熊青松、張武平、陳晉敏（光纖通信技術和網絡國家重點實驗室 武漢電信器件有限公司）《光通信研究》

　　為了滿足傳輸容量日益增長的需求和降低通信系統的成本，介紹了一種用于城域網的40Gbit/s CFP（百吉比特可熱插拔）光模塊，該模塊采用波分復用技術來實現4路不同波長的10Gbit/s載波信號在一根光纖中傳輸。它主要由發射單元、接收單元和控制單元3大部分組成。重點介紹了各個部分的工作原理及具體設計方案，按照IEEE 802.3.ba標準對樣機進行了測試，結果表明該模塊滿足40Gbit/s以太網的應用要求。

　　0 引言

　　隨著高清視頻和高速數據業務的迅速發展，人們對帶寬的要求越來越高，現有的10Gbit/s以太網已經表現出局限性，下一代高速以太網的出現成為發展的必然趨勢。IEEE 802.3ba標準，即40Gbit/s/100Gbit/s以太網標準已于2010年6月17日正式獲批，它支持40Gbit/s和100Gbit/s的以太網幀傳送，同時確立了主干網絡、銅纜布線、多模光纖和單模光纖通信的物理層規范，以減輕未來核心網絡帶寬的"瓶頸"問題。

　　基于IEEE 802.3ba 40GBASE-LR4規格的40Gbit/s CFP（百吉比特可熱插拔）光收發模塊，適應了如今數據中心日益增加的帶寬需求，它在單模光纖上傳輸的數據是傳統10Gbit/s光模塊的4倍，傳輸距離能達到10km。同時，研究40Gbit/s CFP技術也可以更好地為設計100Gbit/s CFP服務。本文從40Gbit/s光收發模塊的基本工作原理入手，分析整個模塊的硬件電路和軟件控制的實現方式。通過對模塊的光性能測試驗證了40Gbit/s光模塊應用于40Gbit/s光傳輸網絡的可行性。

　　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（粗波分復用）技術，在單模光纖上的傳輸距離達10km。頻率間隔基于ITU-T G.694.2規范，使用1270、1290、1310和 330nm 4個波長，每個波長通道的速率為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的模式，支持40Gbit/s以太數據在4個波長上以每個波長10.312 5Gbit/s的速率傳輸，最后采用WDM（波分復用）技術將4個波長的光信號復合在一根單模光纖上傳輸。40Gbit/s CFP光模塊主要應用于城域網，可將輸入的電信號轉換成光信號輸出，以實現較長距離的傳輸，同時也能將接收到的光信號轉換成電信號輸出。

　　40Gbit/s CFP光模塊主要由3部分組成：發射單元、接收單元和控制單元。它的基本功能框圖如圖1所示。發射單元由LD（激光器）、LD驅動器和CDR（時鐘數據恢復）電路組成。輸入模塊的4對1 0.3 1 2 5Gbit/s差分電信號經過CDR電路再整形、再定時后，由LD驅動電路接收，驅動LD發出帶有數據調制信號的4路不同波長的激光，然后通過WDM 器將4路光信號合為一路輸出。接收單元由探測器、二級放大器（主放大器）和CDR電路組成。在模塊的接收端，解復用器將一路40Gbit/s光信號分成4路不同波長的10.312 5Gbit/s光信號，并通過探測器將其轉換成4路微弱的電信號。微弱的電信號首先經過前置放大器放大，然后由主放大器接收并對前置放大器放大后的信號進行二級放大，輸出電信號，從而完成光/電轉換?？刂齐娐凡糠滞ㄟ^內部通信接口實現對激光器的APC（自動功率控制）、消光比補償、發射部分軟關斷和接收部分帶寬調整的智能控制，通過外部通信接口可以與上位機通信，完成模塊的相關工作狀態檢測量的實時監控上報。 

2. 40Gbit/s CFP光模塊系統的總體設計方案

　　40Gbit/s CFP光模塊的總體設計主要是解決發射單元、接收單元和控制單元的實現問題。下面分別介紹各單元的具體設計方法。

　　在發射單元，選用10Gbit/s DML（直接調制激光器）作為TOSA（光發射組件），激光器的驅動電路集成在驅動芯片內。激光驅動器接收差分輸入數據并為激光器提供偏置電流和調制電流。由于半導體激光器的斜效率會隨溫度的變化而不同，所以需要APC和消光比補償電路來實現穩定的激光器平均光功率。激光器中的PD（光電二極管）監測LD的光輸出功率大小，并將監控PD 的輸出值反饋給MCU（微控制器），MCU 通過檢測到的反饋值來控制偏置電流IBias輸出，從而調節偏置電路使LD始終保持恒定的光功率輸出。同時，為了避免高速PCB（印刷電路板）上其他線路對信號線的干擾，在布線時對信號采用差分信號線傳輸。

　　接收單元主要由PIN（光電二極管）與TIA（跨阻放大器）封裝在一起的光探測器和限幅放大器組成，從而完成光/電轉換。4個不同波長的探測器分別接收來自相應波長的光信號，并將其轉換成具有一定幅度的電信號，然后經過限幅放大器對信號功率進行逐級放大，同時由CDR電路提取時鐘和恢復信號，對接收到的信號動態建立判決值以使數據恢復并輸出。

　　控制單元采用MCU 芯片，通過采集各個相應端口的數字信息實現對各個通道的電壓、溫度、激光器偏置電流、輸入光功率和接收光功率的實時監控和上報，以實現如下3大功能：（1）與系統上位機進行通信；（2）模塊內部模擬和數字信息的提取、檢測、上報和告警；（3）模塊內部各個參數設置的智能化控制。

　　3. 測試結果分析

　　根據上述40Gbit/s CFP光模塊各單元的設計方案，成功研制了40Gbit/s CFP光模塊樣機，并根據IEEE 802.3ba的測試標準，利用誤碼儀、光功率計、光可變衰減器、示波器和直流穩壓源等儀器搭建測試臺位，進行了模塊的光性能測試。測試臺位框圖如圖2所示，其中路徑1（見圖中虛線）為對光模塊發射部分的測試，利用光功率計和示波器分別記錄4個通道的光功率值以及光眼圖；路徑2（見圖中實線）為對光模塊接收部分的測試，利用40Gbit/s CFP收發一體模塊的自發自收功能分別對各接收通道的接收性能進行測試，得到不同溫度下各通道的測試結果。表1給出了在25℃、電壓3.3V和比特率10.312 5Gbit/s的測試條件下，各通道的測試結果。

        由表1可知，25℃時，在相同的測試條件下，每個通道的平均輸出光功率、消光比和接收靈敏度值完全滿足IEEE 802.3ba的測試要求。同時觀察眼圖可知，4個通道在同一溫度下的眼圖基本一致。由于篇幅限制，本文只給出通道1 在-5、25 和70℃時的示波器眼圖，如圖3所示，其具體參數如表2所示。

        由上面3個不同溫度下的眼圖及其具體參數可以看出，在-5、25、70℃3個溫度下，平均輸出光功率、消光比和交叉點的變化很小，消光比最大變化幅度＜0.05dB，交叉點也都在50％左右，說明光眼圖在不同溫度下比較穩定，這主要是因為模塊中的APC電路和消光比補償電路起到了很大的作用。

　　4. 結束語

　　40Gbit/s、100Gbit/s以太網作為高速以太網技術，能夠滿足不斷出現的高帶寬網絡應用業務的需求，有效地促進傳輸速率升級，從而使得骨干網充滿了活力。目前40Gbit/s系統已經逐步進入規?；逃秒A段，CIR（通信產業研究機構）報告預計2016年全球40Gbit/s以太網市場將達到51億美元。文章中我們研究了傳輸系統客戶端的40Gbit/s CFP 光模塊的基本實現方案，并對40Gbit/s CFP光模塊樣機按照IEEE 802.3ba標準進行了測試，結果表明其光接口性能完全符合高速以太網要求，并且傳輸距離能達到10km。隨著高帶寬業務的不斷增長，相信40Gbit/s CFP光模塊將有廣闊的應用前景。