具有錯誤診斷功能的低成本光模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，包括用于接收光信號的光接收器、用于發(fā)射光信號的激光器以及一顆集成有激光驅(qū)動器和接收信號限幅放大器的收發(fā)一體芯片；所述收發(fā)一體芯片連接所述的激光器和光接收器；所述收發(fā)一體芯片自帶錯誤監(jiān)測功能，在監(jiān)測到系統(tǒng)工作狀態(tài)異常時，生成報錯信號通過接口對外輸出。本實用新型采用單芯片方案，在沒有單片機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了光模塊的接收、發(fā)射和錯誤監(jiān)測報警功能，不僅在電路設(shè)計上簡化了PCB走線，節(jié)約了空間，降低了硬件成本；而且，一體化的電路設(shè)計避免了傳統(tǒng)多芯片方案中芯片之間軟硬件配合出現(xiàn)的問題，增強了光模塊工作的穩(wěn)定性，使得芯片資源的利用率最大最優(yōu)化。
【專利說明】具有錯誤診斷功能的低成本光模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是涉及一種應(yīng)用在光通信鏈路中的光收發(fā)模塊的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界范圍內(nèi)對EPON ONU (Optical Network Unit，光網(wǎng)絡(luò)單元)光模塊的海量需求，使得成本控制在EPON ONU光模塊研發(fā)生產(chǎn)過程中顯得尤為重要。不同的客戶對光模塊的功能需求各不相同，有的需要光模塊具有錯誤診斷功能，有的需要光模塊具有光功率監(jiān)測功能，還有的需要光模塊具有接收信號強度的指示功能RSSI，等等。無論需要光模塊具備哪種數(shù)字診斷功能，在光模塊的硬件電路設(shè)計中，目前普遍采用的方法都是使用激光驅(qū)動器、接收信號限幅放大器、單片機等芯片配合簡單的外圍電路組建而成，利用單片機的數(shù)據(jù)處理功能完成各種數(shù)字診斷任務(wù)。
[0003]這種傳統(tǒng)的硬件設(shè)計方案由于需要使用單片機進行電路設(shè)計，因此硬件成本明顯升高。同時，多芯片的設(shè)計方案引入了更多的引腳走線，增加了 PCB板的信號層數(shù)，為PCB板的布線設(shè)計帶來了較大的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型針對現(xiàn)有基于單片機設(shè)計的光模塊，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的問題，提出了一種低成本的光模塊，在無需使用單片機的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了光模塊的錯誤診斷功能。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0006]一種具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，包括用于接收光信號的光接收器、用于發(fā)射光信號的激光器以及一顆集成有激光驅(qū)動器和接收信號限幅放大器的收發(fā)一體芯片；所述收發(fā)一體芯片連接所述的激光器和光接收器；所述收發(fā)一體芯片自帶錯誤監(jiān)測功能，在監(jiān)測到系統(tǒng)工作狀態(tài)異常時，生成報錯信號通過接口對外輸出。
[0007]本實用新型的光模塊在無需使用單片機的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了光信號的接收、發(fā)射和錯誤診斷三大功能，在有效降低硬件成本的基礎(chǔ)上，簡化了 PCB板的布線設(shè)計。
[0008]進一步的，在所述接口中設(shè)置有報錯信號輸出引腳和控制信號輸入引腳，通過收發(fā)一體芯片輸出的報錯信號經(jīng)由所述的報錯信號輸出引腳對外輸出；外部根據(jù)報錯信號生成的用于控制激光器打開或者關(guān)閉的控制信號，經(jīng)由所述控制信號輸入引腳傳輸至所述的收發(fā)一體芯片。
[0009]為了對收發(fā)一體芯片的運行程序以及運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行存儲，在所述光模塊中還設(shè)置有存儲器，通過總線連接所述的收發(fā)一體芯片。
[0010]優(yōu)選的，所述存儲器優(yōu)選采用EEPR0M，通過I2C總線連接所述的收發(fā)一體芯片。
[0011]進一步的，所述收發(fā)一體芯片通過數(shù)據(jù)線連接所述接口，接收外部輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)，并生成偏置電流和調(diào)制電流輸出至所述的激光器，驅(qū)動激光器發(fā)射光信號。
[0012]其中，所述激光器可以采用內(nèi)部僅集成有發(fā)光二極管的激光器進行電路設(shè)計，無需封裝背光檢測二極管，由此可以進一步降低電路成本。
[0013]又進一步的，所述光接收器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成差分形式的電信號，經(jīng)由隔直電容傳輸至所述的收發(fā)一體芯片。
[0014]再進一步的，所述光接收器根據(jù)接收到的光信號產(chǎn)生與之對應(yīng)的響應(yīng)電流，并將所述響應(yīng)電流通過采樣保持電路傳輸至所述的收發(fā)一體芯片，以用于計算平均接收光功率。
[0015]更進一步的，在所述采樣保持電路中包含有一電容，所述電容的正極分別與光接收器的響應(yīng)電流輸出端和收發(fā)一體芯片的ADC端口相連接，負(fù)極接地，對光接收器輸出的響應(yīng)電流進行采樣保持。
[0016]優(yōu)選的，所述光模塊優(yōu)選為基于Turbo EPON網(wǎng)絡(luò)的ONU光模塊。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點和積極效果是:本實用新型的光模塊采用自帶錯誤監(jiān)測功能的收發(fā)一體芯片代替激光驅(qū)動器、接收信號限幅放大器和單片機等獨立芯片，完成傳統(tǒng)設(shè)計中必須由多個芯片協(xié)同工作才能實現(xiàn)的光信號接收、光信號發(fā)射以及錯誤診斷三大功能，不僅在電路設(shè)計上簡化了 PCB走線，節(jié)約了空間，降低了硬件成本，增加了光模塊工作的穩(wěn)定性；而且，一體化的電路設(shè)計避免了傳統(tǒng)多芯片方案中芯片之間軟硬件配合出現(xiàn)的問題。同時，專業(yè)化更具目的性的專用型芯片的使用節(jié)約了無用芯片資源的浪費，使得芯片資源的利用率最大最優(yōu)化。
[0018]結(jié)合附圖閱讀本實用新型實施方式的詳細描述后，本實用新型的其他特點和優(yōu)點將變得更加清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型所提出的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊的內(nèi)部電路的一種實施例的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細地說明。
[0021]隨著光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，具有數(shù)字診斷功能的光模塊是近年來市場上的主流產(chǎn)品。為了實現(xiàn)數(shù)字診斷功能，傳統(tǒng)的光模塊在電路設(shè)計上都是額外增設(shè)一顆單片機，配合電路中原有的激光驅(qū)動器、接收信號限幅放大器等芯片進行電路的整體設(shè)計，實現(xiàn)平均光功率、消光比、接收信號強度指示等數(shù)字診斷功能。這種電路設(shè)計方案由于需要采用多顆芯片配合完成，因此電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而且芯片之間在軟硬件配合方面經(jīng)常會出現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致誤動作的產(chǎn)生，影響光模塊運行的穩(wěn)定性。而且，對于某些客戶來說，對光模塊的功能要求并不完全相同，有些客戶可能只需要光模塊具備錯誤診斷功能，其他監(jiān)控功能并不需要。但是，目前的光模塊設(shè)計方案，對于這種有特殊需求的客戶，仍然是沿用傳統(tǒng)基于單片機的多芯片設(shè)計方案來實現(xiàn)單一的數(shù)字診斷任務(wù)，不僅造成了資源的嚴(yán)重浪費，而且也喪失了產(chǎn)品在價格競爭中的優(yōu)勢。
[0022]針對目前在數(shù)字診斷方面僅要求錯誤監(jiān)控報錯功能的特殊光模塊使用群體，本實施例采用一顆集成有激光驅(qū)動器和接收信號限幅放大器、并自帶錯誤監(jiān)測功能的收發(fā)一體芯片Ui代替?zhèn)鹘y(tǒng)光模塊設(shè)計中的激光驅(qū)動器、接收信號限幅放大器和單片機，完成光模塊的發(fā)射、接收和錯誤診斷功能，參見圖1所示。由于在電路設(shè)計上省去了單片機的使用，因此電路結(jié)構(gòu)更加簡單，硬件成本大幅降低，在滿足該類客戶對光模塊的功能需求的同時，顯著降低了該類客戶的購置成本，在市場競爭中更具有價格優(yōu)勢。
[0023]下面結(jié)合圖1，對本實施例所提出的光模塊的具體電路組建結(jié)構(gòu)及其工作原理進行詳細地闡述。
[0024]參見圖1所示，本實施例的光模塊在其內(nèi)部電路設(shè)計上主要設(shè)置有收發(fā)一體芯片Ul、激光器B0SA、光接收器PIN等主要組成部分。其中，所述收發(fā)一體芯片Ul選用一顆自帶錯誤監(jiān)測功能的集成芯片進行電路設(shè)計，連接所述的激光器BOSA和光接收器PIN，實現(xiàn)對激光器BOSA的驅(qū)動控制以及對光接收器PIN轉(zhuǎn)換輸出的接收信號的采集和限幅放大處理等任務(wù)。由于本實施例所選用的收發(fā)一體芯片Ul自身集成有錯誤監(jiān)測功能，因此可以根據(jù)接收到的外部參數(shù)自動判斷光模塊的工作狀態(tài)是否正常，并根據(jù)診斷結(jié)果生成相應(yīng)的報錯信號，通過收發(fā)一體芯片Ul的相應(yīng)管腳輸出至光模塊的外圍接口，進而通過該接口對外輸出，實現(xiàn)光模塊的自動報錯功能。
[0025]為了實現(xiàn)所述收發(fā)一體芯片Ul對光模塊工作狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測，在所述收發(fā)一體芯片Ul與外圍電路的具體線路連接設(shè)計上，本實施例將收發(fā)一體芯片Ul的一對差分信號端連接光模塊接口的數(shù)據(jù)傳輸引腳DATA，接收外部主機發(fā)出的發(fā)送數(shù)據(jù)或者控制指令，并將通過光接收器PIN轉(zhuǎn)換輸出的接收信號發(fā)送至外部主機，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。將收發(fā)一體芯片Ul的偏置電流輸出端和調(diào)制電流端子分別連接至激光器BOSA的負(fù)端，將所述激光器BOSA的正端連接直流電源VCCT，并通過濾波電容ClO接地。當(dāng)用戶需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，收發(fā)一體芯片Ul中的激光驅(qū)動器首先產(chǎn)生偏置電流Ibias，作用于激光器BOSA中的發(fā)光二極管，驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光。與此同時，主機傳送過來的發(fā)送數(shù)據(jù)輸入到激光驅(qū)動器，進而生成調(diào)制電流Imod調(diào)制到偏置電流Ibias上，通過控制激光器BOSA中發(fā)光二極管的導(dǎo)通程度來改變其發(fā)光強弱，進而將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)變成光信號，通過光纖線纜傳送至局端。
[0026]考慮到激光器的典型閾值電流在溫度由低溫升高到高溫的過程中，激光器的閾值電流會升高大約20毫安。由于閾值電流的升高，為了保持同樣的平均光功率輸出，激光器的電流就需要增大；反之，如果對激光器的閾值升高不進行補償?shù)脑挘蜁?dǎo)致平均光功率產(chǎn)生很大的變化。對于光功率的補償問題，傳統(tǒng)的雙芯片設(shè)計方案需要增加自動功率控制回路，形成閉環(huán)控制回路，利用激光器封裝的背光檢測二極管產(chǎn)生的背光電流，調(diào)節(jié)激光驅(qū)動器產(chǎn)生的偏置電流Ibias，以達到光輸出功率的恒定。而采用本實施例所提出的單芯片設(shè)計方案，則可以采用開環(huán)模式實現(xiàn)，即利用光功率補償查表的方法來補償光功率隨溫度變化而產(chǎn)生的變化，從而使得光功率在高低溫的環(huán)境下都能保持恒定，避免了自動功率控制回路的使用，簡化了電路結(jié)構(gòu)。
[0027]由于采用單芯片設(shè)計方案后，無需采集背光檢測二極管產(chǎn)生的背光電流即可解決光功率的補充問題，因此，在選擇激光器BOSA時，可以采用僅封裝有發(fā)光二極管而無背光檢測二極管的激光器元件進行電路設(shè)計，由此可以達到進一步降低光模塊硬件成本的設(shè)計目的。
[0028]在光信號的接收方面，光接收器PIN通過其內(nèi)部的光敏二極管接收通過光纖輸入的光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后，通過其差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出端OUT、-OUT輸出。通過光接收器PIN輸出的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號各自經(jīng)由一路隔直電容Cl、C2隔離掉其中的直流成分后,輸入到收發(fā)一體芯片Ul中的限幅放大電路，以對接收到的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號的幅值進行放大處理，然后輸出至后續(xù)電路。
[0029]在接收光功率監(jiān)控方面，光接收器PIN通過其內(nèi)部的光敏二極管接收通過光纖輸入的光信號，進而產(chǎn)生與之對應(yīng)的響應(yīng)電流Ipd。將所述響應(yīng)電流Ipd通過采樣保持電路傳輸至收發(fā)一體芯片Ul,優(yōu)選傳輸至收發(fā)一體芯片Ul的ADC端口，進而通過收發(fā)一體芯片Ul內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以用于連續(xù)模式下平均接收光功率的監(jiān)測。
[0030]在本實施例中，所述采樣保持電路可以采用一顆與收發(fā)一體芯片Ul外接的電容C3配合收發(fā)一體芯片Ul的內(nèi)置電阻組成，將電容C3的正極分別與光接收器PIN的響應(yīng)電流輸出端和收發(fā)一體芯片Ul的所述ADC端口相連接，負(fù)極接地。利用所述電容C3在對光接收器PIN輸出的響應(yīng)電流Ipd進行采樣保持的同時，還可以對響應(yīng)電流Ipd起到低通濾波的作用，以濾除干擾脈沖。利用收發(fā)一體芯片Ul的內(nèi)置電阻可以將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并通過對其阻值進行合理的配置，以滿足收發(fā)一體芯片Ul的ADC端口所支持的輸入電平的范圍要求。
[0031]在所述收發(fā)一體芯片Ul的內(nèi)部還可以進一步集成有溫度傳感器和電壓檢測電路，利用溫度傳感器可以檢測光模塊的工作溫度，利用電壓檢測電路可以檢測光模塊的供電電壓。所述收發(fā)一體芯片Ui根據(jù)檢測到的模塊溫度、供電電壓大小以及接收到的響應(yīng)電流Ipd和偏置電流Ibias大小等參數(shù)，可以實現(xiàn)對光模塊工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，具體可以實現(xiàn)偏置電流Ibias過流報錯，溫度過高報錯，電壓基準(zhǔn)出錯，模塊供電電壓異常等錯誤診斷功能。其中，在判斷光模塊的工作溫度是否過高時所需使用的最大溫度極限值以及在判斷偏置電流Ibias是否過流時所需依據(jù)的偏置電流最大值等設(shè)定閾值，可以通過收發(fā)一體芯片Ul的內(nèi)部寄存器進行設(shè)置。
[0032]所述收發(fā)一體芯片Ul根據(jù)檢測結(jié)果，生成相應(yīng)的報錯信號傳輸至光模塊連接外部主機的接口，具體可以連接所述接口中定義的報錯信號輸出引腳fault out,通過所述的報錯信號輸出引腳將報錯信號傳輸至外部主機，以及時向外部主機傳達光模塊的內(nèi)部狀態(tài)，使主機可以在第一時間確認(rèn)光模塊是否已經(jīng)工作在不正常的狀態(tài)，以避免數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生損失。此外，當(dāng)主機得知光模塊出現(xiàn)錯誤后，會及時生成控制信號，通過所述接口中定義的控制信號輸入引腳fault in發(fā)送至收發(fā)一體芯片U1，以通過收發(fā)一體芯片Ul及時控制激光器BOSA關(guān)閉，進而避免該故障光模塊影響到其他ONU鏈路的正常工作。當(dāng)主機根據(jù)接收到的報錯信號判斷該光模塊的工作狀態(tài)恢復(fù)正常后，輸出控制信號通知收發(fā)一體芯片Ul打開激光器B0SA，以使該光模塊重新投入運行。
[0033]另外，在本實施例的收發(fā)一體芯片Ul的外圍還可以配置一顆小容量的存儲器，本實施例以EEPROM存儲器為例進行說明，參見圖1所示，其容量可以根據(jù)實際需要具體選擇，并優(yōu)選采用I2C總線的方式與收發(fā)一體芯片Ul連接通信。在EEPROM的內(nèi)部可以劃分出程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)，收發(fā)一體芯片Ul通過I2C總線可以從EEPROM中上載程序和傳輸數(shù)據(jù)，以滿足運行需要。
[0034]此外，傳統(tǒng)的雙芯片設(shè)計方案采用通過MCU模擬I2C接口的方法與激光驅(qū)動器進行通信。這種通過軟件模擬I2C接口的方法不夠穩(wěn)定，同時MCU對激光驅(qū)動器的智能控制由于I2C接口的速率瓶頸也會造成了時間上的延遲，這種延遲性的控制對于工作在發(fā)射
1.25G、接收2.5G速率的激光驅(qū)動器來說，控制反應(yīng)略顯滯后。而采用本實施例所提出的自帶錯誤診斷功能的收發(fā)一體芯片Ul的設(shè)計方案，則可以通過芯片內(nèi)部寄存器實現(xiàn)對激光器驅(qū)動部分的直接控制，從而達到快速控制響應(yīng)的目的。這種快速控制的優(yōu)勢還體現(xiàn)在寄存器可以根據(jù)實時監(jiān)控到的收發(fā)模塊的溫度、供電電壓和激光偏置電流、調(diào)制電流的情況，來對激光器驅(qū)動部分進行及時的控制，保證光模塊的無故障運行。
[0035]本實施例所提出的光模塊單芯片設(shè)計方案集成度高，成本低，外圍器件使用少，為日益小型化的光模塊提供了更多的布線空間，從根本上解決了目前選用獨立單片機來實現(xiàn)錯誤診斷功能的光模塊的諸多劣勢，例如價格高、可選型號少、穩(wěn)定性差等，在滿足客戶對光模塊的錯誤診斷功能需求的同時，大幅降低了電信運營商、通信設(shè)備商的購置成本。
[0036]本實施例所提出的光模塊電路設(shè)計方案優(yōu)選應(yīng)用在Turbo EPON ONU光模塊中，當(dāng)然，對于應(yīng)用在局端的EPON OLT(光線路終端)光模塊也同樣適用，本實施例對此不進行具體限制。
[0037]應(yīng)當(dāng)指出的是，上述說明并非是對本實用新型的限制，本實用新型也并不僅限于上述舉例，本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員在本實用新型的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，包括用于接收光信號的光接收器和用于發(fā)射光信號的激光器，其特征在于:還包括一顆集成有激光驅(qū)動器和接收信號限幅放大器的收發(fā)一體芯片，連接所述的激光器和光接收器；所述收發(fā)一體芯片自帶錯誤監(jiān)測功能，在監(jiān)測到系統(tǒng)工作狀態(tài)異常時，生成報錯信號通過接口對外輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:在所述接口中設(shè)置有報錯信號輸出引腳和控制信號輸入引腳，通過收發(fā)一體芯片輸出的報錯信號經(jīng)由所述的報錯信號輸出引腳對外輸出；外部根據(jù)報錯信號生成的用于控制激光器打開或者關(guān)閉的控制信號，經(jīng)由所述控制信號輸入引腳傳輸至所述的收發(fā)一體芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:在所述光模塊中還設(shè)置有存儲器，通過總線連接所述的收發(fā)一體芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:所述存儲器為EEPROM，通過I2C總線連接所述的收發(fā)一體芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:所述收發(fā)一體芯片通過數(shù)據(jù)線連接所述接口，接收外部輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)，并生成偏置電流和調(diào)制電流輸出至所述的激光器，驅(qū)動激光器發(fā)射光信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:在所述激光器中僅設(shè)置有發(fā)光二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:所述光接收器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成差分形式的電信號，經(jīng)由隔直電容傳輸至所述的收發(fā)一體芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:所述光接收器根據(jù)接收到的光信號產(chǎn)生與之對應(yīng)的響應(yīng)電流，并將所述響應(yīng)電流通過采樣保持電路傳輸至所述的收發(fā)一體芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:在所述采樣保持電路中包含有一電容，所述電容的正極分別與光接收器的響應(yīng)電流輸出端和收發(fā)一體芯片的ADC端口相連接，負(fù)極接地。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的具有錯誤診斷功能的低成本光模塊，其特征在于:所述光模塊為基于Turbo EPON網(wǎng)絡(luò)的ONU光模塊。
【文檔編號】H04B17/00GK203708257SQ201320757155
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】葛君, 張華
申請人:青島海信寬帶多媒體技術(shù)有限公司