一种DC~50Mbps兼容的低速信号传输光电模块设计方法与流程

本发明涉及军用、电力通讯系统光互联技术领域，具体为一种dc～50mbps兼容的低速信号传输光电模块设计方法。

背景技术：

近年来，通讯系统中的光互联应用越来越普及，无论是商用环境、军工环境还是电力系统，各种监测信号、传感信号、控制信号等等均越来越依靠光通信传输，例如：军用光互连在飞机航电系统、机载计算机、地面分布式雷达、运载火箭总线系统、舰上通信网、机载传感、分布式水下声纳网等领域发展迅速，国内军用装备光互连发展最为迅猛的是相控阵雷达，以舰载、机载为主，电子某所以把相控阵雷达上行、下行链路全部采用光传输，单通道速率2.5gbps，整个链路的互连网络逐步平台化，规范光链路供应商的产品规格、技术指标，2017年开始批量生产，电子某所负责的某舰载雷达，上下行链路全部数字化，通信速率3.125gbps，上行的波控、时钟信号同样采用光传输，链路有严格的延时要求，航天某所负责的机载相控阵雷达，数据链路全部采用光互连，通信速率达到2.5gbps，在军用光互联的某些特定领域(例如弹上、舰载、机载等空间狭窄区域)，数据链路除了包含lvds、以太网、gpon等高速数据通道外，还同时包含了422、485等多路低速串行总线。

因此低速串行信号和高速数据混合光互连成了迫切的需求，兼容高速、低速信号传输的光链路对于弹上光互联来说是必不可少的，例如，中船某所在某舰载项目上需求低速有源缆，实现平台化混装光链路，并有多轮产品迭代，这些低速串行总线速率一般只有几mbps甚至几十kbps的传输速率，但对于常规的光模块，工作速率都比较高，很难向下兼容到1mbps，比如，jm010s通信速率2.5gbps，向下最低只能兼容到100mbps，也就是说，对于常规速率较低的光模块来说，数据物理层的码流在100mbps-2.5gbps范围内，光链路的指标是可以保证的，超出此范围，性能指标则不能保证，电力系统光互连在智能变电站就地化保护设备、电力系统继电保护装置、电力综合对时系统应用中的需求也在持续增长，其中电力综合对时系统中对时b码信号的光电传输也需要用到一种满足低速率传输的光电转换模块，这款模块要求可靠性高，封装尺寸小，同时尽可能要兼容emc屏蔽要求和光纤连接兼容多种接口的潜在需求。

传统低速光模块只有sfp与1x9封装，没有更小尺寸的产品，对客户设计空间日益紧凑和更小型封装的需求应对不足，传统低速光模块频率段不能dc～50mhzbps全覆盖，采用tia(跨阻型放大器)的接收光器件存在低频截止频率，所以运用tia的低速光模块无法向下兼容dc～4mbps这个频段。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种dc～50mbps兼容的低速信号传输光电模块设计方法，以解决上述背景技术中提出的传统低速光模块只sfp与1x9封装，没有更小尺寸的产品，对客户设计空间日益紧凑和更小型封装的需求应对不足，传统低速光模块频率段不能dc～50mhzbps全覆盖，采用tia(跨阻型放大器)的接收光器件存在低频截止频率，所以运用tia的低速光模块无法向下兼容dc～4mbps这个频段的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种dc～50mbps兼容的低速信号传输光电模块设计方法，其设计方法包括以下步骤：

s1、首先进行结构整体的安装组合，主体结构分为三部分，上盖，下壳，st接口光接收组件接口可以根据客户需求更换为sc、fc，下壳上有4根金属定位针，与模块内部的金属埋层导通金属埋层与接口相接触，如果有emc需求的模块需要配金属接口并且金属接口需要导接到设备gnd上，壳体内部设计了金属引针装配孔、引针的安全隔离分隔挡板、接收光组件的固定卡槽，金属片紧贴下壳体内侧底面装配，8根针脚从金属埋层开孔穿过，地引脚和金属埋层电性连接，电源和输出信号脚与金属埋层隔离设计。

s2、然后将dc～50mbps光接收模块通过st光接口插入带st适配头的多模光纤,通过多模光纤把dc～50mbps的调制光信号耦合进光电转换部分的光敏接收pd芯片，光敏接收pd对接收的光信号进行光电转换，输出dc～50mbps的微弱光电流，pd输出的微弱光电流信号通过电阻网络转换为电压信号。

s3、最后该电压信号输入到电压比较器的正端输入vin+，同时设置一个vref参考电压输入到电压比较器的负端输入vin-，电压比较器经过运算比较输出一个标准ttl电平的dc～50mbps数字逻辑信号，实现光接收转电输出。

优选的，所述金属埋层由0.5毫米厚的不锈钢片一次冲压成型，光电接收组件是由to封装管座(toheader)、光窗壳体(cap)、光电接收芯片、金丝键合和st连接口几部分组成，通过to的封装工艺和同轴光组件耦合工艺加工实现，超小型封装约30mm×10mm×10mm。

优选的，所述壳体选用耐高温、高强度、高绝缘塑胶材料，通过精细化模具设计分上盖、底壳和st接口三部分。

优选的，所述光接收芯片采用pd芯片，且pd芯片是一颗850nm波长，响应度达到0.6a/w，暗电流控制在0.05na的chip芯片。

优选的，所述结构电路设计使用的是一款低噪声的ldo电源芯片，通过选择bypass电容为0.01uf将电压噪声纹波控制在了100uv以下，采用4层fr-4电路板设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明设计了一种全新构造同时dc～50mbps兼容的低速信号光电传输模块，满足并实现了军用光互联、电力系统光互连等多个行业的应用需求，挑战突破了公司内部最小化光模块封装外形，开创出了一种全新封装结构的光模块外形结构，利用pd芯片作为前端接收解决了采用tia(跨阻型放大器)作为前端接收光器件时dc～4mbps不兼容的问题，利用低纹波ldo处理电源电路，同时优化pcblayout处理好高频下的电流电压噪声，使模块可以向上实现到50mbps频率下灵敏度满足客户需求，该方案制作的产品已成功投入生产，并供给军用客户、电力客户使用。

本发明开创性的提出了将光器件与塑胶接口进行一体化封装，形成光、机、电集成封装，为整体模块整体实现超小型化设计提供的有利条件，为最终实现客户要求的超小型化封装尺寸走出了最关键的一步。

本发明开创性的设计并实现了采用pd芯片+采样整形比较放大输出的设计方案，解决了传统接收光模块方案使用pin_tia方案，造成4m低频截止频率以下无法应用的技术难题，打通了dc～50mbps整个频段，实现了一种技术方案覆盖整个低速段50m带宽的一体化接收光电转换传输。

本发明通过使用低噪声的ldo电源芯片，结合优化整体电路的layout设计，实现了整体电路的低噪声和高信噪比，保证了dc～50mbps频率范围内的灵敏度，满足了军用光互联、电力系统光互连等多个行业的实际应用需求。

附图说明

图1为本发明的dc～50mbps的光接收模块制造结构图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的pd芯片参数表格；

图4为本发明的电源供电设计参数表格；

图5为本发明的电路的layout设计图；

图6为本发明的芯片vcc入口处就近摆放电容示意图；

图7为本发明的比较器信号输送设计图；

图8为本发明的芯片的top层结构示意图。

图中：1、上盖；2、光电接收芯片；3、透视光窗；4、st连接口；5、封装管座；6、固定槽；7、金属埋层；8、电接口金属引脚；9、下壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，一种dc～50mbps兼容的低速信号传输光电模块设计方法，其设计方法包括以下步骤：

s1、首先进行结构整体的安装组合，主体结构分为三部分，上盖，下壳，st接口光接收组件接口可以根据客户需求更换为sc、fc，下壳上有4根金属定位针，与模块内部的金属埋层导通金属埋层与接口相接触，如果有emc需求的模块需要配金属接口并且金属接口需要导接到设备gnd上，壳体内部设计了金属引针装配孔、引针的安全隔离分隔挡板、接收光组件的固定卡槽，金属片紧贴下壳体内侧底面装配，8根针脚从金属埋层开孔穿过，地引脚和金属埋层电性连接，电源和输出信号脚与金属埋层隔离设计，该设计主要是为了短接所有接地引脚，同时也有一定的辅助散热和电磁屏蔽作用，同时金属定位针起到稳固模块在电路板上的作用。

s2、然后将dc～50mbps光接收模块通过st光接口插入带st适配头的多模光纤,通过多模光纤把dc～50mbps的调制光信号耦合进光电转换部分的光敏接收pd芯片，光敏接收pd对接收的光信号进行光电转换，输出dc～50mbps的微弱光电流，pd输出的微弱光电流信号通过电阻网络转换为电压信号。

s3、最后该电压信号输入到电压比较器的正端输入vin+，同时设置一个vref参考电压输入到电压比较器的负端输入vin-，电压比较器经过运算比较输出一个标准ttl电平的dc～50mbps数字逻辑信号，实现光接收转电输出。

本实施例中：金属埋层由0.5毫米厚的不锈钢片一次冲压成型，光电接收组件是由to封装管座(toheader)、光窗壳体(cap)、光电接收芯片、金丝键合和st连接口几部分组成，通过to的封装工艺和同轴光组件耦合工艺加工实现，超小型封装约30mm×10mm×10mm。

本实施例中：壳体选用耐高温、高强度、高绝缘塑胶材料，通过精细化模具设计分上盖、底壳和st接口三部分。

本实施例中：光接收芯片采用pd芯片，且pd芯片是一颗850nm波长，响应度达到0.6a/w，暗电流控制在0.05na的chip芯片，接收光器件里运用tia(跨阻型放大器)的话，该放大器通常典型带宽为百兆，2-4m左右为tia(跨阻型放大器)的低频截止频率，因此接收光器件方案选用常规百兆tia的话，模块没法做到向下兼容到dc，经研究分析，决定采用pd芯片作为前端接收，再将输出的光电流信号送往后级电路。

本实施例中：结构电路设计使用的是一款低噪声的ldo电源芯片，通过选择bypass电容为0.01uf将电压噪声纹波控制在了100uv以下，采用4层fr-4电路板设计，防止电流噪声、电压噪声引入到电路中来，影响整个电路的信噪比和灵敏度，从电源供电的源头上就需要抑制噪声，提高后端信噪比，改善模块灵敏度从源头上做好了设计保证，整板面积小，为争取更多的地平面面积。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。