压接式LGA封装12路并行光收发一体模块 FTGA-12TR8525G-02I
一、产品描述
FTGA-12TR8525G-02I 是一款高性能压接式 LGA 封装 12 路并行光收发一体模块，该光收发模块面向短程多通道并行数据通信和超级计算机机柜间及机柜内的互连应用。模块的发射端/接收端均为 25.78125Gbps。发射端/接收端均为多模 850nm。3.30V 单电源供电，工作温度范围-55℃～85℃（高温壳温），高速信号引脚采用交流 CML 电平。
本光模块尾纤 MT 光口采用斜 8 度角（APC）研磨，提高对插机械寿命。要求同其对接的 MT 光口也采用同样制作工艺。
图1 FTGA-12TR8525G-02I 系列型号外观示意图
二、产品特性
- 发射/接收均为 12×25.78125Gbps 多模 850nm
- 24芯 MT/APC，8°研磨工艺
- 200pin LGA 弹片压接式电连接器
- 封装尺寸为 38mm×24mm×5.5mm
- 传输距离 70m@OM3，100m@OM4
- 工作环境温度 -55℃～85℃（高温壳温）
三、产品性能指标
3.1 绝对最大额定值
表1 绝对最大额定值
| 参数 | 符号 | 最小值 | 最大值 | 单位 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 供电电压 | Vcc | 0 | 3.6 | V | |
| 存储温度 | Tstg | -55 | +100 | ℃ | |
| ESD防护值1 | — | — | 1000 | V | 差分信号引脚除外 |
| ESD防护值2 | — | — | 500 | V | 差分信号引脚 |
3.2 推荐工作条件
表2 推荐工作条件
| 描述 | 符号 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 工作电压 | Vcc | 3.14 | 3.30 | 3.46 | V | |
| 工作温度 | Tcase | -55 | 25 | 85 | ℃ | 高温壳温 |
| 差分输入匹配阻抗 | Zin | — | 100 | — | Ω | |
| 差分输出匹配阻抗 | Zout | — | 100 | — | Ω | |
| 差分信号输入电压 | Vdiff-in | 300 | — | 900 | mV | 峰峰值 |
| 单通道速率 | S | — | 25.78125 | — | Gbps | |
| 传输距离 | D1 | 0.5 | — | 70 | m | OM3 |
| 传输距离 | D2 | 0.5 | — | 100 | m | OM4 |
3.3 产品光电性能
表3 光电性能指标（发射光电特性：-55℃~85℃，25.78125Gbps@PRBS31，Vcc=3.3V）
| 描述 | 符号 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 功耗 | P | — | — | 9 | W | @3.3V |
| 工作电流 | Icc | — | 2800 | — | mA | @3.3V |
发射光电特性
| 描述 | 符号 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 平均发射光功率 | Po | -3 | — | 3 | dBm | 单通道 |
| 中心波长 | λ | 840 | 850 | 860 | nm | |
| 消光比 | ER | 3 | — | — | dB |
接收光电特性
| 描述 | 符号 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 接收灵敏度 | Pin | — | — | -9 | dBm | 850nm光源 |
| 饱和光功率 | Pin(SAT) | 3 | — | — | dBm | |
| 中心波长 | λ | 840 | 850 | 860 | nm | |
| 差分信号输出电压 | Vdiff-out | 300 | 500 | 900 | mV |
表4 DDMI监控
| 项目 | 符号 | 监控范围 | 监控精度 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 温度 | △T | -55℃～85℃ | ±3℃ | 高温壳温 |
| 电压 | △V | 3V～3.6V | ±0.1V | |
| 接收光功率 | △Px | -9dBm～3dBm | ±3dB |
备注：1）单通道 2）测试光源：ER>3dB，MARGIN>20%，WAVEFORMS=1000:BEROf5E-5 3）850nm光源
四、接口定义
4.1 电接口定义
MT出纤方向：电接口引脚定义如图所示（光纤出口朝上，从主板顶部向下看）。
图2 电接口引脚定义图（光纤出口朝上，从主板顶部向下看）
表5 引脚定义
CDR功能说明：
- 模块在上电时，CDR_EN引脚默认为高电平，CDR开启，此时模块传输速率只支持25.78125Gbps；
- CDR_EN引脚为高电平时，可以通过I2C来改变单通道CDR状态，当某通道CDR功能关闭时，该通道传输速率只支持8.5Gbps～10.3125Gbps；
- CDR_EN引脚为低电平时，CDR关闭，传输速率只支持8.5Gbps～10.3125Gbps，无法传输25.78125Gbps。
4.2 光接口定义
光接口定义示意图如图3所示（面向MT端面，窗口朝上）。光模块尾纤接口采用标准24芯MT/APC光连接器，且进行斜8°研磨加凹面镀膜，长边与窗口同侧。
图3 光接口定义图
五、设计结构尺寸
5.1 结构设计尺寸
图4 模块外形尺寸图
5.2 PCB Layout设计推荐尺寸
该光模块产品对应用户主板的PCB Layout设计封装图如图5所示。通孔1、2、3、4为本产品的安装孔。若不考虑兼容性，仅设计通孔1、2、3、4即可。
图5 推荐 PCB Layout 设计尺寸图
5.2.1 用户主板PCB设计基础要求
表6 用户主板PCB设计基础要求
| 内容 | 具体要求 | 备注 |
|---|---|---|
| 阻抗要求 | 差分100±10Ω | |
| 过孔要求 | 压接式焊盘中的过孔，要求树脂塞孔，电镀填平 | |
| 焊盘平整度要求 | 压接式焊盘，要求保证焊盘平整，焊盘最大共面度（平整度）最大为0.05mm | |
| 阻焊要求 | 压接焊盘整个焊盘区域不允许敷绿油 | |
| 等长要求 | 差分信号线长度尽量等长，差异控制在5mil以内 | |
| PCB板材 | 10G以内：Middle Low Loss（0.012≤Df＜0.016），如台耀TU862HF；10G＜速率≤15G：Low Loss（0.008≤Df＜0.012），如松下M4；15G＜速率≤25G：Very Low Loss（0.004≤Df＜0.008），如松下M6；25G以上：Ultra Low Loss（Df＜0.004），如Rogers3003 | |
| 表面处理 | 建议针对（且仅针对）LGA器件焊盘镀硬金（硬金金厚≥0.762μm） |
LGA器件为压接式焊盘，保证焊盘平整。压接式焊盘区域最大共面度（平整度）为0.05mm。压接焊盘整个焊盘区域不允许敷绿油，不允许挂锡。
图6 压接式焊盘示意图
5.2.2 布局布线要求
目前大多数采集终端是FPGA系统，受板材、FPGA型号、光模块型号、线材等各方面的影响，建议FPGA与光模块的距离尽可能靠近。高速电信号在PCB板上输出有衰减，距离越远，衰减越大。建议客户主板设计完后做电路仿真，以保证设计可靠性。差分信号线设计要求：
- 对于高速差分信号走线，建议走盘中孔设计（差分信号线通孔直径建议设计为8mil\16mil），盘中孔用树脂塞孔后，电镀填平；
- 如果不适合设计盘中孔，可用扇出过孔形式出差分对；
- 地焊盘和电源焊盘周围，建议铺与管脚相连的铜区，以增强载流能力；
- 高速差分线上换层过孔尽量少，如必须换层，请加伴地孔差分过孔，在参考平面尖角处需做平滑处理，并且在非差分信号层做无环设计；如果stub过长，需做背钻；
- 差分对之间间距尽可能保证在3W（W:差分线宽度）以上，最小不能小于2W；
- 低速信号线，尤其I2C通讯线尽可能远离差分走线，最小间距保证3W；
- 差分回流路径完整（相邻参考平面为地平面，并且完整）；
- 此部分过孔请树脂塞孔并电镀填平，以便连接器与电路板紧密配合。
六、I2C使用说明
6.1 实施方案
模块数字监控功能通过I2C接口通信，可监控模块电压、温度等信息。通信方式：标准I2C，通信引脚SDA、SCL参考电接口引脚定义。该模块器件地址不可更改，且模块拥有一套相同的器件地址、寄存器地址。通过多条I2C总线访问2支及以上数量的模块，或使用I2C开关芯片。
图8(a) 通过多条I2C总线访问
图8(b) 使用I2C开关芯片访问
6.2 数字监控功能实现方式
通信地址：0xA0（写）0xA1（读），通信速率：≤100Kbit/s，主机需在程序中检测并等待从机（模块）的时钟延展。即主机等待从机数据时，需等待从机将SCL从low变成high后，才可进行后续操作。
图9 标准I2C读时序（单个字节）
图10 标准I2C读时序（多个字节）
图11 标准I2C写时序（单个字节）
6.3 寄存器地址映射表（Memory Map）
表7 寄存器说明
| Byte | Type | 通信地址 0b1010000X | 说明 |
|---|---|---|---|
| 0x04~0x05 | RO | 接收通道SD寄存器 | |
| 0x06 | RO | 温度告警寄存器 | |
| 0x07 | RO | 电压告警寄存器 | |
| 0x16~0x17 | RO | 模块温度监控量 | |
| 0x1A~0x1B | RO | 模块电压监控量 | |
| 0x1C~0x1E | RW | 通道开关使能控制寄存器 | |
| 0x1F~0x21 | RW | 通道CDR使能控制寄存器 | |
| 0x22~0x39 | RO | 接收通道光功率监控量 |
说明：1. 所有数据存储遵循大端模式，即数据高字节存放在低地址中。2. 寄存器属性RW指易失性读写寄存器，RO为只读寄存器。3. 有符号数据按照补码存储。
6.3.1 电压监控寄存器
地址：0x07，8位无符号整数。当模块内部供电电压超过3.60V时，bit7为1，过压告警；当模块内部供电电压低于3.00V时，bit6为1，欠压告警。当寄存器值不为0时，模块ALERTN引脚输出低电平告警。
图12 电压寄存器
6.3.2 通道监控寄存器
表8 通道监控寄存器说明
| Address | Bit | Type | FieldName/Description |
|---|---|---|---|
| 0x04 | bit3~0 | RO | 接收12～9通道SD信息，”1″表示SignalDetect，”0″表示告警 |
| 0x05 | All | RO | 接收8～1通道SD信息，”1″表示SignalDetect，”0″表示告警 |
| 0x22~0x23 | All | RO | 通道1 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x24~0x25 | All | RO | 通道2 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x26~0x27 | All | RO | 通道3 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x28~0x29 | All | RO | 通道4 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x2A~0x2B | All | RO | 通道5 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x2C~0x2D | All | RO | 通道6 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x2E~0x2F | All | RO | 通道7 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x30~0x31 | All | RO | 通道8 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x32~0x33 | All | RO | 通道9 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x34~0x35 | All | RO | 通道10 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x36~0x37 | All | RO | 通道11 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
| 0x38~0x39 | All | RO | 通道12 Rx光功率监控：双字节有符号数，单位0.01dBm |
通道监控寄存器详情
SD寄存器：地址0x04~0x05，无符号数。接收通道SD寄存器中bit反映相应通道的SD信息。当通道输入功率值大于阈值时相应bit为1，否则为0。
接收光功率监控寄存器：地址0x22~0x39，16位有符号整数，补码存放。输入光功率换算关系：P=(short)(P_MSB*256+P_LSB)，单位0.01dBm。
6.3.3 通道控制寄存器
表10 通道控制寄存器
| Address | Bit | Type | FieldName/Description |
|---|---|---|---|
| 0x1C | Bit7~0 | RW | 12～5接收通道开关使能，bit7对应通道12，bit0对应通道5。”0″打开，”1″关闭，默认全部打开 |
| 0x1D | Bit7~4 | RW | 4～1接收通道开关使能，bit7对应通道4，bit4对应通道1。”0″打开，”1″关闭，默认全部打开 |
| 0x1E | Bit7~0 | RW | 12～9发射通道开关使能，bit3对应通道12，bit0对应通道9。”0″打开，”1″关闭，默认全部打开 |
| 0x1F | Bit7~0 | RW | 12～5接收通道CDR使能，”0″CDR打开，”1″CDR关闭，默认全部打开 |
| 0x20 | Bit7~4 | RW | 4～1接收通道CDR使能，”0″CDR打开，”1″CDR关闭，默认全部打开 |
| 0x20 | Bit3~0 | RW | 12～9发射通道CDR使能，”0″CDR打开，”1″CDR关闭，默认全部打开 |
| 0x21 | Bit7~0 | RW | 8～1发射通道CDR使能，”0″CDR打开，”1″CDR关闭，默认全部打开 |
6.3.5 模块温度监控寄存器
地址：0x16~0x17（0x16为MSB），16位有符号数。
表15 温度数据转换关系
| Temperature Decimal | Fraction | HighByte | LowByte | Hex HighByte | Hex LowByte |
|---|---|---|---|---|---|
| +127.996 | +127 255/256 | 01111111 | 11111111 | 7F | FF |
| +25.000 | +25 | 00011001 | 00000000 | 19 | 00 |
| +1.004 | +1 1/256 | 00000001 | 00000001 | 01 | 01 |
| +0.996 | +255/256 | 00000000 | 11111111 | 00 | FF |
| +0.004 | +1/256 | 00000000 | 00000001 | 00 | 01 |
| 0.000 | 0 | 00000000 | 00000000 | 00 | 00 |
| -0.004 | -1/256 | 11111111 | 11111111 | FF | FF |
| -1.000 | -1 | 11111111 | 00000000 | FF | 00 |
| -25.000 | -25 | 11100111 | 00000000 | E7 | 00 |
| -127.996 | -127 255/256 | 10000000 | 00000001 | 80 | 01 |
| -128.000 | -128 | 10000000 | 00000000 | 80 | 00 |
6.3.6 模块电压寄存器
地址：0x1A~0x1B（0x1A为MSB），16位有符号数。假设MSB寄存器数据为0x7E，LSB寄存器数据为0xF4，则电压为0x7EF4×0.1mV = 3250mV，即3.25V。
七、应用指导
7.1 外围推荐电路
光模块对应主板的外围配置电路设计示意如下图：
图12 光模块外围电路图
设计注意事项：
- 电接口高速电信号采用交流耦合设计，模块内部已集成交流耦合电容，外部无需再加；
- 高速信号路径中，LGA连接器、过孔是影响阻抗的关键点，在Layout时着重关注；
- 建议用户安装使用时根据系统绝缘要求，增加电气隔离措施，同时确保有效的电磁兼容和静电防护措施，推荐将光模块金属外壳与系统信号地之间相连；
- 按IEEE802.3对25G电链路衰减的指标要求，从信号源芯片端到光模块端电信号衰减不超过7.3dB。25G光模块的高速数据输入/输出口是CML电平，输入差分摆幅300～900mV，差分输出摆幅典型值500mV，阻抗是差分100Ω；
- 在高速差分电信号设计中要注意：1）遵循高速信号完整性设计规则，保证高速差分线的阻抗连续、电串扰小、有良好参考地平面，换层换孔要做好连续处理；2）主板上数据交换芯片或FPGA芯片要与25G光模块在同一印制板上、且尽可能靠近，布局紧凑；3）到达25G光模块的高速电信号要求信号质量高，电信号抖动在10ps左右，电信号眼图模板余量在45%左右等。
- 推荐电路仅供参考。
7.2 电源适配性
为保证模块稳定可靠的工作，用户在使用时应注意以下事项：
- 主板上供电电源模块的负载能力要充足，每个光模块都需要在离模块电源管脚尽可能近的地方放置一个滤波电路，对电源进行滤波处理；
- 模块只能在极限供电电压范围以内使用，超过极限电压，模块可能产生不可逆的损坏。在推荐指标范围内模块才能长期稳定可靠的工作。
7.3 光链路设计要求
按IEEE802.3对25G光链路衰减的指标要求，采用OM3光纤可以传输最长70m，光链路中光连接器插损要求≤1.8dB；采用OM4光纤可以传输最长100m，光链路中光连接器插损要求≤1.9dB。因此，在25G光链路设计中，建议减少多模25G光连接器转接次数，选用插损和回损指标更优的多模光连接器，同时传输光纤选用OM3或OM4多模光纤。
八、模块安装使用
8.1 人眼安全防护
禁止用眼睛直视光纤带出口，以防止激光对人眼造成损伤；观察漫反射一般是安全的，但是当用显微镜或望远镜等光学仪器观察激光时，激光束会对眼睛造成伤害。
8.2 螺钉及垫片选用
根据不同主板厚度，推荐选择标准不锈钢螺钉及垫圈：
图13 板厚及螺钉配件示意图
8.3 模块的安装
- 安装前，确认模块型号，确保防呆柱位置与主板对应无误；
- 确认用户主板连接器贴合焊盘清洁；
- 去掉产品底部保护盖，对模块底部LGA连接器进行检查，确保弹片正常且清洁；
- 安装时，模块垂直主板面向下安装，使模块导针竖直插入主板上导针定位孔内，使模块底面与主板贴合；
- 按顺序背面加装平垫圈、弹簧垫圈和螺钉固定，螺钉拧紧固定时，注意按照顺序分步骤紧固，使模块整体受力平衡。螺钉拧紧时，每个螺钉每次顺时针旋进1/3圆周，按1、2、3、4顺序循环，直到四个全部紧固，最终螺钉紧固达到推荐扭矩值0.12N·m。为确保扭矩受控，建议使用扭矩扳手操作。
图14 弹片外形示意图
图15 模块安装示意图
图16 模块螺钉安装顺序图
严禁直接将模块某一端或者某一角一次直接紧固锁死，会导致模块偏移，模块受力不均匀，后续螺钉拧紧后也无法修正，另外，不平衡的受力也会导致电连接器接触不平衡，模块各个引脚的阻抗存在差异。
图17 模块固定不平衡示意图
8.4 模块的防护
8.4.1 光接口防护要求
- 模块在不用或安装过程中，光接口要求佩戴防尘帽/塞；
- 光模块在测试前，光接口要求用无尘棉棒蘸取酒精进行擦拭，擦拭方法：采用洁净的无尘棉棒蘸取适量酒精，沿一个方向进行擦拭，擦拭同时需适当转动棉棒，每只棉签擦拭次数不超过3次。待酒精完全挥发后，方可进行插拔。在插拔前，要求采用同样的方式对连接跳线的光口进行擦拭；
- 在装配和使用过程中，严禁用手或其他尖锐、不洁净物品碰触光端面，以防止将光纤端面弄脏或划伤，从而影响产品性能；
- 如果光模块需要喷涂三防漆，建议采用无挥发性的三防漆。且在喷涂前要求对光口防护做进一步处理，采用3M高温胶带将尾纤光口端的防护帽进行二次防护，将胶带缠绕在防护帽与尾纤位置形成密封。
8.4.2 电接口防护
- 模块在安装固定时可拆除保护盖，其余时间要加保护盖保护连接器；
- 如在使用过程中需拆除保护盖，推荐模块顶面面朝下放置，可保护弹片；
- 如在使用过程中需背面朝下放置，请勿放置在泡棉、无尘纸等易产生钩连弹片的衬底上，以免损坏弹片；
- 严禁连接器在无保护盖保护的情况下，拖动模块；
- 安装使用过程中，请勿用镊子、螺丝刀或手直接触碰弹片，以免造成损坏；
- 推荐在模块最后安装前，重新对连接器进行显微镜下目检，确保弹片正常并无异物。
图18 加保护盖产品示意图
图19 禁止连接器无保护盖时拖动模块
8.4.3 尾纤防护要求
因光纤脆弱，且无法自身进行更多防护，在使用过程中需要特别注意防护：
- 连接尾纤时，使尾纤自然伸出，且不可随意扭绞尾纤；
- 低温时，尾纤较脆，不可随意上下摇动、扭动尾纤；
- 高温时，尾纤会软化，不可挤压、拉拽，防止尾纤变形；
- 严防挤压及硬器、锐器损伤；
- 如对尾纤进行约束固定，需要对固定位置使用橡胶软垫进行防护，避免硬物接触；
- 散纤加缠绕管的光纤及带热缩管圆形光纤圆纤段弯曲半径不小于30mm，避免光纤直角折弯和压挤。
8.4.4 模块静电防护要求
表17 静电防护等级要求
| 静电类型 | 说明 | Max | 单位 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| ESD HBM | 人体模式 | 1000 | V | 差分信号引脚为500V |
- 光模块是ESD敏感器件，请注意模块的静电防护；
- 周转工具盒要求采用洁净的防静电盒周转模块，或者直接采用模块包装盒进行周转；
- 操作模块时，操作者要求佩戴防静电腕带、指套，且腕带接地良好；
- 禁止裸手直接接触模块。
九、产品订购信息
产品订购信息
| 产品型号 | 封装形式 | 光、电接口 | 单路传输速率 | 工作温度 | 传输距离 | 工作波长 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FTGA-12TR8525G-02I | LGA封装 | 24芯MPO、200pin电连接器 | Tx/Rx：25.78125Gbps | -55℃~85℃ | 70m@OM3 / 100m@OM4 | 850nm |
其它特定要求可定制，咨询技术人员或业务经理。
供应商信息
| 企业信息 | |
|---|---|
| 公司名 | 北亿纤通 | F-toneNetworks |
| 地区 | 中国四川天府新区 |
| 服务区域 | 全球 |
| 企业电话 | 028-85255257 |
| 企业传真 | 028-85977702 |
| 企业手机 | 19081343401 |
| Site | https://www.f-tone.com |
| 人事部 | hr@f-tone.com |
| 市场部 | sales@f-tone.com |
| 技术支持 | support@f-tone.com |
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