400 Gbit/s FR4光收发模块的研究

邓 琨，高万超，陈 意，付永安，孙莉萍

(1. 武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2. 武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205)

0 引 言

随着云计算、超清影视和物联网等新型业务的大规模应用和发展，数据中心对流量和带宽的需求急剧增长，这也迫使光模块不断向更高速率和更低功耗升级，且这种趋势仍处于攀升状态。随着之前业务重点关注的400 Gbit/s通信技术在这几年的迅速发展，数据中心光通信网络已逐渐开始从100 Gbit/s向400 Gbit/s互联过渡，因此400 Gbit/s网络系统终将成为数据中心部署的新一代高速传输技术[1]。其中光模块作为一种实现光/电和电/光转换功能的光器件，在光通信系统中负责电/光信号之间的高速率数据交换，是数据中心光通信网络系统中不可缺少的一部分。

本文参考100 Gbit/s Lambda 多源协议(Multi Source Agreement，MSA)和由电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定的IEEE 802.3cu协议等其他相关协议标准，提出了一种基于4阶脉冲幅度调制(4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4)技术的400 Gbit/s光模块设计方案。首先阐述了400 Gbit/s光模块的基本原理、结构框图和主要测试指标，然后对该模块的性能进行了测试与分析，测试分析结果表明了本方案在400 Gbit/s光通信网络中应用的可行性。

1 相关标准介绍

如今400 Gbit/s以太网接口已逐渐应用于各大互联网公司的数据中心， IEEE自2013年3月起就启动了对400 Gbit/s Ethernet(400 GE)接口的标准化的研究工作，且在2017年12月正式得到批准并发布了IEEE 802.3bs 400 GE(包括200 GE)协议标准，以及在2020年4月发布了IEEE 802.3cu 400 GE(包括100 GE)协议标准[2]，其中400 GE光模块主要采用的几种物理层技术方案如表1所示。

表1 400 GE光模块接口物理层技术方案

为了降低成本，可以一种更经济的方式来支持400 Gbit/s以太网传输，业界普遍采用了光口速率为4×100 Gbit/s的模式，即使用4组单通道PAM4编码速率为100 Gbit/s的光组件，然后再通过4×100 Gbit/s的粗波分复用(Coarse Wave-length Division Multiplexing，CWDM)技术来达到单纤400 Gbit/s的速率。100 Gbit/s Lambda MSA定义了4×100 Gbit/s CWDM4光接口，通过4×100 Gbit/s的这种传输方式可成倍地减少光器件的数量，从而降低400 Gbit/s光模块的功耗和成本，因此100 Gbit/s Lambda MSA在为日益增长的带宽需求提供发展所需技术平台的同时，也为经济型400 Gbit/s的发展奠定了夯实基础。

2 光模块的设计

2.1 模块功能框图

400 Gbit/s 4通道远距离(4-Far Reach，FR4)光模块主要由PAM4速率转换、接收、发射和监控4个单元组成，其基本原理框图如图1所示。

图1 400 Gbit/s FR4光模块基本原理框图

其中速率转换单元主要完成对8路速率为53.125 Gbit/s的PAM4电信号与4路速率为106.250 Gbit/s的PAM4电信号之间的转换。发射单元采用一个4通道的激光驱动芯片驱动4组TOSA实现电/光转换，经转换后输出的4路中心波长分别为1 271、1 291、1 311和1 331 nm的光信号再由一个MUX耦合进一根SMF中。接收单元采用一个DEMUX对接收到的光信号进行分波恢复为4路不同波长的光信号，再通过4组ROSA完成光/电转换以及电流/电压转换等，转换后得到的4路电信号经放大以及差分驱动后输出。模块中的监控单元则由微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)通过两线式串行总线(Inter-Integrated Circuit，I2C)完成对光模块内部各电芯片寄存器的读写操作以及与上位机进行数据通信，从而对外实现对模块的数字诊断及监控功能。

2.2 PAM4速率转换单元

400 Gbit/s FR4光模块的信号调制格式为PAM4，IEEE 802.3cu对PAM4信号的特性及参数进行了深入研究和定义。在数据传输中，采用PAM4调制格式减少了并行通道数量，不仅节约了光模块成本，还可以有效缓解对光模块中光器件带宽的要求，使光模块具有更小的封装尺寸和功耗。如今PAM4技术已然成为应用在下一代数据中心中高速信号互连的必然趋势[3]。

速率转换单元主要是为了解决光模块电接口与光接口之间的速率匹配问题。由于400 Gbit/s FR4光模块的金手指侧通道数为8，每通道采用速率为53.125 Gbit/s的高速PAM4差分电信号，光口的通道数则为4，每通道采用速率为106.250 Gbit/s的高速PAM4光信号，因此为了保证数据在光模块电口与光口间的正常传输，需要对电信号的速率与通道数进行转换，即采用每两路转1路的模式，将8路高速PAM4差分电信号转换为4路，使波特率提升了1倍。在400 Gbit/s FR4光模块中，该转换功能可通过PAM4 Gearbox 8:4芯片来实现。Gearbox芯片内置了时钟锁相环(Phase Locked Loop，PLL)电路，通过对外部晶振提供的固定频率进行倍频操作，在发射方向上，Gearbox芯片可以对从模块金手指端输入的8路速率为53.125 Gbit/s的高速PAM4差分电信号进行时钟恢复操作，然后对恢复出的数据进行前向纠错(Forward Error Correction，FEC)编码和PAM4调制等处理后转换为4路速率为106.250 Gbit/s的高速PAM4差分电信号输出，最后加载到激光驱动器上；同时在接收方向上，Gearbox芯片则将对从ROSA输出的4路速率为106.250 Gbit/s的PAM4电信号进行时钟恢复、放大、均衡和FEC解码等处理后转换为8路速率为53.125 Gbit/s的PAM4电信号。

为了使光模块能在工作状态中达到性能最优，还需对PAM4 Gearbox芯片的相关参数进行调整优化以使得模块输出的光信号达到最优，这也是400 Gbit/s FR4模块性能调试中最能影响传输信号质量的重要步骤之一。

2.3 发射单元

发射部分由一个4通道电吸收调制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)驱动芯片、一个4通道TOSA、一个TEC控制器和一个MUX组成，TOSA中则集成了4路EML、热敏电阻和TEC。PAM4 Gearbox芯片输出4路高速PAM4差分电信号后，通过驱动芯片放大输出为4路单端PAM4信号，然后经交流耦合加载到EML内部的电吸收调制器(Electro Absorption Modulator，EAM)上，同时模块内部还将提供用来调节EAM吸收光功率能力的反向偏压，两者共同作用实现电/光转换，将4路速率为106.250 Gbit/s的高速电信号转换为4路速率为106.250 Gbit/s的中心波长分别为1 271、1 291、1 311和1 331 nm的高速光信号输出，最后再通过MUX耦合进一根SMF进行传输，最大传输距离为2 km[4]。这种设计的优势在于减少了光器件的数量，降低了制作工艺的难度，节省了模块的成本。

由于光模块外部环境温度的变化会引起模块内部激光器参数的变化(如阈值电流和斜效率等)，从而导致光模块部分性能指标参数值的变化，因此在模块设计时必须采用温度控制电路对激光器温度进行实时监控并调整，以保证光模块工作性能的稳定。具体实现方式为：MCU通过模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)采样获取器件内部热敏电阻两端的电压值，从而获取内部激光器的温度值，然后经由TEC控制电路来控制TOSA内部TEC两端的电流大小，通过TEC的制冷和制热功能将激光器温度稳定在设定的温度值。

2.4 接收单元

接收部分主要由ROSA及DEMUX组成。常见的光电探测器有两种：高速光电二极管(Positive-Intrinsic-Negative，PIN)和雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)，通常短距离传输时采用PIN，长距离传输时采用APD，而且PIN相较于APD，其所需要的偏置电压更低，不需要额外的升压电路和温度补偿电路，而且响应时间更短，因此本文中400 Gbit/s FR4光模块的接收端设计选用了PIN。

本设计中的ROSA内集成了4个PIN和一个4通道跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)，支持较宽的工作范围。首先DEMUX将复用在一起的光信号分解为4路不同波长的光信号，分别传输给4路PIN，PIN则通过光/电转换功能将探测到的高速光信号转换为微弱的高速电流信号，然后TIA会将其进行放大处理并转换成高速差分电压信号后输出至Gearbox芯片中集成的限幅放大器中。同时ROSA可通过接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)引脚，将接收的光功率大小输出到控制单元，从而实现对接收光功率的实时监测。

2.5 监控单元

对光模块的监控功能是由模块内部的MCU来完成的，MCU通过I2C完成对光模块内部各电芯片寄存器的读写以及通过ADC采样获取信息进行分析和处理，从而在模块上电时对模块进行初始化参数配置，等模块处于正常工作状态时，对其性能进行实时监控与调整优化等操作[5]。光模块电路板(Printed Circuit Board，PCB)上MCU芯片的I2C引脚直接与光模块金手指相连，上位机则通过光模块金手指与MCU进行I2C数据通信，可实时获取如发射光功率、模块温度、激光器温度、偏置电流和调制电压、接收信号强度和接收丢失告警等模块的相应状态与参数，光模块内部各控制信号对模块的控制能力决定着光模块工作性能的稳定性。

3 测试结果与分析

400 Gbit/s FR4光模块的测试内容主要包括发射端的光眼图测试和接收端的灵敏度测试，具体测试方法与结果如下。

3.1 发射端

根据100 Gbit/s Lambda MSA中400 Gbit/s FR4 Technical Specification的规定可知，在单通道速率为106.250 Gbit/s的情况下，发射端各通道的光眼图应满足：平均光功率为-3.3～3.5 dBm、外光调制幅度(Outer Optical Modulation Amplitude，OMA)为-0.3～3.7 dBm、消光比>3.5 dB、发射机色散眼图闭合四相(Transmitter and Dispersion Eye Closure Quaternary，TDECQ)<3.4 dB[6]。

模块发射端的光眼图基本测试框图如图2所示，模块在发射方向上具有4个不同中心波长的通道，可通过光开关逐一选取其中的单个通道进行测试。

图2 发射端测试框图

图3所示为在106.250 Gbit/s速率和4进制短强度随机序列(Short Stress Pattern Random Quaternary，SSPRQ)码型的测试条件下，单个通道分别在模块温度为0、40和70 ℃时的发射光眼图，其中右边为经TDECQ均衡后的眼图。

图3 发射光眼图

表2所示为400 Gbit/s FR4模块在3种不同温度下的发射光眼图的各项性能参数。

表2 3种温度下的各项光眼图参数

由测试结果可知，在全温度范围内，发射端的光眼图各指标参数均在协议规定范围内，且随着温度的变化，各参数值的波动均较小。

3.2 接收端

根据100 Gbit/s Lambda MSA中400 Gbit/s FR4 Technical Specification的规定可知，在单通道速率为106.250 Gbit/s的情况下，接收端各通道的灵敏度应<-4.6 dBm。

光模块接收端灵敏度的基本测试框图如图4所示，模块在接收方向上有4个不同中心波长的通道，可逐一选取其中的通道，通过调节可变光衰减器的输出功率来测试接收端的灵敏度。

图4 接收端测试框图

在106.250 Gbit/s速率、伪随机序列(Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS)31Q码型和2.4×10-4误码率的测试条件下，分别在模块温度为0、40和70 ℃时对该模块4个通道CH1～CH4的接收灵敏度分别进行测试，测试结果如表3所示。

表3 不同温度下的接收灵敏度

由上述测试结果可知，在全温度范围内，4个通道的接收灵敏度均满足协议规定范围，且随着温度的变化其波动较小。

4 结束语

400 Gbit/s光模块是数据中心400 Gbit/s光通信网络建设中物理层的核心部件之一，本文首先从总体上介绍了一种400 Gbit/s FR4光模块的基本结构与原理，然后通过相关测试实验表明其各项性能指标均符合相关协议及标准的要求，验证了其在400 Gbit/s光通信网络中传输的可行性。同时本文提出的400 Gbit/s FR4光模块还适用于当前主流的两种400 Gbit/s封装形式：双密度4通道小型可插拔封装(Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD)和8通道小尺寸可插拔封装(Octal Small Form Factor Pluggable Module，OSFP)，且在低成本和低功耗上具有较大优势。相信随着光器件工艺与各项通信技术的成熟，其在数据中心的高速光通信网络中将会具有更广泛的发展前景。