100G光模块功能与发展演进

随着社会信息化进程的不断推进,对带宽的需求与日俱增,伴随着公有云、物联网、人工智能的快速发展,100G 系统也开始进行了大规模部署。而在100G系统的建设中,CFP是目前使用最为广泛的光模块之一,而接下来本文将结合100G客户侧和线路侧光模块框架结构对CFP 、CFP2、CFP4三种封装类型的光模块进行对比。

引言

随着社会信息化进程的不断推进,对带宽的需求与日俱增,伴随着公有云、物联网、人工智能的快速发展,100G 系统也开始进行了大规模部署。而在100G系统的建设中,CFP是目前使用最为广泛的光模块之一,而接下来本文将结合100G客户侧和线路侧光模块框架结构对CFP 、CFP2、CFP4三种封装类型的光模块进行对比。

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。
CFPMSA 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)。
客户侧光模块

(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。

CFP 模块演进

2009 年,思博伦推出业内第一个100G 测试模块。随着TOSA、ROSA 和GearBox IC 的发展,CFP MSA 已经演进到CFP4 类型。2013 年9 月,Finisar 展示了业界第一个100GE-SR4CFP4 光模块。2014 年3 月11 日,思博伦通信宣布推出支持CFP4 的4 端口DX2100G 测试模块,支持40Gbit/s 和100Gbit/s 光接口应用,可满足当今以及未来通信网络对于超高带宽的要求。在2014年以太网联盟展台上,Finisar 的100GE-SR4CFP4 光模块将插在思博伦DX2100G CFP4 测试模块上,展示了无错误的传输流互操作性,显示了CFP4 技术的成熟性,加快了该类型模块的上市时间。

(1)CFP 模块封装

100G CFP 模块封装演进历程,从最初的CFP 逐步发展到现在的CFP4。CFP4 光模块体积是CFP2 的一半,是当前使用的CFP 宽度的1/4。由于体积的减小,CFP4耗电量大幅下降,从而使它们在新超高带宽数据中心和核心路由器领域更具吸引力,网络设备制造商可以通过从CFP2向CFP4接口迁移,将前板端口密度 增加1倍。

(2) 电接口速率

图 1 展示了近十年电接口速率的发展,从 1Gbit/s发展到 28.05Gbit/s。得益于 IC 芯片的发展,CFP 光模块才发展到目前的CFP4类型,集成度大幅提高,功耗也得以进一步降低。各类型光模块支持电接口速率如下:
电接口速率
1、CFP光模块支持每通道电接口速率为10Gbit/s。
2、CFP2光模块支持下面几种速率高速电接口:
●4×TX通道+4×RX通道,每通道速率25Gbit/s。
●8×TX通道+8×RX通道,每通道速率25Gbit/s。
●10×TX通道+10×RX通道,每通道速率10Gbit/s。
以下两种类型将来可能支持:
●4×TX通道+4×RX通道,每通道速率50Gbit/s。
●8×TX通道+8×RX通道,每通道速率50Gbit/s。
3、CFP4光模块支持下面几种速率高速电接口:
●4×TX通道+4×RX通道,每通道速率25Gbit/s。
●4×TX通道+4×RX通道,每通道速率10Gbit/s。

(3)内部环回

以CFP4 光模块为例,展示光模块内部环回功能,此功能为可选功能。环回功能通过MDIO 接口对内部器件进行控制。如图2 所示,有两个环回方向:主机侧环回和网络侧环回。是否支持环回功能,若支持,支持哪个方向,由模块内部IC 芯片决定(图中标记“Interface IC(s)”)。此功能由厂家决定。环回功能,可以用于光模块故障定位。
内部环回

(4)管理信息系统

CFP 管理信息系统由包括 MDIO 固件接口和硬件控制、告警插针。CFP、CFP2 和 CFP4 均采用MDIO 对系统进行读写控制。几种封装结构有细微差别:CFP 使用5 个MDIO 端口地址插针来传输32 个不同的地址,在后续使用中发现实际使用不到如此多的地址;CFP2 和CFP4 减少到使用3 个 MDIO 端口地址插针传输8 个地址端口信息。当主机需要多于8 个端口时,使用独立的MDIO 总线。CFP2仍保留 CFP 中可编程告警和控制插针,这些管脚在 CFP4 中被去除。
客户侧光模块MDIO 接口实现功能如下:
●模块基本信息查询。
●密码控制(可选)。
●Alarm/Warning 门限设置。
●控制类命令设置,如模块复位、TX 端去使能、TX PRBS 使能等。
●FAWS(Fault、Alarm、Warning and Status)查询,包括当前和锁存两种类型。
●软件下载。
MSA-100GLH 光模块除上面功能外还包括:
●发送端激光器功率和频率控制。
●接收端功激光器率和频率控制。
●FEC 控制。
●状态查询,包括模块整体状态、Lane 通道状态(是否帧对齐、告警、OTN 帧状态),由3 类寄存器配合完成,即当前状态、锁存状态、使能寄存器。
●NetworkLane控制,实现对各通道相位、幅度控制。
●实现对偏振状态控制和查询。
通过上面相关接口功能实现对MSA-100GLH 光模块控制,从而实现偏振、QPSK、DSP、FEC 对应器件功能,结合控制环路控制实现模块整天功能。MDIO接口详细定义请参考“CFP MSA Management Interface Specification”。

结束语

目前,100G 光模块主要应用于电信骨干网,CFP技术已经比较成熟,是现在使用最多的光模块。在 2013 年OFC 会议上很多光模块公司已经推出了CFP2相关产品。CFP2 光模块在数据、通讯、存储网络,甚至包括目前很热门的云计算领域,都有比较广泛的应用,在未来几年有比较大的应用前景和空间。虽然华为等设备商和光模块厂家都在力推CFP4,但是目前CFP4相关器件技术仍然不是很成熟,价格也相对较高,因此大规模使用还需要一定的时间。但随着光电器件技术逐步发展,价格进一步下降,在不远的将来,CFP4 光模块由于其小封装、低功耗等优势,肯定会占领100G 光模块大部分市场。

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