張金輝

（江蘇奧雷光電有限公司市場(chǎng)技術(shù)部，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

0 引言

光纖收發(fā)器是一種將較短距離的雙絞線電信號(hào)和長(zhǎng)距離的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，在很多地方也被稱為光電轉(zhuǎn)換器（Fiber Converter）[1]。光纖收發(fā)器產(chǎn)品一般應(yīng)用于有限長(zhǎng)度的以太網(wǎng)電纜無(wú)法覆蓋、必須使用光纖來(lái)延長(zhǎng)傳輸距離的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中[2]。常用的光纖收發(fā)器如圖1所示，其基本形態(tài)包括電源輸入、電口（以太網(wǎng)電信號(hào)輸入輸出端口）、光口（光信號(hào)輸入輸出端口）。

圖1 光纖收發(fā)器基本形態(tài)

光纖收發(fā)器產(chǎn)品種類極為豐富，可以分成很多不同種類，比如可以分成傳輸距離20千米至120千米的單模光纖收發(fā)器和傳輸距離2千米到5千米的多模光纖收發(fā)器；也可以分成接收發(fā)送的數(shù)據(jù)在一根光纖的單纖光纖收發(fā)器和接收發(fā)送的數(shù)據(jù)在一對(duì)光纖上傳輸雙纖光纖收發(fā)器；以及按照結(jié)構(gòu)分成的桌面式（獨(dú)立式）光纖收發(fā)器和機(jī)架式（模塊化）光纖收發(fā)器。但無(wú)論怎樣分類，其工作模式均是采用一個(gè)電源輸入（無(wú)論是外置電源還是內(nèi)置電源），使用RJ-45電纜線連接以太網(wǎng)設(shè)備，將以太網(wǎng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，從光口輸出，在數(shù)據(jù)接收端則將光口接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)電信號(hào)，通過(guò)RJ-45電纜線傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)設(shè)備，以此形成整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收的環(huán)路系統(tǒng)。

圖2 光纖收發(fā)器工作模式

1 超小型光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一款適用于新型應(yīng)用場(chǎng)合的超小型光纖收發(fā)器（如圖3所示），它由電接口單元、物理層轉(zhuǎn)換單元、光電轉(zhuǎn)換單元、光接口單元和電源轉(zhuǎn)換單元組成。

圖3 超小型光纖收發(fā)器

電接口單元摒棄市面上常用的RJ-45母頭電接口，采用RJ-45連接器（公頭），可以直接插入現(xiàn)有通用的以太網(wǎng)設(shè)備RJ-45端口使用，將電信號(hào)輸出和輸入。

物理層轉(zhuǎn)換單元先使用網(wǎng)口變壓器將RJ-45電接口傳入的信號(hào)進(jìn)行隔離，然后使用物理層電PHY芯片將以太網(wǎng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成適用于光電傳輸?shù)牟罘蛛娦盘?hào)。基于市面上常用的Gigabit以太網(wǎng)（GbE）收發(fā)器REALTEK RTL8213B-CG，相較于其他方案，這是一款相對(duì)低成本、低功耗、小封裝的物理層電PHY方案，這些特性更適用于超小型光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)和安裝，包含單個(gè)Gigabit以太網(wǎng)收發(fā)器，執(zhí)行10/100/1000 BASE-T標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層相關(guān)要求，支持RGMII（減少直連引腳數(shù)量的GMII）接口，支持10/100/1000 Mbps全雙工連通性和10/100 Mbps半雙工模式。

光電轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部包含兩部分內(nèi)容，分別是光發(fā)射部分和光接收部分，光發(fā)射部分主要由激光驅(qū)動(dòng)器電路和激光器組成，光接收部分由光敏二極管（PIN）+互阻放大器（TIA）和限幅放大器組成，完成對(duì)數(shù)字信號(hào)透明光/電、電/光轉(zhuǎn)換的功能（如圖4所示）。激光驅(qū)動(dòng)器和限幅放大器目前市面上有成熟的分立方案和集成方案可供選擇，縱觀成本、性能、應(yīng)用等因素考慮，集成方案在將來(lái)會(huì)越來(lái)越具有優(yōu)勢(shì)[3]。

圖4 光電轉(zhuǎn)換單元

光接口單元，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可使用多種不同的光纖接口（包含但不限于SC、LC、FC、ST等不同的母頭光接口，也包含帶尾纖光接口，尾纖光接口包含但不限于SC、LC、FC、ST等不同的公頭光接口），將光信號(hào)輸出和輸入，非常利于應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的靈活安裝和布線，將光纖鏈路中的非本證衰減降到最小[4]。

電源轉(zhuǎn)換單元的功能是，將外置電源適配器的直流輸入電源轉(zhuǎn)換成內(nèi)部電路所需要的電壓，如+3.3 V。當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成內(nèi)置電源方案，直接將交流220 V電壓轉(zhuǎn)換成所需的目標(biāo)電壓，但這樣設(shè)計(jì)勢(shì)必導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的體積龐大。

以上各單元在設(shè)計(jì)初期就要考慮到產(chǎn)品的整體功耗和良好的散熱設(shè)計(jì)，通過(guò)低功耗方案選型，適當(dāng)減小激光器偏置電流和調(diào)制電流，通過(guò)合理的溫度查表來(lái)進(jìn)行電流溫度補(bǔ)償，產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和導(dǎo)熱、散熱設(shè)計(jì)等措施，有效提升產(chǎn)品的工作溫度窗口，以便在客戶端一個(gè)或多個(gè)光纖收發(fā)器同時(shí)工作在極限溫度時(shí)仍能完成整個(gè)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。

2 超小型光纖收發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)

目前現(xiàn)有的光纖收發(fā)器存在體積大、笨重等問(wèn)題，同時(shí)在安裝使用時(shí)必須額外使用一根RJ-45電纜來(lái)連接以太網(wǎng)設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生較高的成本，也會(huì)對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的布線帶來(lái)較大影響。另外，現(xiàn)有的光纖收發(fā)器的光接口形式較為單一。

超小型光纖收發(fā)器繼承了光纖收發(fā)器的用途，并在此基礎(chǔ)上采用RJ-45連接器（公頭），可以直接插入以太網(wǎng)設(shè)備RJ-45端口，即插即用，同時(shí)將體積縮小至U盤尺寸（甚至更小），也不需要電纜線對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行連接，在優(yōu)化信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，安裝、使用和維護(hù)均可降低成本，而且便捷可靠。另外，在小封裝的基礎(chǔ)上，加上其優(yōu)良的溫度特性，可以在設(shè)計(jì)和使用多個(gè)光纖收發(fā)器同時(shí)工作時(shí)令用戶非常滿意。

3 超小型光纖收發(fā)器的測(cè)試系統(tǒng)

3.1 可測(cè)試性設(shè)計(jì)

超小型光纖收發(fā)器采用可測(cè)試性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)將內(nèi)部的電接口單元、物理層轉(zhuǎn)換單元和電源轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，將光電轉(zhuǎn)換單元和光接口單元設(shè)計(jì)為另一個(gè)整體。兩者之間用高速電連接器可靠連接。在試制時(shí)可以分開(kāi)生產(chǎn)和測(cè)試，確保各自性能合格后進(jìn)行組裝，最終成品測(cè)試合格后交付。如圖5所示。

圖5 可測(cè)試性設(shè)計(jì)

3.2 測(cè)試系統(tǒng)

（1）針對(duì)光電轉(zhuǎn)換單元和光接口單元，必須搭建高效測(cè)試系統(tǒng)。基于誤碼儀、數(shù)據(jù)通信分析儀、光衰減器和光功率計(jì)等設(shè)備，可以按照?qǐng)D6所示搭建測(cè)試系統(tǒng)。

圖6 光電轉(zhuǎn)換測(cè)試系統(tǒng)

（2）將誤碼儀的數(shù)據(jù)輸出接口（Data out，差分輸出）通過(guò)同軸電纜連到測(cè)試板，將被測(cè)的光電轉(zhuǎn)換單元插入測(cè)試板專用插座，用光纖連接被測(cè)產(chǎn)品的光接口單元和數(shù)據(jù)通信分析儀，測(cè)試發(fā)射端各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，如平均光功率（Po）、消光比（E.r）、交叉點(diǎn)（Crossing）等。如圖7所示。

圖7 發(fā)射端指標(biāo)測(cè)試

（3）將合格的發(fā)射端光信號(hào)用光纖送到光衰減器、光分路器、光功率計(jì)，然后送到被測(cè)光電轉(zhuǎn)換單元的接收端，再將測(cè)試板的數(shù)據(jù)輸出端口用同軸電纜連接到誤碼儀的數(shù)據(jù)輸入接口（Data in，可以采用差分輸入方式，也可以采用單端輸入方式）。通過(guò)調(diào)節(jié)光衰減器，可以測(cè)試得到保證系統(tǒng)要求合格誤碼率要求下的最大接收光功率（即飽和光功率），和合格誤碼率要求下的最小接收光功率（即接收靈敏度）。

（4）針對(duì)上述光電轉(zhuǎn)換單元各項(xiàng)測(cè)試合格后（如表1所示，必要時(shí)進(jìn)行常溫、高溫、低溫的三溫性能測(cè)試），以及在確保超小型光纖收發(fā)器前端電源部分、物理層轉(zhuǎn)換部分焊接和安裝合格后，將兩部分組裝成一體。使用千兆位在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀進(jìn)行丟包率測(cè)試。如圖8所示。

表1 光電轉(zhuǎn)換部分測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀測(cè)試

如圖9所示，在100%速率下光纖直連和20 km盤纖測(cè)試中數(shù)據(jù)丟包率均為0%。根據(jù)不同產(chǎn)品的要求，可以安排在不同環(huán)境溫度要求下的常溫、高溫、低溫的三溫測(cè)試，以確保產(chǎn)品較高的性能要求和長(zhǎng)期可靠性。

圖9 丟包率測(cè)試結(jié)果

4 產(chǎn)品優(yōu)化

電接口單元的優(yōu)化方向是RJ-45公頭連接器和PCB的可靠連接，必要時(shí)針對(duì)RJ-45連接器自主開(kāi)模生產(chǎn)，滿足更高等級(jí)的跌落、振動(dòng)等各項(xiàng)技術(shù)要求。電源轉(zhuǎn)換單元的優(yōu)化方向是需要提高直流電壓轉(zhuǎn)換器（DC-DC）的效率，不斷優(yōu)化光電匹配參數(shù)和嵌入式軟件的堅(jiān)固性和兼容性，采用性價(jià)比更高的激光驅(qū)動(dòng)器、限幅放大器、激光器以及進(jìn)一步的小封裝化，甚至適應(yīng)客戶應(yīng)用時(shí)新的電源接入方式，如光電混合纜電源接入。光電轉(zhuǎn)換單元向更低成本的驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)化，必要時(shí)采用板上芯片貼裝技術(shù)（Chip On Board）進(jìn)一步優(yōu)化板端設(shè)計(jì)，滿足小型化要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的光纖收發(fā)器，本文提出了一種可滿足新型應(yīng)用場(chǎng)合的超小型光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)。該光纖收發(fā)器能滿足千兆位以太網(wǎng)應(yīng)用，具有較高的可測(cè)試性設(shè)計(jì)，顯著減小產(chǎn)品的功耗和尺寸，可以滿足客戶端采用高密度組裝方式和即插即用的實(shí)際應(yīng)用需求。同時(shí)，針對(duì)超小型光纖收發(fā)器，詳細(xì)描述了各單元的測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試內(nèi)容，以及最終成品的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)和結(jié)果演示。