随 着 通 信 系 统 的 发 展 与 数 据 中 心 的 兴 建 ，100 Gbit/s（以下简称 100G）以太网已开始逐渐商用化，2018 年 9 月，IEEE 发布了 802.3cd 协议，制订了100G 以太网的标准。实际上，100G的市场需求甚至已经先于标准出现。100G QSFP28 CWDM4光收发模块是100G以太网客户侧的光模块，因其有着集成度高、支持热插拔、速率快、体型小等特点且技术方案比较成熟，因此具有广阔的应用前景。文中给出一种符合 IEEE 802.3cd 标准且接收基于 COB（板上芯片封装）技术的 100G QSFP28 CWDM4设计方案，并通过对光模块各项参数的测试，验证了其应用的可行性。
1. 光模块整体设计
文中所介绍的光模块为目前市场上比较主流的以 MCU（单片机）为控制核心、以 Driver（驱动器）为发光驱动的光模块。其整体设计思路如下：通过电气接口，信号以电的形式进入模块 PCB，通过芯片及单片机的识别和处理后，再通过发射端的DML（直接调制激光器）发出四路光，其中心波长分别为 1271 nm、1291 nm、1311 nm、1331 nm，最后通过MUX进行光路合成为一路光耦合进 SMF导出传输；而在接收端接收光信号时，则在入光时线通过 DE-MUX（光分路器）进行光分，由一路光分为四路中心波长分别为 1271 nm、1291 nm、1311 nm、1331 nm的光，再通过PD（光电二极管）受激将光信号转为微弱电信号，最后通过 TIA（跨阻放大器）将电信号线性放大，传入光模块电路板，由接收芯片处理。
其模块简易功能框图如图1所示。
CWDM4模块同外部有两种接口连接，其中电信号通过 38PIN 的金手指同主机连接，完成对模块的供电、控制、通信等，光信号通过一对LC光接口对外输入输出。硬件原理框图如图2所示。
在模块内部，由MCU完成对模块的初始化设置，其工作内容包括响应SFF-8636协议所规定的内容，监测模块的工作状态，自动调整模块的工作参数。模块内的 LD Driver则用来完成自偏置差分的输入、集成可编程均衡处理、限幅放大电路的实现、时钟数据恢复重定时功能可选以及LD驱动等功能。模块内的Receiver内置PD偏置电路，集成跨阻放大、自动增益放大、限幅放大器电路，时钟数据恢复重定时功能可选，实现可去加重/均衡配置等功能。
2. 光模块接收端设计
2.1 光模块接收端设计原理
TOSA（光发射组件）的重要性等同ROSA的另一核 心 组 件 ，它 的 主 要 作 用 是 完 成 100G QSFP28CWDM4光模块电信号到光信号的转换。
TOSA内部主要集成了激光器芯片阵列、准直透镜阵列、CWDM滤光片阵列、激光片支架、全反片、光路偏移棱镜、光隔离器和聚焦透镜，其内部光路通过上述器件的先后及结构如图3所示。
从图 3 中可看出，在光学方面，100G QSFP28CWDM4 的 TOSA 利用激光器芯片阵列为光模块发光源，四路阵列生成波长分别为1 271 nm、1 291 nm、1311 nm、1 331 nm 的四路光；经过准直透镜阵列约束后光路到达 CWDM 滤光片阵列，其原理如同上文接收端相关段落所述，经过筛选确保指定波长的光进入，过滤掉非指定波长的杂光；四路光进入激光片支架腔内后，进行与上文接收端光路相反的流程，即基于自由空间光学，图3中从上到下分别经过6次、4次、2次和 0次全反片的全反射后合为一路光，抵达光路偏移棱镜，最后分别经过光隔离器和聚焦透镜耦合入单模光纤输出光信号。其中光隔离器的作用是将不同波长的光通过偏振进行筛选，只透过合适波长的光，减少反射光，所以隔离器具有方向性，但隔离器会损失一定的功率。当发射端与单模光纤耦合不充分时，耦合面会有部分信号光发生反射，使发射端信号质量变差，因此需要在发射端与隔离单模光纤耦合前加入光隔离器，以防止反射光反射。
在高频软带设计方面，为了尽可能地减小高频信号的不连续带来的带宽损失，这款TOSA的设计采用软带直接伸入 TOSA管壳内部的方式来实现。光模块发射端采用 Driver将输入的四路差分电信号转换成电流信号供给TOSA，实现了将四路25G电信号转换为光信号。其中，Driver 为 CDR（时钟数据恢复）和LDD（双路激光二极管驱动器）集成芯片，尺寸小，功耗低，性能稳定，温度范围均满足设计要求。CDR 是光模块发射端组件中的关键组成部分，CDR的作用主要是从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息。
发射端的数据监控也主要由单片机 MCU监控、存储，通过MDIO接口，单片机完成与PC端的上位机信息交互。根据设置好的存储位，光模块收发芯片将采集到的收发相关参数通过数模转换（ADC）转化为数字信号，转发给 MCU将参数信息存储在对应存储位，这些参数包括光发、收组件的光功率、模块工作电流、温度等，上位机在采集到相关参数后，则会根据相关算法，初步判断该模块的工作状态是否正常，正常则不做警示，如果工作状态异常，则会指示MCU按照算法调取寄存器信息进行查表补偿，或反馈至上位机进行告警。其中，为完成对光功率的监控，还需引入背光探测器（MPD），它的作用则是监控发光条另一端的光强，并将监测到的光强通过 P/N组件转化成电流，之后模块和系统级组件使用背光串联电阻，在线性区间进行采样，通过监控电流的大小量化推算发光大小以进行发射端发光光功率和信道的监控。
2.2 基于COB的接收端设计
通过对传统的 BOX接收端设计方案的研究，从工艺角度可以发现，其封装方式及光器件的贴片方式较为复杂，导致其故障件的返修难度较大，而且器件数量相对较多，这两条原因都将导致光模块生产成本增加，使光模块的价格一直居高不下，因此在不断面对光模块成本降低的急切需求，研发出一种工艺更简单、造价更低廉的光模块设计方式成为当今各大光模块生产厂商的首要任务之一。
基于COB工艺的新型接收端光路设计方案抛弃了传统的双层软带、薄膜滤光片以及激光组合器件，减少了光器件总量；并且在利用 COB工艺对方案进行改良后发现，由于对光器件的使用减少，其封装方式完全可以弃用传统的密封 BOX封装，不再需要利用惰性气体对各种光器件进行保护，而是直接将各种光器件暴露在空气中，导致这一方案对可靠性的要求大大降低，同时也降低了接收端组件的制作工艺难度，简化器件贴片流程，也因此在生产过程中出现故障组件时，其修理的难度降低，复用率增高，降低了生产报废率，节约了大量成本。
功能分析如下，接收端利用 AWG（阵列波导光栅）进行四路光的耦合与转换，将接收端光信号转化成微弱电信号后，通过 8根金线（四根正，四根负）将电流信号接入 TIA 转化成为电压信号，整形放大后再通过芯片进行输出，从而完成整个接收端所需要的功能，实现光模块光到电的转化。根据协议要求对COB封装方式的接收端设计进行测试，其尺寸、功耗、温度特性均满足设计要求。图 4 为完整结构框图。
接收端从单模光纤耦合光信号后，通过套筒，进入接收端的转接光纤，输入 AWG，AWG中心耦合折射率为 n=3.5 的波导，其材质为硅；在 AWG 末端，光路从波导材质中射出，经过传输长度为8 μm的光路后，投射在 AWG 末端的全反射倾斜面上，信号光经过反射，从AWG下端射出，经历光路长度也为8 μm；射出的光因为在光纤中斜射传播，经过全反射后发散成为一个面积不定的光斑，投射在位于AWG下方的 PD上，PD与 AWG的距离为 3.5 μm，而 PD上表面则为直径 20 μm的光敏面，受光信号激发 PD产生微弱电流，传输入后方的 TIA转化为电压信号，经过整形及线性放大后进入模块芯片，完成整个接收端光到电的转化。图5为光路示意图。
3. 光模块性能测试
3.1 搭建测试环境
首先进行测试环境的搭建。在100G CWDM4光模块的测试工作中，其最主要测试仪器为误码仪、示波器、MUX、DE-MUX 光功率计、衰减器、光开关、高低温循环箱等。测试环境具体连接搭建方式如图 6 所示。发射端的测试原理为误码仪工作产生 31阶 PRBS高速电信号源，通过 16分高速电缆（8根连接发射端正负极，8根连接接收端正负极）连接到插入待测光模块的测试板；光模块上电工作后，会将误码仪提供的高速电信号转换为光信号；通过发射端连接的光纤接入示波器的光口，经过光开关与DE-MUX 光分后再传输给示波器与光谱仪；示波器再根据待测光模块相对应的速率和波长进行调配后，即可通过采样生成眼图。示波器选用误码率为5×10^-5下的CWDM4眼图模板，采样形成的眼图与之进行匹配后，测试系统将最终两者的对比图发送至PC端，运用上位机软件进行远程控制。需要注意的是在测试过程中要对模块的发射光功率值与实际值进行校准与优化，以保证光模块具有最适光功率和消光比。
接收端测试工作主要为测试灵敏度，具体操作为测试前先根据协议要求设置告警值，对模块接收的光功率进行校准，通过程控光衰减器，检测模块在特定的误码率接收端的光功率值。目前，光模块生产厂商进行光模块生产时，在生产线进行光模块产出测试时，会对光模块的发射与接收分开进行测试，且接收测试在前，发射测试在后，所以会选用各项参数在特定值的标准模块作为标准光源，但在后文阐述的测试及实验过程中，该文使用的是待测模块自回环方式进行测试，即以光模块自身发射端发出的光作为光源进行测试与实验。测试过程中，需要程控光衰减器进行信号的功率衰减，使光模块接收端收到不同功率的信号，最终通过误码仪比对不同光功率下的误码率来完成灵敏度测试。
3.2 性能测试
根据图 6 搭建好测试环境后，调整模块工作温度，分别在 0 ℃、30 ℃和 70 ℃ 3 个状态下完成对光模块的测试。表 1、表 2及表 3为 3个温度下的测试结果。通过对测试数据的分析可以看出，该方案各项参数均符合光模块设计要求。
4 结 论
文中针对 100G CWDM4 光模块提出了以 COB技术为基础的新型接收端设计方案，降低了成本。通过实验测试数据表明，采用该方案的 100 CWDM4光模块各项指标均满足设计要求。
论文来源：基于COB的CWDM4光模块设计_张博文
