光模块接收无光监控异常的解决方法.pdf

2023 年第 4 期光模块接收无光监控异常的解决方法Solution of no light monitoringabnormality in optical module receiverCHENG Muhai,GAO Feng渊Hymax Optoelectronics Co.,Ltd.,Zhangjiakou Hebei 075400,China冤Abstract:In order to solve the problem of abnormal with reception and monitoring of the optical transceiver integrated modulewithout optical input,a method of accurately selecting trans-impedance amplifier decoupling capacitors and using software cali-bration is proposed.First,the I2C bus waveform and receiving power noise waveform are tested in case of abnormal monitoring,and the impact of various types of trans-impedance amplifiers and different monitoring decoupling capacitor values on receivingmonitoring are verified.It is confirmed that the abnormal receiving monitoring is mainly caused by two reasons:the trans-impeda-nce amplifier monitoring residual noise and monitoring capacitance decoupling.Then,select appropriate decoupling capacitor ofthe monitoring signal through experiments,and using the second-order equation for software calibration.The test results indicatethat this method can completely solve the problem of receiving monitoring anomaly when there is no light inputting.Key words:optical fiber communication,optoelectronics transceiver,monitor calibration circuit noise程木海，高 枫渊河北华美光电子有限公司袁河北 张家口 075400冤摘要院为了解决无光输入时光收发一体模块的接收监控有时会出现异常的问题，提出了一种精确选择跨阻放大器解耦电容和软件校准相配合使用的方法。首先，测试了监控异常时的 I2C 总线波形和接收电源噪声波形，验证了多种型号跨阻放大器和不同监控解耦电容值对接收监控的影响，确认了接收无光监控异常主要是由跨阻放大器监控残留噪声和监控电容解耦 2 个原因造成的；然后，通过实验选取合适的监控信号解耦电容，同时使用二阶方程进行软件校准。测试结果表明，该方法可以完全解决无光时的接收监控异常问题。关键词院光纤通信；光电收发一体模块；监控校准电路噪声中图分类号院TN929.1文献标志码院A文章编号院1002-5561渊2023冤04-0038-04DOI院10.13921/ki.issn1002-5561.2023.04.007开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院引用本文院程木海袁高枫.光模块接收无光监控异常的解决方法J.光通信技术袁2023袁47渊4冤院38-41.0 引言根据光模块国际标准 SFF-8472 协议1的规定袁光模块除了完成光/电转换外袁还对模块电压尧激光器驱动电流尧发射光功率尧接收光功率尧模块温度这 5 个参数进行监控袁帮助系统实时监控光模块工作状态遥 一旦光纤通信异常袁用户可以根据这 5 个实时监控的参数协助查找故障发生点遥 如果光模块监控不准确袁会导致光纤通信系统误判袁从而可能误断通信网络或者产生错误的传输数据2-4遥光模块在批量生产过程中或者使用时袁由于受到原材料的差异尧加工差异尧信号接口差别尧电源系统不同等各种因素的影响袁这些监控量有可能不准确或者出现异常遥例如袁使用厦门优讯公司的 UX3320 芯片设计的一款 100 Mb/s2.5 Gb/s 多速率兼容的光模块在批量生产并经质量检验合格后交付给客户使用袁但是部分光模块在接收无光时出现了接收监控寄存器的值异常的情况遥 对出现接收监控异常的客户退货光模块进行测试袁发现这种监控异常的情况不是一直不变收稿日期院2022-08-31遥作者简介院程木海渊1974要冤袁男袁硕士袁山东青岛人袁1997 年毕业于电子科技大学信息材料工程学院获学士学位袁2002 年毕业于电子科技大学光电学院获硕士学位袁2016 年毕业于清华大学 MBA 获工商管理硕士学位遥现为河北华美光电子有限公司 COO袁主要研究方向为光电子元器件的封装尧耦合尧电路设计尧生产的自动化和信息化袁 以及企业的经营管理和产品质量管控遥专 题：光 器 件輧輶訛2023 年第 4 期程木海袁高枫.光模块接收无光监控异常的解决方法图 1 光模块接收端的工作原理图的袁经过自动高频率刷新软件测试袁发现异常监控状态占十分之一左右遥 暂时没有发现其他客户和其他组织使用 UX3320 芯片做成的光模块提出过这个问题袁因此该情况也可能跟使用方的要求不同有关遥 本文通过测试查找处异常发生的原因并提出了相应的解决办法遥1 光模块接收端的工作原理光模块接收端工作原理如图 1 所示遥 数据信号均采用差分阻抗为 100 赘渊对应单端阻抗为 50 赘冤的差分信号袁由于初始接收信号比较微弱袁接收信号的阻抗匹配十分重要遥 接收光信号经光探测器渊PD冤转化为微弱的电流信号袁通过前级 TIA 后转为幅度不超过几毫伏的较低电压信号袁经差分 100 赘 阻抗的差分信号线与后级限幅放大器相连袁然后将该信号放大到几百毫伏后输出给通信系统遥同时袁后级限幅放大器将 TIA发送过来的监控信号渊MON冤与模块内部设置的阈值渊有 2 种阀值院一种为光信号强度的阀值袁一种为光信号幅度的阀值冤进行大小对比袁如果前者低于后者袁模块则判定为无光曰反之袁则判定为有光袁并通过模/数转换电路将数值存入模块相应寄存器遥2 问题分析和硬件处理办法按照 SFF-8472 协议要求袁光模块内部 A2 地址中104渊高位 MSB冤尧105渊低位 LSB冤位是接收监控寄存器遥 在正常情况下袁光模块在无光信号输入时 104 位寄存器的值为 00袁105 位寄存器的值为 00曰 在有光信号输入时袁105 位寄存器的值为 01遥 为了确认接收监控异常的问题所在袁 在关闭激光器输出的情况下袁对异常模块内部与光接收信号相关寄存器进行信息检测袁 发现 104 位寄存器内容为 00袁105 位寄存器内容为 01袁说明模块确实认为检测到有光进入遥根据光模块的接收监控工作原理袁出现模块监控异常情况的原因可能有 3 种院有不可控光源发出的光信号进入到了模块曰 电路噪声超过模块检测到的 TIA信号曰 电路噪声造成 I2C 总线在读取信息的过程中受到干扰导致读取错误遥 因此袁为了查找模块监控异常原因袁首先需要判断这种异常是由光信号还是电信号造成的遥2.1 光信号判断为了确定是否有不可控的光源发出的光信号渊例如激光器可能没有完全关断而有些许发光冤进入到了模块光接收端袁将光接收端的光纤拔出袁再检测模块接收监控信息数百次袁若结果与无变化袁仍有与之前相同比例的读取异常袁则考虑可能是自然光造成的干扰遥 将模块光接收端盖上黑色尾塞使得模块无法接收到自然光袁再检测模块接收监控信息数百次袁结果仍然与之前相同遥 这说明光接收端的监控异常是由电路噪声导致的遥2.2 电信号测试产生电路噪声的原因可能有几种院I2C 总线信息读取错误尧 接收电源噪声对差分接收数据信号的影响袁或者其它电路噪声遥2.2.1 I2C 总线测试光通信模块与光通信系统的通信总线使用 I2C总线袁如果受到外界信号的干扰或者串扰袁可能导致读取信息错误遥 用示波器采样 I2C总线信号袁采样图如图 2 所示遥可以看出袁在整个采样的过程中袁I2C 总线的图形都是正常的袁并没有受到外来信号的影响袁说明接收监控异常不是由 I2C 总线异常读取引起的遥2.2.2 电源噪声测试采用厦门优讯公司 UX3320 芯片设计的光模块原理图如图 3 所示遥 该光模块芯片是由激光驱动器尧限幅放大器和单片机三合一组成袁内部有光模块规定的各个 A0 和 A2 寄存器袁芯片的各类配置烧写进一个外接存储器袁并通过 I2C 总线与主芯片相连袁在模块上电时袁主芯片从存储器内自动读取配置文件遥 模块的电源部分中发射渊TX冤电源和接收渊RX冤电源是完全独立专 题：光 器 件图 2 I2C 总线采样图輧輷訛2023 年第 4 期的袁 而发射部分的地和接收部分的地则是共用的袁因此可以分别测试发射电路和接收电路的电源袁查看电源中的噪声情况遥将示波器探头接触到电路板 VCC_RX 靠近3的位置袁测得的实时波形电源噪声很小袁没有特别的过冲袁对监控测试不会有很大的影响曰改变与3相连的解耦电容12的容值袁并用软件多次读取接收监控值袁结果无明显变化遥 采用同样方法测试 VCC_TX 端的噪声情况袁结果与测试 VCC_RX 时基本一致遥 这个测试结果说明模块整体的接收电源噪声不是引起接收监控异常的主要原因遥2.2.3 MON 脚解耦电容的影响图 3 中 UX3320 芯片的第 23 引脚起到接收监控的作用袁用以监控 PD 收到的光电流强弱袁并通过限幅放大器渊LA冤中集成的模/数转换器将光/电流转换为数字参量显示到接收监控寄存器中遥 根据这一原理袁本文判断在接收端无光输入时袁 第 23 引脚依然会有阶段性的微弱电流进入 LA袁 从而导致 105 位显示 01 残留值遥 图中14的电容值为 0.01 滋F袁将其逐次增加至1 pF尧10 pF尧0.1 滋F尧1 滋F尧4.7 滋F尧10 滋F袁 并分别测试105 位状态袁 发现出现残留值的概率随着容值增大而明显减小遥但是袁当容值大于 1 滋F袁接收端输入光电流急剧变化时袁 模块中的接收监控值会有明显的延时遥这是因为在有光电流时袁电容充电量比较多袁造成无光时放电过程较长导致残留值的出现遥由此可知袁 消除或减小第 23 引脚噪声的干扰对降低接收监控读取错误有明显效果袁但仍无法完全清除此类监控错误遥2.2.4 不同 TIA 的影响TIA 内部电路设计不当或者封装问题也有可能造成接收监控电流异常遥 当前批量使用的 TIA 是 High鄄light 公司的 HR1G00袁 断开第 23 引脚到 LA 连接袁连续读取一百多次袁105 位一直是野00冶状态袁可以判定异常电流来源于 TIA 方向遥为验证不同 TIA 对接收监控的影响袁 本文采用Macom 公司的 M02027 和更高灵敏度的 Nanotech 公司的 NT20067 分别制作一批光接收器件袁采用同样的封装工艺袁 之后在同一批模块上面进行监控测试袁多次测试得到的接收监控结果都是准确的遥 这说明了不同的 TIA 确实对接收监控的准确性影响非常大遥 但是考虑到性价比问题袁 还是需解决当前可批量使用的TIA 监控不够准确的问题袁 可以采用软件优化模块内部集成的模/数转换器设置来解决该问题遥3 软件校准由于雪崩二极管渊APD冤的灵敏度随着输入光功率的增加呈现指数增加袁普通光电探测器渊PIN冤的灵敏度则随着输入光功率的增加而线性增加袁光模块监控的内部寄存器有预留袁所以 APD 接收的模块可以采用二阶方程来校准接收监控值袁PIN 接收的模块则使用一阶线性方程就能够实现准确的校准遥为了统一校准方程袁 本文使用二阶方程来校准袁当二阶系数为 0 时袁二阶方程就变成了线性方程遥 假设二阶方程中的二阶系数为2袁一阶系数为1袁常数渊偏移量冤为0袁模块内部模/数转换器的数值为 袁那么接收监控值的计算方程如下院=22+1+0渊1冤为了更加简便地验证软件校准方法是否有效袁本文采用 PIN 作为光接收器进行校准验证渊该解决方法同样适用于 APD 作为接收的光模块冤袁校准流程如下院1冤2默认值为 00h袁并将该数值存入模块中 A2 寄存器的 99h 和 98h 地址曰2冤1默认值为 01h袁并将该数值存入模块中 A2 寄存器的 9Bh 和 9Ah 地址曰3冤0默认值为 00h袁并将该数值存入模块中 A2 寄存器的 A9h 和 A8h 地址曰4冤监控电流方向设定 1渊表示电流流入冤袁并将该数值存入模块中 A2 寄存器的 E2h 的第 6 位曰5冤设定接收光功率为-10 dBm渊100 滋W冤袁读取接收监控值1曰程木海袁高枫.光模块接收无光监控异常的解决方法图 3 UX3320 方案模块电路原理图专 题：光 器 件輨輮訛2023 年第 4 期程木海袁高枫.光模块接收无光监控异常的解决方法6冤设定接收光功率为-20 dBm渊10 滋W冤袁读取接收监控值2曰7冤设定接收光功率为-30 dBm渊1 滋W冤袁读取接收监控值3曰8冤将1尧2尧3这 3 点的值代回式渊1冤中袁计算出2尧1和0遥使用 PIN 校准光接收器袁实际计算过程中2基本为 0袁表示监控值与接收到的光功率为线性相关曰0也基本为 0袁表示只要第 23 引脚认为有光输入袁就会有监控值输出遥 监控值与接收光功率的关系曲线如图 4中红色线所示遥根据前文可知袁TIA 自身可能会有一定的噪声通过第 23 引脚进入到芯片的监控部分袁 当输入光功率低于噪声时袁监控就不准确遥 如果把采样的信号提高到噪声水平之上袁 就可以杜绝 TIA 噪声对监控的影响袁这表明可以通过调整0来忽略噪声带来的影响遥若调整关系曲线的偏移量袁使其下移渊如图 4 中绿色线所示冤袁则在横轴方向会出现抑制噪声区域袁监控值在这一区域可以使接收光功率保持在-40 dBm袁即 105 位保持野00冶状态遥 大批量测试结果表明袁现有产品的偏移量设置为 A8h=FF尧A9h=FD 是非常合适的遥 但是袁对于不同的电路板设计尧封装工艺和不同的TIA尧LA 使用袁 校准监控的偏移量需要根据实际情况验证得出遥通过调整偏移量的方式校准后袁大批量且多次测试光模块 渊包括之前所遇到的异常模块冤 寄存器 105位的残留值袁全部保持野00冶状态袁说明接收监控异常问题得到了完全解决遥4 结束语采用 UX3320 芯片做成的光模块在无光输入时袁接收监控有时会出现异常遥 为了找到接收监控异常的原因并寻找解决办法袁本文用示波器测试了模块电源波形袁根据对电源波形内噪声幅度的判断袁电源噪声不是造成监控异常的原因曰用示波器测试了监控异常时候的 I2C 总线信号波形袁波形纯净规范袁说明监控异常不是由 I2C 总线读取错误造成的曰 对比测试发现不同 TIA 会对接收监控的准确性有非常大的影响袁通过精确选择与 TIA 相连接的解耦电容袁能够大幅度降低异常几率曰试验验证了合理选择监控校准方程的系数是一种解决接收监控异常的有效办法遥 因此袁精确选择 TIA 解耦电容和软件校准这 2 种方法相配合袁能够完全解决无光时的接收监控异常问题遥在实际使用过程中袁可以先通过调整与 TIA 监控信号所连接的解耦电容来大幅降低监控异常的几率袁然后对不能完全消除的噪声进行监控偏移量调整袁用软件校准的方式舍弃部分模/数转换数据得以完全消除噪声遥 但是袁若不能够通过硬件大幅度降低噪声袁软件校准的偏移量过大时袁 监控精度就会大幅降低袁例如-35 dBm 的监控精度可能会降低到只有-25 dBm遥因此本文所提的硬件解决办法和软件校准方法需适当配合使用遥参考文献院1 SFF Committee.Specification for siagnostic monitoring interface foroptical transceivers,SFF-8472-2012S.San Jose:SFF Committee,2012.2 DUTTON H J R.Understanding optical communicationsJ.Internation-al Technical Support Organization,1998渊9冤:231-232.3 SFF Committee.Cooperation agreement for small form-factor pluggabletransceivers,INF-8074S.Santa Clara:SFFCommittee,2001.4 Maxim Integrated.Introduction to LVDS,PECL,and CMLEB/OL.2022-08-31.https:/ 4 接收监控曲线图专 题：光 器 件輨輯訛