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用于以太网的40Gbit/s CFP光模块设计

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        了满足传输容量日益增长的需求和降低通信系统的成本,介绍了一种用于城域网的40Gbit/s CFP(百吉比特可热插拔)光模块,该模块采用波分复用技术来实现4路不同波长的10Gbit/s载波信号在一根光纤中传输。它主要由发射单元、接收单元和控制单元3大部分组成。重点介绍了各个部分的工作原理及具体设计方案,按照IEEE 802.3.ba标准对样机进行了测试,结果表明该模块满足40Gbit/s以太网的应用要求。

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2012 年   第 4 期 总 第 172 期 光通信研究 STUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS 2012.08 (Sum.No.172) 光电器件研究与应用 用于以太网的40Gbit/s CFP 光模块设计 熊青松1,2,张武平1,2,陈晋 敏1,2 (1.光纤通信技术和网络国家重点实验室,湖北 武汉 430074; 2.武汉电信器件有限公司,湖北 武汉 430074) 摘要:为了满足传输容量日益增长的需求和降低通信系统的成本,介绍了 一 种 用 于 城 域 网 的 40Gbit/s CFP(百 吉 比 特 可 热 插 拔)光模块,该模块采用波分复用技术来实现4路不同波长的10Gbit/s载波 信 号 在 一 根 光 纤 中 传 输 。 它 主 要 由 发 射 单 元、接 收 单元和控制单元3大部分组成。重点介绍了各个部分的工作原理及具体设计方案,按照IEEE 802.3.ba标准对样机进行了 测 试 ,结 果 表 明 该 模 块 满 足 40 Gbit/s以 太 网 的 应 用 要 求 。 关 键 词 :IEEE 802.3ba标 准 ;粗 波 分 复 用 ;发 射 单 元 ;接 收 单 元 ;控 制 单 元 中 图 分 类 号 :TN256      文 献 标 志 码 :A      文 章 编 号 :1005-8788(2012)04-0049-03 Design of 40 Gbit/s CFP optical modules for Ethernet Xiong Qingsong1,2,Zhang Wuping1,2,Chen Jinmin1,2 (1.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks,Wuhan 430074,China; 2.Wuhan Telecommunication Device Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China) Abstract:This paper presents a 40Gbit/s CFP optical module used in the Metropolitan Area Network (MAN).Consisting of receiving unit,transmitting unit and control unit,this module realizes the transmission of four lines of 10Gbit/s carrier signals with different wavelengths in a single fiber by using the WDM technology.Then it describes the working principles of the above three parts and their specific design schemes and conducts the relevant tests on the prototype by IEEE 802.3ba standard.The results show that this module fully satisfies the application requirements of 40Gbit/s Ethernet. Key words:IEEE 802.3ba standard;CWDM;transmitting unit;receiving unit;control unit 0 引 言 1 40Gbit/s CFP 光模块的工作原理 随着 高 清 视 频 和 高 速 数 据 业 务 的 迅 速 发 展,人 们对带 宽 的 要 求 越 来 越 高,现 有 的 10 Gbit/s以 太 网已经表现出局限 性,下 一 代 高 速 以 太 网 的 出 现 成 为 发 展 的 必 然 趋 势[1-3]。IEEE 802.3ba 标 准,即 40 Gbit/s/100Gbit/s以 太 网 标 准 已 于 2010 年 6 月 17日正式 获 批,它 支 持 40 Gbit/s和 100Gbit/s的 以太网帧传送,同 时 确 立 了 主 干 网 络、铜 缆 布 线、多 模光纤和单模光纤 通 信 的 物 理 层 规 范,以 减 轻 未 来 核 心 网 络 带 宽 的 “瓶 颈 ”问 题 。 基于IEEE 802.3ba 40 G BASE-LR4 规 格 的 40 Gbit/s CFP(百 吉 比 特 可 热 插 拔 )光 收 发 模 块 ,适 应了如今数据中心 日 益 增 加 的 带 宽 需 求,它 在 单 模 光 纤 上 传 输 的 数 据 是 传 统10Gbit/s光 模 块 的4 倍 , 传输距离 能 达 到 10km[4-5]。 同 时,研 究 40 Gbit/s CFP 技术也可以 更 好 地 为 设 计 100 Gbit/s CFP 服 务。本文从40Gbit/s光 收 发 模 块 的 基 本 工 作 原 理 入手,分析整个模块 的 硬 件 电 路 和 软 件 控 制 的 实 现 方式。通过 对 模 块 的 光 性 能 测 试 验 证 了40Gbit/s 光 模 块 应 用 于 40 Gbit/s光 传 输 网 络 的 可 行 性 。 40Gbit/s CFP 光模块 是 可 热 插 拔 的 客 户 端 光 模块,其 中 40 Gbit/s BASE-LR4 基 于 1 310 nm CWDM(粗波分复用)技术,在 单 模 光 纤 上 的 传 输 距 离 达 10km。 频 率 间 隔 基 于ITU-T G.694.2 规 范 , 使 用1 270、1 290、1 310和1 330nm 4个波长,每个 波长 通 道 的 速 率 为 10.312 5 Gbit/s。 文 章 后 面 提 到的40Gbit/s CFP 光模块均为在单模光纤中传输 的模式,支持 40 Gbit/s 以 太 数 据 在 4 个 波 长 上 以 每个波长 10.312 5 Gbit/s 的 速 率 传 输,最 后 采 用 WDM(波分复用)技 术 将 4 个 波 长 的 光 信 号 复 合 在 一根单模光纤上 传 输。40 Gbit/s CFP 光 模 块 主 要 应用于城域网,可将 输 入 的 电 信 号 转 换 成 光 信 号 输 出 ,以 实 现 较 长 距 离 的 传 输 ,同 时 也 能 将 接 收 到 的 光 信号转换成电信号输出。 40Gbit/s CFP 光模块主要由3部分组成:发射 单元、接收单元 和 控 制 单 元。 它 的 基 本 功 能 框 图 如 图1所示。发射单元由 LD(激 光 器)、LD 驱 动 器 和 CDR(时钟 数 据 恢 复 )电 路 组 成。 输 入 模 块 的 4 对 1 0.3 1 2 5Gbit/s差 分 电 信 号 经 过CDR电 路 再 整 收 稿 日 期 :2012-02-03 作 者 简 介 :熊 青 松 (1986-),男 ,河 南 信 阳 人 ,硕 士 研 究 生 ,主 要 研 究 方 向 为 高 速 光 纤 通 信 模 块 。 49 光通信研究 2012 年   第 4 期   总 第 172 期 形、再 定 时 后,由 LD 驱 动 电 路 接 收,驱 动 LD 发 出 带有数据调制信号 的 4 路 不 同 波 长 的 激 光,然 后 通 过 WDM 器将4路光信号合为一路输出。接收单元 由探测器、二 级 放 大 器 (主 放 大 器 )和 CDR 电 路 组 成。在模块的接收 端,解 复 用 器 将 一 路40Gbit/s光 信号分成 4 路 不 同 波 长 的10.312 5Gbit/s光 信 号, 并通过探测器将其转换成4路微弱的电信号。微弱 的电信号首先经过 前 置 放 大 器 放 大,然 后 由 主 放 大 器接收并 对 前 置 放 大 器 放 大 后 的 信 号 进 行 二 级 放 大,输出电信 号,从 而 完 成 光/电 转 换。 控 制 电 路 部 分通过内部通信接口实现对激光器的 APC(自 动 功 率控制)、消光比补 偿、发 射 部 分 软 关 断 和 接 收 部 分 带宽调整的智能控 制,通 过 外 部 通 信 接 口 可 以 与 上 位机通信,完成模块 的 相 关 工 作 状 态 检 测 量 的 实 时 监控上报。 阻放大器)封装在 一 起 的 光 探 测 器 和 限 幅 放 大 器 组 成,从而完成光/电转换。4个 不 同 波 长 的 探 测 器 分 别接收来自相应波 长 的 光 信 号,并 将 其 转 换 成 具 有 一定幅度的电信号,然 后 经 过 限 幅 放 大 器 对 信 号 功 率进行逐级放大,同时由 CDR 电路提取时钟和恢复 信号,对接收到的信 号 动 态 建 立 判 决 值 以 使 数 据 恢 复并输出。 控制单元采 用 MCU 芯 片,通 过 采 集 各 个 相 应 端 口 的 数 字 信 息 实 现 对 各 个 通 道 的 电 压 、温 度 、激 光 器偏置电流、输入光 功 率 和 接 收 光 功 率 的 实 时 监 控 和 上 报 ,以 实 现 如 下 3 大 功 能 :(1)与 系 统 上 位 机 进 行通信;(2)模 块 内 部 模 拟 和 数 字 信 息 的 提 取、检 测 、上 报 和 告 警 ;(3)模 块 内 部 各 个 参 数 设 置 的 智 能 化控制。 3 测试结果分析 图1 CFP 光模块的功能框图 2 40Gbit/s CFP 光模块系统的总体 设计方案 根据上述40Gbit/s CFP 光模块各单元的设计 方案,成功研制了40Gbit/s CFP 光模块样机,并根 据IEEE 802.3ba的测试 标 准,利 用 误 码 仪、光 功 率 计 、光 可 变 衰 减 器 、示 波 器 和 直 流 稳 压 源 等 仪 器 搭 建 测试台位,进行 了 模 块 的 光 性 能 测 试。 测 试 台 位 框 图如图2所示,其 中 路 径 1(见 图 中 虚 线 )为 对 光 模 块发射部分的测试,利 用 光 功 率 计 和 示 波 器 分 别 记   40Gbit/s CFP 光模 块 的 总 体 设 计 主 要 是 解 决 发射单元、接收 单 元 和 控 制 单 元 的 实 现 问 题。 下 面 分别介绍各单元的具体设计方法。 在 发 射 单 元 ,选 用 10 Gbit/s DML(直 接 调 制 激 光器)作为 TOSA(光发射组件),激光器的驱动电路 集成在驱动芯片内。激光驱动器接收差分输入数据 并为激光器提供偏置电流和调制电流。由于半导体 激光器的斜效率会 随 温 度 的 变 化 而 不 同,所 以 需 要 APC 和消光比 补 偿 电 路 来 实 现 稳 定 的 激 光 器 平 均 光功率。激光器中 的 PD(光 电 二 极 管 )监 测 LD 的 光输 出 功 率 大 小,并 将 监 控 PD 的 输 出 值 反 馈 给 MCU(微控制 器),MCU 通 过 检 测 到 的 反 馈 值 来 控 制偏置电流IBias 输 出,从 而 调 节 偏 置 电 路 使 LD 始 终保 持 恒 定 的 光 功 率 输 出。 同 时,为 了 避 免 高 速 PCB(印刷电路 板)上 其 他 线 路 对 信 号 线 的 干 扰,在 布线时对信号采用差分信号线传输。 接收单元主要由 PIN(光 电 二 极 管)与 TIA(跨 50 图2 40Gbit/s CFP 光模块测试台位框图 录4个通道的光功率值以及光眼图;路 径 2(见 图 中 实线)为对光 模 块 接 收 部 分 的 测 试,利 用 40 Gbit/s CFP 收发一 体 模 块 的 自 发 自 收 功 能 分 别 对 各 接 收 通道的接收性能进 行 测 试,得 到 不 同 温 度 下 各 通 道 的测试结果。表1给出了在25 ℃、电压3.3V 和比 特 率 10.312 5 Gbit/s的 测 试 条 件 下 ,各 通 道 的 测 试 结果。 表1 25 ℃时不同通道的测试参数 测试项目 平均输出光 功 率/dBm 消 光 比/dB 接收灵 敏 度/dBm 测试要求 通道1 通道2 通道3 通道4 -7~2.3 -0.7 -1.1 -0.7 -1.1 >3.5  5.0  5.0  5.0  5.0 <-11.5 -15.5 -14.5 -15.4 -15.5   由表1可知,25 ℃时,在相同的测试条件下,每 熊青松 等: 用于以太网的40Gbit/s CFP 光模块设计 个通道的平均输出 光 功 率、消 光 比 和 接 收 灵 敏 度 值 完全满足IEEE 802.3ba的 测 试 要 求。 同 时 观 察 眼 图 可 知,4 个 通 道 在 同 一 温 度 下 的 眼 图 基 本 一 致。 由于 篇 幅 限 制,本 文 只 给 出 通 道 1 在 -5、25 和 70 ℃时 的 示 波 器 眼 图,如 图 3 所 示,其 具 体 参 数 如 表2所示。 图 3  通 道 1 在 不 同 温 度 下 的 光 眼 图 表 2  不 同 温 度 下 通 道 1 的 光 眼 图 参 数 温度 ℃ -5  25  70 平 均 输 出 光 功 率/dBm 消 光 比/dB  交 叉 点 (% ) -4.10 -3.77 -3.71 5.04  4.99  5.03 51.44  51.46  49.44   由上面3个不同温度下的眼图及其具体参数可 以看出,在-5、25、70 ℃3 个 温 度 下,平 均 输 出 光 功 率 、消 光 比 和 交 叉 点 的 变 化 很 小 ,消 光 比 最 大 变 化 幅 度<0.05dB,交叉点也 都 在 50% 左 右,说 明 光 眼 图 在不同 温 度 下 比 较 稳 定,这 主 要 是 因 为 模 块 中 的 APC 电路和消光比补偿电路起到了很大的作用。 4 结束语 40Gbit/s/100 G bit/s以 太 网 作 为 高 速 以 太 网 技 术 ,能够满足不断出现的高带宽网络应用 业 务 的 需 求 ,有 效 地 促 进 传 输 速 率 升 级 ,从 而 使 得 骨 干 网 充 满了活力 。 [1] 目前40Gbit/s系 统 已 经 逐 步 进 入 规 模化商用阶 段,CIR(通 信 产 业 研 究 机 构 )报 告 预 计 2016年 全 球 40 Gbit/s以 太 网 市 场 将 达 到 51 亿 美 元 。 [6] 文 章 中 我 们 研 究 了 传 输 系 统 客 户 端 的 40Gbit/s CFP 光 模 块 的 基 本 实 现 方 案,并 对 40Gbit/s CFP 光 模 块 样 机 按 照 IEEE 802.3ba 标 准进行了测试,结果 表 明 其 光 接 口 性 能 完 全 符 合 高 速以太网要求,并 且 传 输 距 离 能 达 到 10km。 随 着 高带宽业 务 的 不 断 增 长,相 信 40 Gbit/s CFP 光 模 块将有广阔的应用前景。 参考文献: [1] 张小 丹,程 丹.40 G/100 G 以 太 网 关 键 技 术 的 研 究 与 应用 [J].光通信技术,2011,(4):1-4. [2] John D ’AMBROSIA .4 0Gigabit Ethernet and 1 0 0 Gigabit Ethernet:The Development of A Flexible ar- chitecture [J].IEEE Commun Mag,2009,47(3):8- 14. [3]  傅 珂,马 志 强.40 Gb/s/100 Gb/s以 太 网 IEEE 802. 3ba标准研究 [J].光通信技术,2009,(11):12-15. [4] 胡毅,丁国庆.40Gb/s光模块的技术分 析 [J].光 通 信 技 术 ,2003,(2):15-18. [5] IEEE 802.3ba-2011,40 Gb/s and 100 Gb/s Ethernet Task Force [S]. [6] SHAFAL Farhad .4 0Gand 1 0 0GEthernet[EB/ OL].http://www.bladenetwork.net/userfiles/file/ PDFs/WP_40G_,2009-06-18. 檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯   如何写科技论文的引言? 科技论文的引言是简要说明 研 究 的 主 要 目 的、范 围,即 为 什 么 写 这 篇 论 文 以 及 要 解 决 什 么 问 题 ;前 人 在 本 课 题 相 关 领 域 内 所 做 的 工 作 和 尚 存 的 知 识 空 白 ,作 简 要 的 历 史 回 顾 和 现 在 国 内 外 情 况 的横向比较;理论基础、技术路线、实验方法和手段,以及选 择 特 定 意 见 方 法 的 理 由;预 期 研 究 结 果 及意义。 引 言 部 分 一 般 分 为 3~4 个 层 次 :(1)由 研 究 背 景 、意 义 、发 展 状 况 等 内 容 组 成 ,其 中 还 包 括 某 一 研究领域的文献综述;(2)提出目前尚未解决的问题或急需解决的 问 题,从 而 引 出 自 己 的 研 究 动 机 与意义;(3)说明自己研究的具体目的与内容;(4)可以介绍一下 论 文 的 组 成 部 分。 篇 幅 不 宜 过 长, 500 字 以 内 即 可 。 51

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