高速光通信模塊設(shè)計(jì)

概述

COVID-19 讓我們不得不面對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)，那就是面對(duì)面的交流變得不那么常見(jiàn)了。伴隨著最新一波包含無(wú)數(shù)新技術(shù)的數(shù)字化與信息化浪潮，互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)成為我們精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的社交與交流重要手段。

光通信以光的形式發(fā)送信號(hào)。光信號(hào)已被用來(lái)構(gòu)建整個(gè)信息時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)框架，將服務(wù)器擴(kuò)展至數(shù)據(jù)中心，并形成城域網(wǎng)骨干。這一進(jìn)程將我們帶入了超寬、高速的F5G千兆光網(wǎng)新時(shí)代。

具有超高 F5G 帶寬的全光連接，其最終目標(biāo)是提高傳輸速率。作為光通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的光模塊面臨更高密度功率、更高集成度和更高轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

MPS 提供的緊湊型全面解決方案具有高效率和低紋波特性，可滿(mǎn)足高速光模塊電源解決方案的設(shè)計(jì)要求。這些產(chǎn)品包括降壓和升降壓轉(zhuǎn)換電源模塊（集成電感）、負(fù)電壓電荷泵、熱電冷卻器 (TEC) 控制器和軟啟動(dòng)負(fù)載開(kāi)關(guān)。

圖 1 為MPS 光模塊解決方案概覽。

集成電感的 MPM 功率模塊系列

MPS在集成電感的功率模塊產(chǎn)品方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠提供卓越的高功率密度功率模塊解決方案。

針對(duì)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信和光纖骨干網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的400G/200G/100G光模塊，MPS提供了5V電源模塊解決方案，相比分立器件方案，這種方案體積更小且效率更高，能夠推動(dòng)產(chǎn)品的優(yōu)化與迭代。

MPM38X4C：5V、低壓、小電流系列

MPS 的MPM3814C、MPM3824C 和 MPM3834C提供了引腳兼容的 1A 至 3A 小尺寸解決方案。 圖 2 為這些器件的簡(jiǎn)介。

MPM3860：6A、全集成、單通道模塊

MPM3860 是一款低電壓、高效率、6A、單通道電源模塊解決方案。它采用 QFN-24 (4mmx6mm) 封裝（參見(jiàn)圖 3）。

MPM4710：采用小尺寸封裝的升降壓電源模塊

MPM4710是一款采用小尺寸 ECLGA-14 (2.5mmx2.5mmx1.2mm) 封裝的升降壓電源模塊解決方案，可提供出色的輸出電壓紋波與輸入浪涌性能（參見(jiàn)圖 4）。MPM4710 是跨導(dǎo)放大器 (TIA) 電源解決方案的理想之選。

激光二極管

激光二極管用于在光模塊中將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。根據(jù)光發(fā)射的不同，常用的激光二極管被分為表面發(fā)射型和邊緣發(fā)射型。表面發(fā)射激光器通常都是垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。邊緣發(fā)射激光器的種類(lèi)則很多； 其中最為廣泛應(yīng)用的是分布式反饋（DFB）激光器和電吸收調(diào)制激光器（EML）。下面將詳細(xì)描述這三種激光二極管。

垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）在功耗、溫漂、成本、集成度、散熱等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。 但由于實(shí)際應(yīng)用中的VCSEL都集中在850nm/980nm波長(zhǎng)范圍，這種激光器更適用于數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)亩叹嚯x數(shù)據(jù)中心，以及接入網(wǎng)絡(luò)。

與VCSEL相比，分布式反饋（DFB）激光器波長(zhǎng)較長(zhǎng)，常用于中長(zhǎng)距離傳輸，非常適合傳輸網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)基站和數(shù)據(jù)中心互連。DFB 激光器可以看作是一種直接調(diào)制激光器 (DML)，其信號(hào)的 0/1 調(diào)制通過(guò)控制電流來(lái)調(diào)節(jié)激光器的輸出強(qiáng)度。由于調(diào)制電流的變化，激光器具有更明顯的頻率啁啾，因而會(huì)產(chǎn)生更寬的脈沖和信號(hào)失真。因此不建議將 DML 用于高速、長(zhǎng)距離傳輸。

電吸收調(diào)制激光器（EML）是集成了電吸收調(diào)制器 (EAM) 的激光二極管（即 DFB 激光器）。當(dāng) EML 工作時(shí)，激光器的注入電流保持恒定，并依靠外部調(diào)制器來(lái)調(diào)制光信號(hào)，因此很難產(chǎn)生啁啾效應(yīng)。其信號(hào)傳輸質(zhì)量非常適合高速、長(zhǎng)距離電信骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心互連應(yīng)用。但是，如果調(diào)制器 EAM 沒(méi)有額外的負(fù)壓偏置，采用 EML帶來(lái)的價(jià)格與功耗優(yōu)勢(shì)就不會(huì)立即顯現(xiàn)。另外，還需要使用半導(dǎo)體冷卻器 (TEC) 進(jìn)行精確的環(huán)境溫度控制，以確保高信號(hào)傳輸質(zhì)量。

圖 5 所示為不同激光器類(lèi)型的典型應(yīng)用場(chǎng)景。

MPS 面向EML 應(yīng)用提供了功能強(qiáng)大的產(chǎn)品，如負(fù)電壓電源和TEC 控制器等產(chǎn)品。

EAM負(fù)電壓電源

MP5418和MP5418A電荷泵可以為 EAM 提供可變的負(fù)電壓偏置（參見(jiàn)圖 6）。

TEC控制器

MP8833A 是一款具有 1.5A（3A 可選）電流能力的 TEC 控制器。圖 7 為MP8833A 簡(jiǎn)介。

結(jié)論

本文中總結(jié)了MPS用于實(shí)現(xiàn)F5G千兆時(shí)代高速光通信的光模塊解決方案，其中包括 MPM38x4C 系列（包括MPM3814C、MPM3824C和MPM3834C)、MPM3860、MPM4710、MP5418/MP5418A以及MP8833A。除此之外，MPS還提供將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的激光二極管解決方案，如VCSEL、DFB和EML。如需更多信息，請(qǐng)瀏覽MPS 強(qiáng)大的電源模塊產(chǎn)品組合以及光模塊單片設(shè)計(jì)相關(guān)文章。