基于QSFP封裝的SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊研究

何保峰，曹 珍，趙 聰，王 峰

(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074； 2.Molex有限公司,武漢 430074)

0 引 言

隨著第五代移動通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)時代的到來，傳統(tǒng)的第四代移動通信技術(shù)(4th Generation Mobile Communication Technology，4G)基站密度已無法滿足大幅提升的5G帶寬需求。截至2021年11月，我國累計建成開通5G基站多達(dá)139萬個，占全球總量的60%以上，且2022年計劃新建5G基站60萬個以上[1]。相對于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)中光模塊用量更大，所以在原有光模塊設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，提出一種性能更佳、成本更低、功耗更低且更有利于鋪設(shè)的光模塊設(shè)計方案也是近些年光模塊產(chǎn)業(yè)的研究方向之一[2]。本文通過理論分析與測試，證明在四通道小型可插拔(Quad Small Form-factor Pluggable，QSFP)50 Gbit/s光模塊設(shè)計理論的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的小型可插拔(Small Form-factor Pluggable，SFP)50 Gbit/s光模塊可以更好地解決5G前傳網(wǎng)中數(shù)據(jù)需求增加、空間有限和成本有限等問題。

1 傳統(tǒng)的QSFP28 50 Gbit/s光模塊的工作原理介紹

光模塊無論是前期的設(shè)計研發(fā)還是后期的調(diào)試，其核心問題都在光發(fā)射組件(Transmitter Opti-cal Subassembly，TOSA)、光接收組件(Receiver Optical Subassembly，ROSA)及其相關(guān)器件上。TOSA是將電信號轉(zhuǎn)化為光信號的器件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度高、價格高昂，ROSA是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的器件，主要包含接收與放大兩個部分[3-4]。

在傳統(tǒng)QSFP28 50 Gbit/s光模塊的設(shè)計方案中，將兩路25 Gbit/s不歸零碼(Non Return To Zero，NRZ)電信號輸入4階脈沖幅度調(diào)制(4 Pulse Amplitude Modulation，PAM4)編解碼芯片，采用圖1所示的方式將其轉(zhuǎn)化為一路50 Gbit/s PAM4電信號，并將其輸入激光驅(qū)動器(Driver)中，通過激光驅(qū)動器放大信號并驅(qū)動直調(diào)激光器(Directly Modulated Lasers，DML)發(fā)光[3,5-6]。

圖1 NRZ信號轉(zhuǎn)化為PAM4信號原理圖

ROSA將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后傳給PAM4編解碼芯片，PAM4編解碼芯片再將PAM4信號轉(zhuǎn)化為兩路NRZ信號。微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)參與控制整個傳輸過程。圖2所示為QSFP28 50 Gbit/s光模塊信號傳輸框圖。

圖2 QSFP28 50 Gbit/s光模塊信號傳輸框圖

2 SFP56 50 Gbit/s光模塊的設(shè)計原理分析

在QSFP28 50 Gbit/s光模塊的基礎(chǔ)上，近幾年50 Gbit/s光模塊的研究方向有：

(1)使用更小的封裝，避免通道的浪費(fèi)，便于鋪設(shè)以及降低功耗；

(2)提高模塊的溫度適用范圍，比如將溫度適用范圍從C-Temp(0～70 ℃)提升至I-Temp(-40～85 ℃)；

(3)提升模塊的光傳輸距離，比如將光傳輸距離從10 km提升至40 km。

本研究將從這幾個方向入手，基于QSFP2850 Gbit/s光模塊的技術(shù)背景，設(shè)計一款封裝更小、性能更強(qiáng)、功耗更低且傳輸距離更遠(yuǎn)的SFP56 50 Gbit/s光模塊。

在發(fā)射端，PAM4電信號輸入SEMTECH GN2256芯片，經(jīng)時鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)(Clock and Data Recovery，CDR)單元后驅(qū)動外調(diào)激光器(External Modulated Laser，EML)發(fā)出50 Gbit/s PAM4光信號。相較于DML，EML發(fā)光不變，激光驅(qū)動器驅(qū)動外置調(diào)制器調(diào)節(jié)實際出光大小，這種類型的激光器更適合遠(yuǎn)距離傳輸[3,6]。對于接收側(cè)，SFP56與QSFP28封裝的光模塊工作原理基本相同。SFP56 50 Gbit/s光模塊的整體設(shè)計單板框架如圖3所示。

圖3 SFP56 50 Gbit/s光模塊單板框架

3 QSFP28 封裝與SFP56封裝的50 Gbit/s光模塊尺寸及功耗對比

光模塊的尺寸會對前傳網(wǎng)建設(shè)產(chǎn)生較大的影響，如果能夠?qū)⑼瑯觽鬏斔俾实哪K做的更小，那么在同樣大小的單板上就可以安裝更多的模塊，變相的單板傳輸速率就會增加，也可認(rèn)為實現(xiàn)相同單板速率需要的單板尺寸更小，有利于縮小設(shè)備尺寸。

表1所示為QSFP28與SFP56尺寸造價及50 Gbit/s傳輸時的功耗，由表可知，在不考慮模塊長短拉環(huán)對鋪設(shè)造成的影響的前提下：

表1 QSFP28與SFP56尺寸造價及50 Gbit/s傳輸時的功耗

(1)相同大小的單板上可鋪設(shè)SFP56封裝光模塊的數(shù)量是可鋪設(shè)QSFP28封裝光模塊數(shù)量的1.68倍；

(2)單個SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊的功耗是QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊的57.9%；

(3)單個SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊的造價是QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊的106.25%。

可以認(rèn)為，在相同大小的單板上鋪設(shè)SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊與鋪設(shè)QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊相比，功耗基本不變，但單板速率提升了1.68倍，或者說實現(xiàn)相同的單板傳輸速率，單板面積減小了40.5%，功耗減小了42.1%。

傳統(tǒng)QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp(0～70 ℃)光模塊的造價約為80 $/pcs，本設(shè)計中的SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp(-40～85 ℃)光模塊的造價約為85 $/pcs，所以在傳輸相同距離的情況下，實現(xiàn)相同的傳輸速率，SFP56封裝的光模塊成本只有QSFP28封裝的26.6%。

4 QSFP28 封裝與SFP56封裝的50 Gbit/s光模塊光眼圖及靈敏度對比測試

無論是QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp光模塊還是SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp光模塊，都既可以自環(huán)也可以通過加入外光源的方式進(jìn)行測試[7]。在測ROSA端相關(guān)參數(shù)時，為了避免環(huán)境溫度對光源產(chǎn)生影響，本研究選用加入外光源的方式搭建測試環(huán)境進(jìn)行對比測試。如圖4所示，待測設(shè)備(Device Under Test，DUT)發(fā)出的光經(jīng)過分光器分光后，90%的光輸入數(shù)字通信分析儀(Digital Communication Analyzer，DCA)測量光眼圖相關(guān)參數(shù)，10%的光輸入光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer，OSA)測量波長及邊模抑制比(Side-Mode Suppression Ratio，SMSR)。已知光模塊發(fā)出的光經(jīng)過衰減器(Attenuator，ATT)后輸入DUT，測量DUT Rx相關(guān)參數(shù)，誤碼儀(Bit Error Tester，BERT)為評估板(Evaluation Board，EVB)提供調(diào)制信號，為DCA提供時鐘信號[8]。DUT置于恒溫箱中，可人為改變其工作的環(huán)境溫度，已知光模塊被置于恒溫環(huán)境下。萬用表用于光模塊的電壓校準(zhǔn)，個人電腦(Personal Computer，PC)用于通過圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)調(diào)節(jié)光模塊參數(shù)，電源為兩個EVB供電。

圖4 加入外光源的測試框圖

在常溫下，兩個光模塊的光眼圖如圖5所示，相關(guān)參數(shù)如表2所示。由表可知，QSFP28 50 Gbit/s光模塊和SFP56 50 Gbit/s光模塊在常溫下的發(fā)射機(jī)色散眼圖閉合四相(Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary，TDECQ)分別為2.49和1.98 dB，消光比分別為6.529和4.749 dB，平均光功率分別為1.73和0.69 dBm。將外光源置于常溫環(huán)境下，保持其工作狀態(tài)不變，在鏈路中，將外光源發(fā)出的光經(jīng)過ATT后分別輸入QSFP28 50 Gbit/s ROSA端和SFP56 50 Gbit/s ROSA端，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，這兩個模塊在25 ℃時的靈敏度分別為-11.3和-11.9 dB。

表2 常溫下兩個光模塊光眼圖相關(guān)參數(shù)

圖5 常溫下光眼圖

在高低溫環(huán)境下，SFP56 50 Gbit/s光模塊的光眼圖如圖6所示，相關(guān)參數(shù)如表3所示，通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，使得光模塊分別工作在-40和+85 ℃，TOSA發(fā)出的光經(jīng)過40 km光纖后輸入DCA，調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)后，TDECQ分別為2.52和2.77 dB，平均光功率分別為1.50和0.67 dBm，消光比分別為4.401和4.402 dB，靈敏度分別為-11.5和-11.3 dB，均符合電氣與電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)802.3cd中50 Gbit/s相關(guān)要求。

表3 高低溫狀態(tài)下SFP56 50 Gbit/s光模塊光眼圖相關(guān)參數(shù)

圖6 SFP56 50 Gbit/s光模塊高低溫光眼圖

由于傳統(tǒng)QSFP28 50 Gbit/s光模塊的工作溫度范圍為0～+70 ℃，而本研究中SFP56 50 Gbit/s光模塊的工作溫度范圍為-40～+85 ℃，所以比較兩者在0和+70 ℃時的性能參數(shù)沒有太大意義，而模塊的高低溫性能參數(shù)通常符合線性關(guān)系，即通常常溫性能好的模塊，高低溫性能同樣也會好。于是只需要測試SFP56 50 Gbit/s光模塊在-40和+85 ℃環(huán)境下工作時的性能參數(shù)，只要在該環(huán)境下模塊的性能參數(shù)符合IEEE 802.3cd中50 Gbit/s相關(guān)要求，那么結(jié)合常溫性能參數(shù)即可判斷兩種不同封裝的光模塊的性能孰優(yōu)孰劣。

由表3可知，相較于QSFP28封裝，選用SFP56封裝后光模塊的TDECQ減小了20.5%，靈敏度提高了0.6 dB，可以認(rèn)為選用SFP56封裝后，光模塊的整體性能提升了約20%，即SFP56封裝比QSFP28封裝更適合應(yīng)用于50 Gbit/s光模塊領(lǐng)域。

5 結(jié)束語

實驗證明，本文成功地在QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊的基礎(chǔ)上，選用了更小的SFP56封裝，將PAM4 Gearbox編解碼芯片更換為SEMTECH GN2256 CDR芯片，結(jié)合TOSA、ROSA和EML設(shè)計出了一種SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp光模塊。與傳統(tǒng)QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp光模塊相比，在達(dá)成傳輸速率翻倍的前提下，模塊成本縮減了73.4%，模塊的整體性能提升了約20%，可以在更加惡劣的工作環(huán)境下工作，且各項指標(biāo)均符合IEEE 802.3cd中50 Gbit/s相關(guān)要求。SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊優(yōu)勢頗多，可以預(yù)見在今后的5G前傳網(wǎng)中會起到替代QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊的作用。