具有SGMII接口的小型热插拔光模块

武汉邮电科学研究院 张春艳

1.引言

随着国家大力推进互联网，加上消费者对高速率大容量的网络需求与日俱增，企业和运营商的数据通信业务以及相关的融合业务迅猛发展，无线、语音、视频、统一通信以及带宽饥渴型应用等都令支撑基础网络架构的交换机变得更加重要。企业的信息应用正在全面走向宽带化和融合化，在这一背景下，传统的实现简单连接和数据传输功能的以太网交换机已成为过去，纵观当前整个发展趋势，我们发现以太网交换机正朝着高速化、智能化的方向前进。目前，千兆为骨干、百兆为接入的主流结构，将逐渐向万兆为骨干、千兆为接入的结构过渡。

2.发展现状

2.1 以太网交换机的概况

伴随业务需求和运行环境的日益多样化，光模块依靠光传输带宽大、损耗低等明显的优势迅速扩大了其在以太网交换机中的应用范围。近年来整个通讯行业发展迅猛，不管是市场需求，还是通讯技术。加之高速芯片工艺越来越成熟，成本逐步降低。促使整个以太网交换机行业向高速方向革新。但老一代的低速交换机因为其成熟的布线系统，而且在终端接入端还有一定的应用需求，短时间不会被淘汰。特别是在欧美地区，重新布线带来的巨大的人力成本使得未来的综合布线系统中不得不考虑兼容老一代的交换机。

2.2 ESFP光模块的概况

ESFP光模块作为SFP光模块的升级版，比SFP光模块多了数字诊断功能。通过这一功能，网络管理单元可以实时监测光模块的温度、供电电压、激光器的偏置电流以及发射光功率和接受光功率。这些参数的测量，可以帮助网络管理单元进行故障预测和故障定位。ESFP光模块和SFP光模块的封装体积是一样的，由于体积很小，可以在交换机单板上拓展更多的端口。加上它支持热插拔，使得ESFP光模块在以太网交换机中的应用越来越广泛。

2.3 SGMII接口的概括

目前笔记本百兆网卡和路由器百兆网口在市面上还存在较大比例，百兆交换机还没有被大量淘汰，千兆交换机的布局就逃不开要考虑百兆交换机，一般的光模块只能同速率对传，并且物理层芯片是集成在交换机主板上的。这样的光模块不能应用在这个千兆转百兆的应用环境之中。而且交换机上需要有外挂PHY芯片，光模块才能收发以太网报文。而支持SGMII接口的光模块能解决这一问题。SFP SGMII与普通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，这样的差别可以方便客户以后的网络升级。

SGMII是PHY与MAC之间的接口，类似与GMII和RGMII，只不过GMII和RGMII都是并行的，而且需要随路时钟，PCB布线相对麻烦，而且不适应背板应用。而SGMII是串行的，不需要提供另外的时钟，MAC和PHY都需要CDR去恢复时钟。另外SGMII是有8B/10b编码的，速率是1.25G。SGMII提供了速率为10/100/1000Mbps的全双工BASE-T功能。

3.带SGMII接口的光模块简介

这种125Mbit/s带SGMII接口的光模块和常规的125Mbit/s光模块在光路上的原理基本是一样的。接受端采用的是1310nm的PIN光电二极管，PIN将光信号转化成电信号，再经过一个TIA（跨阻放大器）之后，电信号会传输到一个125Mbit/s的LA（限幅放大器）。发射端采用了一个125Mbit/s的FP激光器，其波长为1310nm。激光器的驱动芯片与MCU（微控制单元）以及限幅放大器集成在一块芯片上。发射和接受参数监控是根据SFF-8472协议由单片机实现的。常规的光模块内一般是不集成编解码芯片的。但这种模块由于要支持SGMII接口，故而需要在模块内部集成一个PHY芯片，从而使模块能与交换机的MAC通过SGMII接口来传输数据。PHY芯片在上电之后，需要完成寄存器的配置，这就需要模块级能有一个EEPROM（电可擦可编程只读存储器）在上电时往PHY芯片内部写入配置信息。整个模块的原理框图如图1所示。

图1 125Mbit/s带SGMII接口的光模块的原理框图

4.125Mbit/s带SGMII接口的光模块的设计

4.1 三合一芯片

考虑到SFP的封装体积，激光器和探测器都会占用比较大的空间，所以考虑使用三合一芯片，该芯片集成了激光器驱动，限幅放大器以及MCU。该芯片需要外挂一个EEPROM来存储符合SFF-8472协议的信息。在模块default时，该芯片能读取EEPROM里的信息并存储以保证模块数据不易失。

4.1.1 激光器驱动电路部分

光模块发射部分结构如图2所示，光信号发送过程主要是将发射端输入的电信号调制成相应的激光器驱动信号，并在APC（自动功率控制电路）的控制下，驱动激光器产生适合光纤通信系统传输的光信号并耦合到光纤上。

图2 光模块发射部分

激光器驱动电路采用了恒流源差分放大电路，如图3所示，具有抑制零点漂移，放大差分信号的作用。当外部突发信号输入时，芯片内部的APC电路会输出预先设置好的偏置电流，激光器在该偏执电流的驱动下快速开启并随着调制电流的驱动将电信号转化成相应的光信号。另一方面发射组件中的背光二极管通过光电转换将一定比率的光转变成电流，并通过相应阻容器件转换成电压信号。该信号经过模数转换之后的数字信号再与设定光功率对应的数值比较，产生的差值会驱动偏置电流做相应的改变，直至改变到与设定值一致。

图3 发射部分原理结构

图4 限幅放大器的原理结构

4.1.2 限幅放大器

接受部分的工作原理是将微弱的光信号（＞4mVpp）通过光模块中的光器件转化成光生电流并放大，放大成可以被探测到的电平，经过主放大器对该信号进一步放大并有相应电路转化成合适的电平输出。主放大器就是限幅放大器，其原理结构如图4所示。TIA一般集成在探测器中，能将微弱的光生电流放大，并能改善非线性效应以及获得较大的动态范围。由TIA出来的数据信号由于是差分信号，需要在差分信号线对之间接100Ω的终端匹配电阻。

4.2 PHY芯片

PHY芯片是OSI（开发系统互连参考）模型的最底层物理层芯片，物理层定义了数据传送与接受的光电信号，线路状态，时钟基准，数据编码和电路等，并向链路层设备提供标准接口。PHY对所有传输数据只是进行编码转化，没有对有效数据信号进行分析或改变。OSI模型中PHY与MAC之间的关系见图5。

物理层包括三个功能层和两个接口层。接口层为RMII（物理介质无关子层）和MDI（物理介质相关接口），在MII的上层是逻辑数据链路层的MAC层，而MDI的下层则直接与传输介质相连。由MDI传输过来的数据先在PMD（物理介质相关子层）解码和解扰，然后经PMA（物理介质附加子层）提供判断link状态和载波侦听的功能，完成串行信号和NRZI信号之间的转化，再交给PCS（物理编码子层）对信号的编译码以及并串信号转换，最后交给MAC层组装成帧。在100BASE-FX模式时，PCS提供MII接口、4B/5B编码、串并转换以及冲突检测功能，PMD的功能由光电器件完成。

图5 OSI模型中PHY与MAC之结构关系

5.测试结果和分析

125Mbit/s带SGMII接口的光模块的主要测试指标包括接收灵敏度、接受告警、接受告警恢复和发射眼图。具体测试如下：

5.1 接受灵敏度

由于模块内置PHY芯片，在测试中，可以用一台配上了100Base-FX板卡的Smartbits 600与模块收发以太网数据，测试数据分析仪见图6。在传输时间为12小时，其传输结果见图7。温度分别为0、25和70℃的条件下，测得的灵敏度分别为-39.02、-39.04和-39.05dBm。

图6 以太网数据分析仪

图7 传输12小时的SmartCounter

5.2 发射的主要指标

在全温范围内测得125M激光器发射的光眼图分别为图8所示。

图8 125M激光器发射眼图

测试结果显示，发射眼图符合IEEE Std.802.3av标准中模板的要求。消光比和发射光功率均满足标准中的规定，并且在全温范围内指标的变化较小。

6.结束语

本文介绍了125Mbit/s带SGMII接口的光模块的应用环境，重点介绍了其组成结构以及产品特性。