用于以太网的40G CFP光模块设计

2/17/2014,为了满足传输容量日益增长的需求和降低通信系统的成本，介绍了一种用于城域网的40Gbit/s CFP（百吉比特可热插拔）光模块，该模块采用波分复用技术来实现4路不同波长的10Gbit/s载波信号在一根光纤中传输。它主要由发射单元、接收单元和控制单元3大部分组成。重点介绍了各个部分的工作原理及具体设计方案，按照IEEE 802.3.ba标准对样机进行了测试，结果表明该模块满足40Gbit/s以太网的应用要求。
　　0 引言
　　随着高清视频和高速数据业务的迅速发展，人们对带宽的要求越来越高，现有的10Gbit/s以太网已经表现出局限性，下一代高速以太网的出现成为发展的必然趋势。IEEE 802.3ba标准，即40Gbit/s/100Gbit/s以太网标准已于2010年6月17日正式获批，它支持40Gbit/s和100Gbit/s的以太网帧传送，同时确立了主干网络、铜缆布线、多模光纤和单模光纤通信的物理层规范，以减轻未来核心网络带宽的"瓶颈"问题。
　　基于IEEE 802.3ba 40GBASE-LR4规格的40Gbit/s CFP（百吉比特可热插拔）光收发模块，适应了如今数据中心日益增加的带宽需求，它在单模光纤上传输的数据是传统10Gbit/s光模块的4倍，传输距离能达到10km。同时，研究40Gbit/s CFP技术也可以更好地为设计100Gbit/s CFP服务。本文从40Gbit/s光收发模块的基本工作原理入手，分析整个模块的硬件电路和软件控制的实现方式。通过对模块的光性能测试验证了40Gbit/s光模块应用于40Gbit/s光传输网络的可行性。
　　1.  40Gbit/s CFP光模块的工作原理
　　40Gbit/s CFP光模块是可热插拔的客户端光模块，其中40Gbit/s BASE-LR4基于1 310nm CWDM（粗波分复用）技术，在单模光纤上的传输距离达10km。频率间隔基于ITU-T G.694.2规范，使用1270、1290、1310和 330nm 4个波长，每个波长通道的速率为10.312 5Gbit/s。文章后面提到的40Gbit/s CFP光模块均为在单模光纤中传输的模式，支持40Gbit/s以太数据在4个波长上以每个波长10.312 5Gbit/s的速率传输，最后采用WDM（波分复用）技术将4个波长的光信号复合在一根单模光纤上传输。40Gbit/s CFP光模块主要应用于城域网，可将输入的电信号转换成光信号输出，以实现较长距离的传输，同时也能将接收到的光信号转换成电信号输出。
　　40Gbit/s CFP光模块主要由3部分组成：发射单元、接收单元和控制单元。它的基本功能框图如图1所示。发射单元由LD（激光器）、LD驱动器和CDR（时钟数据恢复）电路组成。输入模块的4对1 0.3 1 2 5Gbit/s差分电信号经过CDR电路再整形、再定时后，由LD驱动电路接收，驱动LD发出带有数据调制信号的4路不同波长的激光，然后通过WDM 器将4路光信号合为一路输出。接收单元由探测器、二级放大器（主放大器）和CDR电路组成。在模块的接收端，解复用器将一路40Gbit/s光信号分成4路不同波长的10.312 5Gbit/s光信号，并通过探测器将其转换成4路微弱的电信号。微弱的电信号首先经过前置放大器放大，然后由主放大器接收并对前置放大器放大后的信号进行二级放大，输出电信号，从而完成光/电转换。控制电路部分通过内部通信接口实现对激光器的APC（自动功率控制）、消光比补偿、发射部分软关断和接收部分带宽调整的智能控制，通过外部通信接口可以与上位机通信，完成模块的相关工作状态检测量的实时监控上报。



　2.  40Gbit/s CFP光模块系统的总体设计方案
　　40Gbit/s CFP光模块的总体设计主要是解决发射单元、接收单元和控制单元的实现问题。下面分别介绍各单元的具体设计方法。
　　在发射单元，选用10Gbit/s DML（直接调制激光器）作为TOSA（光发射组件），激光器的驱动电路集成在驱动芯片内。激光驱动器接收差分输入数据并为激光器提供偏置电流和调制电流。由于半导体激光器的斜效率会随温度的变化而不同，所以需要APC和消光比补偿电路来实现稳定的激光器平均光功率。激光器中的PD（光电二极管）监测LD的光输出功率大小，并将监控PD 的输出值反馈给MCU（微控制器），MCU 通过检测到的反馈值来控制偏置电流IBias输出，从而调节偏置电路使LD始终保持恒定的光功率输出。同时，为了避免高速PCB（印刷电路板）上其他线路对信号线的干扰，在布线时对信号采用差分信号线传输。
　　接收单元主要由PIN（光电二极管）与TIA（跨阻放大器）封装在一起的光探测器和限幅放大器组成，从而完成光/电转换。4个不同波长的探测器分别接收来自相应波长的光信号，并将其转换成具有一定幅度的电信号，然后经过限幅放大器对信号功率进行逐级放大，同时由CDR电路提取时钟和恢复信号，对接收到的信号动态建立判决值以使数据恢复并输出。
　　控制单元采用MCU 芯片，通过采集各个相应端口的数字信息实现对各个通道的电压、温度、激光器偏置电流、输入光功率和接收光功率的实时监控和上报，以实现如下3大功能：（1）与系统上位机进行通信；（2）模块内部模拟和数字信息的提取、检测、上报和告警；（3）模块内部各个参数设置的智能化控制。
　　3.  测试结果分析
　　根据上述40Gbit/s CFP光模块各单元的设计方案，成功研制了40Gbit/s CFP光模块样机，并根据IEEE 802.3ba的测试标准，利用误码仪、光功率计、光可变衰减器、示波器和直流稳压源等仪器搭建测试台位，进行了模块的光性能测试。测试台位框图如图2所示，其中路径1（见图中虚线）为对光模块发射部分的测试，利用光功率计和示波器分别记录4个通道的光功率值以及光眼图；路径2（见图中实线）为对光模块接收部分的测试，利用40Gbit/s CFP收发一体模块的自发自收功能分别对各接收通道的接收性能进行测试，得到不同温度下各通道的测试结果。表1给出了在25℃、电压3.3V和比特率10.312 5Gbit/s的测试条件下，各通道的测试结果。



　　由表1可知，25℃时，在相同的测试条件下，每个通道的平均输出光功率、消光比和接收灵敏度值完全满足IEEE 802.3ba的测试要求。同时观察眼图可知，4个通道在同一温度下的眼图基本一致。由于篇幅限制，本文只给出通道1 在-5、25 和70℃时的示波器眼图，如图3所示，其具体参数如表2所示。



　　由上面3个不同温度下的眼图及其具体参数可以看出，在-5、25、70℃3个温度下，平均输出光功率、消光比和交叉点的变化很小，消光比最大变化幅度＜0.05dB，交叉点也都在50％左右，说明光眼图在不同温度下比较稳定，这主要是因为模块中的APC电路和消光比补偿电路起到了很大的作用。
　　4.  结束语
　　40Gbit/s、100Gbit/s以太网作为高速以太网技术，能够满足不断出现的高带宽网络应用业务的需求，有效地促进传输速率升级，从而使得骨干网充满了活力。目前40Gbit/s系统已经逐步进入规模化商用阶段，CIR（通信产业研究机构）报告预计2016年全球40Gbit/s以太网市场将达到51亿美元。文章中我们研究了传输系统客户端的40Gbit/s CFP 光模块的基本实现方案，并对40Gbit/s CFP光模块样机按照IEEE 802.3ba标准进行了测试，结果表明其光接口性能完全符合高速以太网要求，并且传输距离能达到10km。随着高带宽业务的不断增长，相信40Gbit/s CFP光模块将有广阔的应用前景。
　　熊青松、张武平、陈晋敏（光纤通信技术和网络国家重点实验室 武汉电信器件有限公司）《光通信研究》

来源：光通信研究