具有SGMII接口的小型熱插拔光模塊

武漢郵電科學研究院 張春艷

1.引言

隨著國家大力推進互聯網，加上消費者對高速率大容量的網絡需求與日俱增，企業和運營商的數據通信業務以及相關的融合業務迅猛發展，無線、語音、視頻、統一通信以及帶寬饑渴型應用等都令支撐基礎網絡架構的交換機變得更加重要。企業的信息應用正在全面走向寬帶化和融合化，在這一背景下，傳統的實現簡單連接和數據傳輸功能的以太網交換機已成為過去，縱觀當前整個發展趨勢，我們發現以太網交換機正朝著高速化、智能化的方向前進。目前，千兆為骨干、百兆為接入的主流結構，將逐漸向萬兆為骨干、千兆為接入的結構過渡。

2.發展現狀

2.1 以太網交換機的概況

伴隨業務需求和運行環境的日益多樣化，光模塊依靠光傳輸帶寬大、損耗低等明顯的優勢迅速擴大了其在以太網交換機中的應用范圍。近年來整個通訊行業發展迅猛，不管是市場需求，還是通訊技術。加之高速芯片工藝越來越成熟，成本逐步降低。促使整個以太網交換機行業向高速方向革新。但老一代的低速交換機因為其成熟的布線系統，而且在終端接入端還有一定的應用需求，短時間不會被淘汰。特別是在歐美地區，重新布線帶來的巨大的人力成本使得未來的綜合布線系統中不得不考慮兼容老一代的交換機。

2.2 ESFP光模塊的概況

ESFP光模塊作為SFP光模塊的升級版，比SFP光模塊多了數字診斷功能。通過這一功能，網絡管理單元可以實時監測光模塊的溫度、供電電壓、激光器的偏置電流以及發射光功率和接受光功率。這些參數的測量，可以幫助網絡管理單元進行故障預測和故障定位。ESFP光模塊和SFP光模塊的封裝體積是一樣的，由于體積很小，可以在交換機單板上拓展更多的端口。加上它支持熱插拔，使得ESFP光模塊在以太網交換機中的應用越來越廣泛。

2.3 SGMII接口的概括

目前筆記本百兆網卡和路由器百兆網口在市面上還存在較大比例，百兆交換機還沒有被大量淘汰，千兆交換機的布局就逃不開要考慮百兆交換機，一般的光模塊只能同速率對傳，并且物理層芯片是集成在交換機主板上的。這樣的光模塊不能應用在這個千兆轉百兆的應用環境之中。而且交換機上需要有外掛PHY芯片，光模塊才能收發以太網報文。而支持SGMII接口的光模塊能解決這一問題。SFP SGMII與普通SFP相差很大，前者百兆速率可用在千兆位的SFP端口，而普通的SFP就不能，這樣的差別可以方便客戶以后的網絡升級。

SGMII是PHY與MAC之間的接口，類似與GMII和RGMII，只不過GMII和RGMII都是并行的，而且需要隨路時鐘，PCB布線相對麻煩，而且不適應背板應用。而SGMII是串行的，不需要提供另外的時鐘，MAC和PHY都需要CDR去恢復時鐘。另外SGMII是有8B/10b編碼的，速率是1.25G。SGMII提供了速率為10/100/1000Mbps的全雙工BASE-T功能。

3.帶SGMII接口的光模塊簡介

這種125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊和常規的125Mbit/s光模塊在光路上的原理基本是一樣的。接受端采用的是1310nm的PIN光電二極管，PIN將光信號轉化成電信號，再經過一個TIA（跨阻放大器）之后，電信號會傳輸到一個125Mbit/s的LA（限幅放大器）。發射端采用了一個125Mbit/s的FP激光器，其波長為1310nm。激光器的驅動芯片與MCU（微控制單元）以及限幅放大器集成在一塊芯片上。發射和接受參數監控是根據SFF-8472協議由單片機實現的。常規的光模塊內一般是不集成編解碼芯片的。但這種模塊由于要支持SGMII接口，故而需要在模塊內部集成一個PHY芯片，從而使模塊能與交換機的MAC通過SGMII接口來傳輸數據。PHY芯片在上電之后，需要完成寄存器的配置，這就需要模塊級能有一個EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）在上電時往PHY芯片內部寫入配置信息。整個模塊的原理框圖如圖1所示。

圖1 125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊的原理框圖

4.125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊的設計

4.1 三合一芯片

考慮到SFP的封裝體積，激光器和探測器都會占用比較大的空間，所以考慮使用三合一芯片，該芯片集成了激光器驅動，限幅放大器以及MCU。該芯片需要外掛一個EEPROM來存儲符合SFF-8472協議的信息。在模塊default時，該芯片能讀取EEPROM里的信息并存儲以保證模塊數據不易失。

4.1.1 激光器驅動電路部分

光模塊發射部分結構如圖2所示，光信號發送過程主要是將發射端輸入的電信號調制成相應的激光器驅動信號，并在APC（自動功率控制電路）的控制下，驅動激光器產生適合光纖通信系統傳輸的光信號并耦合到光纖上。

圖2 光模塊發射部分

激光器驅動電路采用了恒流源差分放大電路，如圖3所示，具有抑制零點漂移，放大差分信號的作用。當外部突發信號輸入時，芯片內部的APC電路會輸出預先設置好的偏置電流，激光器在該偏執電流的驅動下快速開啟并隨著調制電流的驅動將電信號轉化成相應的光信號。另一方面發射組件中的背光二極管通過光電轉換將一定比率的光轉變成電流，并通過相應阻容器件轉換成電壓信號。該信號經過模數轉換之后的數字信號再與設定光功率對應的數值比較，產生的差值會驅動偏置電流做相應的改變，直至改變到與設定值一致。

圖3 發射部分原理結構

圖4 限幅放大器的原理結構

4.1.2 限幅放大器

接受部分的工作原理是將微弱的光信號（＞4mVpp）通過光模塊中的光器件轉化成光生電流并放大，放大成可以被探測到的電平，經過主放大器對該信號進一步放大并有相應電路轉化成合適的電平輸出。主放大器就是限幅放大器，其原理結構如圖4所示。TIA一般集成在探測器中，能將微弱的光生電流放大，并能改善非線性效應以及獲得較大的動態范圍。由TIA出來的數據信號由于是差分信號，需要在差分信號線對之間接100Ω的終端匹配電阻。

4.2 PHY芯片

PHY芯片是OSI（開發系統互連參考）模型的最底層物理層芯片，物理層定義了數據傳送與接受的光電信號，線路狀態，時鐘基準，數據編碼和電路等，并向鏈路層設備提供標準接口。PHY對所有傳輸數據只是進行編碼轉化，沒有對有效數據信號進行分析或改變。OSI模型中PHY與MAC之間的關系見圖5。

物理層包括三個功能層和兩個接口層。接口層為RMII（物理介質無關子層）和MDI（物理介質相關接口），在MII的上層是邏輯數據鏈路層的MAC層，而MDI的下層則直接與傳輸介質相連。由MDI傳輸過來的數據先在PMD（物理介質相關子層）解碼和解擾，然后經PMA（物理介質附加子層）提供判斷link狀態和載波偵聽的功能，完成串行信號和NRZI信號之間的轉化，再交給PCS（物理編碼子層）對信號的編譯碼以及并串信號轉換，最后交給MAC層組裝成幀。在100BASE-FX模式時，PCS提供MII接口、4B/5B編碼、串并轉換以及沖突檢測功能，PMD的功能由光電器件完成。

圖5 OSI模型中PHY與MAC之結構關系

5.測試結果和分析

125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊的主要測試指標包括接收靈敏度、接受告警、接受告警恢復和發射眼圖。具體測試如下：

5.1 接受靈敏度

由于模塊內置PHY芯片，在測試中，可以用一臺配上了100Base-FX板卡的Smartbits 600與模塊收發以太網數據，測試數據分析儀見圖6。在傳輸時間為12小時，其傳輸結果見圖7。溫度分別為0、25和70℃的條件下，測得的靈敏度分別為-39.02、-39.04和-39.05dBm。

圖6 以太網數據分析儀

圖7 傳輸12小時的SmartCounter

5.2 發射的主要指標

在全溫范圍內測得125M激光器發射的光眼圖分別為圖8所示。

圖8 125M激光器發射眼圖

測試結果顯示，發射眼圖符合IEEE Std.802.3av標準中模板的要求。消光比和發射光功率均滿足標準中的規定，并且在全溫范圍內指標的變化較小。

6.結束語

本文介紹了125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊的應用環境，重點介紹了其組成結構以及產品特性。