光通信主流100G光模块浅析

Posted 2020-11-24

在我们的日常生活中，5G这个词汇出现的频率越来越高，将为光通信产业带来新的发展机遇。包括光纤、光模块、光接入网络系统等的整个产业都会因5G建设而受益。其中100G光模块甚至在5G主题投资息息相关的细分行业里，成为了一个新的标志性主题行情。那么我们就来浅析100G光模块。

　　100G光模块概念：

　　100G的“G”，是指光信号传输速率的单位，而非5G的“G”（Generation，第5代移动通信）。光模块则指的是实现光信号和电信号之间的高速转换的一种光器件，由光接收、光发送、激光器、检测器等功能模块组成。

　　100G光模块封装：

　　根据封装方式的不同，100G光模块主要有CFP／CFP2／CFP4、CXP和QSFP28三大类， QSFP28是新一代100G光模块的封装方式，而且现在已经成为100G光模块的主流封装。

　　100G相关标准：

　　为推动100G 光通信产业链的良性发展，多个光通信国际标准组织积极制定100G相关标准，涵盖100G以太网接口、光器件、光模块、OTN 成帧、系统架构等领域。IEEE 802.3ba涵盖40/100G 以太网接口标准，并于2010年7月正式发布；ITU- T G.709 定义了支持100GE的OTU4帧结构及映射协议，规范了100G单板中成帧处理要求；OIF负责制定100G 波分侧光模块电气机械接口、软件管理接口、集成式发射机和接收机组件、前向纠错技术的协议规范，推动了波分侧接口设计标准化；由多个光模块厂商组成的CFP多源协议联盟也发布了客户侧可热插拔光模块硬件和软件接口协议，并为100G 客户侧接口制定了接口规范。

　　CFP MSA是第一个支持40和100GbE以太网光端机的产业标准。CFP多源协议是为了定义一种热插拔光模块的封装规格，以推动40 和100Gbit/s 应用，包括下一代高速以太网应用（40 和100GbE）。CFA 多源协议利用高级温度管理（Advanced Thermal Manage-ment）、电磁干扰管理（EMI Management）和10Gbit/s 信号完整性（10Gbit/s Signal Integrity）等来定义光收发模块的机械封装、光连接器、带插针10×10Gbit/s 电连接器，并基于MDIO 的模块管理接口和系统控制板上的硬件。

　　CFP 协议包括两部分，即硬件规格和管理接口规范。CFP3 种封装类型下硬件规格详细定义协议发布时间如下：

　　（1）CFP Publication 于2009 年3 月23 日发布，目前最新版本为Publication Rev1.4。

　　（2）CFP2 Draft 0.0 于2012 年12 月30 日发布，目前最新版本为1.02013.7.31。

　　（3）CFP4 Draft 0.1 于2014 年3 月2 日发布（目前唯一版本）。

　　CFP 管理接口规范2.0 发布于2011 年6 月30 日，涵盖3 种CFP 封装类型，此前版本只支持100G 客户侧光模块，从该版本开始新增对OIF MSA-100GLH DWDM光模块的支持。

　100G 光模块框架结构：

　　（1）客户侧光模块

　　如表1所示，IEEE802.3ba规定了支持100GE接口类型，即 100GBASE- SR10、100GBASE- LR10、100GBASE-LR4 和 100GBASE-ER4 等，详细定义了各种类型支持的传输距离、光纤类型、支持速率和对应波长等。IEEE 802.3ba 定 义 了 100GE 的 速 率 为103.125Gbit/s。 OIF 定 义 了 两 种 CFP 类 型 ：4 波 长（4×25G，100GBASE- LR4/ER4）和 10 波长（10×10G，100GBASE-SR10/LR10）。

　　（2）线路侧光模块

　　DWDM 的长距传输主要受限于OSNR、色散、非线性效应、PMD 等物理限制。系统允许的色散容限与速率的平方成比例下降；DGD 容限与速率成反比，速率越高，系统允许的DGD 越小，而信号偏振变化的统计特性导致PMD 的光学补偿方式实用困难。此外，光传输系统的发展趋势是需要进一步提升光纤的频谱利用效率，以节省光纤资源。这些限制因素和调制信号速率密切相关，调制速率越高，影响越明显。为解决上述问题，100G 线路侧光模块发送端使用PM-QPSK 调制技术，接收端使用相干检测技术、DSP 技术以及FEC软判决。

　　发送端使用偏振复用技术，两路独立的光偏振态来承载56GHz业务。每路偏振态都采用QPSK调制方式，可以进一步将波特率降低到28Gbit/s，降低了对光/电器件的带宽要求，从而降低了系统功耗和成本。

　　接收端使用相干接收以及电域补偿技术。其中， DSP 芯片实现功能包括CD 补偿、PMD 补偿、SOP 跟踪、频偏估计和相位恢复。相干平衡光接收机从光信号还原出两路偏振态，并从中解调出4 路相位信息，经过A/D 转换为数字信号，然后经过CD 补偿模块进行色散补偿，通过偏振补偿模块补偿 PMD，并跟踪线路 SOP 的旋转进行正确的偏振解复用，之后进行频率偏移补偿和相位恢复，最后进行判决恢复出原始信号，也可以输出软判决信号给后续的FEC 译码模块。DSP补偿技术可提升OSNR 容限到近6dB，系统色散容限可以达到 40000～60000ps/nm，PMD 容限可以达到25～30ps。

　　在100Gbit/sWDM系统中普遍采用软判决FEC技术。SD-FEC充分利用信道输出波形信息，应用更丰富的采样信息来判断接收到的信号是“1”还是“0”，可以提供更高的解码准确率，以此提高系统性能。对于20％开销的理想场景，软判决译码将比硬判决译码高出1.3dB 的理论增益性能。

　　100G光模块的应用场景：

　　CFP/CFP2/CFP4光模块的传输速率为40G/100G，应用在以太网；同步光纤；光传输网络；QSFP28光模块的传输速率为4×25-28G，应用在无线宽带；以太网。