SFP光模块的监测系统研究与公实现.pdf
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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要随着信息社会的来临,通信网络的传输容量不断扩大和光纤通信网络的速 率不断提高,光纤通信已经成为现代信息传输的个重要手段。光收发一体模 块作为光纤通信中的非常重要的有源器件,它不仅提供光网络的核心功能,具 有传输距离长、网络带宽高等优点,而且还构成了光通信系统的主要成本。SFP 光模块是款先进的小型封装光模块封装形式,它服从多源SFP MSA协议和 SFF-8472协议。它具有可热插拔功能,模块无需切断电源,就可以连接或者中 断设备,方便更换,而且其还具有远距离、高速率、高端口密度、低功耗、低 成本的优势,并且能够实现实时地监测模块的些重要指标参数,包括工作电 压,工
2、作温度,工作偏置电流,发射光功率,接收光功率。带数字诊断的SFP 使得光网络设备工作地更加智能,并提高通信管理效率和系统可靠性,简化了 日常维护的工作。本文在此背景下,对带数字诊断功能的SFP光模块进行深入地研究,结合 现实条件,研究设计了具备数字诊断功能的SFP光收发模块监控测试系统,主 要的工作有:(1)详细介绍了 SFP光模块的工作原理以及模块的构成,并对各功能模块 的性能进行分析,随后研究了数字诊断功能的原理和应用。(2)研究速率为!.25Gbps带诊断功能SFP光模块硬件电路,符合SFP MSA 协议,满足封装及技术指标要求。(3)根据SFR8472协议,通过12c通信,设计SFP光
3、模块的监测系统软 件,并对其数字诊断功能进行校准与检验,实时监测重要的指标参数,真实地 反映实际值。(4)研究通过控制Agilent 86100C仪器,由计算机获取SFP光模块发射端 的通用信息,完成发射端和接收端光功率的校准功能,并用误码仪测算其灵敏 度,简化测试过程,缩短测试时间,提高了测试效率。测试结果表明,设计的SFP光模块监测系统不仅可以实时地监测模块通用 信息,还可以自动实现校准功能,保证监测系统的可靠性、可行性和优越性。关键词:SFP光模块;SFF-8472协议;数字诊断;12c通信:自动测试武汉理工大学硕士学位论文AbstractThe information society
4、is approaching.With the expansion of communication capacity and the improvement of communication network rate,fiber optical communication has become one important method for information transmission.As all important part of active optical device,optical transceiver has an important position in broad
5、band network system.lt not only provides the key function of optical network,but also is the prime cost of optical communication systems,which makes them have advantages of high network bandwidth,long distance to reach.Nowadays SFP transceiver is one of the most advanced package of optical modules.I
6、t corresponds to SFP-MSA Agreement and SFF-8472 documents.lt not just has the advantages of hot-pluggable which means the module can be connected and disconnected to the equipment without cutting off the power supply.It also have high port density,low power consumption,short design cycle and low cos
7、t.Furthermore,we can monitor working voltage,working temperature,bias current,Tx optical power and Rx optical power and other parameters in real time.Therefore,the optical network equipments are more intelligent and more reliable.The maintenance work is also simplified.On basis of the above,the thes
8、is makes a research on the small form pluggable optical transceiver module with the digital diagnosis monitor fimction.According to the realistic condition,the design of transceivers monitor system is devised.The main work is listed as followed.(l)The principle of optical modules is introduced.What
9、is more,digital diagnosis and its application are also given out in details.The hardware circuit is designed which corresponds to SFP MSA Agreement,meets the requirement of package and technology qualifications.The rate is achieved to 1.25Gbps.(3)According to SFF-8472 Agreement,the software of trans
10、ceivers monitor system is designed by using I2C protocol.And the digital diagnosis ftmction is 武汉理工大学硕士学位论文calibrated and inspected.We can monitor some important parameters in real time in order to reflect the actual value.(4)The general information of the light emission is acquired with computer by
11、 controlling Agilent 86100C instrument In addition,the auto calibration function of optial power is implemented in order to reduce the complexity and test time,improving testing efficiency.The results show that the monitoring system works out well.The general information is monitored in real time an
12、d calibration function is realized automatically so that it guarantees the reliability,feasibility and superiority.Key words:SFP Transceiver;SFF-8472;Digital Diagnosis;I2C Communication Protocolin武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.I 课题研究背景和意义1966年7月,英国标准电话研究所的英籍华人高银博士在一篇具有划时 代意义的论文中提出,利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维作为传输光的 介质,其损耗
13、可低于20dB/kn?L由于他在光纤领域做出的杰出贡献,被尊称 为“光纤之父、目前,光纤通信已经成为当代通信的主流,是信息社会的主要 支柱之一.进入21世纪,互联网迅速发展,网络的规模和应用范围在不断地扩大,人 们对高网络带宽的资源需求越来越迫切,导致了光纤广泛地使用在有线传输领 域。比如城域网(MAN)、局域网(LAN)、广域网(WAN)等光通信网络越来越 多地运用光纤进行传输,信息的传输和交换正向光网络方向迅猛发展口。光器件和光纤通信网络的技术发展是相辅相成的,光通信己经成为现代信 息网络的主要传输手段,人们对光纤通信网络的核心器件光收发一体模块的需 求也越来越多【叫这导致我们需要不断发展
14、相关技术满足不断增长的应用需求。所以光模块正在不断地朝着标准化、模块化、高速率、小型化、低成本、低功 耗、智能化的方向发展。SFP是款小型化的光收发模块,具备可热插拔的功能,即无需切断电源,便可与设备连接或者断开。SFP技术的出现与发展,无疑是为光纤网络接口技术 提供一项重要的创新手段.它运用先进的精密光学原理和电路集成工艺制作技 术,尺寸只是普通双工SC(1X9)型光纤收发模块的1/2,因此在同样空间里 增加了一倍的光端口数,同时增加线路端口密度,从而降低了端口的系统成本。智能SFP光模块受到各生厂商越来越多的青睐,成为各生厂商技术升级的标志 性产品叫在这种技术发展的趋势下,对带数字诊断功能
15、的SFP光模块进行深入研究,非常具有意义。通过实时地监测光模块的通用信息,实时诊断光模块的工作性 能,可以帮助系统管理预测收发模块的寿命,监测器件工作状态及老化程度,业务员可以判断并替换可疑故障器件,提供维修预报服务,达到隔离系统故障 武汉理工大学硕士学位论文的目的,并于现场安装中验证模块是否兼容,提高系统维护性,为系统提供 种可靠的性能监测手段【叫此外,在对光模块的参数进行测试时,通过人眼观察 仪器上的波形及记录数据,这个过程比较繁琐,容易出错,测试效率比较低下【支 通过现有仪器设备的基础上,开发套自动测试系统,方便操作,提高测试效 率.1.2 国内外研究现状光模块的核心基本功能是为电气和光
16、传输网络之间转换,提供符合特定要 求参数的接,对光模块种类需求的增加,推动人们不断地关注、研发光模块。早在1998年时,为了能够对光网络进行可靠的管理,便对小封装的 SFF(Small Form Factor)的光模块提出进行实时监测其参数信息的构思,设想采用 5个引脚来检测激光器的工作电压(Vcc)、工作温度(Temp)、工作偏置电流(IBias).发射光功率(Tx_Pwr)、接收光功率(Rx_Pwr),不久之后,出现了一 款具备可热插拔功能的SFP光模块网。在2002年,各开发商设计出智能的SFP 光模块,能够监测收发信号关键的参数信息,且服从SFF8472协议.国外对智能化光收发一体模块
17、的研究一直处于领先地位。2003年3月,泰科电子公司推出款单模的小型可热插拔收发器,采用LC 接口及内部校准的数字诊断技术。其应用在光纤信道,以太网接口等领域中。2003年6月,Agilent Technologies推出了一款具备DDM功能,工作速率达 到L25G的SFP光收发合一模块。2003年9月,英飞凌科技公司和E20合作推出速率为4.25GbPs的智能SFP 光收发模块。可以对光纤通道速率进行自选,支持千兆以太网的应用。2004年9月,Finisar推出款DWDM小型可插拔收发器,兼容最新的 DWDM SFPMSA协议,专为城域接入网和核心网设计,其不仅功耗低,而且还 具有增强的数字
18、诊断功能,系统设备厂商增加一些额外的诊断功能,以实现提 髙网络监测性的目的除2005年2月,安捷伦科技宣布开始正式量产其多模(multimode)光纤收发器。此收发器专为4Gb/s光纤信道应用产品所设计,包括光纤信道切换器、磁盘阵列 和主总线转接器等,并整合该公司自行开发的IC和VCSEL技术,从而提升其 效能明。2008年1月,安华高又推出款!OGbps以太网SFP+SR短距离光收发器,2武汉理工大学硕士学位论文其核心是采用850nm VCSEL,同时使用AFBR-700SDZ多模式光纤,让SFP+收 发器将通信范围扩展到300米远0丄!0 Gb/s SFP+是款可以将更高层次速度和 连接端
19、口密度带到新一代网络设备的产品附。2011年7月,Emcore宣布正式投产并推出其可调谐XFP收发器,该器件釆 用了最新的“ClearLigh利外腔激光器(ECL)技术,该技术从开发后被全球 多个运营商用于部署光纤网络口叫7月25日,NeoPhotonics宣布推出应用于高 速以太网客户端的40GCFP光收发模块。这款新型可插拔光模块可以使XFP或 SFP+封装模块的速率从10G提升至40G,适应了如今数据中心日益增加的带宽 需求.国内公司如烽火科技、易飞扬等光器件厂商也陆续地将光模块产品推向市 场【刈,光收发模块的数字诊断功能主要釆用控制器,通过数据处理,利用 SFR8472协议,对五个模拟
20、量的参数进行校准。在测试光收发模块参数信息时,很多公司在生产线上直接釆用的人工手动测试。1.3 本文的研究内容本课题来源于某光电企业的“SFP光模块监测系统的研究与实现”项目。该 项目主要在工作速率为1.25G,带有可热插拔并带数字诊断功能的SFP光收发模 块基础上,开发光模块的监测系统软件,要求对模块内部的五个模拟量进行实 时监测,完成校准功能,并实现光模块自动测试,开发的光模块技术指标符合 要求,监测系统软件经过反复测试,验证系统的可行性及系统的可靠性。本文的研究内容包括以下几个方面:(1)研究光收发模块的基本原理,分析模块的结构组成,对各个模块的相 关性能进行分析:设计L25Gbps S
21、FP光模块硬件电路,满足封装及技术指标要 求,研究下位机软件的功能。(2)研究SFF-8472协议,设计SFP光模块的监测系统软件,实现两种通 信方式,并口模拟12c及USB转12c通信协议,并对其数字诊断功能进行校准 与检验,实时监测模块工作电压,温度,偏置电流及收发光功率,真实地反映 实际值。(3)重点研究自动测试系统,由计算机获取SFP光模块发射端的通用信息,自动完成发射端光功率和接收端光功率的校准功能,获取眼图或者其他信息,简化测试过程,缩短测试时间,提高了测试效率。3武汉理工大学硕士学位论文其中,本论文的特色在于釆用两种与光模块通信的方法,种是用井口模 拟I2C,另种是用USB转12
22、c通信方式。设计自动化测试软件对光收发模块 的参数进行测试,自动获取眼图和测试灵敏度等信息,对测试等具有重要的意 义1.4 论文结构安排本论文设计共有5章,结构的安排为:第一章阐述了本课题的研究背景及意义,国内外的发展情况及其研究现状,总体概括本文的研究内容。第二章详细介绍了光通信及SFP光模块的原理,对构成SFP的各个功能模 块特性及工作性能进行分析,介绍了带数字诊断功能的SFP光模块设计.第三章设计SFP光模块的监测系统软件,对计算机与光模块通信方式进行 介绍,重点分析了参数校准的方法,并对自动测试软件设计进行具体的研究。第四章详细介绍了 SFP光模块的监测系统测试方案,对测试参数和测试结
23、 果进行详细分析。文章最后部分对全文相关研究工作进行了总结,提出论文设计不足的地方,对未来工作进行展望。4武汉理工大学硕士学位论文第2章SFP光模块原理及性能分析2.1 SFP光模块的基本原理SFP光模块原理图如图21所示,主要由三部分组成:光发射部分、光接收 部分和单片机控制单元。光发射部分由光发射器及其驱动电路组成,完成电信 号转换成光信号的功能。光接收部分由光电检测器、跨阻放大器与主放大器组 成,功能是完成光Z电信号转换同。单片机控制单元是实现模块诊断功能的核心 部分。光模块通过标准的12c总线接口,包含SCL和SDA,与外界进行通信,可以完成数据传输交换。图21 SFP光模块原理图2.
24、1.1 光发射模块SFP光发射模块主要起着将电信号转换成光信号的作用,输入电脉冲信号,输出光脉冲信号【。发射部分主要由光发射器件TOSA、激光器驱动电路和闭环 武汉理工大学硕士学位论文自动功率控制APC电路组成,TOSA的组成部件为半导体激光器LD(激光二极 管)和背光二极管PD。发射模块框图如图22所示,驱动电路本质上是一个高 速开关电路,驱动信号由偏置电流和调制电流两部分组成,用于驱动LD发出光 信号,该具有数据调制功能的光信号被耦合到光纤中进行传输。软件设计调节 MOD端,可以改变调制电流的大小,偏置电流是两部分电流的叠加,分别为 APC端设置的电流和APC闭环回路的电流。图22发射模块
25、框图由于LD结发热,阈值电流将发生变化,从而使输出光脉冲幅度也发生变化。随着半导体激光器长期运用,老化的激光器外微分量子效率发生改变,导致LD 的输出特性改变,LD的输出光脉冲幅度将发生变化。为稳定LD的输出光脉冲 幅度,免受温度变化、器件老化的影响,必须在驱动电路里设计稳定措施的方 案。在硬件电路设计中主要采用自动功率控制APC环路,保持平均光输出功率 稳定。背光二极管PD产生光电流,APC通过检测该光电流的平均值大小来实现闭 环控制。通过APC的闭环回路,LD驱动电流的大小可以动态地调节。LD发光 的大小与PD输出电流成正比例的关系,当LD发光变大,PD输出电流将变大,则LD驱动电路将减少
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- SFP 模块 监测 系统 研究 实现
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