何保峰，曹 珍，赵 聪，王 峰
(1.武汉邮电科学研究院,武汉 430074；
2.Molex有限公司,武汉 430074)
随着第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)时代的到来，传统的第四代移动通信技术(4th Generation Mobile Communication Technology，4G)基站密度已无法满足大幅提升的5G带宽需求。截至2021年11月，我国累计建成开通5G基站多达139万个，占全球总量的60%以上，且2022年计划新建5G基站60万个以上[1]。相对于4G网络，5G网络中光模块用量更大，所以在原有光模块设计方案的基础上，提出一种性能更佳、成本更低、功耗更低且更有利于铺设的光模块设计方案也是近些年光模块产业的研究方向之一[2]。本文通过理论分析与测试，证明在四通道小型可插拔(Quad Small Form-factor Pluggable，QSFP)50 Gbit/s光模块设计理论的基础上设计出来的小型可插拔(Small Form-factor Pluggable，SFP)50 Gbit/s光模块可以更好地解决5G前传网中数据需求增加、空间有限和成本有限等问题。
光模块无论是前期的设计研发还是后期的调试，其核心问题都在光发射组件(Transmitter Opti-cal Subassembly，TOSA)、光接收组件(Receiver Optical Subassembly，ROSA)及其相关器件上。TOSA是将电信号转化为光信号的器件，其结构复杂、精密度高、价格高昂，ROSA是将光信号转化为电信号的器件，主要包含接收与放大两个部分[3-4]。
在传统QSFP28 50 Gbit/s光模块的设计方案中，将两路25 Gbit/s不归零码(Non Return To Zero，NRZ)电信号输入4阶脉冲幅度调制(4 Pulse Amplitude Modulation，PAM4)编解码芯片，采用图1所示的方式将其转化为一路50 Gbit/s PAM4电信号，并将其输入激光驱动器(Driver)中，通过激光驱动器放大信号并驱动直调激光器(Directly Modulated Lasers，DML)发光[3,5-6]。
图1 NRZ信号转化为PAM4信号原理图
ROSA将接收到的光信号转化为电信号后传给PAM4编解码芯片，PAM4编解码芯片再将PAM4信号转化为两路NRZ信号。微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)参与控制整个传输过程。图2所示为QSFP28 50 Gbit/s光模块信号传输框图。
图2 QSFP28 50 Gbit/s光模块信号传输框图
在QSFP28 50 Gbit/s光模块的基础上，近几年50 Gbit/s光模块的研究方向有：
(1)使用更小的封装，避免通道的浪费，便于铺设以及降低功耗；
(2)提高模块的温度适用范围，比如将温度适用范围从C-Temp(0～70 ℃)提升至I-Temp(-40～85 ℃)；
(3)提升模块的光传输距离，比如将光传输距离从10 km提升至40 km。
本研究将从这几个方向入手，基于QSFP2850 Gbit/s光模块的技术背景，设计一款封装更小、性能更强、功耗更低且传输距离更远的SFP56 50 Gbit/s光模块。
在发射端，PAM4电信号输入SEMTECH GN2256芯片，经时钟与数据恢复(Clock and Data Recovery，CDR)单元后驱动外调激光器(External Modulated Laser，EML)发出50 Gbit/s PAM4光信号。相较于DML，EML发光不变，激光驱动器驱动外置调制器调节实际出光大小，这种类型的激光器更适合远距离传输[3,6]。对于接收侧，SFP56与QSFP28封装的光模块工作原理基本相同。SFP56 50 Gbit/s光模块的整体设计单板框架如图3所示。
图3 SFP56 50 Gbit/s光模块单板框架
光模块的尺寸会对前传网建设产生较大的影响，如果能够将同样传输速率的模块做的更小，那么在同样大小的单板上就可以安装更多的模块，变相的单板传输速率就会增加，也可认为实现相同单板速率需要的单板尺寸更小，有利于缩小设备尺寸。
表1所示为QSFP28与SFP56尺寸造价及50 Gbit/s传输时的功耗，由表可知，在不考虑模块长短拉环对铺设造成的影响的前提下：
表1 QSFP28与SFP56尺寸造价及50 Gbit/s传输时的功耗
(1)相同大小的单板上可铺设SFP56封装光模块的数量是可铺设QSFP28封装光模块数量的1.68倍；
(2)单个SFP56 50 Gbit/s 40 km光模块的功耗是QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模块的57.9%；
(3)单个SFP56 50 Gbit/s 40 km光模块的造价是QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模块的106.25%。
可以认为，在相同大小的单板上铺设SFP56 50 Gbit/s 40 km光模块与铺设QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模块相比，功耗基本不变，但单板速率提升了1.68倍，或者说实现相同的单板传输速率，单板面积减小了40.5%，功耗减小了42.1%。
传统QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp(0～70 ℃)光模块的造价约为80 $/pcs，本设计中的SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp(-40～85 ℃)光模块的造价约为85 $/pcs，所以在传输相同距离的情况下，实现相同的传输速率，SFP56封装的光模块成本只有QSFP28封装的26.6%。
无论是QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp光模块还是SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp光模块，都既可以自环也可以通过加入外光源的方式进行测试[7]。在测ROSA端相关参数时，为了避免环境温度对光源产生影响，本研究选用加入外光源的方式搭建测试环境进行对比测试。如图4所示，待测设备(Device Under Test，DUT)发出的光经过分光器分光后，90%的光输入数字通信分析仪(Digital Communication Analyzer，DCA)测量光眼图相关参数，10%的光输入光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer，OSA)测量波长及边模抑制比(Side-Mode Suppression Ratio，SMSR)。已知光模块发出的光经过衰减器(Attenuator，ATT)后输入DUT，测量DUT Rx相关参数，误码仪(Bit Error Tester，BERT)为评估板(Evaluation Board，EVB)提供调制信号，为DCA提供时钟信号[8]。DUT置于恒温箱中，可人为改变其工作的环境温度，已知光模块被置于恒温环境下。万用表用于光模块的电压校准，个人电脑(Personal Computer，PC)用于通过图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)调节光模块参数，电源为两个EVB供电。
图4 加入外光源的测试框图
在常温下，两个光模块的光眼图如图5所示，相关参数如表2所示。由表可知，QSFP28 50 Gbit/s光模块和SFP56 50 Gbit/s光模块在常温下的发射机色散眼图闭合四相(Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary，TDECQ)分别为2.49和1.98 dB，消光比分别为6.529和4.749 dB，平均光功率分别为1.73和0.69 dBm。将外光源置于常温环境下，保持其工作状态不变，在链路中，将外光源发出的光经过ATT后分别输入QSFP28 50 Gbit/s ROSA端和SFP56 50 Gbit/s ROSA端，经过测量发现，这两个模块在25 ℃时的灵敏度分别为-11.3和-11.9 dB。
表2 常温下两个光模块光眼图相关参数
图5 常温下光眼图
在高低温环境下，SFP56 50 Gbit/s光模块的光眼图如图6所示，相关参数如表3所示，通过调节环境温度，使得光模块分别工作在-40和+85 ℃，TOSA发出的光经过40 km光纤后输入DCA，调节相关参数后，TDECQ分别为2.52和2.77 dB，平均光功率分别为1.50和0.67 dBm，消光比分别为4.401和4.402 dB，灵敏度分别为-11.5和-11.3 dB，均符合电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)802.3cd中50 Gbit/s相关要求。
表3 高低温状态下SFP56 50 Gbit/s光模块光眼图相关参数
图6 SFP56 50 Gbit/s光模块高低温光眼图
由于传统QSFP28 50 Gbit/s光模块的工作温度范围为0～+70 ℃，而本研究中SFP56 50 Gbit/s光模块的工作温度范围为-40～+85 ℃，所以比较两者在0和+70 ℃时的性能参数没有太大意义，而模块的高低温性能参数通常符合线性关系，即通常常温性能好的模块，高低温性能同样也会好。于是只需要测试SFP56 50 Gbit/s光模块在-40和+85 ℃环境下工作时的性能参数，只要在该环境下模块的性能参数符合IEEE 802.3cd中50 Gbit/s相关要求，那么结合常温性能参数即可判断两种不同封装的光模块的性能孰优孰劣。
由表3可知，相较于QSFP28封装，选用SFP56封装后光模块的TDECQ减小了20.5%，灵敏度提高了0.6 dB，可以认为选用SFP56封装后，光模块的整体性能提升了约20%，即SFP56封装比QSFP28封装更适合应用于50 Gbit/s光模块领域。
实验证明，本文成功地在QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模块的基础上，选用了更小的SFP56封装，将PAM4 Gearbox编解码芯片更换为SEMTECH GN2256 CDR芯片，结合TOSA、ROSA和EML设计出了一种SFP56 50 Gbit/s 40 km I-Temp光模块。与传统QSFP28 50 Gbit/s 10 km C-Temp光模块相比，在达成传输速率翻倍的前提下，模块成本缩减了73.4%，模块的整体性能提升了约20%，可以在更加恶劣的工作环境下工作，且各项指标均符合IEEE 802.3cd中50 Gbit/s相关要求。SFP56 50 Gbit/s 40 km光模块优势颇多，可以预见在今后的5G前传网中会起到替代QSFP28 50 Gbit/s 10 km光模块的作用。
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