200 Gbit/s SR4 光收發模塊的研究與設計

向 華，羅 超，孫洪君，孫莉萍

（1.武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074；2.武漢光迅科技有限公司，湖北武漢 430205）

近年來，云計算和大數據的高速發展，使光纖通信系統的更新換代加速，對光模塊提出了更高的要求。

QSFP56 封裝光收發模塊提供了單通道50 Gbit/s的并行傳輸，相較于同體積QSFP28 封裝類型光模塊，單通道25 Gbit/s 傳輸可實現2 倍的傳輸速率[1-2]。

1 光模塊的設計

1.1 模塊功能框架

200 Gbit/s SR4(4-Short Reach,SR4)光收發模塊主要由4 個單元組成，分別為數字處理芯片(Digital Signal Processing,DSP)、接收單元（ROSA）、發射單元（TOSA）和監控單元[3]，基本原理框圖如圖1 所示。

圖1 200 Gbit/s SR4光模塊基本原理框圖

QSFP 56 封裝采用了4 階電平脈沖幅度調制編碼(PAM4)差分信號編碼類型[4]，實現了光模塊單通道50 Gbit/s 的傳輸速率。

1.2 高速數字處理芯片

DSP 高速數字處理芯片支持恢復交換機側傳輸來的電信號中數字時鐘信號的恢復、噪聲的去除；對接收端光信號進行色散補償以及去除非線性干擾，其工作在光模塊電口側和光口側之間；DSP在接收端具備自適應線性均衡，可根據信號不同頻率的差異進行幅度上的補償；DSP 在發送端進行預加重[5-6]。

高速數字處理芯片主要由電口側接收接口（Host Rx）、電口側發射接口（Host Tx）、光口側發射接口（Line Tx）、光口側接收接口（Line Rx）、數據監控單元（Link-Monitor）、光口發射端鎖相環（TX PLL）以及光口接收端鎖相環（RX PLL）組成，其基本原理框圖如圖2 所示。圖中黑色箭頭表示數據流方向。

圖2 DSP基本原理框圖

QSFP 56 封裝實現了與QSFP 28 相同的體積大小，但實現了2 倍的比特速率，是因為QSFP 56 采用了PAM4 編碼。PAM4 編碼相較于NRZ 編碼的設計難度要大上不少，眼高裕量變小，技術上的挑戰及后續硬件調試難度相對較大。

PAM4 編碼的信噪比更低，PAM4 編碼的信號有00/01/10/11 共4 個電平及3 個眼圖，每個眼圖的眼高只有NRZ 編碼眼圖的1/3，總的信噪比損耗超過11 dB；PAM4 編碼的信號更易受通道損耗的影響，發生碼間干擾的概率增加，光模塊對信號抖動的容忍度要求更高，考慮到阻抗匹配等影響，易產生碼間干擾；以上都會導致更高的誤碼率[7]。

DSP 高速數字處理芯片是解決上述挑戰的關鍵技術。TX PLL 以及RX PLL 可以提供時鐘校準功能，設計人員在設計階段預留足夠的眼圖skew 裕量，減小由時鐘偏移（skew）引起的眼圖偏移[8]。

信號在經過無源信道時會受到干擾。高速信號傳輸中最需要考慮的是趨膚效應、介質損耗。介質的阻抗及信號的反射會導致碼間串擾，最后在接收端進行信號門限判決時會出錯，信息不能有效傳遞[9-10]。

傳輸過程中，根據傳輸線理論：電信號在傳輸線上表現的是其低通濾波特性。針對傳輸線的特性，光收發模塊在DSP 光口側包含自動增益控制環路以達到發送端的預加重；光模塊中涉及到的預加重技術即電信號進入交換機時，由模塊預先增加電信號的高頻成分，預先補償在傳輸過程中電信號的高頻成分的衰減，使輸交換機的電信號不發生判決出錯。

電信號中，最高頻率是在信號的跳變沿，由于傳輸線的低頻濾波特性，跳變沿處DSP 接收到電平之間差異較小，臨近判定的閾值，使得模塊的誤碼率升高，嚴重時會出現不可糾錯誤，使現網業務中斷；DSP 預加重技術[11]使交換機側信號判決部分判定閾值充分，避免造成誤判。

DSP 芯片的抽頭系數愈多，經過調測，光模塊發端的性能愈佳，但DSP 芯片的抽頭數愈多，功耗及內部電路復雜程度增加；設計光模塊使用的DSP 芯片，選取3 抽頭的DSP 芯片[12]。測得模塊60 s 累計誤碼率達到了1E-14 量級，遠超協議要求。

1.3 發射單元

在光發射單元中，DSP 芯片輸出的電信號通過金絲鍵合后的金絲傳輸到激光器，驅動激光器芯片(VCSEL)發射光信號。光收發模塊發射單元的工作原理簡圖如圖3 所示。

由圖3 可知，光發射單元各組成部分中，激光器驅動芯片的作用類似于電流開關，提供激光器芯片正常工作需要的閾值電流。要使激光器芯片正常工作，必須提供大于激光器芯片閾值電流的驅動電流[13]。

根據半導體的特性，溫度升高，激光器芯片閾值電流會逐漸升高，激光器芯片要正常工作，則提供給激光器驅動芯片的驅動電流需增大。具體的實現方法可通過監控單元中模數轉換器換算出激光器的實時溫度值，此時激光器還處在線性區，通過溫度補償電路增大激光器驅動芯片的驅動電流，使激光器芯片輸出的光功率保持穩定[14]。

1.4 接收單元

光收發模塊的接收單元主要由光探測器（PIN）、驅動芯片和外部電路組成。光探測器基本原理為光生電流，盡可能少地引入噪聲。電流信號的大小取決于探測器的響應度以及耦合工藝。

光信號經過透鏡反射后入射至4 陣列探測器上，由探測器進行光電轉換，轉換后的電信號單位在μA 級，此電流信號由集成了跨阻放大器的TIA芯片處理之后，放大為符合DSP 接收電平要求的數字信號。

驅動芯片集成了跨阻放大器的芯片。跨阻放大器(Trans-impedance Amplifier,TIA)具有高輸入阻抗、低輸入電容的特性，減少了脈沖形變。TIA 需要選取合適的通頻帶寬，通頻帶寬過小，會產生碼間串擾；通頻帶寬過高，會降低信噪比。TIA 具有寬的動態范圍，可以放大μA～mA 級別的輸入電流。

為了監控探測器的輸出電流，驅動芯片提供了一個引腳RSSI(Receiver Signal Strength Indicator)。RSSI 引腳是模擬輸出，使用時要外接ADC。RSSI 引腳上采集到與通道電流成正比的電流，可用于計算光接收單元的響應度，響應度是衡量光接收單元光電轉換能力的物理量，其大小是光探測器的平均輸出電流Ip與平均輸入功率Po的比值，用公式可表示為R=Ip/Po，單位為A/W。響應度可直接影響光收發模塊的靈敏度。

1.5 監控單元

光收發模塊的運行狀態由內部的MCU 進行監控及管理，光收發模塊內部光電芯片寄存器可對光電芯片進行狀態的配置，MCU 可通過I2C 總線協議對各寄存器進行讀寫達到對模塊的監控和管理。MCU 集成了模數轉換器，模數轉換器可采樣獲取模塊內部各芯片的狀態信息，并進行分析和處理。MCU 可通過預先設定的程序首先對模塊各部分進行初始化配置，待模塊穩定后，MCU 對模塊激光器的溫度、發射和接收光功率等進行實時監控以及調整激光器驅動電流等操作。

光收發模塊的金手指不僅僅包含各路通道的差分電信號，且包含模塊PCB 上MCU 管理單元芯片的I2C 引腳，在交換機上，技術人員可通過上位機對模塊進行I2C 數據通信，可實時獲取模塊的工作電壓、響應度、DSP 溫度、DSP 抽頭系數、當前激光器偏置電流和發射或接收丟失告警等相應信息，監控管理單元可保障光收發模塊工作在穩定狀態[14-15]。

2 光模塊測試結果分析

200 Gbit/s SR4 光收發模塊測試環境的搭建與測試結果如下。

2.1 測試環境

光收發模塊性能測試主要集中在發射單元以及接收單元，測試框圖如圖4 所示。發射端通過光纖直接接入眼圖儀，測試使用眼圖儀型號為Anritsu 2110A。眼圖儀可直接通過接收光信號恢復出時鐘信號，無需通過射頻線連接誤碼儀時鐘信號接口恢復時鐘信號。接收端以金樣作為外置光源，金樣的發射端發出四通道的光信號，光信號通過可調節光衰后，進入待測模塊的接收端，通過調節光衰控制進入待測模塊的接收端的光功率，當誤碼率達到1E-6時，此時光功率即為靈敏度。其中，TX 為模塊發射端；RX 為模塊接收端[16]。

圖4 模塊測試框圖

2.2 發射端

由IEEE 802.3cd-2018 協議可知，當模塊的單通道速率取53.125 Gbit/s 時，發射端各通道的光眼圖應滿足發射機色散眼圖閉合四相(TDECQ)小于4.5 dB，消光比大于3 dB，外光調制幅度在-4.5～3 dBm 之間，平均光功率在-6.5～4 dBm 之間。

圖5 為發射端單個光眼圖的測試結果，所用誤碼儀編碼格式為4 進制短強度隨機序列碼型，模塊溫度為0、45和75 ℃時均衡后的單個通道發射端光眼圖。表1 為單個通道3 個溫度下光眼圖的具體參數。

表1 單個通道3個溫度下光眼圖的參數

圖5 模塊發射單眼圖

根據光眼圖測試數據，在協議要求的溫度范圍內，光模塊發射端光眼圖的參數滿足協議的要求。

2.3 接收端

由IEEE 802.3cd-2018 協議可知，當模塊的單通道速率取53.125 Gbit/s 時，接收端的靈敏度要求小于-6.5 dBm，光收發模塊接收端的靈敏度測試采用的是經過調試后的光眼圖良好的光模塊，外置光源發射的光信號，經過可調節光衰調節輸出光信號的功率以測試待測模塊的接收端靈敏度。

表2 是模塊誤碼率小于1E-6 時，在0、45 和75 ℃時接收端4 個通道的靈敏度測試結果，其中誤碼儀設置為偽隨機序列碼型。

表2 3個溫度下接收端靈敏度

根據上述測試數據，在3 個溫度條件下，光模塊4 個通道的收端靈敏度均滿足協議的要求。

3 結論

該文介紹了200 Gbit/s SR4 光收發模塊的基本結構以及各部分基本原理，通過測試，證明了其在200G 以太網中傳輸的可行性。針對短距離多模的光收發模塊的未來的發展趨勢，主要有兩個方向：①模塊的速率的提升：光收發模塊的速率主要可以通過兩個方式提升：增加信道數量、使用比特率更高的編碼格式。前者對模塊的體積提出了挑戰，后者對于模塊關于電平的判決提出了挑戰。②更低的功耗，數據中心需要大量的制冷設備為交換機、服務器與光模塊等組件降溫，光模塊的功耗也是衡量其商用價值的重要指標之一。