基于CWDM的10 Gb/s SFP+光模塊設計*

胡 亮，王 波

（江蘇奧雷有限公司，江蘇 鎮江 212009）

0 引言

數據業務快速發展，對傳輸網的帶寬需求越來越高，網絡融合加快，城域網成為網絡建設熱點。CWDM是一種面向城域網接入層的低成本WDM傳輸技術。從原理上講，CWDM是利用光復用器將不同波長的光信號復用至單根光纖進行傳輸，在鏈路的接收端借助光解復用器將光纖中的混合信號分解為不同波長的信號連接到相應的接收設備。CWDM設備成本低，降低了網絡業務運營成本，得到設備商和運營商的大力支持，推廣應用迅速。此后，基于CWDM技術的10G SFP+光模塊也面世，滿足了設備低成本化需求，同時滿足了高速、高帶寬網絡需求。

1 CWDM技術

1.1 CWDM標準

稀疏波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）系統即粗波分復用技術，是一種經濟實用的短距離WDM傳輸系統。在2002年6月，ITU-T面向城域網制定G.694.2，建議了波長間隔為20 nm，工作標稱中心波長從1 270 nm到1 610 nm的18個復用波長的分配方案，在G.652光纖上使用。2003年，為了解決激光器波長標稱溫度與實際工作溫度不同造成的波長差異問題，ITU-T將建議G.694.2波長上移1 nm（為1 271 nm/1 291 nm/…／1 611 nm）[1]。

1.2 CWDM系統原理

CWDM的工作原理是利用OUT將電信號轉換成不同波長光信號，再利用光復用器（Optical Multiplexer Unit，OMU）將不同波長的光信號復用至單根光纖上進行傳輸，在鏈路接收端借助光解復用器（Optical Demultiplexer Unit，ODU）將光纖中混合的光信號分解為不同波長的光信號，再通過OUT將不同波長光信號轉換成電信號連接到相應的接收設備上。OUT實際是光模塊，起到光電轉換作用[2]。

圖1 CWDM系統原理

2 基于CWDM的光模塊器件選型

2.1 激光器選擇

稀疏波分復用（CWDM）中心波長范圍1 271～1 611 nm，共18個可用波，波長間隔為20 nm，覆蓋了單模光纖系統的O、E、S、C、L這5個波段。因波長間隔足夠大，所以系統允許使用無制冷光器件。直接調制的無制冷分布反饋（Distributed Feedback Bragg，DFB）激光器的線寬窄＜1 nm，輸出功率達到1 mW，直接調制速率可以達到10 Gb/s，在G.652光纖上傳輸距離能夠超過10 km，溫度漂移系數為0.08 nm/℃。，CWDM系統工作在0～70 ℃的溫度范圍內，DFB激光器的波長一般會有6 nm的漂移，再加上激光器生產過程造成的±3 nm波長變化，共約有±9 nm的變化。偏移量滿足了光濾波器的通帶＜13 nm。無制冷DFB激光器無需采用冷卻器，在硬件上可以省略掉溫度檢測和控制電路，大大簡化了電路設計，同時降低了模塊總體功耗。CWDM激光器僅消耗0.5 W的功率，模塊總體功耗＜1 W。綜上所述，直接調制的無制冷分布反饋DFB激光器為首選。

2.2 光電探測器（ROSA）選擇

在CWDM方案中，光電探測器前的光濾波器實現信道間的區分，將區分開的光信號傳給光電探測器，所以光電探測器的響應帶寬相對寬一些。光電探測器由PIN或APD加上寬帶跨阻放大器（Trans Impedance Amplifiers，TIA）構成，前者起到光轉換電信號作用，后者放大電信號。兩種類型光電探測器都能實現光電轉換作用，但兩者優缺點明顯。PIN優點是價格低，硬件設計上無需高壓電路，簡化了PCB設計，少了干擾源，增加了PCB設計可靠性，且元器件減少，PCB方便LAYOUT，空間充裕。它的缺點是響應度相對于APD低。APD的優點是響應度高，缺點是價格偏貴，也因其升壓電路帶來硬件設計的復雜性和可靠性問題。典型的10 Gb/s光接收系統，在誤碼率10E-12的條件下采用PIN/TIA，其接收靈敏度為-17 dBm；采用APD/TIA，接收靈敏度可以達到-24 dBm。對于中短距離，鏈路傳輸功率預算滿足10 dB[3]。因此，選擇光電探測器ROSA采用PIN-TIA組合即可滿足需求，性價比高。

測試條件：環境溫度-10～75 ℃；供電源3.3 V；信號源10 Gb/s PRBS31；誤碼率BER≤10E-12，測試數據如表1所示。

表1 采用PIN-TIA方式的實驗數據

3 基于CWDM光模塊硬件設計

從CWDM系統原理圖中可看出，ITU-T G.694.2建議的18個波光信號同時在一根光纖中來回傳播。目前城域網絡鋪設的光纖大部分是G.652光纖，對18個波存在不同的色散和損耗[4]。波長越長，損耗越小，色散越大；反之，亦然。如圖2所示。

圖2 光譜損耗和色散分布

從圖2看出，O段波色散＜2 PS/（nm*km），而L段波色散接近20 PS/（nm*km），當L波段光信號過纖后光信號會發生群時延，從測試儀器觀察光信號發生形變，上升沿變慢，光眼圖被壓縮。如果接入的光纖長度越長，光信號形變會越厲害。

單模光纖帶寬公式：

帶寬距離積：

可以看出，提高整個系統帶寬，可從多方面來考慮：

（1）采用窄線寬的DFB，其他的光譜寬較窄＜1 nm，前面在器件選型已詳細闡述。

（2）優化硬件設計，提升光模塊輸出光信號帶寬，彌補光信號過纖產生的時延。具體優化設計措施是根據信號PCB完整性設計：

εγ為介電常數。PCB設計選擇介電常數損耗板材越低越好，帶寬越高。疊層設計充分考慮關鍵信號線層與參考地層之間的距離，應盡量短，縮短高速信號回流路徑。激光器與驅動芯片LD之間的關鍵差分傳輸信號線盡量短，減少寄生電感和寄生電容，起到減少信號高頻分量損耗的作用，增加信號帶寬[5]；控制LAYOUT關鍵差分線阻抗，采用仿真軟件Shortcut to Si9000來仿真，DFB驅動芯片輸出阻抗為50 Ω，PIN-TIA驅動輸入阻抗為100 Ω，Lay差分信號傳輸線阻抗與之匹配，否則會產生反射破壞信號完整性。

（3）10G信道傳輸的信號是采用64B66B編碼方式的碼流，把原信號碼流每64 bit分為一組，根據編碼規則把每組碼轉換成66 bit碼組進行編碼，用編碼后的碼流調制模塊中的激光器，在接收端再進行解碼把66 bit組還原成64 bit組。所以，碼流中有多種高頻分量，要讓激光器無損耗通過多高頻分量碼流調制，優化激光器BIAS偏制電路，減小濾波電路Q值，增加帶寬，同時有助于提高接收光器件靈敏度。

綜合所述，設計的目的是提高信號帶寬，彌補因過纖帶來的時延，減少色散代價。

4 實驗數據測試

圖3是測試拓撲圖，被測試模塊為雙纖光模塊，通過10 km盤纖測試靈敏度。原理圖中，A點為過纖前光眼圖測試點，B點為過纖后光眼圖測試點。測試項目為過纖前/后光眼圖，加盤纖靈敏度和不加盤纖靈敏度測試，-10～75度DFB激光器光譜。

圖3 測試拓撲

4.1 測試數據

TX1611nm過纖前后的無優化帶寬眼圖，如圖4所示。

圖4 TX1611nm無優化帶寬眼圖

TX1611nm過纖前后的優化帶寬眼圖，如圖5所示。

圖5 TX1611nm優化帶寬眼圖

TX1331nm過纖前后的眼圖，如圖6所示。

圖6 TX1331nm眼圖

加纖與不加纖靈敏度對比數據，如表2所示。

表2 加纖與不加纖靈敏度對比數據

下面攝氏度℃TX1611nm DFB 25℃/1 608.94 nm光譜圖，如圖7所示。

TX1611nm DFB 75℃/1 614.59 nm光譜圖，如圖8所示。

TX1611nm DFB -10℃/1 605.14 nm光譜圖，如圖9所示。

圖7 1 611 nm DFB 25 ℃光譜圖

圖8 1 611 nm DFB 75 ℃光譜圖

圖9 1 611 nm DFB -10 ℃光譜圖

4.2 數據分析

因1311波和1611波在G.652光纖傳輸中特性表現差異較大，所以以這兩個波為范例加以分析。1311波屬于0波段，而1611屬于L波段。O波段在G.652光纖傳輸特性是衰減大、色散小，而L波段表現的特性正好與之相反。從實驗數據看，TX1611光眼圖在過纖前眼圖MARGIN有45%，過了10 km盤纖后光眼圖只有10%，整個光信號帶寬被嚴重壓縮，上升沿變得很慢，測試纖前和纖后靈敏度差值在3 dB左右，這個差值也叫色散代價。TX1311光眼圖在過纖前眼圖MARGIN有40%，過了10 km盤纖后光眼圖也有40%，光眼圖完整，帶寬沒有被壓縮，測試纖前和纖后靈敏度差值在0.5 dB，色散代價小。TX1611nm光模塊的動態范圍比TX1311nm光模塊動態范圍小，另一組TX1611nm光模塊數據是優化光信號帶寬，MARGIN提高到50%，過纖測試靈敏度-13.4 dBm，色散代價2 dB，提高動態范圍1 dB。根據標準YD/T-3131-2016規定，中距10 km功率預算≥10 dB，最小發射光功率-3 dBm，采用優化帶寬設計正好滿足功率預算。

另外，CWDM光模塊18個波都采用窄線寬DFB激光器，實驗數據表明DFB激光器在環境溫度-10～75 ℃下中心波長溫飄了9.45 nm（小于13 nm），滿足光濾波器帶寬，滿足光信號傳輸設計要求。

5 結語

本文闡述了CWDM標準和系統，對基于CWDM的10 Gb/s SFP+光模塊設計作了分析和總結，通過實驗數據驗證了設計原理，10 km 10G CWDM（1 271～1 611 nm）SFP+光模塊滿足設計要求能滿足10 km中短距離CWDM高速數據通信系統的要求。