200 Gbit/s SR4 光收發(fā)模塊的研究與設(shè)計

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，云計算和大數(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 封裝類型光模塊，單通道25 Gbit/s 傳輸可實現(xiàn)2 倍的傳輸速率[1-2]。

1 光模塊的設(shè)計

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)差分信號編碼類型[4]，實現(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)交換機側(cè)傳輸來的電信號中數(shù)字時鐘信號的恢復(fù)、噪聲的去除；對接收端光信號進行色散補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)信號不同頻率的差異進行幅度上的補償；DSP 在發(fā)送端進行預(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 封裝實現(xiàn)了與QSFP 28 相同的體積大小，但實現(xiàn)了2 倍的比特速率，是因為QSFP 56 采用了PAM4 編碼。PAM4 編碼相較于NRZ 編碼的設(shè)計難度要大上不少，眼高裕量變小，技術(shù)上的挑戰(zhàn)及后續(xù)硬件調(diào)試難度相對較大。

PAM4 編碼的信噪比更低，PAM4 編碼的信號有00/01/10/11 共4 個電平及3 個眼圖，每個眼圖的眼高只有NRZ 編碼眼圖的1/3，總的信噪比損耗超過11 dB；PAM4 編碼的信號更易受通道損耗的影響，發(fā)生碼間干擾的概率增加，光模塊對信號抖動的容忍度要求更高，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 可以提供時鐘校準功能，設(shè)計人員在設(shè)計階段預(yù)留足夠的眼圖skew 裕量，減小由時鐘偏移（skew）引起的眼圖偏移[8]。

信號在經(jīng)過無源信道時會受到干擾。高速信號傳輸中最需要考慮的是趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗。介質(zhì)的阻抗及信號的反射會導(dǎo)致碼間串擾，最后在接收端進行信號門限判決時會出錯，信息不能有效傳遞[9-10]。

傳輸過程中，根據(jù)傳輸線理論：電信號在傳輸線上表現(xiàn)的是其低通濾波特性。針對傳輸線的特性，光收發(fā)模塊在DSP 光口側(cè)包含自動增益控制環(huán)路以達到發(fā)送端的預(yù)加重；光模塊中涉及到的預(yù)加重技術(shù)即電信號進入交換機時，由模塊預(yù)先增加電信號的高頻成分，預(yù)先補償在傳輸過程中電信號的高頻成分的衰減，使輸交換機的電信號不發(fā)生判決出錯。

電信號中，最高頻率是在信號的跳變沿，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，嚴重時會出現(xiàn)不可糾錯誤，使現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)中斷；DSP 預(yù)加重技術(shù)[11]使交換機側(cè)信號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)過調(diào)測，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)計光模塊使用的DSP 芯片，選取3 抽頭的DSP 芯片[12]。測得模塊60 s 累計誤碼率達到了1E-14 量級，遠超協(xié)議要求。

1.3 發(fā)射單元

在光發(fā)射單元中，DSP 芯片輸出的電信號通過金絲鍵合后的金絲傳輸?shù)郊す馄?，?qū)動激光器芯片(VCSEL)發(fā)射光信號。光收發(fā)模塊發(fā)射單元的工作原理簡圖如圖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)動芯片的作用類似于電流開關(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逐漸升高，激光器芯片要正常工作，則提供給激光器驅(qū)動芯片的驅(qū)動電流需增大。具體的實現(xiàn)方法可通過監(jiān)控單元中模數(shù)轉(zhuǎn)換器換算出激光器的實時溫度值，此時激光器還處在線性區(qū)，通過溫度補償電路增大激光器驅(qū)動芯片的驅(qū)動電流，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器（PIN）、驅(qū)動芯片和外部電路組成。光探測器基本原理為光生電流，盡可能少地引入噪聲。電流信號的大小取決于探測器的響應(yīng)度以及耦合工藝。

光信號經(jīng)過透鏡反射后入射至4 陣列探測器上，由探測器進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號單位在μA 級，此電流信號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。

驅(qū)動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，通頻帶寬過小，會產(chǎn)生碼間串擾；通頻帶寬過高，會降低信噪比。TIA 具有寬的動態(tài)范圍，可以放大μA～mA 級別的輸入電流。

為了監(jiān)控探測器的輸出電流，驅(qū)動芯片提供了一個引腳RSSI(Receiver Signal Strength Indicator)。RSSI 引腳是模擬輸出，使用時要外接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)模塊的運行狀態(tài)由內(nèi)部的MCU 進行監(jiān)控及管理，光收發(fā)模塊內(nèi)部光電芯片寄存器可對光電芯片進行狀態(tài)的配置，MCU 可通過I2C 總線協(xié)議對各寄存器進行讀寫達到對模塊的監(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，并進行分析和處理。MCU 可通過預(yù)先設(shè)定的程序首先對模塊各部分進行初始化配置，待模塊穩(wěn)定后，MCU 對模塊激光器的溫度、發(fā)射和接收光功率等進行實時監(jiān)控以及調(diào)整激光器驅(qū)動電流等操作。

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，且包含模塊PCB 上MCU 管理單元芯片的I2C 引腳，在交換機上，技術(shù)人員可通過上位機對模塊進行I2C 數(shù)據(jù)通信，可實時獲取模塊的工作電壓、響應(yīng)度、DSP 溫度、DSP 抽頭系數(shù)、當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 光模塊測試結(jié)果分析

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

2.1 測試環(huán)境

光收發(fā)模塊性能測試主要集中在發(fā)射單元以及接收單元，測試框圖如圖4 所示。發(fā)射端通過光纖直接接入眼圖儀，測試使用眼圖儀型號為Anritsu 2110A。眼圖儀可直接通過接收光信號恢復(fù)出時鐘信號，無需通過射頻線連接誤碼儀時鐘信號接口恢復(fù)時鐘信號。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，光信號通過可調(diào)節(jié)光衰后，進入待測模塊的接收端，通過調(diào)節(jié)光衰控制進入待測模塊的接收端的光功率，當誤碼率達到1E-6時，此時光功率即為靈敏度。其中，TX 為模塊發(fā)射端；RX 為模塊接收端[16]。

圖4 模塊測試框圖

2.2 發(fā)射端

由IEEE 802.3cd-2018 協(xié)議可知，當模塊的單通道速率取53.125 Gbit/s 時，發(fā)射端各通道的光眼圖應(yīng)滿足發(fā)射機色散眼圖閉合四相(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)射端單個光眼圖的測試結(jié)果，所用誤碼儀編碼格式為4 進制短強度隨機序列碼型，模塊溫度為0、45和75 ℃時均衡后的單個通道發(fā)射端光眼圖。表1 為單個通道3 個溫度下光眼圖的具體參數(shù)。

表1 單個通道3個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，當模塊的單通道速率取53.125 Gbit/s 時，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試采用的是經(jīng)過調(diào)試后的光眼圖良好的光模塊，外置光源發(fā)射的光信號，經(jīng)過可調(diào)節(jié)光衰調(diào)節(jié)輸出光信號的功率以測試待測模塊的接收端靈敏度。

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

表2 3個溫度下接收端靈敏度

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，在3 個溫度條件下，光模塊4 個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，通過測試，證明了其在200G 以太網(wǎng)中傳輸?shù)目尚行?。針對短距離多模的光收發(fā)模塊的未來的發(fā)展趨勢，主要有兩個方向：①模塊的速率的提升：光收發(fā)模塊的速率主要可以通過兩個方式提升：增加信道數(shù)量、使用比特率更高的編碼格式。前者對模塊的體積提出了挑戰(zhàn)，后者對于模塊關(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、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值的重要指標之一。