基于QSFP封裝的SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊研究

何保峰，曹 珍，趙 聰，王 峰

(1.武漢郵電科學研究院,武漢 430074； 2.Molex有限公司,武漢 430074)

0 引 言

隨著第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)時代的到來，傳統的第四代移動通信技術(4th Generation Mobile Communication Technology，4G)基站密度已無法滿足大幅提升的5G帶寬需求。截至2021年11月，我國累計建成開通5G基站多達139萬個，占全球總量的60%以上，且2022年計劃新建5G基站60萬個以上[1]。相對于4G網絡，5G網絡中光模塊用量更大，所以在原有光模塊設計方案的基礎上，提出一種性能更佳、成本更低、功耗更低且更有利于鋪設的光模塊設計方案也是近些年光模塊產業的研究方向之一[2]。本文通過理論分析與測試，證明在四通道小型可插拔(Quad Small Form-factor Pluggable，QSFP)50 Gbit/s光模塊設計理論的基礎上設計出來的小型可插拔(Small Form-factor Pluggable，SFP)50 Gbit/s光模塊可以更好地解決5G前傳網中數據需求增加、空間有限和成本有限等問題。

1 傳統的QSFP28 50 Gbit/s光模塊的工作原理介紹

光模塊無論是前期的設計研發還是后期的調試，其核心問題都在光發射組件(Transmitter Opti-cal Subassembly，TOSA)、光接收組件(Receiver Optical Subassembly，ROSA)及其相關器件上。TOSA是將電信號轉化為光信號的器件，其結構復雜、精密度高、價格高昂，ROSA是將光信號轉化為電信號的器件，主要包含接收與放大兩個部分[3-4]。

在傳統QSFP28 50 Gbit/s光模塊的設計方案中，將兩路25 Gbit/s不歸零碼(Non Return To Zero，NRZ)電信號輸入4階脈沖幅度調制(4 Pulse Amplitude Modulation，PAM4)編解碼芯片，采用圖1所示的方式將其轉化為一路50 Gbit/s PAM4電信號，并將其輸入激光驅動器(Driver)中，通過激光驅動器放大信號并驅動直調激光器(Directly Modulated Lasers，DML)發光[3,5-6]。

圖1 NRZ信號轉化為PAM4信號原理圖

ROSA將接收到的光信號轉化為電信號后傳給PAM4編解碼芯片，PAM4編解碼芯片再將PAM4信號轉化為兩路NRZ信號。微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)參與控制整個傳輸過程。圖2所示為QSFP28 50 Gbit/s光模塊信號傳輸框圖。

圖2 QSFP28 50 Gbit/s光模塊信號傳輸框圖

2 SFP56 50 Gbit/s光模塊的設計原理分析

在QSFP28 50 Gbit/s光模塊的基礎上，近幾年50 Gbit/s光模塊的研究方向有：

(1)使用更小的封裝，避免通道的浪費，便于鋪設以及降低功耗；

(2)提高模塊的溫度適用范圍，比如將溫度適用范圍從C-Temp(0～70 ℃)提升至I-Temp(-40～85 ℃)；

(3)提升模塊的光傳輸距離，比如將光傳輸距離從10 km提升至40 km。

本研究將從這幾個方向入手，基于QSFP2850 Gbit/s光模塊的技術背景，設計一款封裝更小、性能更強、功耗更低且傳輸距離更遠的SFP56 50 Gbit/s光模塊。

在發射端，PAM4電信號輸入SEMTECH GN2256芯片，經時鐘與數據恢復(Clock and Data Recovery，CDR)單元后驅動外調激光器(External Modulated Laser，EML)發出50 Gbit/s PAM4光信號。相較于DML，EML發光不變，激光驅動器驅動外置調制器調節實際出光大小，這種類型的激光器更適合遠距離傳輸[3,6]。對于接收側，SFP56與QSFP28封裝的光模塊工作原理基本相同。SFP56 50 Gbit/s光模塊的整體設計單板框架如圖3所示。

圖3 SFP56 50 Gbit/s光模塊單板框架

3 QSFP28 封裝與SFP56封裝的50 Gbit/s光模塊尺寸及功耗對比

光模塊的尺寸會對前傳網建設產生較大的影響，如果能夠將同樣傳輸速率的模塊做的更小，那么在同樣大小的單板上就可以安裝更多的模塊，變相的單板傳輸速率就會增加，也可認為實現相同單板速率需要的單板尺寸更小，有利于縮小設備尺寸。

表1所示為QSFP28與SFP56尺寸造價及50 Gbit/s傳輸時的功耗，由表可知，在不考慮模塊長短拉環對鋪設造成的影響的前提下：

表1 QSFP28與SFP56尺寸造價及50 Gbit/s傳輸時的功耗

(1)相同大小的單板上可鋪設SFP56封裝光模塊的數量是可鋪設QSFP28封裝光模塊數量的1.68倍；

(2)單個SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊的功耗是QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊的57.9%；

(3)單個SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊的造價是QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊的106.25%。

可以認為，在相同大小的單板上鋪設SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊與鋪設QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊相比，功耗基本不變，但單板速率提升了1.68倍，或者說實現相同的單板傳輸速率，單板面積減小了40.5%，功耗減小了42.1%。

傳統QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp(0～70 ℃)光模塊的造價約為80 $/pcs，本設計中的SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp(-40～85 ℃)光模塊的造價約為85 $/pcs，所以在傳輸相同距離的情況下，實現相同的傳輸速率，SFP56封裝的光模塊成本只有QSFP28封裝的26.6%。

4 QSFP28 封裝與SFP56封裝的50 Gbit/s光模塊光眼圖及靈敏度對比測試

無論是QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp光模塊還是SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp光模塊，都既可以自環也可以通過加入外光源的方式進行測試[7]。在測ROSA端相關參數時，為了避免環境溫度對光源產生影響，本研究選用加入外光源的方式搭建測試環境進行對比測試。如圖4所示，待測設備(Device Under Test，DUT)發出的光經過分光器分光后，90%的光輸入數字通信分析儀(Digital Communication Analyzer，DCA)測量光眼圖相關參數，10%的光輸入光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer，OSA)測量波長及邊模抑制比(Side-Mode Suppression Ratio，SMSR)。已知光模塊發出的光經過衰減器(Attenuator，ATT)后輸入DUT，測量DUT Rx相關參數，誤碼儀(Bit Error Tester，BERT)為評估板(Evaluation Board，EVB)提供調制信號，為DCA提供時鐘信號[8]。DUT置于恒溫箱中，可人為改變其工作的環境溫度，已知光模塊被置于恒溫環境下。萬用表用于光模塊的電壓校準，個人電腦(Personal Computer，PC)用于通過圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)調節光模塊參數，電源為兩個EVB供電。

圖4 加入外光源的測試框圖

在常溫下，兩個光模塊的光眼圖如圖5所示，相關參數如表2所示。由表可知，QSFP28 50 Gbit/s光模塊和SFP56 50 Gbit/s光模塊在常溫下的發射機色散眼圖閉合四相(Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary，TDECQ)分別為2.49和1.98 dB，消光比分別為6.529和4.749 dB，平均光功率分別為1.73和0.69 dBm。將外光源置于常溫環境下，保持其工作狀態不變，在鏈路中，將外光源發出的光經過ATT后分別輸入QSFP28 50 Gbit/s ROSA端和SFP56 50 Gbit/s ROSA端，經過測量發現，這兩個模塊在25 ℃時的靈敏度分別為-11.3和-11.9 dB。

表2 常溫下兩個光模塊光眼圖相關參數

圖5 常溫下光眼圖

在高低溫環境下，SFP56 50 Gbit/s光模塊的光眼圖如圖6所示，相關參數如表3所示，通過調節環境溫度，使得光模塊分別工作在-40和+85 ℃，TOSA發出的光經過40 km光纖后輸入DCA，調節相關參數后，TDECQ分別為2.52和2.77 dB，平均光功率分別為1.50和0.67 dBm，消光比分別為4.401和4.402 dB，靈敏度分別為-11.5和-11.3 dB，均符合電氣與電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)802.3cd中50 Gbit/s相關要求。

表3 高低溫狀態下SFP56 50 Gbit/s光模塊光眼圖相關參數

圖6 SFP56 50 Gbit/s光模塊高低溫光眼圖

由于傳統QSFP28 50 Gbit/s光模塊的工作溫度范圍為0～+70 ℃，而本研究中SFP56 50 Gbit/s光模塊的工作溫度范圍為-40～+85 ℃，所以比較兩者在0和+70 ℃時的性能參數沒有太大意義，而模塊的高低溫性能參數通常符合線性關系，即通常常溫性能好的模塊，高低溫性能同樣也會好。于是只需要測試SFP56 50 Gbit/s光模塊在-40和+85 ℃環境下工作時的性能參數，只要在該環境下模塊的性能參數符合IEEE 802.3cd中50 Gbit/s相關要求，那么結合常溫性能參數即可判斷兩種不同封裝的光模塊的性能孰優孰劣。

由表3可知，相較于QSFP28封裝，選用SFP56封裝后光模塊的TDECQ減小了20.5%，靈敏度提高了0.6 dB，可以認為選用SFP56封裝后，光模塊的整體性能提升了約20%，即SFP56封裝比QSFP28封裝更適合應用于50 Gbit/s光模塊領域。

5 結束語

實驗證明，本文成功地在QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊的基礎上，選用了更小的SFP56封裝，將PAM4 Gearbox編解碼芯片更換為SEMTECH GN2256 CDR芯片，結合TOSA、ROSA和EML設計出了一種SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp光模塊。與傳統QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp光模塊相比，在達成傳輸速率翻倍的前提下，模塊成本縮減了73.4%，模塊的整體性能提升了約20%，可以在更加惡劣的工作環境下工作，且各項指標均符合IEEE 802.3cd中50 Gbit/s相關要求。SFP56 50 Gbit/s 40 km光模塊優勢頗多，可以預見在今后的5G前傳網中會起到替代QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模塊的作用。