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摘要：400Gb/s光收发模块是400Gb/s通信网络中物理层的核心部件之一，其开发设计也是通信网络从100Gb/s演进必须解决的问题。秒到 400Gb/秒。 首先介绍了400Gb/s光收发模块的相关标准，根据CFP8热插拔光收发模块封装多源协议给出了CFP8 LR8模块的设计方案； 然后，使用四阶脉冲幅度调制（PAM4）测试设备测试了模块的发射机和接收机参数，并说明了测试原理和测试方法。 测试结果符合 IEEE St d 802.3bs-2017 中的 400GBASE-LR8 规范。

介绍

400Gb/s国际标准主要由国际电联电信标准化部门（ITU-T）、电气和电子工程师协会（IEEE）、光互联论坛（OIF）等组织制定。 根据目前ITU-T关注400GE映射和远距离传输，IEEE标准客户端接口400GE和OIF关注400Gb/s模块和接口等标准化领域。 400Gb/s标准将在三大标准组织的合作下稳步推进[1]。 在此基础上，不同的光模块及其相关厂商组成了三个产业联盟，并发布了各自的多源协议（MSA），形成了三种不同的400Gb/s热插拔光模块封装形式：CFP8[2]、OSFP [3] 和 QSFP-DD[4]。

本文介绍的400Gb/s CFP8 LR8光模块是根据CFP8 MSA [2, 6]设计实现的。 光接口符合 IEEE Std802.3bs-2017 [5] 中的 400GBASE-LR8 规范。 IEEE Std 802.3bs-2017 中的 400GAUI-16 C2M 规范。

1 CFP8 LR8光收发模块的设计与实现

1.1 模块功能框图

CFP8 LR8光收发模块主要由四阶脉冲幅度调制（PAM4）转换单元、发射单元、接收单元和控制单元组成。 功能框图如图1所示。

PAM4转换单元实现16路25Gb/s不归零(NRZ)电信号与8路50Gb/s PAM4电信号之间的转换； 发射单元采用两个四通道驱动芯片和两个四通道光传输元件(TOSA)完成电光转换，将8路不同波长的光信号通过合波器耦合到一根光纤中传输。 接收单元使用解复用器对8路不同波长的光信号进行解复用，使用两个光接收元件（ROSA）完成光电转换； 控制单元采用单片机对内完成各芯片的初始化配置、实时监控和调整，对外实现模块的数字诊断功能。

图1 CFP8 LR8光模块功能框图

1.2 PAM4翻译单元

400GBASE-LR8规范规定信号调制格式为PAM4。 PAM4信号的每个符号周期可以传输2比特的逻辑信息。 如果要达到同样的信号传输能力，PAM4信号的符号率只需要是NRZ信号的一半即可。 . 采用PAM4调制格式可以有效降低光模块对光器件的带宽要求，减少并行通道数，使光模块在封装尺寸和功耗方面具有优势，也是后续演进到光模块的有力解决方案更高的利率。

CFP8 LR8光模块与主板电接口（金手指）中的高速信号采用16路25Gb/s NRZ信号，符合400GAUI-16 C2M规范，而光接口规范为400G -BASE-LR8，采用8通道50Gb/s PAM4信号，因此必须转换信号速率、调制格式和通道数，以保证光模块金手指与光收发单元之间数据的正常传输。 这个转换功能是由PAM4 Gearbox芯片实现的。

在传输方向，PAM4 Gearbox芯片经过时钟恢复、数据对齐、编码转换、前向纠错（FEC）编码、模式再生等处理后，将16路25Gb/s NRZ信号转换为8路50Gb/s PAM4 . 信号经过驱动芯片后输入TOSA； 在接收方向，PAM4 Gearbox芯片对ROSA输出的8路50Gb/s PAM4信号进行时钟恢复、数据对齐、编码转换、FEC解码、数据分发和模式再生。 转换为 16 通道的 25Gb/s NRZ 信号。

PAM4 Gearbox芯片需要通过控制单元中的微控制器进行加载和初始化，才能进入工作状态。 同时需要对每个通道的PAM4相关参数进行逐一调整和优化信号隔离器符号，使传输的PAM4眼图符合要求。 因此，PAM4 Gearbox芯片的调试是CFP8 LR8光模块能否成功实现的关键。

作为模组中最核心的芯片，目前业界能够提供完整解决方案并实现量产的PAM4 Gearbox芯片厂商只有Broadcom和Inphi。 Broadcom对应的型号是BCM81188，Inphi对应的型号是IN015025。 两款芯片都可以实现上述功能。

1.3 发射单元

发射单元由2个四通道驱动芯片、2个四通道TOSA、2个半导体热电制冷器（TEC）控制器和一个多路复用器组成。 TOSA 中集成了分布式反馈 (DFB) 激光器、电吸收 (EA) 调制器、光隔离器、背光检测二极管、热敏电阻和 TEC。 由于每个TOSA已经集成了4通道的电吸收调制激光器（EML），所以不能再内置EML驱动器，需要外置驱动芯片。 CFP8 LR8光模块共有8路激光器及其驱动器需要控制，但微控制器中自带的模拟/数字（A/D）和数字/模拟（D/A）转换端口数量控制单元不足，集成了A/D和D/A转换芯片，扩展了通道数，控制关系和信号流向如图2所示（图中只列出了一个激光器）。 由于发射单元中存在多种多样的控制信号，因此光模块内部各种电压的稳定性以及各个信号的控制精度将决定光模块的稳定性。

PAM4 Gearbox芯片输出的高速电信号为差分PAM4信号，摆幅一般小于800mV（峰峰值）。 经过EML驱动放大后，输出为单端PAM4信号，摆幅可达2.2V（峰峰值）以上。 四通道EML驱动芯片可选择Inphi、Macom等芯片厂商的相应产品。 该模块中的四通道TOSA采用日本住友包装的密封盒封装，采用柔性电路板（FPC）与模块主印刷电路板（PCB）连接。 输入单端PAM4信号要求小于2.6V（峰峰值），激光器偏置电流最大输入100mA，检测电流最大输出2mA。

图2 发射单元功能框图

1.4 接收单元

接收单元由2个四通道ROSA和一个分路器组成，每个ROSA集成了4个高速光电二极管（PIN）和4个跨阻放大器（TIA）。 接收到的光信号经过解复用器分成8路不同波长的光信号，通过PIN完成光电转换，通过TIA完成电流-电压转换，然后输出到PAM4 Gearbox芯片。 ROSA可以通过接收信号强度指示（RSSI）引脚将接收到的光功率信息输出给控制单元。 该模块中的四通道ROSA也封装在日本住友的密封盒中。 它使用 FPC 连接到模块的主 PCB。 其响应度为0.7A/W（典型值），输出高速差分PAM4电信号摆幅可达600mV（峰峰值），满足PAM4 Gearbox芯片输入信号摆幅为大于 400mV（峰峰值）。

1.5 控制单元

控制单元通过单片机实现对光模块内部各部件的配置、调整和实时监控。 模块上电后，单片机加载并初始化各芯片的配置。 模块正常工作后，单片机实时监控和调整各部件的工作状态。 单片机根据CFP8 MSA管理接口规范[6]中定义的寄存器地址，开辟存储空间，分别保存相应的信息。 单片机上的管理数据输入输出（MDIO）接口直接与光模块的金手指相连，上位机通过光模块的金手指与单片机通信，可以读写相关寄存器，实现模块的数字诊断功能。

另外，CFP8 MSA硬件规范[2]中定义的硬件控制管脚（TX_DIS、MOD_LOPWR、MOD_RSTn、MOD_SELn）和硬件报警管脚（RX_LOS、GLB_ALRMn）是通过连接到金手指的单片机IO口实现的光学模块。

CFP产业联盟对CFP系列光模块定义的管理接口为MDIO，因此CFP8可以继续使用广泛应用于CFP、CFP2、CFP4的ADI公司ADuCM320单片机，可提供1个MDIO从设备接口，这为单片机开发提供了方便的固件。

2个测试用例

CFP8 LR8光模块的测试主要包括发射端的眼图测试和接收端的灵敏度测试。 测试框图分别如图3和图4所示。 根据IEEE Std 802.3bs -2017中的400G-BASE-LR8规范，CFP8 LR8光模块在发送方向和接收方向有8个不同波长的通道，可以一一选择通道进行发送和接收测试. 本文仅列出通道0（1273.54nm）和通道1（1277.89nm）的主要测试结果。

由于本模块光接口信号为PAM4信号，测试仪器和测试参数与NRZ信号不同。 主要测试仪器包括Keysight M8040A误码测试仪、具有PAM4分析功能的Anritsu MP2110A示波器和Keysight N1077A光/电时钟恢复仪。

图3 发射机眼图测试框图

图 4 接收灵敏度测试框图

在53.125Gb/s速率和short stress pattern randomquaternary (SSPRQ) pattern测试条件下，模块的channel 0(1273.54nm)和channel 1(1277.89nm)在0℃、25℃和70℃的环境温度下表1给出了发射眼图主要参数的转换结果。 同理，在53.125Gb/s速率、PRBS31Q码型、2.4×10-4误码率测试条件下，环境温度分别为0℃、25℃和70℃时，模块通道0（1273.54nm）用通道1（1277.89nm）进行10km光纤接收测试，实测单通道最小平均接收光功率可达400GBASE-LR8规范规定的-9.1dBm。 需要注意的是，在400GBASE-LR8规范中，最小平均光功率和接收灵敏度（OMAouter）被定义为信息性的接收端参数，压力接收灵敏度被定义为强制性（规范）。 但由于目前PAM4信号压强接收灵敏度（OMAouter）的测试设备和测试方法还不成熟，所以现阶段大部分模块厂商仍采用最小平均光功率来测试接收灵敏度。

表1 PAM4光眼图参数

3 结论

在CFP8 MSA规定的各种模块实现方案中，解决方案（简称16:8）可以最大限度地利用现有资源，在产业链上可以优先采购相应的光器件和芯片，因此大部分模块厂商从CFP8 用于开发 400Gb/s 光模块。 在400Gb/s热插拔光模块的三种封装形式中，究竟哪一种能够占据领先地位，最终取决于产业链的成熟度和市场接受度。 本文给出的一种CFP8 LR8光模块设计方案已经成功实现。 该模块收发性能测试结果满足CFP8 MSA和IEEE Std802.3bs-2017相关标准要求，可通过单模光纤传输实现10km 400Gb/s数据。 随着集成光器件和PAM4芯片技术的成熟和成本的降低，CFP8光模块或将在市场上占有一席之地。 （参考文献省略）

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随着移动互联网、云计算、大数据等技术的快速发展，对传输网络中端口间的数据速率提出了更高的要求。 400GCFP8收发器体积小巧，功耗低，比现有100G速率解决方案快四倍。 带宽，可以为客户提供更高密度和更高速度的路径。

为了满足市场的需求，光迅科技推出了400G CFP8 LR8模块（图1）。 该产品也是光迅科技针对400G客户端应用推出的第一款产品。 它利用光迅科技现有的高端产品开发技术和100G集成器件封装平台可同时支持16x25.78125Gb/s NRZ和16x26.5625Gb/s NRZ传输并合成8通道PAM4调制方式，完全满足IEEE 802.3bs和400GBase-LR8/FR8标准，支持10公里传输。 在实验室测试眼图性能良好（图2）； 10km光纤的灵敏度高，表现出优异的传输能力。 400G CFP8传输模块产品的推出，再次彰显了光迅科技作为光电器件领先供应商的强大发展实力。 光迅科技将继续努力，不断推出新的高性价比400G产品，以满足市场的不同需求。

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