200 Gbit/s SR4 光收發(fā)模塊的研究與設(shè)計(jì)

向 華，羅 超，孫洪君，孫莉萍

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

近年來(lái)，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的高速發(fā)展，使光纖通信系統(tǒng)的更新?lián)Q代加速，對(duì)光模塊提出了更高的要求。

QSFP56 封裝光收發(fā)模塊提供了單通道50 Gbit/s的并行傳輸，相較于同體積QSFP28 封裝類(lèi)型光模塊，單通道25 Gbit/s 傳輸可實(shí)現(xiàn)2 倍的傳輸速率[1-2]。

1 光模塊的設(shè)計(jì)

1.1 模塊功能框架

200 Gbit/s SR4(4-Short Reach,SR4)光收發(fā)模塊主要由4 個(gè)單元組成，分別為數(shù)字處理芯片(Digital Signal Processing,DSP)、接收單元（ROSA）、發(fā)射單元（TOSA）和監(jiān)控單元[3]，基本原理框圖如圖1 所示。

圖1 200 Gbit/s SR4光模塊基本原理框圖

QSFP 56 封裝采用了4 階電平脈沖幅度調(diào)制編碼(PAM4)差分信號(hào)編碼類(lèi)型[4]，實(shí)現(xiàn)了光模塊單通道50 Gbit/s 的傳輸速率。

1.2 高速數(shù)字處理芯片

DSP 高速數(shù)字處理芯片支持恢復(fù)交換機(jī)側(cè)傳輸來(lái)的電信號(hào)中數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的恢復(fù)、噪聲的去除；對(duì)接收端光信號(hào)進(jìn)行色散補(bǔ)償以及去除非線性干擾，其工作在光模塊電口側(cè)和光口側(cè)之間；DSP在接收端具備自適應(yīng)線性均衡，可根據(jù)信號(hào)不同頻率的差異進(jìn)行幅度上的補(bǔ)償；DSP 在發(fā)送端進(jìn)行預(yù)加重[5-6]。

高速數(shù)字處理芯片主要由電口側(cè)接收接口（Host Rx）、電口側(cè)發(fā)射接口（Host Tx）、光口側(cè)發(fā)射接口（Line Tx）、光口側(cè)接收接口（Line Rx）、數(shù)據(jù)監(jiān)控單元（Link-Monitor）、光口發(fā)射端鎖相環(huán)（TX PLL）以及光口接收端鎖相環(huán)（RX PLL）組成，其基本原理框圖如圖2 所示。圖中黑色箭頭表示數(shù)據(jù)流方向。

圖2 DSP基本原理框圖

QSFP 56 封裝實(shí)現(xiàn)了與QSFP 28 相同的體積大小，但實(shí)現(xiàn)了2 倍的比特速率，是因?yàn)镼SFP 56 采用了PAM4 編碼。PAM4 編碼相較于NRZ 編碼的設(shè)計(jì)難度要大上不少，眼高裕量變小，技術(shù)上的挑戰(zhàn)及后續(xù)硬件調(diào)試難度相對(duì)較大。

PAM4 編碼的信噪比更低，PAM4 編碼的信號(hào)有00/01/10/11 共4 個(gè)電平及3 個(gè)眼圖，每個(gè)眼圖的眼高只有NRZ 編碼眼圖的1/3，總的信噪比損耗超過(guò)11 dB；PAM4 編碼的信號(hào)更易受通道損耗的影響，發(fā)生碼間干擾的概率增加，光模塊對(duì)信號(hào)抖動(dòng)的容忍度要求更高，考慮到阻抗匹配等影響，易產(chǎn)生碼間干擾；以上都會(huì)導(dǎo)致更高的誤碼率[7]。

DSP 高速數(shù)字處理芯片是解決上述挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。TX PLL 以及RX PLL 可以提供時(shí)鐘校準(zhǔn)功能，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段預(yù)留足夠的眼圖skew 裕量，減小由時(shí)鐘偏移（skew）引起的眼圖偏移[8]。

信號(hào)在經(jīng)過(guò)無(wú)源信道時(shí)會(huì)受到干擾。高速信號(hào)傳輸中最需要考慮的是趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗。介質(zhì)的阻抗及信號(hào)的反射會(huì)導(dǎo)致碼間串?dāng)_，最后在接收端進(jìn)行信號(hào)門(mén)限判決時(shí)會(huì)出錯(cuò)，信息不能有效傳遞[9-10]。

傳輸過(guò)程中，根據(jù)傳輸線理論：電信號(hào)在傳輸線上表現(xiàn)的是其低通濾波特性。針對(duì)傳輸線的特性，光收發(fā)模塊在DSP 光口側(cè)包含自動(dòng)增益控制環(huán)路以達(dá)到發(fā)送端的預(yù)加重；光模塊中涉及到的預(yù)加重技術(shù)即電信號(hào)進(jìn)入交換機(jī)時(shí)，由模塊預(yù)先增加電信號(hào)的高頻成分，預(yù)先補(bǔ)償在傳輸過(guò)程中電信號(hào)的高頻成分的衰減，使輸交換機(jī)的電信號(hào)不發(fā)生判決出錯(cuò)。

電信號(hào)中，最高頻率是在信號(hào)的跳變沿，由于傳輸線的低頻濾波特性，跳變沿處DSP 接收到電平之間差異較小，臨近判定的閾值，使得模塊的誤碼率升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)不可糾錯(cuò)誤，使現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)中斷；DSP 預(yù)加重技術(shù)[11]使交換機(jī)側(cè)信號(hào)判決部分判定閾值充分，避免造成誤判。

DSP 芯片的抽頭系數(shù)愈多，經(jīng)過(guò)調(diào)測(cè)，光模塊發(fā)端的性能愈佳，但DSP 芯片的抽頭數(shù)愈多，功耗及內(nèi)部電路復(fù)雜程度增加；設(shè)計(jì)光模塊使用的DSP 芯片，選取3 抽頭的DSP 芯片[12]。測(cè)得模塊60 s 累計(jì)誤碼率達(dá)到了1E-14 量級(jí)，遠(yuǎn)超協(xié)議要求。

1.3 發(fā)射單元

在光發(fā)射單元中，DSP 芯片輸出的電信號(hào)通過(guò)金絲鍵合后的金絲傳輸?shù)郊す馄?，?qū)動(dòng)激光器芯片(VCSEL)發(fā)射光信號(hào)。光收發(fā)模塊發(fā)射單元的工作原理簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

由圖3 可知，光發(fā)射單元各組成部分中，激光器驅(qū)動(dòng)芯片的作用類(lèi)似于電流開(kāi)關(guān)，提供激光器芯片正常工作需要的閾值電流。要使激光器芯片正常工作，必須提供大于激光器芯片閾值電流的驅(qū)動(dòng)電流[13]。

根據(jù)半導(dǎo)體的特性，溫度升高，激光器芯片閾值電流會(huì)逐漸升高，激光器芯片要正常工作，則提供給激光器驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電流需增大。具體的實(shí)現(xiàn)方法可通過(guò)監(jiān)控單元中模數(shù)轉(zhuǎn)換器換算出激光器的實(shí)時(shí)溫度值，此時(shí)激光器還處在線性區(qū)，通過(guò)溫度補(bǔ)償電路增大激光器驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電流，使激光器芯片輸出的光功率保持穩(wěn)定[14]。

1.4 接收單元

光收發(fā)模塊的接收單元主要由光探測(cè)器（PIN）、驅(qū)動(dòng)芯片和外部電路組成。光探測(cè)器基本原理為光生電流，盡可能少地引入噪聲。電流信號(hào)的大小取決于探測(cè)器的響應(yīng)度以及耦合工藝。

光信號(hào)經(jīng)過(guò)透鏡反射后入射至4 陣列探測(cè)器上，由探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)單位在μA 級(jí)，此電流信號(hào)由集成了跨阻放大器的TIA芯片處理之后，放大為符合DSP 接收電平要求的數(shù)字信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)芯片集成了跨阻放大器的芯片?？缱璺糯笃?Trans-impedance Amplifier,TIA)具有高輸入阻抗、低輸入電容的特性，減少了脈沖形變。TIA 需要選取合適的通頻帶寬，通頻帶寬過(guò)小，會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_；通頻帶寬過(guò)高，會(huì)降低信噪比。TIA 具有寬的動(dòng)態(tài)范圍，可以放大μA～mA 級(jí)別的輸入電流。

為了監(jiān)控探測(cè)器的輸出電流，驅(qū)動(dòng)芯片提供了一個(gè)引腳RSSI(Receiver Signal Strength Indicator)。RSSI 引腳是模擬輸出，使用時(shí)要外接ADC。RSSI 引腳上采集到與通道電流成正比的電流，可用于計(jì)算光接收單元的響應(yīng)度，響應(yīng)度是衡量光接收單元光電轉(zhuǎn)換能力的物理量，其大小是光探測(cè)器的平均輸出電流Ip與平均輸入功率Po的比值，用公式可表示為R=Ip/Po，單位為A/W。響應(yīng)度可直接影響光收發(fā)模塊的靈敏度。

1.5 監(jiān)控單元

光收發(fā)模塊的運(yùn)行狀態(tài)由內(nèi)部的MCU 進(jìn)行監(jiān)控及管理，光收發(fā)模塊內(nèi)部光電芯片寄存器可對(duì)光電芯片進(jìn)行狀態(tài)的配置，MCU 可通過(guò)I2C 總線協(xié)議對(duì)各寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)達(dá)到對(duì)模塊的監(jiān)控和管理。MCU 集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可采樣獲取模塊內(nèi)部各芯片的狀態(tài)信息，并進(jìn)行分析和處理。MCU 可通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序首先對(duì)模塊各部分進(jìn)行初始化配置，待模塊穩(wěn)定后，MCU 對(duì)模塊激光器的溫度、發(fā)射和接收光功率等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及調(diào)整激光器驅(qū)動(dòng)電流等操作。

光收發(fā)模塊的金手指不僅僅包含各路通道的差分電信號(hào)，且包含模塊PCB 上MCU 管理單元芯片的I2C 引腳，在交換機(jī)上，技術(shù)人員可通過(guò)上位機(jī)對(duì)模塊進(jìn)行I2C 數(shù)據(jù)通信，可實(shí)時(shí)獲取模塊的工作電壓、響應(yīng)度、DSP 溫度、DSP 抽頭系數(shù)、當(dāng)前激光器偏置電流和發(fā)射或接收丟失告警等相應(yīng)信息，監(jiān)控管理單元可保障光收發(fā)模塊工作在穩(wěn)定狀態(tài)[14-15]。

2 光模塊測(cè)試結(jié)果分析

200 Gbit/s SR4 光收發(fā)模塊測(cè)試環(huán)境的搭建與測(cè)試結(jié)果如下。

2.1 測(cè)試環(huán)境

光收發(fā)模塊性能測(cè)試主要集中在發(fā)射單元以及接收單元，測(cè)試框圖如圖4 所示。發(fā)射端通過(guò)光纖直接接入眼圖儀，測(cè)試使用眼圖儀型號(hào)為Anritsu 2110A。眼圖儀可直接通過(guò)接收光信號(hào)恢復(fù)出時(shí)鐘信號(hào)，無(wú)需通過(guò)射頻線連接誤碼儀時(shí)鐘信號(hào)接口恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)。接收端以金樣作為外置光源，金樣的發(fā)射端發(fā)出四通道的光信號(hào)，光信號(hào)通過(guò)可調(diào)節(jié)光衰后，進(jìn)入待測(cè)模塊的接收端，通過(guò)調(diào)節(jié)光衰控制進(jìn)入待測(cè)模塊的接收端的光功率，當(dāng)誤碼率達(dá)到1E-6時(shí)，此時(shí)光功率即為靈敏度。其中，TX 為模塊發(fā)射端；RX 為模塊接收端[16]。

圖4 模塊測(cè)試框圖

2.2 發(fā)射端

由IEEE 802.3cd-2018 協(xié)議可知，當(dāng)模塊的單通道速率取53.125 Gbit/s 時(shí)，發(fā)射端各通道的光眼圖應(yīng)滿足發(fā)射機(jī)色散眼圖閉合四相(TDECQ)小于4.5 dB，消光比大于3 dB，外光調(diào)制幅度在-4.5～3 dBm 之間，平均光功率在-6.5～4 dBm 之間。

圖5 為發(fā)射端單個(gè)光眼圖的測(cè)試結(jié)果，所用誤碼儀編碼格式為4 進(jìn)制短強(qiáng)度隨機(jī)序列碼型，模塊溫度為0、45和75 ℃時(shí)均衡后的單個(gè)通道發(fā)射端光眼圖。表1 為單個(gè)通道3 個(gè)溫度下光眼圖的具體參數(shù)。

表1 單個(gè)通道3個(gè)溫度下光眼圖的參數(shù)

圖5 模塊發(fā)射單眼圖

根據(jù)光眼圖測(cè)試數(shù)據(jù)，在協(xié)議要求的溫度范圍內(nèi)，光模塊發(fā)射端光眼圖的參數(shù)滿足協(xié)議的要求。

2.3 接收端

由IEEE 802.3cd-2018 協(xié)議可知，當(dāng)模塊的單通道速率取53.125 Gbit/s 時(shí)，接收端的靈敏度要求小于-6.5 dBm，光收發(fā)模塊接收端的靈敏度測(cè)試采用的是經(jīng)過(guò)調(diào)試后的光眼圖良好的光模塊，外置光源發(fā)射的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)光衰調(diào)節(jié)輸出光信號(hào)的功率以測(cè)試待測(cè)模塊的接收端靈敏度。

表2 是模塊誤碼率小于1E-6 時(shí)，在0、45 和75 ℃時(shí)接收端4 個(gè)通道的靈敏度測(cè)試結(jié)果，其中誤碼儀設(shè)置為偽隨機(jī)序列碼型。

表2 3個(gè)溫度下接收端靈敏度

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，在3 個(gè)溫度條件下，光模塊4 個(gè)通道的收端靈敏度均滿足協(xié)議的要求。

3 結(jié)論

該文介紹了200 Gbit/s SR4 光收發(fā)模塊的基本結(jié)構(gòu)以及各部分基本原理，通過(guò)測(cè)試，證明了其在200G 以太網(wǎng)中傳輸?shù)目尚行?。針?duì)短距離多模的光收發(fā)模塊的未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，主要有兩個(gè)方向：①模塊的速率的提升：光收發(fā)模塊的速率主要可以通過(guò)兩個(gè)方式提升：增加信道數(shù)量、使用比特率更高的編碼格式。前者對(duì)模塊的體積提出了挑戰(zhàn)，后者對(duì)于模塊關(guān)于電平的判決提出了挑戰(zhàn)。②更低的功耗，數(shù)據(jù)中心需要大量的制冷設(shè)備為交換機(jī)、服務(wù)器與光模塊等組件降溫，光模塊的功耗也是衡量其商用價(jià)值的重要指標(biāo)之一。