基于CWDM的10 Gb/s SFP+光模块设计*

2020-08-14胡亮，王波

通信技术 2020年8期

胡亮，王波

（江苏奥雷有限公司，江苏镇江 212009）

0 引言

数据业务快速发展，对传输网的带宽需求越来越高，网络融合加快，城域网成为网络建设热点。CWDM是一种面向城域网接入层的低成本WDM传输技术。从原理上讲，CWDM是利用光复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端借助光解复用器将光纤中的混合信号分解为不同波长的信号连接到相应的接收设备。CWDM设备成本低，降低了网络业务运营成本，得到设备商和运营商的大力支持，推广应用迅速。此后，基于CWDM技术的10G SFP+光模块也面世，满足了设备低成本化需求，同时满足了高速、高带宽网络需求。

1 CWDM技术

1.1 CWDM标准

稀疏波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）系统即粗波分复用技术，是一种经济实用的短距离WDM传输系统。在2002年6月，ITU-T面向城域网制定G.694.2，建议了波长间隔为20 nm，工作标称中心波长从1 270 nm到1 610 nm的18个复用波长的分配方案，在G.652光纤上使用。2003年，为了解决激光器波长标称温度与实际工作温度不同造成的波长差异问题，ITU-T将建议G.694.2波长上移1 nm（为1 271 nm/1 291 nm/…／1 611 nm）[1]。

1.2 CWDM系统原理

CWDM的工作原理是利用OUT将电信号转换成不同波长光信号，再利用光复用器（Optical Multiplexer Unit，OMU）将不同波长的光信号复用至单根光纤上进行传输，在链路接收端借助光解复用器（Optical Demultiplexer Unit，ODU）将光纤中混合的光信号分解为不同波长的光信号，再通过OUT将不同波长光信号转换成电信号连接到相应的接收设备上。OUT实际是光模块，起到光电转换作用[2]。

图1 CWDM系统原理

2 基于CWDM的光模块器件选型

2.1 激光器选择

稀疏波分复用（CWDM）中心波长范围1 271～1 611 nm，共18个可用波，波长间隔为20 nm，覆盖了单模光纤系统的O、E、S、C、L这5个波段。因波长间隔足够大，所以系统允许使用无制冷光器件。直接调制的无制冷分布反馈（Distributed Feedback Bragg，DFB）激光器的线宽窄＜1 nm，输出功率达到1 mW，直接调制速率可以达到10 Gb/s，在G.652光纤上传输距离能够超过10 km，温度漂移系数为0.08 nm/℃。，CWDM系统工作在0～70 ℃的温度范围内，DFB激光器的波长一般会有6 nm的漂移，再加上激光器生产过程造成的±3 nm波长变化，共约有±9 nm的变化。偏移量满足了光滤波器的通带＜13 nm。无制冷DFB激光器无需采用冷却器，在硬件上可以省略掉温度检测和控制电路，大大简化了电路设计，同时降低了模块总体功耗。CWDM激光器仅消耗0.5 W的功率，模块总体功耗＜1 W。综上所述，直接调制的无制冷分布反馈DFB激光器为首选。

2.2 光电探测器（ROSA）选择

在CWDM方案中，光电探测器前的光滤波器实现信道间的区分，将区分开的光信号传给光电探测器，所以光电探测器的响应带宽相对宽一些。光电探测器由PIN或APD加上宽带跨阻放大器（Trans Impedance Amplifiers，TIA）构成，前者起到光转换电信号作用，后者放大电信号。两种类型光电探测器都能实现光电转换作用，但两者优缺点明显。PIN优点是价格低，硬件设计上无需高压电路，简化了PCB设计，少了干扰源，增加了PCB设计可靠性，且元器件减少，PCB方便LAYOUT，空间充裕。它的缺点是响应度相对于APD低。APD的优点是响应度高，缺点是价格偏贵，也因其升压电路带来硬件设计的复杂性和可靠性问题。典型的10 Gb/s光接收系统，在误码率10E-12的条件下采用PIN/TIA，其接收灵敏度为-17 dBm；采用APD/TIA，接收灵敏度可以达到-24 dBm。对于中短距离，链路传输功率预算满足10 dB[3]。因此，选择光电探测器ROSA采用PIN-TIA组合即可满足需求，性价比高。

测试条件：环境温度-10～75 ℃；供电源3.3 V；信号源10 Gb/s PRBS31；误码率BER≤10E-12，测试数据如表1所示。

表1 采用PIN-TIA方式的实验数据

3 基于CWDM光模块硬件设计

从CWDM系统原理图中可看出，ITU-T G.694.2建议的18个波光信号同时在一根光纤中来回传播。目前城域网络铺设的光纤大部分是G.652光纤，对18个波存在不同的色散和损耗[4]。波长越长，损耗越小，色散越大；反之，亦然。如图2所示。

图2 光谱损耗和色散分布

从图2看出，O段波色散＜2 PS/（nm*km），而L段波色散接近20 PS/（nm*km），当L波段光信号过纤后光信号会发生群时延，从测试仪器观察光信号发生形变，上升沿变慢，光眼图被压缩。如果接入的光纤长度越长，光信号形变会越厉害。

单模光纤带宽公式：

带宽距离积：

可以看出，提高整个系统带宽，可从多方面来考虑：

（1）采用窄线宽的DFB，其他的光谱宽较窄＜1 nm，前面在器件选型已详细阐述。

（2）优化硬件设计，提升光模块输出光信号带宽，弥补光信号过纤产生的时延。具体优化设计措施是根据信号PCB完整性设计：

εγ为介电常数。PCB设计选择介电常数损耗板材越低越好，带宽越高。叠层设计充分考虑关键信号线层与参考地层之间的距离，应尽量短，缩短高速信号回流路径。激光器与驱动芯片LD之间的关键差分传输信号线尽量短，减少寄生电感和寄生电容，起到减少信号高频分量损耗的作用，增加信号带宽[5]；控制LAYOUT关键差分线阻抗，采用仿真软件Shortcut to Si9000来仿真，DFB驱动芯片输出阻抗为50 Ω，PIN-TIA驱动输入阻抗为100 Ω，Lay差分信号传输线阻抗与之匹配，否则会产生反射破坏信号完整性。

（3）10G信道传输的信号是采用64B66B编码方式的码流，把原信号码流每64 bit分为一组，根据编码规则把每组码转换成66 bit码组进行编码，用编码后的码流调制模块中的激光器，在接收端再进行解码把66 bit组还原成64 bit组。所以，码流中有多种高频分量，要让激光器无损耗通过多高频分量码流调制，优化激光器BIAS偏制电路，减小滤波电路Q值，增加带宽，同时有助于提高接收光器件灵敏度。

综合所述，设计的目的是提高信号带宽，弥补因过纤带来的时延，减少色散代价。

4 实验数据测试

图3是测试拓扑图，被测试模块为双纤光模块，通过10 km盘纤测试灵敏度。原理图中，A点为过纤前光眼图测试点，B点为过纤后光眼图测试点。测试项目为过纤前/后光眼图，加盘纤灵敏度和不加盘纤灵敏度测试，-10～75度DFB激光器光谱。

图3 测试拓扑

4.1 测试数据

TX1611nm过纤前后的无优化带宽眼图，如图4所示。

图4 TX1611nm无优化带宽眼图

TX1611nm过纤前后的优化带宽眼图，如图5所示。

图5 TX1611nm优化带宽眼图

TX1331nm过纤前后的眼图，如图6所示。

图6 TX1331nm眼图

加纤与不加纤灵敏度对比数据，如表2所示。

表2 加纤与不加纤灵敏度对比数据

下面摄氏度℃TX1611nm DFB 25℃/1 608.94 nm光谱图，如图7所示。

TX1611nm DFB 75℃/1 614.59 nm光谱图，如图8所示。

TX1611nm DFB -10℃/1 605.14 nm光谱图，如图9所示。

图7 1 611 nm DFB 25 ℃光谱图

图8 1 611 nm DFB 75 ℃光谱图

图9 1 611 nm DFB -10 ℃光谱图

4.2 数据分析

因1311波和1611波在G.652光纤传输中特性表现差异较大，所以以这两个波为范例加以分析。1311波属于0波段，而1611属于L波段。O波段在G.652光纤传输特性是衰减大、色散小，而L波段表现的特性正好与之相反。从实验数据看，TX1611光眼图在过纤前眼图MARGIN有45%，过了10 km盘纤后光眼图只有10%，整个光信号带宽被严重压缩，上升沿变得很慢，测试纤前和纤后灵敏度差值在3 dB左右，这个差值也叫色散代价。TX1311光眼图在过纤前眼图MARGIN有40%，过了10 km盘纤后光眼图也有40%，光眼图完整，带宽没有被压缩，测试纤前和纤后灵敏度差值在0.5 dB，色散代价小。TX1611nm光模块的动态范围比TX1311nm光模块动态范围小，另一组TX1611nm光模块数据是优化光信号带宽，MARGIN提高到50%，过纤测试灵敏度-13.4 dBm，色散代价2 dB，提高动态范围1 dB。根据标准YD/T-3131-2016规定，中距10 km功率预算≥10 dB，最小发射光功率-3 dBm，采用优化带宽设计正好满足功率预算。

另外，CWDM光模块18个波都采用窄线宽DFB激光器，实验数据表明DFB激光器在环境温度-10～75 ℃下中心波长温飘了9.45 nm（小于13 nm），满足光滤波器带宽，满足光信号传输设计要求。