在通信需求必不可少的今天，隨著通信越來(lái)越深入我們的生活，在滿足我們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求的同時(shí)降低通信系統(tǒng)的成本，成為越來(lái)越多運(yùn)營(yíng)商關(guān)心的問(wèn)題，本文介紹了一種用于城域網(wǎng)的40Gbit/s CFP(百吉比特可熱插拔)光模塊，其主要由發(fā)射單元、接收單元和控制單元3大部分組成。重點(diǎn)介紹了各個(gè)部分的工作原理及具體設(shè)計(jì)方案，按照IEEE 802.3.ba標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該模塊滿足40Gbit/s以太網(wǎng)的應(yīng)用要求。該模塊采用波分復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)4路不同波長(zhǎng)的10Gbit/s載波信號(hào)在一根光纖中傳輸。

0 引言

隨著高清視頻和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)帶寬的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的10Gbit/s以太網(wǎng)已經(jīng)表現(xiàn)出局限性，下一代高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)，即40Gbit/s/100Gbit/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)已于2010年6月17日正式獲批，它支持40Gbit/s和100Gbit/s的以太網(wǎng)幀傳送，同時(shí)確立了主干網(wǎng)絡(luò)、銅纜布線、多模光纖和單模光纖通信的物理層規(guī)范，以減輕未來(lái)核心網(wǎng)絡(luò)帶寬的"瓶頸"問(wèn)題。

基于IEEE 802.3ba 40GBASE-LR4規(guī)格的40Gbit/s CFP(百吉比特可熱插拔)光收發(fā)模塊，適應(yīng)了如今數(shù)據(jù)中心日益增加的帶寬需求，它在單模光纖上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是傳統(tǒng)10Gbit/s光模塊的4倍，傳輸距離能達(dá)到10km。同時(shí)，研究40Gbit/s CFP技術(shù)也可以更好地為設(shè)計(jì)100Gbit/s CFP服務(wù)。本文從40Gbit/s光收發(fā)模塊的基本工作原理入手，分析整個(gè)模塊的硬件電路和軟件控制的實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)對(duì)模塊的光性能測(cè)試驗(yàn)證了40Gbit/s光模塊應(yīng)用于40Gbit/s光傳輸網(wǎng)絡(luò)的可行性。

1. 40Gbit/s CFP光模塊的工作原理

40Gbit/s CFP光模塊是可熱插拔的客戶端光模塊，其中40Gbit/s BASE-LR4基于1 310nm CWDM(粗波分復(fù)用)技術(shù)，在單模光纖上的傳輸距離達(dá)10km。頻率間隔基于ITU-T G.694.2規(guī)范，使用1270、1290、1310和 330nm 4個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)通道的速率為10.312 5Gbit/s。文章后面提到的40Gbit/s CFP光模塊均為在單模光纖中傳輸?shù)哪Ｊ剑С?0Gbit/s以太數(shù)據(jù)在4個(gè)波長(zhǎng)上以每個(gè)波長(zhǎng)10.312 5Gbit/s的速率傳輸，最后采用WDM(波分復(fù)用)技術(shù)將4個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)合在一根單模光纖上傳輸。40Gbit/s CFP光模塊主要應(yīng)用于城域網(wǎng)，可將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出，以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的傳輸，同時(shí)也能將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

40Gbit/s CFP光模塊主要由3部分組成：發(fā)射單元、接收單元和控制單元。它的基本功能框圖如圖1所示。發(fā)射單元由LD(激光器)、LD驅(qū)動(dòng)器和CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))電路組成。輸入模塊的4對(duì)1 0.3 1 2 5Gbit/s差分電信號(hào)經(jīng)過(guò)CDR電路再整形、再定時(shí)后，由LD驅(qū)動(dòng)電路接收，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)出帶有數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)的4路不同波長(zhǎng)的激光，然后通過(guò)WDM 器將4路光信號(hào)合為一路輸出。接收單元由探測(cè)器、二級(jí)放大器(主放大器)和CDR電路組成。在模塊的接收端，解復(fù)用器將一路40Gbit/s光信號(hào)分成4路不同波長(zhǎng)的10.312 5Gbit/s光信號(hào)，并通過(guò)探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換成4路微弱的電信號(hào)。微弱的電信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大器放大，然后由主放大器接收并對(duì)前置放大器放大后的信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，輸出電信號(hào)，從而完成光/電轉(zhuǎn)換。控制電路部分通過(guò)內(nèi)部通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的APC(自動(dòng)功率控制)、消光比補(bǔ)償、發(fā)射部分軟關(guān)斷和接收部分帶寬調(diào)整的智能控制，通過(guò)外部通信接口可以與上位機(jī)通信，完成模塊的相關(guān)工作狀態(tài)檢測(cè)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控上報(bào)。

2. 40Gbit/s CFP光模塊系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

40Gbit/s CFP光模塊的總體設(shè)計(jì)主要是解決發(fā)射單元、接收單元和控制單元的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。下面分別介紹各單元的具體設(shè)計(jì)方法。

在發(fā)射單元，選用10Gbit/s DML(直接調(diào)制激光器)作為TOSA(光發(fā)射組件)，激光器的驅(qū)動(dòng)電路集成在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)。激光驅(qū)動(dòng)器接收差分輸入數(shù)據(jù)并為激光器提供偏置電流和調(diào)制電流。由于半導(dǎo)體激光器的斜效率會(huì)隨溫度的變化而不同，所以需要APC和消光比補(bǔ)償電路來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光器平均光功率。激光器中的PD(光電二極管)監(jiān)測(cè)LD的光輸出功率大小，并將監(jiān)控PD 的輸出值反饋給MCU(微控制器)，MCU 通過(guò)檢測(cè)到的反饋值來(lái)控制偏置電流IBias輸出，從而調(diào)節(jié)偏置電路使LD始終保持恒定的光功率輸出。同時(shí)，為了避免高速PCB(印刷電路板)上其他線路對(duì)信號(hào)線的干擾，在布線時(shí)對(duì)信號(hào)采用差分信號(hào)線傳輸。