40G CFP光模塊設(shè)計(jì)

熊青松、張武平、陳晉敏（光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢電信器件有限公司）《光通信研究》

　　為了滿足傳輸容量日益增長(zhǎng)的需求和降低通信系統(tǒng)的成本，介紹了一種用于城域網(wǎng)的40Gbit/s CFP（百吉比特可熱插拔）光模塊，該模塊采用波分復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)4路不同波長(zhǎng)的10Gbit/s載波信號(hào)在一根光纖中傳輸。它主要由發(fā)射單元、接收單元和控制單元3大部分組成。重點(diǎn)介紹了各個(gè)部分的工作原理及具體設(shè)計(jì)方案，按照IEEE 802.3.ba標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該模塊滿足40Gbit/s以太網(wǎng)的應(yīng)用要求。

　　0 引言

　　隨著高清視頻和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)帶寬的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的10Gbit/s以太網(wǎng)已經(jīng)表現(xiàn)出局限性，下一代高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)，即40Gbit/s/100Gbit/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)已于2010年6月17日正式獲批，它支持40Gbit/s和100Gbit/s的以太網(wǎng)幀傳送，同時(shí)確立了主干網(wǎng)絡(luò)、銅纜布線、多模光纖和單模光纖通信的物理層規(guī)范，以減輕未來(lái)核心網(wǎng)絡(luò)帶寬的"瓶頸"問(wèn)題。

　　基于IEEE 802.3ba 40GBASE-LR4規(guī)格的40Gbit/s CFP（百吉比特可熱插拔）光收發(fā)模塊，適應(yīng)了如今數(shù)據(jù)中心日益增加的帶寬需求，它在單模光纖上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是傳統(tǒng)10Gbit/s光模塊的4倍，傳輸距離能達(dá)到10km。同時(shí)，研究40Gbit/s CFP技術(shù)也可以更好地為設(shè)計(jì)100Gbit/s CFP服務(wù)。本文從40Gbit/s光收發(fā)模塊的基本工作原理入手，分析整個(gè)模塊的硬件電路和軟件控制的實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)對(duì)模塊的光性能測(cè)試驗(yàn)證了40Gbit/s光模塊應(yīng)用于40Gbit/s光傳輸網(wǎng)絡(luò)的可行性。

　　1.  40Gbit/s CFP光模塊的工作原理

　　40Gbit/s CFP光模塊是可熱插拔的客戶端光模塊，其中40Gbit/s BASE-LR4基于1 310nm CWDM（粗波分復(fù)用）技術(shù)，在單模光纖上的傳輸距離達(dá)10km。頻率間隔基于ITU-T G.694.2規(guī)范，使用1270、1290、1310和 330nm 4個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)通道的速率為10.312 5Gbit/s。文章后面提到的40Gbit/s CFP光模塊均為在單模光纖中傳輸?shù)哪Ｊ剑С?0Gbit/s以太數(shù)據(jù)在4個(gè)波長(zhǎng)上以每個(gè)波長(zhǎng)10.312 5Gbit/s的速率傳輸，最后采用WDM（波分復(fù)用）技術(shù)將4個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)合在一根單模光纖上傳輸。40Gbit/s CFP光模塊主要應(yīng)用于城域網(wǎng)，可將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出，以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的傳輸，同時(shí)也能將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

　　40Gbit/s CFP光模塊主要由3部分組成：發(fā)射單元、接收單元和控制單元。它的基本功能框圖如圖1所示。發(fā)射單元由LD（激光器）、LD驅(qū)動(dòng)器和CDR（時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）電路組成。輸入模塊的4對(duì)1 0.3 1 2 5Gbit/s差分電信號(hào)經(jīng)過(guò)CDR電路再整形、再定時(shí)后，由LD驅(qū)動(dòng)電路接收，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)出帶有數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)的4路不同波長(zhǎng)的激光，然后通過(guò)WDM 器將4路光信號(hào)合為一路輸出。接收單元由探測(cè)器、二級(jí)放大器（主放大器）和CDR電路組成。在模塊的接收端，解復(fù)用器將一路40Gbit/s光信號(hào)分成4路不同波長(zhǎng)的10.312 5Gbit/s光信號(hào)，并通過(guò)探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換成4路微弱的電信號(hào)。微弱的電信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大器放大，然后由主放大器接收并對(duì)前置放大器放大后的信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，輸出電信號(hào)，從而完成光/電轉(zhuǎn)換?？刂齐娐凡糠滞ㄟ^(guò)內(nèi)部通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的APC（自動(dòng)功率控制）、消光比補(bǔ)償、發(fā)射部分軟關(guān)斷和接收部分帶寬調(diào)整的智能控制，通過(guò)外部通信接口可以與上位機(jī)通信，完成模塊的相關(guān)工作狀態(tài)檢測(cè)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控上報(bào)。 

2. 40Gbit/s CFP光模塊系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

　　40Gbit/s CFP光模塊的總體設(shè)計(jì)主要是解決發(fā)射單元、接收單元和控制單元的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。下面分別介紹各單元的具體設(shè)計(jì)方法。

　　在發(fā)射單元，選用10Gbit/s DML（直接調(diào)制激光器）作為TOSA（光發(fā)射組件），激光器的驅(qū)動(dòng)電路集成在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)。激光驅(qū)動(dòng)器接收差分輸入數(shù)據(jù)并為激光器提供偏置電流和調(diào)制電流。由于半導(dǎo)體激光器的斜效率會(huì)隨溫度的變化而不同，所以需要APC和消光比補(bǔ)償電路來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光器平均光功率。激光器中的PD（光電二極管）監(jiān)測(cè)LD的光輸出功率大小，并將監(jiān)控PD 的輸出值反饋給MCU（微控制器），MCU 通過(guò)檢測(cè)到的反饋值來(lái)控制偏置電流IBias輸出，從而調(diào)節(jié)偏置電路使LD始終保持恒定的光功率輸出。同時(shí)，為了避免高速PCB（印刷電路板）上其他線路對(duì)信號(hào)線的干擾，在布線時(shí)對(duì)信號(hào)采用差分信號(hào)線傳輸。

　　接收單元主要由PIN（光電二極管）與TIA（跨阻放大器）封裝在一起的光探測(cè)器和限幅放大器組成，從而完成光/電轉(zhuǎn)換。4個(gè)不同波長(zhǎng)的探測(cè)器分別接收來(lái)自相應(yīng)波長(zhǎng)的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成具有一定幅度的電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)限幅放大器對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行逐級(jí)放大，同時(shí)由CDR電路提取時(shí)鐘和恢復(fù)信號(hào)，對(duì)接收到的信號(hào)動(dòng)態(tài)建立判決值以使數(shù)據(jù)恢復(fù)并輸出。

　　控制單元采用MCU 芯片，通過(guò)采集各個(gè)相應(yīng)端口的數(shù)字信息實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)通道的電壓、溫度、激光器偏置電流、輸入光功率和接收光功率的實(shí)時(shí)監(jiān)控和上報(bào)，以實(shí)現(xiàn)如下3大功能：（1）與系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行通信；（2）模塊內(nèi)部模擬和數(shù)字信息的提取、檢測(cè)、上報(bào)和告警；（3）模塊內(nèi)部各個(gè)參數(shù)設(shè)置的智能化控制。

　　3. 測(cè)試結(jié)果分析

　　根據(jù)上述40Gbit/s CFP光模塊各單元的設(shè)計(jì)方案，成功研制了40Gbit/s CFP光模塊樣機(jī)，并根據(jù)IEEE 802.3ba的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，利用誤碼儀、光功率計(jì)、光可變衰減器、示波器和直流穩(wěn)壓源等儀器搭建測(cè)試臺(tái)位，進(jìn)行了模塊的光性能測(cè)試。測(cè)試臺(tái)位框圖如圖2所示，其中路徑1（見圖中虛線）為對(duì)光模塊發(fā)射部分的測(cè)試，利用光功率計(jì)和示波器分別記錄4個(gè)通道的光功率值以及光眼圖；路徑2（見圖中實(shí)線）為對(duì)光模塊接收部分的測(cè)試，利用40Gbit/s CFP收發(fā)一體模塊的自發(fā)自收功能分別對(duì)各接收通道的接收性能進(jìn)行測(cè)試，得到不同溫度下各通道的測(cè)試結(jié)果。表1給出了在25℃、電壓3.3V和比特率10.312 5Gbit/s的測(cè)試條件下，各通道的測(cè)試結(jié)果。

        由表1可知，25℃時(shí)，在相同的測(cè)試條件下，每個(gè)通道的平均輸出光功率、消光比和接收靈敏度值完全滿足IEEE 802.3ba的測(cè)試要求。同時(shí)觀察眼圖可知，4個(gè)通道在同一溫度下的眼圖基本一致。由于篇幅限制，本文只給出通道1 在-5、25 和70℃時(shí)的示波器眼圖，如圖3所示，其具體參數(shù)如表2所示。

        由上面3個(gè)不同溫度下的眼圖及其具體參數(shù)可以看出，在-5、25、70℃3個(gè)溫度下，平均輸出光功率、消光比和交叉點(diǎn)的變化很小，消光比最大變化幅度＜0.05dB，交叉點(diǎn)也都在50％左右，說(shuō)明光眼圖在不同溫度下比較穩(wěn)定，這主要是因?yàn)槟K中的APC電路和消光比補(bǔ)償電路起到了很大的作用。

　　4. 結(jié)束語(yǔ)

　　40Gbit/s、100Gbit/s以太網(wǎng)作為高速以太網(wǎng)技術(shù)，能夠滿足不斷出現(xiàn)的高帶寬網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求，有效地促進(jìn)傳輸速率升級(jí)，從而使得骨干網(wǎng)充滿了活力。目前40Gbit/s系統(tǒng)已經(jīng)逐步進(jìn)入規(guī)?；逃秒A段，CIR（通信產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)）報(bào)告預(yù)計(jì)2016年全球40Gbit/s以太網(wǎng)市場(chǎng)將達(dá)到51億美元。文章中我們研究了傳輸系統(tǒng)客戶端的40Gbit/s CFP 光模塊的基本實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)40Gbit/s CFP光模塊樣機(jī)按照IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明其光接口性能完全符合高速以太網(wǎng)要求，并且傳輸距離能達(dá)到10km。隨著高帶寬業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，相信40Gbit/s CFP光模塊將有廣闊的應(yīng)用前景。