1x9光模块单芯片解决方案

1x9数字光模块

单芯片方案介绍

目录

1、1x9数字光模块简介 (3)

2、常规解决方案 (3)

3、单芯片解决方案 (5)

4、常规方案和单芯片方案比较 (6)

5、单芯片方案的优势 (7)

1、1x9数字光模块简介

1X9封装的光模块产品最早产生于1999年，通常直接固化（焊接）在通讯设备的电路板上，作为固定的光模块使用，有时候也叫9针或9PIN光模块。顾名思义，他有九个PIN角，是光模块早期最常见的封装形式，同时市场需求量非常大，主要应用在光纤收发器，PDH光端机，光纤交换机，单多模转换器等工业控制领域。

简单地说，1x9光模块是以光波为载波，以光纤为传输媒介的通信设备，使用光源将电信号变成光信号，输入于光纤传输，使用光探测器把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复到原来的电信号。功能原理如图1所示：

图1：光模块功能原理框图

2、常规解决方案

1x9封装光收发一体模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，包括发射和接收两部分。常规的解决方案如下：

发射部分：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片（LDD）处理后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号。

需要采用独立的驱动芯片（LDD）及激光器共同实现发射部分的功能，LDD常用MAXIM和MindSspeed厂家，同时需要配备发光检测电路、光功率控制电路、温度补偿电路等。也有部分型号的芯片集成了这些功能，如MAX3738（图2）。

图2：MIXIM发射部分解决方案

接收部分：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。经限幅放大器（LA）后输出相应码率的电信号。同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。

需要采用独立的限幅放大器（LA）及集成TIA的探测器共同实现接收部分的功能，LDD常用MAXIM和MindSspeed厂家，同时需要配备收光检测电路、告警输出电路、温度补偿电路等。也有部分型号的芯片集成了这些功能，如M02150等。

图3：MindSpeed接收部分解决方案

3、单芯片解决方案

单芯片解决方案的宗旨是使用一只单独的芯片，集成除光电转换之外的所有功能电路，从而达到降低成本、简化布局、增加稳定性等目的。

发射部分：输入一定码率的电信号经芯片内部的驱动电路，驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号。芯片集成温度检测功能，同时检测激光器背光二极管的背光电路，自动进行功率补偿和温度补偿。

接收部分：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。经芯片内部限幅放大器和差分放大器后输出相应码率的电信号。芯片集成温度检测功能，同时检测电信号的幅度，自动进行幅度补偿和温度补偿，另外在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。

下面介绍关于采用收发一体芯片SCOP2078实现的单芯片解决方案。

SCOP2078百兆收发一体光模块芯片集成了激光驱动器（LDD）和限幅放大器（LA）两种功能。SCOP2078的激光驱动器(LDD)可设置激光器调制电流达50mA和偏置电流达60mA，并集成有自动功率控制（APC）电路，自动温度补偿（ATC）电路。

SCOP2078的限幅放大器（LA）可以接受较宽的输入电压，最低输入电压可至2mVP-P；其输出电压为限幅800mVP-P(典型值)的PECL输出波形。

SCOP2078提供的两种接口电平的信号丢失（LOS）输出：一种带5kΩ内部上拉电阻、集电极开路（OC）的TTL输出，另一种LVPECL/PECL输出；便于分别在1x9模块中应用。同时LOS 门限可以编程设置（LOSLVL），根据其所联接的前置放大器（TIA）的输出幅度来进行调整，而LOS门限的告警滞回仅为2.0dB。

实际应用中，SCOP2078分别与激光器和探测器相连接，激光器和探测器分别通过光纤与光模块壳体上设置的插拔型光接口相连接，即可实现光模块的功能。使用单芯片解决方案设计光模块电路，在大幅降低硬件成本的同时，简化了ＰＣＢ走线，节约了模块空间，增强了光模块工作的稳定性，并且避免了传统双芯片方案之间软硬件配合出现的问题，同时更具目的性的专用型单芯片避免了芯片中无用资源的浪费，使芯片的资源利用率最优化，真正实现了发射、接收、控制的无缝连接。

图4：单芯片解决方案

4、常规方案和单芯片方案比较

使用单芯片解决方案，1x9光模块仅需要1个芯片即可达到使用要求，大幅度降低硬件成本，同时节省了很大的模块空间，PCB走线更加方便。

图:5：单芯片方案布局对比

所有功能电路集成于1个芯片内，避免了双芯片方案之间软硬件的配合问题，增强了光模块工作的稳定性。另外，根据不同的使用需求，选用目的性更强的专用型单芯片避免了芯片中无用资源的浪费，使芯片的资源利用率最优化。

图6：单芯片方案性能对比

5、单芯片方案的优势

1、成本低

单芯片方案仅使用一只集成除光电转换之外所有功能电路的芯片，不需要寻找各种各样的激光器驱动芯片（LDD）和限幅放大器（LA），同时1个芯片代替了2个或多个芯片，节省了模块空间，PCB走线更加方便，方案更加简单，大大简化光模块的生产制造过程，成本更低。

如收发一体芯片SCOP2078采用QFN24L（24引脚，4mm x4mm）封装，外围除各种调试位之外，仅需电容电阻对端口阻抗进行匹配，加起来仅需十几个阻容，应用方案及其精简。

2、集成度高

单芯片方案的LDD和LA集成在一个芯片内，统一进行设计封装，收发之间匹配性更好，极大的减小收发串扰，集成APC补偿电路，光功率更稳定，集成宽电压LA，可以接受较宽的输入电压，LOS门限滞回小，灵敏度波动小。

如收发一体芯片SCOP2078集成了APC开环和APC闭环条件下的BIAS电路补偿电路，比常规的APC电路补偿效果更好，光功率更加稳定，集成最低输入电压2mVP-P的LA，LOS门限可编程，LOS门限滞回仅2.0dB，灵敏度波动很小。该芯片采用IBM0.18um先进CMOS工艺制造，使用该芯片制作的1x9光模块在-40℃至+85℃条件下，光功率变化仅1dB左右，灵敏度变化仅1dB 左右，性能稳定可靠。

3、性能卓越

采用单电源供电，工作电压支持3.3V±10%、5.0V±10%，在电源拉偏时几乎不影响模块性能；而常规模块多数则只支持3.3V或5.0V供电，如供电电压不正确，模块性能下降较多，甚至会对模块造成永久性损伤。

工作温度范围－40°C至+85°C内，光功率、消光比、灵敏度均满足行业通用要求，光功率和灵敏度的变化仅1dB左右，是真正的工业级模块；而常规模块多数仅支持-20°C到+70°C或-20°C 到+85°C，光功率变化达到2-3dB，甚至更大，同时其灵敏度常会出现不合格的情况。

4、便于大规模的生产

采用单芯片方案，极大地简化了光模块上的外围元器件和PCB设计，生产过程不再繁琐，以低成本实现高性能的要求；而常规模块则需要复杂的安装和调试过程，费时费力，过多的人工参与导致性能得不到保障。

单芯片方案消光比调试电阻采用下拉的方案，在调试消光比时，消光比电阻不管是开路（虚焊），还是短路（搭焊），激光器的调制电流总控制在一个合适的范围内，不会对激光器造成损伤，减小了生产损耗，保障了产品寿命；而常规模块消光比电阻常使用上拉的方式，在调试消光比时，一旦消光比电阻开路（虚焊）或者短路（搭焊），可能会导致激光器调制电流过大，从而对激光器造成永久性损伤。

单芯片方案采用性能卓越的核心芯片，集成精准的功率控制补偿电路和限幅电路，激光器上板后光功率变化不大，探测器上板后灵敏度损失小，使用芯片集成的方式保证模块一致性，生产过程中除消光比外不需要调试，SMT机器贴片生产的生产工艺保证了模块的一致性和可靠性。