400 Gbit/s FR4光收發(fā)模塊的研究

鄧 琨，高萬超，陳 意，付永安，孫莉萍

(1. 武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074； 2. 武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205)

0 引 言

隨著云計(jì)算、超清影視和物聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務(wù)的大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對流量和帶寬的需求急劇增長，這也迫使光模塊不斷向更高速率和更低功耗升級，且這種趨勢仍處于攀升狀態(tài)。隨著之前業(yè)務(wù)重點(diǎn)關(guān)注的400 Gbit/s通信技術(shù)在這幾年的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心光通信網(wǎng)絡(luò)已逐漸開始從100 Gbit/s向400 Gbit/s互聯(lián)過渡，因此400 Gbit/s網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)終將成為數(shù)據(jù)中心部署的新一代高速傳輸技術(shù)[1]。其中光模塊作為一種實(shí)現(xiàn)光/電和電/光轉(zhuǎn)換功能的光器件，在光通信系統(tǒng)中負(fù)責(zé)電/光信號之間的高速率數(shù)據(jù)交換，是數(shù)據(jù)中心光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。

本文參考100 Gbit/s Lambda 多源協(xié)議(Multi Source Agreement，MSA)和由電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定的IEEE 802.3cu協(xié)議等其他相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種基于4階脈沖幅度調(diào)制(4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4)技術(shù)的400 Gbit/s光模塊設(shè)計(jì)方案。首先闡述了400 Gbit/s光模塊的基本原理、結(jié)構(gòu)框圖和主要測試指標(biāo)，然后對該模塊的性能進(jìn)行了測試與分析，測試分析結(jié)果表明了本方案在400 Gbit/s光通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的可行性。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹

如今400 Gbit/s以太網(wǎng)接口已逐漸應(yīng)用于各大互聯(lián)網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)中心， IEEE自2013年3月起就啟動(dòng)了對400 Gbit/s Ethernet(400 GE)接口的標(biāo)準(zhǔn)化的研究工作，且在2017年12月正式得到批準(zhǔn)并發(fā)布了IEEE 802.3bs 400 GE(包括200 GE)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以及在2020年4月發(fā)布了IEEE 802.3cu 400 GE(包括100 GE)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[2]，其中400 GE光模塊主要采用的幾種物理層技術(shù)方案如表1所示。

表1 400 GE光模塊接口物理層技術(shù)方案

為了降低成本，可以一種更經(jīng)濟(jì)的方式來支持400 Gbit/s以太網(wǎng)傳輸，業(yè)界普遍采用了光口速率為4×100 Gbit/s的模式，即使用4組單通道PAM4編碼速率為100 Gbit/s的光組件，然后再通過4×100 Gbit/s的粗波分復(fù)用(Coarse Wave-length Division Multiplexing，CWDM)技術(shù)來達(dá)到單纖400 Gbit/s的速率。100 Gbit/s Lambda MSA定義了4×100 Gbit/s CWDM4光接口，通過4×100 Gbit/s的這種傳輸方式可成倍地減少光器件的數(shù)量，從而降低400 Gbit/s光模塊的功耗和成本，因此100 Gbit/s Lambda MSA在為日益增長的帶寬需求提供發(fā)展所需技術(shù)平臺(tái)的同時(shí)，也為經(jīng)濟(jì)型400 Gbit/s的發(fā)展奠定了夯實(shí)基礎(chǔ)。

2 光模塊的設(shè)計(jì)

2.1 模塊功能框圖

400 Gbit/s 4通道遠(yuǎn)距離(4-Far Reach，F(xiàn)R4)光模塊主要由PAM4速率轉(zhuǎn)換、接收、發(fā)射和監(jiān)控4個(gè)單元組成，其基本原理框圖如圖1所示。

圖1 400 Gbit/s FR4光模塊基本原理框圖

其中速率轉(zhuǎn)換單元主要完成對8路速率為53.125 Gbit/s的PAM4電信號與4路速率為106.250 Gbit/s的PAM4電信號之間的轉(zhuǎn)換。發(fā)射單元采用一個(gè)4通道的激光驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)4組TOSA實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出的4路中心波長分別為1 271、1 291、1 311和1 331 nm的光信號再由一個(gè)MUX耦合進(jìn)一根SMF中。接收單元采用一個(gè)DEMUX對接收到的光信號進(jìn)行分波恢復(fù)為4路不同波長的光信號，再通過4組ROSA完成光/電轉(zhuǎn)換以及電流/電壓轉(zhuǎn)換等，轉(zhuǎn)換后得到的4路電信號經(jīng)放大以及差分驅(qū)動(dòng)后輸出。模塊中的監(jiān)控單元?jiǎng)t由微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)通過兩線式串行總線(Inter-Integrated Circuit，I2C)完成對光模塊內(nèi)部各電芯片寄存器的讀寫操作以及與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而對外實(shí)現(xiàn)對模塊的數(shù)字診斷及監(jiān)控功能。

2.2 PAM4速率轉(zhuǎn)換單元

400 Gbit/s FR4光模塊的信號調(diào)制格式為PAM4，IEEE 802.3cu對PAM4信號的特性及參數(shù)進(jìn)行了深入研究和定義。在數(shù)據(jù)傳輸中，采用PAM4調(diào)制格式減少了并行通道數(shù)量，不僅節(jié)約了光模塊成本，還可以有效緩解對光模塊中光器件帶寬的要求，使光模塊具有更小的封裝尺寸和功耗。如今PAM4技術(shù)已然成為應(yīng)用在下一代數(shù)據(jù)中心中高速信號互連的必然趨勢[3]。

速率轉(zhuǎn)換單元主要是為了解決光模塊電接口與光接口之間的速率匹配問題。由于400 Gbit/s FR4光模塊的金手指側(cè)通道數(shù)為8，每通道采用速率為53.125 Gbit/s的高速PAM4差分電信號，光口的通道數(shù)則為4，每通道采用速率為106.250 Gbit/s的高速PAM4光信號，因此為了保證數(shù)據(jù)在光模塊電口與光口間的正常傳輸，需要對電信號的速率與通道數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即采用每兩路轉(zhuǎn)1路的模式，將8路高速PAM4差分電信號轉(zhuǎn)換為4路，使波特率提升了1倍。在400 Gbit/s FR4光模塊中，該轉(zhuǎn)換功能可通過PAM4 Gearbox 8:4芯片來實(shí)現(xiàn)。Gearbox芯片內(nèi)置了時(shí)鐘鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)電路，通過對外部晶振提供的固定頻率進(jìn)行倍頻操作，在發(fā)射方向上，Gearbox芯片可以對從模塊金手指端輸入的8路速率為53.125 Gbit/s的高速PAM4差分電信號進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)操作，然后對恢復(fù)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行前向糾錯(cuò)(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)編碼和PAM4調(diào)制等處理后轉(zhuǎn)換為4路速率為106.250 Gbit/s的高速PAM4差分電信號輸出，最后加載到激光驅(qū)動(dòng)器上；同時(shí)在接收方向上，Gearbox芯片則將對從ROSA輸出的4路速率為106.250 Gbit/s的PAM4電信號進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)、放大、均衡和FEC解碼等處理后轉(zhuǎn)換為8路速率為53.125 Gbit/s的PAM4電信號。

為了使光模塊能在工作狀態(tài)中達(dá)到性能最優(yōu)，還需對PAM4 Gearbox芯片的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化以使得模塊輸出的光信號達(dá)到最優(yōu)，這也是400 Gbit/s FR4模塊性能調(diào)試中最能影響傳輸信號質(zhì)量的重要步驟之一。

2.3 發(fā)射單元

發(fā)射部分由一個(gè)4通道電吸收調(diào)制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)驅(qū)動(dòng)芯片、一個(gè)4通道TOSA、一個(gè)TEC控制器和一個(gè)MUX組成，TOSA中則集成了4路EML、熱敏電阻和TEC。PAM4 Gearbox芯片輸出4路高速PAM4差分電信號后，通過驅(qū)動(dòng)芯片放大輸出為4路單端PAM4信號，然后經(jīng)交流耦合加載到EML內(nèi)部的電吸收調(diào)制器(Electro Absorption Modulator，EAM)上，同時(shí)模塊內(nèi)部還將提供用來調(diào)節(jié)EAM吸收光功率能力的反向偏壓，兩者共同作用實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換，將4路速率為106.250 Gbit/s的高速電信號轉(zhuǎn)換為4路速率為106.250 Gbit/s的中心波長分別為1 271、1 291、1 311和1 331 nm的高速光信號輸出，最后再通過MUX耦合進(jìn)一根SMF進(jìn)行傳輸，最大傳輸距離為2 km[4]。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于減少了光器件的數(shù)量，降低了制作工藝的難度，節(jié)省了模塊的成本。

由于光模塊外部環(huán)境溫度的變化會(huì)引起模塊內(nèi)部激光器參數(shù)的變化(如閾值電流和斜效率等)，從而導(dǎo)致光模塊部分性能指標(biāo)參數(shù)值的變化，因此在模塊設(shè)計(jì)時(shí)必須采用溫度控制電路對激光器溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)整，以保證光模塊工作性能的穩(wěn)定。具體實(shí)現(xiàn)方式為：MCU通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)采樣獲取器件內(nèi)部熱敏電阻兩端的電壓值，從而獲取內(nèi)部激光器的溫度值，然后經(jīng)由TEC控制電路來控制TOSA內(nèi)部TEC兩端的電流大小，通過TEC的制冷和制熱功能將激光器溫度穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值。

2.4 接收單元

接收部分主要由ROSA及DEMUX組成。常見的光電探測器有兩種：高速光電二極管(Positive-Intrinsic-Negative，PIN)和雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)，通常短距離傳輸時(shí)采用PIN，長距離傳輸時(shí)采用APD，而且PIN相較于APD，其所需要的偏置電壓更低，不需要額外的升壓電路和溫度補(bǔ)償電路，而且響應(yīng)時(shí)間更短，因此本文中400 Gbit/s FR4光模塊的接收端設(shè)計(jì)選用了PIN。

本設(shè)計(jì)中的ROSA內(nèi)集成了4個(gè)PIN和一個(gè)4通道跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)，支持較寬的工作范圍。首先DEMUX將復(fù)用在一起的光信號分解為4路不同波長的光信號，分別傳輸給4路PIN，PIN則通過光/電轉(zhuǎn)換功能將探測到的高速光信號轉(zhuǎn)換為微弱的高速電流信號，然后TIA會(huì)將其進(jìn)行放大處理并轉(zhuǎn)換成高速差分電壓信號后輸出至Gearbox芯片中集成的限幅放大器中。同時(shí)ROSA可通過接收信號強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)引腳，將接收的光功率大小輸出到控制單元，從而實(shí)現(xiàn)對接收光功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.5 監(jiān)控單元

對光模塊的監(jiān)控功能是由模塊內(nèi)部的MCU來完成的，MCU通過I2C完成對光模塊內(nèi)部各電芯片寄存器的讀寫以及通過ADC采樣獲取信息進(jìn)行分析和處理，從而在模塊上電時(shí)對模塊進(jìn)行初始化參數(shù)配置，等模塊處于正常工作狀態(tài)時(shí)，對其性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整優(yōu)化等操作[5]。光模塊電路板(Printed Circuit Board，PCB)上MCU芯片的I2C引腳直接與光模塊金手指相連，上位機(jī)則通過光模塊金手指與MCU進(jìn)行I2C數(shù)據(jù)通信，可實(shí)時(shí)獲取如發(fā)射光功率、模塊溫度、激光器溫度、偏置電流和調(diào)制電壓、接收信號強(qiáng)度和接收丟失告警等模塊的相應(yīng)狀態(tài)與參數(shù)，光模塊內(nèi)部各控制信號對模塊的控制能力決定著光模塊工作性能的穩(wěn)定性。

3 測試結(jié)果與分析

400 Gbit/s FR4光模塊的測試內(nèi)容主要包括發(fā)射端的光眼圖測試和接收端的靈敏度測試，具體測試方法與結(jié)果如下。

3.1 發(fā)射端

根據(jù)100 Gbit/s Lambda MSA中400 Gbit/s FR4 Technical Specification的規(guī)定可知，在單通道速率為106.250 Gbit/s的情況下，發(fā)射端各通道的光眼圖應(yīng)滿足：平均光功率為-3.3～3.5 dBm、外光調(diào)制幅度(Outer Optical Modulation Amplitude，OMA)為-0.3～3.7 dBm、消光比>3.5 dB、發(fā)射機(jī)色散眼圖閉合四相(Transmitter and Dispersion Eye Closure Quaternary，TDECQ)<3.4 dB[6]。

模塊發(fā)射端的光眼圖基本測試框圖如圖2所示，模塊在發(fā)射方向上具有4個(gè)不同中心波長的通道，可通過光開關(guān)逐一選取其中的單個(gè)通道進(jìn)行測試。

圖2 發(fā)射端測試框圖

圖3所示為在106.250 Gbit/s速率和4進(jìn)制短強(qiáng)度隨機(jī)序列(Short Stress Pattern Random Quaternary，SSPRQ)碼型的測試條件下，單個(gè)通道分別在模塊溫度為0、40和70 ℃時(shí)的發(fā)射光眼圖，其中右邊為經(jīng)TDECQ均衡后的眼圖。

圖3 發(fā)射光眼圖

表2所示為400 Gbit/s FR4模塊在3種不同溫度下的發(fā)射光眼圖的各項(xiàng)性能參數(shù)。

表2 3種溫度下的各項(xiàng)光眼圖參數(shù)

由測試結(jié)果可知，在全溫度范圍內(nèi)，發(fā)射端的光眼圖各指標(biāo)參數(shù)均在協(xié)議規(guī)定范圍內(nèi)，且隨著溫度的變化，各參數(shù)值的波動(dòng)均較小。

3.2 接收端

根據(jù)100 Gbit/s Lambda MSA中400 Gbit/s FR4 Technical Specification的規(guī)定可知，在單通道速率為106.250 Gbit/s的情況下，接收端各通道的靈敏度應(yīng)<-4.6 dBm。

光模塊接收端靈敏度的基本測試框圖如圖4所示，模塊在接收方向上有4個(gè)不同中心波長的通道，可逐一選取其中的通道，通過調(diào)節(jié)可變光衰減器的輸出功率來測試接收端的靈敏度。

圖4 接收端測試框圖

在106.250 Gbit/s速率、偽隨機(jī)序列(Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS)31Q碼型和2.4×10-4誤碼率的測試條件下，分別在模塊溫度為0、40和70 ℃時(shí)對該模塊4個(gè)通道CH1～CH4的接收靈敏度分別進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度下的接收靈敏度

由上述測試結(jié)果可知，在全溫度范圍內(nèi)，4個(gè)通道的接收靈敏度均滿足協(xié)議規(guī)定范圍，且隨著溫度的變化其波動(dòng)較小。

4 結(jié)束語

400 Gbit/s光模塊是數(shù)據(jù)中心400 Gbit/s光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中物理層的核心部件之一，本文首先從總體上介紹了一種400 Gbit/s FR4光模塊的基本結(jié)構(gòu)與原理，然后通過相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)表明其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合相關(guān)協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)的要求，驗(yàn)證了其在400 Gbit/s光通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目尚行?。同時(shí)本文提出的400 Gbit/s FR4光模塊還適用于當(dāng)前主流的兩種400 Gbit/s封裝形式：雙密度4通道小型可插拔封裝(Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD)和8通道小尺寸可插拔封裝(Octal Small Form Factor Pluggable Module，OSFP)，且在低成本和低功耗上具有較大優(yōu)勢。相信隨著光器件工藝與各項(xiàng)通信技術(shù)的成熟，其在數(shù)據(jù)中心的高速光通信網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)具有更廣泛的發(fā)展前景。