高速光通信模块设计

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概述

COVID-19 让我们不得不面对一个现实，那就是面对面的交流变得不那么常见了。伴随着最新一波包含无数新技术的数字化与信息化浪潮，互联网访问成为我们精准、实时的社交与交流重要手段。

光通信以光的形式发送信号。光信号已被用来构建整个信息时代的网络框架，将服务器扩展至数据中心，并形成城域网骨干。这一进程将我们带入了超宽、高速的F5G千兆光网新时代。

具有超高 F5G 带宽的全光连接，其最终目标是提高传输速率。作为光通信网络基础的光模块面临更高密度功率、更高集成度和更高转换效率的设计挑战。

MPS 提供的紧凑型全面解决方案具有高效率和低纹波特性，可满足高速光模块电源解决方案的设计要求。这些产品包括降压和升降压转换电源模块（集成电感）、负电压电荷泵、热电冷却器 (TEC) 控制器和软启动负载开关。

图 1 为MPS 光模块解决方案概览。

图1: MPS光模块解决方案

集成电感的 MPM 功率模块系列

MPS在集成电感的功率模块产品方面积累了丰富的经验，能够提供卓越的高功率密度功率模块解决方案。

针对广泛应用于数据通信和光纤骨干网基础设施的400G/200G/100G光模块，MPS提供了5V电源模块解决方案，相比分立器件方案，这种方案体积更小且效率更高，能够推动产品的优化与迭代。

MPM38X4C：5V、低压、小电流系列

MPS 的MPM3814C、MPM3824C 和 MPM3834C提供了引脚兼容的 1A 至 3A 小尺寸解决方案。图 2 为这些器件的简介。

图 2：MPM38x4C 系列简介

MPM3860：6A、全集成、单通道模块

MPM3860 是一款低电压、高效率、6A、单通道电源模块解决方案。它采用 QFN-24 (4mmx6mm) 封装（参见图 3）。

图3: MPM3860简介

MPM4710：采用小尺寸封装的升降压电源模块

MPM4710是一款采用小尺寸 ECLGA-14 (2.5mmx2.5mmx1.2mm) 封装的升降压电源模块解决方案，可提供出色的输出电压纹波与输入浪涌性能（参见图 4）。MPM4710 是跨导放大器 (TIA) 电源解决方案的理想之选。

图4: MPM4710简介

激光二极管

激光二极管用于在光模块中将电信号转换为光信号。根据光发射的不同，常用的激光二极管被分为表面发射型和边缘发射型。表面发射激光器通常都是垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。边缘发射激光器的种类则很多；其中最为广泛应用的是分布式反馈（DFB）激光器和电吸收调制激光器（EML）。下面将详细描述这三种激光二极管。

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）在功耗、温漂、成本、集成度、散热等方面具有一定的优势。但由于实际应用中的VCSEL都集中在850nm/980nm波长范围，这种激光器更适用于数据高速传输的短距离数据中心，以及接入网络。

与VCSEL相比，分布式反馈（DFB）激光器波长较长，常用于中长距离传输，非常适合传输网络、无线基站和数据中心互连。DFB 激光器可以看作是一种直接调制激光器 (DML)，其信号的 0/1 调制通过控制电流来调节激光器的输出强度。由于调制电流的变化，激光器具有更明显的频率啁啾，因而会产生更宽的脉冲和信号失真。因此不建议将 DML 用于高速、长距离传输。

电吸收调制激光器（EML）是集成了电吸收调制器 (EAM) 的激光二极管（即 DFB 激光器）。当 EML 工作时，激光器的注入电流保持恒定，并依靠外部调制器来调制光信号，因此很难产生啁啾效应。其信号传输质量非常适合高速、长距离电信骨干网、城域网和数据中心互连应用。但是，如果调制器 EAM 没有额外的负压偏置，采用 EML带来的价格与功耗优势就不会立即显现。另外，还需要使用半导体冷却器 (TEC) 进行精确的环境温度控制，以确保高信号传输质量。

图 5 所示为不同激光器类型的典型应用场景。

图 5：不同激光器类型的典型应用场景

MPS 面向EML 应用提供了功能强大的产品，如负电压电源和TEC 控制器等产品。

EAM负电压电源

MP5418和MP5418A电荷泵可以为 EAM 提供可变的负电压偏置（参见图 6）。

图 6：MP5418 和 MP5418A 简介

TEC控制器

MP8833A 是一款具有 1.5A（3A 可选）电流能力的 TEC 控制器。图 7 为MP8833A 简介。

图7: MP8833A简介

结论

本文中总结了MPS用于实现F5G千兆时代高速光通信的光模块解决方案，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还提供将电信号转换为光信号的激光二极管解决方案，如VCSEL、DFB和EML。如需更多信息，请浏览MPS 强大的电源模块产品组合以及光模块单片设计相关文章。