可插拔式光模块的发展趋势

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可插拔式光模块的发展趋势
可插拔式光模块的发展趋势
编辑：Jon Anderson，Rich Zoccolillo 译者：王旭
    随着无冷却DFB激光器、串行器/解串行器（SerDes）芯片和发送/接收光组件（TOSA/ROSA）封装等技术的进步，现在局域网、接入网、城域网和核心网设备的光接口都会选用可插拔式光模块。各种多源协议（MSA）都对传输速率从155Mbit/s到10Gbit/s、传输距离从600米到80公里的可插拔式光模块进行了规范。MSA为各种光模块和器件制定了标准，确保了兼容性，为二次外包提供了保证。此外，MSA还为光模块带来了一些新特性，例如可带电插拔、端口密度增加、功耗降低、设计周期更短和整体成本降低。
为了更充分地利用可插拔特性，系统OEM和光模块开发者都在设计新的模块，新模块不仅要能延长传输距离──例如120公里，而且要集成更多功能，例如前向纠错（FEC）和1层（Layer1） 成帧。集成了链路处理功能的可插拔式光模块能显著降低每端口成本，同时提高线路卡的模块化程度和配置灵活性。

简短历史
光接口最初是由系统OEM设计和开发的，使用的是分立元件和定制的芯片。图1所示是典型的使用分立器件的光接口的结构。它的接收部分包括PIN二极管或者雪崩光电二极管（APD）、互阻放大器（TIA）、后置放大器、时钟与数据恢复（CDR）单元和解复用器。它的发送部分包括复用器、时钟复用单元（CMU）、激光器驱动器（LD）和一个激光光源。在短距离应用中，一般使用无冷却直接调制1310nm DFB激光器（DML）；长距离时，使用外调制器、驱动器和需要冷却的1550nm连续光激光器。



为了实现光信号控制、监测（例如激光器偏置电流和温度控制）和性能控制（例如先进现出器件和抖动控制滤波器），光模块中还要添加一些额外器件。光接口一般包含1个Layer1成帧和开销字节处理器，这个处理器用于SONET/SDH数字链路的故障管理和性能监控。这个器件以及光信号控制器和监视器都需要一个控制接口，该接口一般通过本地总线或I2C总线接到系统控制器。最后，还需要电源调控器件。
如果使用这种结构，终端用户无论何时需要新的性能或应用，系统OEM都必须对光接口做全新的设计和开发。由于这项工作需要相当多的设计和制造资源，所以系统OEM非常想简化光模块的结构。
光模块MSA满足了这一要求。MSA定义了通用的管脚接口和外形参数。过去几年已经建立了数种MSA。尽管这几种MSA之间经常会存在竞争，但是每种都有其独特之处。
在10Gbit/s光模块的发展中，最重要的就是集成了SerDes的300针光收发器──也就是光转发器。这种模块的MSA有效地定义了光模块的边界，并详细规定了网络端的光接口、设备端的并行电数据和时钟接口的参数（图2）。



在从分立器件过渡到300针光转发机的过程中，有几项十分重要的改进。器件集成降低了功耗、减小了占地面积，并降低了总成本。在接收部分，解复用器和CDR集成为一个器件，TIA常常与PIN/APD集成在一起。在发送部分，复用器、CMU和FIFO集成为一个器件。最新的进展是把接收器和发送器SerDes集成为一个单片收发器。该收发器不仅能降低功耗，满足电路板的要求，而且还产生了一些新功能，例如片上数据信号环回。然而若涉及到信道串扰和SONET/SDH抖动问题，单片收发器的性能还需要进一步确认。
300针MSA的关键优势之一就是它能提供一个完备的光接口模块，而且带有简单的管理接口。它规定电时钟和数据接口都工作在622-669MHz的16个并行信道上，这样就简化了印刷电路板的结构。这种电接口兼容光互联网论坛（OIF）的SFI-4和IEEE的XSBI规范，许多芯片供应商都遵循这些规范。它支撑SONET/SDH和10GbE XSBI接口。而光接口遵循ITU-T G.691规范。供应商现在能供应的300针转发器，其最大传输距离从600米到120公里，其尺寸从5×5×0.7英寸到2.2×3×0.53英寸。
300针10Gbit/s光转发器与客户端的超短距离、短距离和中距离光接口十分匹配。现在它又越来越多地用于客户端和网络端的长距离接口。但是在超长距离应用和需要光放大的DWDM系统中，由于系统OEM采用了专有技术，采用分立器件的接口仍然占据主导地位。目前300针光模块正在向40Gbit/s迈进。
然而，人们还想继续降低光模块的成本，因此300针光转发器必须进一步简化或者被彻底淘汰。在高容量应用中，SerDes器件是关系到总成本、功耗和电路板大小的关键因素。因此，电接口将向两个不同的方向发展：4信道并行接口和10Gbit/s串行接口。

4信道SerDes结构
300针光转发器中的16信道SerDes可以视为两级4信道SerDes器件。如果去掉一级4信道，在余下4信道上运行原来4倍的速率，就形成一个4信道并行SerDes电接口。
对10GbE应用来说，已经采用4信道SerDes结构构建了XENPAK和类似的 X2和XPAK。XENPAK是从16信道并行XSBI过渡到4信道并行XAUI的。XENPAK选用XAUI接口是因为它的管脚数比较少、不需要时钟、速率能达到3.125Gbit/s，能马上用在标准CMOS中。而且通过XAUI的数据是自动排列的，也就是说SerDes器件自动平衡使用4个信道。这一特性能够减小转发器的尺寸。此外，XENPAK比300针转发器的端口密度更高，一般的线路卡上最多可达8个端口。
对SONET/SDH应用来说，OIF近来完成了SFI-4第2部分的规范，它规定了4信道并行电接口无论是否具备FEC功能都要支撑SONET/SDH标准速率。到目前尚不清楚系统OEM和光模块供应商是否会使用这种接口，也许他们准备直接使用10Gbit/s串行结构。

10Gbit/s串行结构
当人们希望4信道SerDes结构能降低转发器的成本、功耗和体积时，出现了另一种更根本性的解决方法，那就是完全去掉SerDes。2.5Gbit/s及以下速率SFF MSA和最近的10Gbit/s XFP MSA就采用了这一方法。XFP光收发器有一个串行10Gbit/s电接口（称为XFI），有了这个接口就可以将SerDes置于收发器模块之外。XFP MSA的主要目标是为一种可带电插拔式SFF 10Gbit/s光收发器提供规范，这种收发器是对协议透明的（即可以用于10GbE、光纤信道和SONET/SDH）。
XFP模块一般由TOSA/ROSA和一个单片收发器构成。收发器芯片在接收路径上提供CDR功能和后置放大器。它还提供控制和监视用I2C总线接口。TOSA包括一个不需冷却的激光二极管和驱动器。ROSA则包括PIN二极管和互阻放大器。
XFP结构的关键价值在于将体积、灵活性和成本3种因素完美地结合在一起。因为彻底放弃了SerDes并减少了管脚数，所以其体积也相应减小了，这样，一个线路卡上最多可以有16个端口。放弃SerDes和使用TOSA/ROSA也降低了原料和制造成本。协议/速率透明和可带电插拔的特性使线路卡能一卡多用，也能在使用现场配置。图3所示为使用XFP的光接口结构。



但是这种XFP的一个缺点是目前它需要无冷却或者准冷却的激光源才能满足功耗要求。所以现在只能用于超短距离、短距离和中距离应用。在XFP MSA标准下能否实现长距离和DWDM应用将取决于未来激光二极管技术的发展。另外，使用XFP模块要求系统OEM设计出10Gbit/s线路卡。

下一代模块
在下一代光模块的发展中，两种电接口最有可能成功。在10GbE和光纤信道中，光转发器将从16信道的并行XSBI向使用XENPAK的4信道并行XAUI发展。一些系统OEM可能会选择直接从XSBI过渡到使用XFP模块的XFI。这个演进的过程将会非常复杂，必须考虑各种应用和设计要求。
对SONET/SDH来说，无论使用300针光转发器还是使用X2或XFP模块，目前的16信道SFI-4电接口将有可能继续是主要的解决方案。系统OEM正在想办法为300针光转发器增加带电插拔的功能。图4所示的模块具备所有电路板必需的控制和管理能力，使300针光转发器可以带电插拔。这种结构的一个关键优点是能使用现在成熟的300针转发器来制造可带电插拔的光器件。



将来这种光模块要做的改进包括集成Layer1/FEC处理芯片。代价就是模块的体积会增大、芯片数量增加、功耗也会增加。此外还需要一些改进，例如加入电色散补偿器件以适应未来10Gbit/s超长距离应用。

提高和降低集成度
在光模块结构的演变过程中，出现了两种完全不同的趋势：提高集成度和降低集成度。对于有些系统，增加端口数量、增强端口配置的灵活性和降低端口成本是发展的动力，如企业LAN/SAN，XENPAK、XFP和SFP主要用在这样的系统中。而对于另一些系统，距离灵活可变、性能和成本是发展的动力，例如城域网，这样的系统过去使用的是高集成度的光模块，例如300针光转发器，将来也会如此。
系统OEM正在寻找一种可带电插拔的集成解决方案，既能保证端口配置的灵活性，同时能提高性能和传输距离。但是在超长距离应用和需要光放大的DWDM系统中，由于系统OEM采用了专有技术，采用分立器件的接口仍然占据主导地位。
虽然MSA为光模块提供了标准，但是很明显，没有任何一种解决方案能满足所有应用和系统OEM的需求。所以涌现出了多种光模块解决方案，每一种方案也只能在某一特定应用中体现出它特有的优势。据预测，随着光模块的需求和应用继续多样化，这种趋势还会继续下去。

Jon Anderson：Opnext企业光学子系统部总监
Rich Zoccolillo：Opnext企业副总裁，负责子系统
译自Lightwave 04年1月15页《Evolutionary trends in pluggable optical module》

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