400 Gbit/s FR4光收發模塊的研究

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

隨著云計算、超清影視和物聯網等新型業務的大規模應用和發展，數據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。隨著之前業務重點關注的400 Gbit/s通信技術在這幾年的迅速發展，數據中心光通信網絡已逐漸開始從100 Gbit/s向400 Gbit/s互聯過渡，因此400 Gbit/s網絡系統終將成為數據中心部署的新一代高速傳輸技術[1]。其中光模塊作為一種實現光/電和電/光轉換功能的光器件，在光通信系統中負責電/光信號之間的高速率數據交換，是數據中心光通信網絡系統中不可缺少的一部分。

本文參考100 Gbit/s Lambda 多源協議(Multi Source Agreement，MSA)和由電氣和電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定的IEEE 802.3cu協議等其他相關協議標準，提出了一種基于4階脈沖幅度調制(4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4)技術的400 Gbit/s光模塊設計方案。首先闡述了400 Gbit/s光模塊的基本原理、結構框圖和主要測試指標，然后對該模塊的性能進行了測試與分析，測試分析結果表明了本方案在400 Gbit/s光通信網絡中應用的可行性。

1 相關標準介紹

如今400 Gbit/s以太網接口已逐漸應用于各大互聯網公司的數據中心， IEEE自2013年3月起就啟動了對400 Gbit/s Ethernet(400 GE)接口的標準化的研究工作，且在2017年12月正式得到批準并發布了IEEE 802.3bs 400 GE(包括200 GE)協議標準，以及在2020年4月發布了IEEE 802.3cu 400 GE(包括100 GE)協議標準[2]，其中400 GE光模塊主要采用的幾種物理層技術方案如表1所示。

表1 400 GE光模塊接口物理層技術方案

為了降低成本，可以一種更經濟的方式來支持400 Gbit/s以太網傳輸，業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的粗波分復用(Coarse Wave-length Division Multiplexing，CWDM)技術來達到單纖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展所需技術平臺的同時，也為經濟型400 Gbit/s的發展奠定了夯實基礎。

2 光模塊的設計

2.1 模塊功能框圖

400 Gbit/s 4通道遠距離(4-Far Reach，FR4)光模塊主要由PAM4速率轉換、接收、發射和監控4個單元組成，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電信號之間的轉換。發射單元采用一個4通道的激光驅動芯片驅動4組TOSA實現電/光轉換，經轉換后輸出的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MUX耦合進一根SMF中。接收單元采用一個DEMUX對接收到的光信號進行分波恢復為4路不同波長的光信號，再通過4組ROSA完成光/電轉換以及電流/電壓轉換等，轉換后得到的4路電信號經放大以及差分驅動后輸出。模塊中的監控單元則由微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)通過兩線式串行總線(Inter-Integrated Circuit，I2C)完成對光模塊內部各電芯片寄存器的讀寫操作以及與上位機進行數據通信，從而對外實現對模塊的數字診斷及監控功能。

2.2 PAM4速率轉換單元

400 Gbit/s FR4光模塊的信號調制格式為PAM4，IEEE 802.3cu對PAM4信號的特性及參數進行了深入研究和定義。在數據傳輸中，采用PAM4調制格式減少了并行通道數量，不僅節約了光模塊成本，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技術已然成為應用在下一代數據中心中高速信號互連的必然趨勢[3]。

速率轉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光模塊的金手指側通道數為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，因此為了保證數據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進行轉換，即采用每兩路轉1路的模式，將8路高速PAM4差分電信號轉換為4路，使波特率提升了1倍。在400 Gbit/s FR4光模塊中，該轉換功能可通過PAM4 Gearbox 8:4芯片來實現。Gearbox芯片內置了時鐘鎖相環(Phase Locked Loop，PLL)電路，通過對外部晶振提供的固定頻率進行倍頻操作，在發射方向上，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差分電信號進行時鐘恢復操作，然后對恢復出的數據進行前向糾錯(Forward Error Correction，FEC)編碼和PAM4調制等處理后轉換為4路速率為106.250 Gbit/s的高速PAM4差分電信號輸出，最后加載到激光驅動器上；同時在接收方向上，Gearbox芯片則將對從ROSA輸出的4路速率為106.250 Gbit/s的PAM4電信號進行時鐘恢復、放大、均衡和FEC解碼等處理后轉換為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中達到性能最優，還需對PAM4 Gearbox芯片的相關參數進行調整優化以使得模塊輸出的光信號達到最優，這也是400 Gbit/s FR4模塊性能調試中最能影響傳輸信號質量的重要步驟之一。

2.3 發射單元

發射部分由一個4通道電吸收調制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)驅動芯片、一個4通道TOSA、一個TEC控制器和一個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，通過驅動芯片放大輸出為4路單端PAM4信號，然后經交流耦合加載到EML內部的電吸收調制器(Electro Absorption Modulator，EAM)上，同時模塊內部還將提供用來調節EAM吸收光功率能力的反向偏壓，兩者共同作用實現電/光轉換，將4路速率為106.250 Gbit/s的高速電信號轉換為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耦合進一根SMF進行傳輸，最大傳輸距離為2 km[4]。這種設計的優勢在于減少了光器件的數量，降低了制作工藝的難度，節省了模塊的成本。

由于光模塊外部環境溫度的變化會引起模塊內部激光器參數的變化(如閾值電流和斜效率等)，從而導致光模塊部分性能指標參數值的變化，因此在模塊設計時必須采用溫度控制電路對激光器溫度進行實時監控并調整，以保證光模塊工作性能的穩定。具體實現方式為：MCU通過模數轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)采樣獲取器件內部熱敏電阻兩端的電壓值，從而獲取內部激光器的溫度值，然后經由TEC控制電路來控制TOSA內部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定在設定的溫度值。

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)，通常短距離傳輸時采用PIN，長距離傳輸時采用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償電路，而且響應時間更短，因此本文中400 Gbit/s FR4光模塊的接收端設計選用了PIN。

本設計中的ROSA內集成了4個PIN和一個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/電轉換功能將探測到的高速光信號轉換為微弱的高速電流信號，然后TIA會將其進行放大處理并轉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ROSA可通過接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)引腳，將接收的光功率大小輸出到控制單元，從而實現對接收光功率的實時監測。

2.5 監控單元

對光模塊的監控功能是由模塊內部的MCU來完成的，MCU通過I2C完成對光模塊內部各電芯片寄存器的讀寫以及通過ADC采樣獲取信息進行分析和處理，從而在模塊上電時對模塊進行初始化參數配置，等模塊處于正常工作狀態時，對其性能進行實時監控與調整優化等操作[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，上位機則通過光模塊金手指與MCU進行I2C數據通信，可實時獲取如發射光功率、模塊溫度、激光器溫度、偏置電流和調制電壓、接收信號強度和接收丟失告警等模塊的相應狀態與參數，光模塊內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定性。

3 測試結果與分析

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

3.1 發射端

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

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

圖2 發射端測試框圖

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

圖3 發射光眼圖

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

表2 3種溫度下的各項光眼圖參數

由測試結果可知，在全溫度范圍內，發射端的光眼圖各指標參數均在協議規定范圍內，且隨著溫度的變化，各參數值的波動均較小。

3.2 接收端

根據100 Gbit/s Lambda MSA中400 Gbit/s FR4 Technical Specification的規定可知，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<-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個不同中心波長的通道，可逐一選取其中的通道，通過調節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 ℃時對該模塊4個通道CH1～CH4的接收靈敏度分別進行測試，測試結果如表3所示。

表3 不同溫度下的接收靈敏度

由上述測試結果可知，在全溫度范圍內，4個通道的接收靈敏度均滿足協議規定范圍，且隨著溫度的變化其波動較小。

4 結束語

400 Gbit/s光模塊是數據中心400 Gbit/s光通信網絡建設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光模塊的基本結構與原理，然后通過相關測試實驗表明其各項性能指標均符合相關協議及標準的要求，驗證了其在400 Gbit/s光通信網絡中傳輸的可行性。同時本文提出的400 Gbit/s FR4光模塊還適用于當前主流的兩種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勢。相信隨著光器件工藝與各項通信技術的成熟，其在數據中心的高速光通信網絡中將會具有更廣泛的發展前景。