200 Gbit/s SR4 光收发模块的研究与设计

向 华，罗 超，孙洪君，孙莉萍

（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074；2.武汉光迅科技有限公司，湖北武汉 430205）

近年来，云计算和大数据的高速发展，使光纤通信系统的更新换代加速，对光模块提出了更高的要求。

QSFP56 封装光收发模块提供了单通道50 Gbit/s的并行传输，相较于同体积QSFP28 封装类型光模块，单通道25 Gbit/s 传输可实现2 倍的传输速率[1-2]。

1 光模块的设计

1.1 模块功能框架

200 Gbit/s SR4(4-Short Reach,SR4)光收发模块主要由4 个单元组成，分别为数字处理芯片(Digital Signal Processing,DSP)、接收单元（ROSA）、发射单元（TOSA）和监控单元[3]，基本原理框图如图1 所示。

图1 200 Gbit/s SR4光模块基本原理框图

QSFP 56 封装采用了4 阶电平脉冲幅度调制编码(PAM4)差分信号编码类型[4]，实现了光模块单通道50 Gbit/s 的传输速率。

1.2 高速数字处理芯片

DSP 高速数字处理芯片支持恢复交换机侧传输来的电信号中数字时钟信号的恢复、噪声的去除；对接收端光信号进行色散补偿以及去除非线性干扰，其工作在光模块电口侧和光口侧之间；DSP在接收端具备自适应线性均衡，可根据信号不同频率的差异进行幅度上的补偿；DSP 在发送端进行预加重[5-6]。

高速数字处理芯片主要由电口侧接收接口（Host Rx）、电口侧发射接口（Host Tx）、光口侧发射接口（Line Tx）、光口侧接收接口（Line Rx）、数据监控单元（Link-Monitor）、光口发射端锁相环（TX PLL）以及光口接收端锁相环（RX PLL）组成，其基本原理框图如图2 所示。图中黑色箭头表示数据流方向。

图2 DSP基本原理框图

QSFP 56 封装实现了与QSFP 28 相同的体积大小，但实现了2 倍的比特速率，是因为QSFP 56 采用了PAM4 编码。PAM4 编码相较于NRZ 编码的设计难度要大上不少，眼高裕量变小，技术上的挑战及后续硬件调试难度相对较大。

PAM4 编码的信噪比更低，PAM4 编码的信号有00/01/10/11 共4 个电平及3 个眼图，每个眼图的眼高只有NRZ 编码眼图的1/3，总的信噪比损耗超过11 dB；PAM4 编码的信号更易受通道损耗的影响，发生码间干扰的概率增加，光模块对信号抖动的容忍度要求更高，考虑到阻抗匹配等影响，易产生码间干扰；以上都会导致更高的误码率[7]。

DSP 高速数字处理芯片是解决上述挑战的关键技术。TX PLL 以及RX PLL 可以提供时钟校准功能，设计人员在设计阶段预留足够的眼图skew 裕量，减小由时钟偏移（skew）引起的眼图偏移[8]。

信号在经过无源信道时会受到干扰。高速信号传输中最需要考虑的是趋肤效应、介质损耗。介质的阻抗及信号的反射会导致码间串扰，最后在接收端进行信号门限判决时会出错，信息不能有效传递[9-10]。

传输过程中，根据传输线理论：电信号在传输线上表现的是其低通滤波特性。针对传输线的特性，光收发模块在DSP 光口侧包含自动增益控制环路以达到发送端的预加重；光模块中涉及到的预加重技术即电信号进入交换机时，由模块预先增加电信号的高频成分，预先补偿在传输过程中电信号的高频成分的衰减，使输交换机的电信号不发生判决出错。

电信号中，最高频率是在信号的跳变沿，由于传输线的低频滤波特性，跳变沿处DSP 接收到电平之间差异较小，临近判定的阈值，使得模块的误码率升高，严重时会出现不可纠错误，使现网业务中断；DSP 预加重技术[11]使交换机侧信号判决部分判定阈值充分，避免造成误判。

DSP 芯片的抽头系数愈多，经过调测，光模块发端的性能愈佳，但DSP 芯片的抽头数愈多，功耗及内部电路复杂程度增加；设计光模块使用的DSP 芯片，选取3 抽头的DSP 芯片[12]。测得模块60 s 累计误码率达到了1E-14 量级，远超协议要求。

1.3 发射单元

在光发射单元中，DSP 芯片输出的电信号通过金丝键合后的金丝传输到激光器，驱动激光器芯片(VCSEL)发射光信号。光收发模块发射单元的工作原理简图如图3 所示。

由图3 可知，光发射单元各组成部分中，激光器驱动芯片的作用类似于电流开关，提供激光器芯片正常工作需要的阈值电流。要使激光器芯片正常工作，必须提供大于激光器芯片阈值电流的驱动电流[13]。

根据半导体的特性，温度升高，激光器芯片阈值电流会逐渐升高，激光器芯片要正常工作，则提供给激光器驱动芯片的驱动电流需增大。具体的实现方法可通过监控单元中模数转换器换算出激光器的实时温度值，此时激光器还处在线性区，通过温度补偿电路增大激光器驱动芯片的驱动电流，使激光器芯片输出的光功率保持稳定[14]。

1.4 接收单元

光收发模块的接收单元主要由光探测器（PIN）、驱动芯片和外部电路组成。光探测器基本原理为光生电流，尽可能少地引入噪声。电流信号的大小取决于探测器的响应度以及耦合工艺。

光信号经过透镜反射后入射至4 阵列探测器上，由探测器进行光电转换，转换后的电信号单位在μA 级，此电流信号由集成了跨阻放大器的TIA芯片处理之后，放大为符合DSP 接收电平要求的数字信号。

驱动芯片集成了跨阻放大器的芯片。跨阻放大器(Trans-impedance Amplifier,TIA)具有高输入阻抗、低输入电容的特性，减少了脉冲形变。TIA 需要选取合适的通频带宽，通频带宽过小，会产生码间串扰；通频带宽过高，会降低信噪比。TIA 具有宽的动态范围，可以放大μA～mA 级别的输入电流。

为了监控探测器的输出电流，驱动芯片提供了一个引脚RSSI(Receiver Signal Strength Indicator)。RSSI 引脚是模拟输出，使用时要外接ADC。RSSI 引脚上采集到与通道电流成正比的电流，可用于计算光接收单元的响应度，响应度是衡量光接收单元光电转换能力的物理量，其大小是光探测器的平均输出电流Ip与平均输入功率Po的比值，用公式可表示为R=Ip/Po，单位为A/W。响应度可直接影响光收发模块的灵敏度。

1.5 监控单元

光收发模块的运行状态由内部的MCU 进行监控及管理，光收发模块内部光电芯片寄存器可对光电芯片进行状态的配置，MCU 可通过I2C 总线协议对各寄存器进行读写达到对模块的监控和管理。MCU 集成了模数转换器，模数转换器可采样获取模块内部各芯片的状态信息，并进行分析和处理。MCU 可通过预先设定的程序首先对模块各部分进行初始化配置，待模块稳定后，MCU 对模块激光器的温度、发射和接收光功率等进行实时监控以及调整激光器驱动电流等操作。

光收发模块的金手指不仅仅包含各路通道的差分电信号，且包含模块PCB 上MCU 管理单元芯片的I2C 引脚，在交换机上，技术人员可通过上位机对模块进行I2C 数据通信，可实时获取模块的工作电压、响应度、DSP 温度、DSP 抽头系数、当前激光器偏置电流和发射或接收丢失告警等相应信息，监控管理单元可保障光收发模块工作在稳定状态[14-15]。

2 光模块测试结果分析

200 Gbit/s SR4 光收发模块测试环境的搭建与测试结果如下。

2.1 测试环境

光收发模块性能测试主要集中在发射单元以及接收单元，测试框图如图4 所示。发射端通过光纤直接接入眼图仪，测试使用眼图仪型号为Anritsu 2110A。眼图仪可直接通过接收光信号恢复出时钟信号，无需通过射频线连接误码仪时钟信号接口恢复时钟信号。接收端以金样作为外置光源，金样的发射端发出四通道的光信号，光信号通过可调节光衰后，进入待测模块的接收端，通过调节光衰控制进入待测模块的接收端的光功率，当误码率达到1E-6时，此时光功率即为灵敏度。其中，TX 为模块发射端；RX 为模块接收端[16]。

图4 模块测试框图

2.2 发射端

由IEEE 802.3cd-2018 协议可知，当模块的单通道速率取53.125 Gbit/s 时，发射端各通道的光眼图应满足发射机色散眼图闭合四相(TDECQ)小于4.5 dB，消光比大于3 dB，外光调制幅度在-4.5～3 dBm 之间，平均光功率在-6.5～4 dBm 之间。

图5 为发射端单个光眼图的测试结果，所用误码仪编码格式为4 进制短强度随机序列码型，模块温度为0、45和75 ℃时均衡后的单个通道发射端光眼图。表1 为单个通道3 个温度下光眼图的具体参数。

表1 单个通道3个温度下光眼图的参数

图5 模块发射单眼图

根据光眼图测试数据，在协议要求的温度范围内，光模块发射端光眼图的参数满足协议的要求。

2.3 接收端

由IEEE 802.3cd-2018 协议可知，当模块的单通道速率取53.125 Gbit/s 时，接收端的灵敏度要求小于-6.5 dBm，光收发模块接收端的灵敏度测试采用的是经过调试后的光眼图良好的光模块，外置光源发射的光信号，经过可调节光衰调节输出光信号的功率以测试待测模块的接收端灵敏度。

表2 是模块误码率小于1E-6 时，在0、45 和75 ℃时接收端4 个通道的灵敏度测试结果，其中误码仪设置为伪随机序列码型。

表2 3个温度下接收端灵敏度

根据上述测试数据，在3 个温度条件下，光模块4 个通道的收端灵敏度均满足协议的要求。

3 结论

该文介绍了200 Gbit/s SR4 光收发模块的基本结构以及各部分基本原理，通过测试，证明了其在200G 以太网中传输的可行性。针对短距离多模的光收发模块的未来的发展趋势，主要有两个方向：①模块的速率的提升：光收发模块的速率主要可以通过两个方式提升：增加信道数量、使用比特率更高的编码格式。前者对模块的体积提出了挑战，后者对于模块关于电平的判决提出了挑战。②更低的功耗，数据中心需要大量的制冷设备为交换机、服务器与光模块等组件降温，光模块的功耗也是衡量其商用价值的重要指标之一。