40G CFP光模塊設計

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

　　為了滿(mǎn)足傳輸容量日益增長(cháng)的需求和降低通信系統的成本，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，該模塊采用波分復用技術(shù)來(lái)實(shí)現4路不同波長(cháng)的10Gbit/s載波信號在一根光纖中傳輸。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計方案，按照IEEE 802.3.ba標準對樣機進(jìn)行了測試，結果表明該模塊滿(mǎn)足40Gbit/s以太網(wǎng)的應用要求。

　　0 引言

　　隨著(zhù)高清視頻和高速數據業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，人們對帶寬的要求越來(lái)越高，現有的10Gbit/s以太網(wǎng)已經(jīng)表現出局限性，下一代高速以太網(wǎng)的出現成為發(fā)展的必然趨勢。IEEE 802.3ba標準，即40Gbit/s/100Gbit/s以太網(wǎng)標準已于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(xiàn)、多模光纖和單模光纖通信的物理層規范，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規格的40Gbit/s CFP（百吉比特可熱插拔）光收發(fā)模塊，適應了如今數據中心日益增加的帶寬需求，它在單模光纖上傳輸的數據是傳統10Gbit/s光模塊的4倍，傳輸距離能達到10km。同時(shí)，研究40Gbit/s CFP技術(shù)也可以更好地為設計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)現方式。通過(guò)對模塊的光性能測試驗證了40Gbit/s光模塊應用于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(hù)端光模塊，其中40Gbit/s BASE-LR4基于1 310nm CWDM（粗波分復用）技術(shù)，在單模光纖上的傳輸距離達10km。頻率間隔基于ITU-T G.694.2規范，使用1270、1290、1310和 330nm 4個(gè)波長(cháng)，每個(gè)波長(cháng)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的模式，支持40Gbit/s以太數據在4個(gè)波長(cháng)上以每個(gè)波長(cháng)10.312 5Gbit/s的速率傳輸，最后采用WDM（波分復用）技術(shù)將4個(gè)波長(cháng)的光信號復合在一根單模光纖上傳輸。40Gbit/s CFP光模塊主要應用于城域網(wǎng)，可將輸入的電信號轉換成光信號輸出，以實(shí)現較長(cháng)距離的傳輸，同時(shí)也能將接收到的光信號轉換成電信號輸出。

　　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驅動(dòng)器和CDR（時(shí)鐘數據恢復）電路組成。輸入模塊的4對1 0.3 1 2 5Gbit/s差分電信號經(jīng)過(guò)CDR電路再整形、再定時(shí)后，由LD驅動(dòng)電路接收，驅動(dòng)LD發(fā)出帶有數據調制信號的4路不同波長(cháng)的激光，然后通過(guò)WDM 器將4路光信號合為一路輸出。接收單元由探測器、二級放大器（主放大器）和CDR電路組成。在模塊的接收端，解復用器將一路40Gbit/s光信號分成4路不同波長(cháng)的10.312 5Gbit/s光信號，并通過(guò)探測器將其轉換成4路微弱的電信號。微弱的電信號首先經(jīng)過(guò)前置放大器放大，然后由主放大器接收并對前置放大器放大后的信號進(jìn)行二級放大，輸出電信號，從而完成光/電轉換?？刂齐娐凡糠滞ㄟ^(guò)內部通信接口實(shí)現對激光器的APC（自動(dòng)功率控制）、消光比補償、發(fā)射部分軟關(guān)斷和接收部分帶寬調整的智能控制，通過(guò)外部通信接口可以與上位機通信，完成模塊的相關(guān)工作狀態(tài)檢測量的實(shí)時(shí)監控上報。 

2. 40Gbit/s CFP光模塊系統的總體設計方案

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

　　在發(fā)射單元，選用10Gbit/s DML（直接調制激光器）作為T(mén)OSA（光發(fā)射組件），激光器的驅動(dòng)電路集成在驅動(dòng)芯片內。激光驅動(dòng)器接收差分輸入數據并為激光器提供偏置電流和調制電流。由于半導體激光器的斜效率會(huì )隨溫度的變化而不同，所以需要APC和消光比補償電路來(lái)實(shí)現穩定的激光器平均光功率。激光器中的PD（光電二極管）監測LD的光輸出功率大小，并將監控PD 的輸出值反饋給MCU（微控制器），MCU 通過(guò)檢測到的反饋值來(lái)控制偏置電流IBias輸出，從而調節偏置電路使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(xiàn)路對信號線(xiàn)的干擾，在布線(xiàn)時(shí)對信號采用差分信號線(xiàn)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器和限幅放大器組成，從而完成光/電轉換。4個(gè)不同波長(cháng)的探測器分別接收來(lái)自相應波長(cháng)的光信號，并將其轉換成具有一定幅度的電信號，然后經(jīng)過(guò)限幅放大器對信號功率進(jìn)行逐級放大，同時(shí)由CDR電路提取時(shí)鐘和恢復信號，對接收到的信號動(dòng)態(tài)建立判決值以使數據恢復并輸出。

　　控制單元采用MCU 芯片，通過(guò)采集各個(gè)相應端口的數字信息實(shí)現對各個(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)監控和上報，以實(shí)現如下3大功能：（1）與系統上位機進(jìn)行通信；（2）模塊內部模擬和數字信息的提取、檢測、上報和告警；（3）模塊內部各個(gè)參數設置的智能化控制。

　　3. 測試結果分析

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

        由表1可知，25℃時(shí)，在相同的測試條件下，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(mǎn)足IEEE 802.3ba的測試要求。同時(shí)觀(guān)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定，這主要是因為模塊中的APC電路和消光比補償電路起到了很大的作用。

　　4. 結束語(yǔ)

　　40Gbit/s、100Gbit/s以太網(wǎng)作為高速以太網(wǎng)技術(shù)，能夠滿(mǎn)足不斷出現的高帶寬網(wǎng)絡(luò )應用業(yè)務(wù)的需求，有效地促進(jìn)傳輸速率升級，從而使得骨干網(wǎng)充滿(mǎn)了活力。目前40Gbit/s系統已經(jīng)逐步進(jìn)入規?；逃秒A段，CIR（通信產(chǎn)業(yè)研究機構）報告預計2016年全球40Gbit/s以太網(wǎng)市場(chǎng)將達到51億美元。文章中我們研究了傳輸系統客戶(hù)端的40Gbit/s CFP 光模塊的基本實(shí)現方案，并對40Gbit/s CFP光模塊樣機按照IEEE 802.3ba標準進(jìn)行了測試，結果表明其光接口性能完全符合高速以太網(wǎng)要求，并且傳輸距離能達到10km。隨著(zhù)高帶寬業(yè)務(wù)的不斷增長(cháng)，相信40Gbit/s CFP光模塊將有廣闊的應用前景。