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 G 向 400 G 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。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 G Lambda 多源协议(Multi SourceAgreement,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 协议等其它相关协议标准,提出了一种基于 4 阶脉冲幅度调制技术(4-Level Pulse Amplitude Modulation,PAM4)的 400G 光模块设计方案。本文阐述了 400G 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 400G 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(400GE)接口的标准化研究工作,并在 2017 年 12月正式得到批准并发布了 IEEE 802.3bs 400GE(包括 200GE)协议标准以及在 2020 年 4 月发布了 IEEE 802.3cu 400GE(包括 100GE)协议标准,其中 400GE 光模块主要采用的几种物理层技术方案如表 1 所示。
2 光模块的设计
2.1 模块功能框图
2.2 PAM4 速率转化单元
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 G 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之间的正常传输,需要对电信号的速率与通道数进行转换,即采用每 2 路转 1 路模式,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 G 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 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 106.250 Gbit/s 的高速 PAM4差分电信号输出,然后加载到激光驱动器上;同时在接收方向上,Gearbox 芯片则将从 ROSA 输出的 4 路 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 53.125 Gbit/s 的 PAM4 电信号。
2.3 发射单元
2.4 接收单元
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。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
3.1 发射端
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 3 所示为在 106.250 Gbit/s 速率和四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。
3.2 接收端
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,可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。
在 106.250 Gbit/s 速率、伪随机序列(Pseudo-Random Binary Sequence 31Q,PRBS31Q)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 ℃时对该模块的 4 个通道的接收灵敏度分别进行了测试,测试结果如表 3 所示。
4 结束语
400 Gbit/s 光模块是数据中心 400 G 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 G 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 G FR4 光模块还适用于当前主流的两种 400 G 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。
作者:邓 琨,高万超,陈 意,付永安,孙莉萍
来源:今日光电
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