相位噪聲(AKA抖動)的影響將變得更加明顯。為使輸入10位寬的編碼字節(jié)串行化,設(shè)置在串并行轉(zhuǎn)換器(SERDES)發(fā)送端的鎖相環(huán)(PLL)會將并行數(shù)據(jù)時鐘頻率提高10或20倍,由編碼過程將并行數(shù)據(jù)復(fù)用,產(chǎn)生高速串行數(shù)據(jù)。嵌入在SERDES芯片接收器內(nèi)的另一PLL可提取將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并行格式所需的時鐘。每個PLL中壓控振蕩器是模擬的，因此SERDES芯片被稱作是含有數(shù)字和模擬功能塊的混合信號集成電路。

在光纖收發(fā)器模塊中也集成了一個復(fù)雜的電路,用來將SERDES的數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換為調(diào)制激光器所需的模擬信號,并將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換回差分數(shù)據(jù)輸出。盡管集成的水平已很高,但通信系統(tǒng)的噪聲仍有可能干擾SERDES芯片和光纖收發(fā)器的正常工作。

在設(shè)計方面，本文的主導(dǎo)思想之一是使噪聲干擾達到最小，降低圖1所示1、2、3、4測試點的抖動。

當(dāng)SERDES芯片連接千兆位MT-RJ小封裝(SFF)光模塊時,其必須遵守的設(shè)計規(guī)則可歸納為如下要點。只要遵循這些規(guī)則,就可以最大限度地縮短設(shè)計周期,節(jié)省工程資源。

1)在千兆位SFF模塊與SERDES之間必須是一條有50Ω特性阻抗的傳輸線。

2)用差分信號線連接千兆位SFF模塊與SERDES,以防止失衡和單端高速數(shù)據(jù)線可能造成的脈寬失真。

3)布線時將高速差分串行線并在一起,并使它們長度一樣,這樣可使輻射影響和脈寬失真最小。

4)避免高速串行數(shù)據(jù)線上的90o彎曲。在高速數(shù)據(jù)線改變方向時，應(yīng)用大圓角或≤45o折線角。

5)采用具有地層和電源層的多層板。

6)千兆位SFF模塊和SERDES必須使用所建議的電源濾波器。為主系統(tǒng)數(shù)字硬件供電的直流電源電磁噪聲相對較強,使用電源濾波器可以減少SERDES中鎖相環(huán)(PLL)的抖動,可保證集成在千兆位 SFF模塊中接收電路的靈敏度。

7)將所建議的電源濾波器設(shè)計安裝在被保護的千兆位SFF模塊和SERDES芯片附近。

8)連接千兆位SFF模塊時,只需要為數(shù)不多的無源器件。必須用低通濾波器抑制來自+3.3V電源的電磁干擾，必須用兩個130Ω下拉電阻接到光纖接收器的差分數(shù)據(jù)輸出端。光纖發(fā)送器的差分輸入是交流耦合的,并且其終端匹配電路已被設(shè)計在發(fā)送器內(nèi),所以在來自SERDES芯片串行輸出的傳輸線末端不需要無源器件。

9)連接千兆位SFF模塊接收器和SERDES的串行數(shù)據(jù)輸入端的傳輸線必須用一個與傳輸線特性阻抗相同的電阻。這個終端電阻應(yīng)安裝在SERDES芯片的串行數(shù)據(jù)輸入端附近。

10)Agilent科技的千兆位 SFF模塊數(shù)據(jù)手冊中給出了可選用的耦合電容和偏置電阻網(wǎng)絡(luò),這樣可以使設(shè)計者從不同制造商那里選用SFF光纖模塊。

連接SERDES芯片與千兆位SFF模塊的高速串行數(shù)據(jù)線應(yīng)做成帶-線或微帶傳輸線的結(jié)構(gòu)。

傳輸線的特性阻抗計算可以參考相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用指南。

不管使用什么接地技術(shù),千兆位通信系統(tǒng)內(nèi)部會有一個電噪聲環(huán)境。在機柜內(nèi),有源器件、無源元件和數(shù)據(jù)傳輸線均為潛在輻射源。系統(tǒng)的接地和電源層不會無噪聲,因為VL=L(di/dt)和千兆位系統(tǒng)包含大量的高速數(shù)字信號。在典型的千兆位應(yīng)用中,接地和電源層的寄生電感L不會降到足夠小的程度。接地和電源層需克服寬并行字碼同時開關(guān)造成的電流（di）大的變化，而高的數(shù)字傳輸速率,dt很小。所以千兆位系統(tǒng)的接地層和電源層必然會有噪聲,而且在典型的應(yīng)用中，VCC和接電端之間有100mV～200mV的交流電位。換言之,電路的公共端(AKA地)不為零,因而它可能是千兆位數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的重要干擾、輻射源。

為解決這一噪聲環(huán)境,Agilent采用介質(zhì)隔離的辦法,使用絕緣材料將 千兆位SFF模塊背部的金屬罩與MT-RJ插座的屏蔽罩隔離。MT-RJ插座上的金屬屏蔽罩被設(shè)計成整體指扣連接的形式,這些指扣確保MT-RJ插座上的屏蔽罩能夠連接到主系統(tǒng)的外殼上。這些連接指扣連同接插件屏蔽殼和SFF模塊背部金屬部件間的絕緣介質(zhì)共同起作用,確保Agilent SFF收發(fā)器不拾取和轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部的輻射和傳輸噪聲。

附于主系統(tǒng)+3.3V電源之上的噪聲會降低光纖收發(fā)器及位于數(shù)字通信系統(tǒng)物理層的SERDES芯片的性能。如圖1框圖所示,如果電源噪聲被注入到SERDES芯片的發(fā)射端PLL,則抖動將會在耦合到光纖模塊的光發(fā)射器之前進入到串行數(shù)據(jù)中。

還有一點需要注意的是,PLL電路對其-3dB閉環(huán)帶寬中噪聲頻率產(chǎn)生響應(yīng),而對超出PLL閉環(huán)頻率的噪聲有減弱作用。Agilent SERDES芯片有一閉環(huán)帶寬范圍為800kHz～2MHz的PLL電路,因此，這些PLL電路與對源自高速數(shù)據(jù)線的噪聲相比，對低頻電源噪聲更敏感。

噪聲干擾的傳導(dǎo)是源于數(shù)字通信系統(tǒng)的開關(guān)電源,因為直流電源的基礎(chǔ)開關(guān)頻率通常在PLL閉環(huán)帶寬之內(nèi)。用于驅(qū)動CMOS和TTL邏輯電路的開關(guān)電源,通常不需要輔助濾波器,但如果直流電源要求對在位于千兆位串行數(shù)據(jù)通信線路物理層中的SERDES芯片供電時,必須先測定開關(guān)電路寄生噪聲的幅度和頻率,以確定是否需要濾波器。

SERDES芯片不是物理連接界面中需要避免電源噪聲的唯一器件。直流電源噪聲對光纖接收器的影響最明顯,因為接收器工作在小信號狀態(tài)。光纖發(fā)射器通常對傳導(dǎo)噪聲不太敏感,因為發(fā)射器接收和處理的是相對大的信號。圖2示出Agilent千兆位SFF光纖收發(fā)模塊的內(nèi)部功能框圖。

接收器的第一級是PIN及前置發(fā)大器。在第一級，PIN二極管光電檢測器將光脈沖轉(zhuǎn)換成電流脈沖, 前置放大器將光電檢測器的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓。嵌入在HFBR-5010E和HFBR-5912E SFF模塊中的PIN前置放大器和二極管檢測器的典型轉(zhuǎn)換增益是970V/W,這樣，當(dāng)光纖中的光信號的平均值為-17dBm時,如果激光發(fā)射器具有典型的12dB消光比，那么接收器輸入端的最大峰值功率為-14.3dBm(37.5mW)，最小峰值功率為-26.3dBm(2.37mW)。即被接收的光功率的峰-峰值變化是35.2mW。光功率的變化將由光接收器的額定轉(zhuǎn)換增益970V/W產(chǎn)生倍增,于是得到了34mVP-P PIN前置放大器的典型輸出。為保證主系統(tǒng)中的電源噪聲不降低接收器的性能,建議務(wù)必用電源濾波器，防止+3.3V直流的噪聲干擾光纖接收器前端的小信號。

光纖信道和千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品以1.0625GBd和1.25GBd的碼率發(fā)送8B10B編碼數(shù)據(jù),所以,編碼的串行數(shù)據(jù)的基頻對于光纖信道是531.25MHz,對于千兆以太網(wǎng)是625MHz。千兆位數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品在串行數(shù)據(jù)速率的基頻和諧波處會有電磁波輻射,所以數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的封裝一定要將這些輻射包住,以保證產(chǎn)品完全達到FCC和IEC標(biāo)準(zhǔn)。如果千兆位數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的金屬機柜沒有開孔,輻射就會禁錮在機柜里,但如果機柜有洞、槽或縫隙,電磁輻射就會泄漏出去。一般情況是,外殼上的洞、槽、縫隙變大或開孔數(shù)目增加時,從系統(tǒng)泄漏的輻射量將增加。

SFF光纖模塊設(shè)計成產(chǎn)生盡可能小的電磁輻射,在MT-RJ插座的底部安裝了一個金屬隔板,用于屏蔽輻射,并將覆蓋在光插座外的金屬屏蔽殼設(shè)計成能插入機柜開孔式,而且使輻射孔盡可能地小。進一步提高開孔輻射截止頻率的措施是,在MT-RJ插座外加裝一個金屬屏蔽罩,并與金屬機柜開孔的導(dǎo)電內(nèi)壁間有良好電接觸。

圖3示出了應(yīng)用HDMP-1636A,HDMP1646A Serdes芯片的千兆位方案原理圖。■