CN116015470A - 一种400g光通信模块及信号优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种400G光通信模块及信号优化方法，速率转换模块接收第一主机的8*50G电信号，并进行50G到100G的速率转换编码，转换为4*100G电信号并传输至时钟和数据恢复电路，对4*100G电信号进行第一信号处理，并基于发送端将第一信号处理后的4*100G电信号发送至光发射组件；光发射组件对4*100G电信号进行电光转换，得到4*100G光信号并耦合至一根光纤中进行传输；光接收组件，用于接收4*100G光信号，进行光电转换，得到4*100G电信号，并传输至时钟和数据恢复电路，对4*100G电信号进行第二信号处理，并将第二信号处理后的4*100G电信号传输至速率转换模块；速率转换模块，用于对4*100G电信号进行100G到50G的速率转换解码，得到8*50G电信号并传输至第二主机；优化PAM4的信号质量。
Description
技术领域
本发明涉及网络及通信技术领域，特别涉及一种400G光通信模块及信号优化方法。
背景技术
目前，随着5G网络及云计算的快速发展，对5G网络和云计算需要的高速光器件及光电模块产品提出了更高的要求。目前比较成熟的100G产品采用的传统NRZ数字信号，要实现更加高速的400G传输速率有两种解决途径：第一种方法为仍然采用NRZ编码技术以及同样25G带宽链路，增加传输的通道数，目前100G模块多采用4通道25G信号，如果要实现400G，则需要增加到16通道，这就需要16个不同波长的激光器与光接收组件，同时对于结构设计，电路设计等带来很大的困难，器件成本及传输成本也成倍增加。第二种解决方案为使用PAM4编码信号(如图1)来取代传统的NRZ信号，NRZ信号用高低两种逻辑电平来表述需要传输的逻辑信号，每个信号周期传输1bits的逻辑信息；PAM4数据相对传统的NRZ格式，其信号电平增加到4个，每个电平携带2bit的数据信息，从而实现了速率翻倍。同时为了仍然采用目前成熟通用的4波长，400G模块每个通道速率为100Gbit/s,因此除使用PAM4信号实现信道速率翻倍之外，还需要将通道带宽翻倍，即从传统的25G波特率增加到50G波特率。这就存在以下技术问题：(1)从NRZ信号到PAM4信号，由此带来电信号的编码技术更加复杂，4电平的PAM4信号其眼图增加到3阶，三阶眼图的质量对于信号噪声非常敏感，4电平不同的时延以及码间的skew对于眼图的TDECQ影响巨大，现有技术中的编码解码不够准确，快捷，导致发射部分的不准确。(2)长距离传输需要接收机的灵敏度表现优良，否则影响链路光功率预算，影响传输距离，现有技术中并没有高灵敏度的接收机，无法解决T IA的线性补偿以及接收电信号的高质量的解码。(3)50G极高带宽的链路使得通道间的对于光反射串扰极其敏感，现有技术中在光器件的光路设计和实施中无法抑制这些反射。(4)现有技术中的集成度低，同时也无法实现良好的散热。(5)由于采用100Gbps PAM调制无法达到25GGbpsNRZ相同的链路预算，因此现有技术中无法实现相同的链路预算来实现长距离传输。在一现有技术中，对100G 40km传输光模块，目前常规的实现方式是采用面向服务的架构SOA的方案，用EML激光器和PI N探测器，但该方案采用SOA成本较高，控制电路相对复杂，此外SOA也同步将光路上引入噪声放大，这并不是一个最佳的选择。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种400G光通信模块，通过4波LAN-WDM结合PAM4四电平脉冲幅度调制实现5G通讯光模块信号的传输，传输速率400G bit/s,完成高速信号传输所需的高速及宽带光电转换，并实现灵活可靠的高密度物理连接方式，实现整个网络的高速、宽带、大容量、低成本传输。采用优异的DSP算法来对PAM4信号进行编码，有非常优异的算法格式，代码简单，性能优良稳定，编码解码速度快。优化PAM4的信号质量，减少码间串扰，减少抖动损伤，保障小信号传输条件下的高接收灵敏，保障40km传输线路下的线路余量。
本发明的第二个目的在于提出一种基于400G光通信模块的信号优化方法。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种400G光通信模块，包括：光接收组件、光发射组件、速率转换模块、控制模块及时钟和数据恢复电路；其中，
速率转换模块，用于接收第一主机的8*50G电信号，并进行50G到100G的速率转换编码，转换为4*100G电信号并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路，用于对4*100G电信号进行第一信号处理，并基于发送端将第一信号处理后的4*100G电信号发送至光发射组件；
光发射组件，用于对4*100G电信号进行电光转换，得到4*100G光信号并耦合至一根光纤中进行传输；
光接收组件，用于接收4*100G光信号，进行光电转换，得到4*100G电信号，并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路，用于对4*100G电信号进行第二信号处理，并将第二信号处理后的4*100G电信号传输至速率转换模块；
速率转换模块，用于对4*100G电信号进行100G到50G的速率转换解码，得到8*50G电信号并传输至第二主机；
所述控制模块，分别与光接收组件、光发射组件、速率转换模块、及时钟和数据恢复电路连接。
根据本发明的一些实施例，所述光发射组件包括外腔调制DFB激光器、背光监测二极管；
所述调制DFB激光器，用于生成发射光；
所述背光监测二极管，用于监测调制DFB激光器生成发射光的功率；
所述控制模块，分别与所述调制DFB激光器、背光监测二极管，用于：
根据发射光的功率查询预设功率-偏置电流数据表，确定目标偏置电流，并对调制DFB激光器进行设置。
根据本发明的一些实施例，所述调制DFB激光器包括：热敏电阻、半导体制冷器、散热片、散热基板、电吸收器、平面光波导耦合、光输出接口、微带线支撑；其中，
所述散热片设置在半导体制冷器上；
所述散热基板、电吸收器设置在所述散热片上；所述热敏电阻设置在所述散热基板上；
所述微带线支撑设置在所述半导体制冷器的右侧，所述平面光波导耦合设置在所述微带线支撑上；所述光输出接口设置在平面光波导耦合上。
根据本发明的一些实施例，所述控制模块，用于将第一信号处理后的4*100G电信号分别加载至4个调制DFB激光器上，并控制4个调制DFB激光器发出中心波长分别为1295.56nm、1300.05nm、1304.58nm、1309.14nm的光信号。
根据本发明的一些实施例，所述光接收组件，包括：光探测二极管、前置放大器、光学分波器；其中，
光学分波器，用于接收4*100G光信号，并转换为4个波长不同的光信号；
所述光探测二极管，用于接收4个波长不同的光信号，并转换为初始电信号；
所述前置放大器，用于将所述初始电信号进行处理，输出相应码率的电信号。
根据本发明的一些实施例，还包括运算放大器、A/D模块、PI D补偿电路、单片机、D/A模块、半导体制冷器电源；其中，
所述热敏电阻、运算放大器、A/D模块、单片机依次连接；
所述单片机与所述PI D补偿电路连接；
所述单片机、D/A模块、半导体制冷器电源、半导体制冷器依次连接。
根据本发明的一些实施例，光发射组件采用gray cod i ng编码方式。
根据本发明的一些实施例，所述控制模块通过I2C接口与第一主机连接，I2C接口为双向高速串行接口，总线最大读写速率为1MHz。
根据本发明的一些实施例，所述控制模块为ADuCM320芯片，所述ADuCM320I芯片包括低功耗ARM Cortex-M3处理器和一个32位RI SC单元。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于400G光通信模块的信号优化方法，400G光通信模块包括：光接收组件、光发射组件、速率转换模块、控制模块及时钟和数据恢复电路；基于400G光通信模块的信号优化方法，包括：
基于速率转换模块接收第一主机的8*50G电信号，并进行50G到100G的速率转换编码，转换为4*100G电信号并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路对4*100G电信号进行第一信号处理，并基于发送端将第一信号处理后的4*100G电信号发送至光发射组件；
光发射组件对4*100G电信号进行电光转换，得到4*100G光信号并耦合至一根光纤中进行传输；
光接收组件接收4*100G光信号，进行光电转换，得到4*100G电信号，并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路对4*100G电信号进行第二信号处理，并将第二信号处理后的4*100G电信号传输至速率转换模块；
速率转换模块对4*100G电信号进行100G到50G的速率转换解码，得到8*50G电信号并传输至第二主机。
有益效果：
(1)独特的结构设计，减少EM I问题，提高模块的抗干扰能力，超过CLASS B标准6db；防静电的特殊设计和制作工艺，使400G光通信模块可达到接触放电±8000V，空气放电15000V的严苛要求。
(2)特有的DSP编码技术对PAM4信号进行重新编码及速率转换，代码效率高、稳定性高，后续代码升级处理方便。
(3)优异的数字诊断功能，实时监控400G光通信模块的温度、发射光功率、工作电压、工作电流、接收光功率，实时上报光模块工作情况，便于故障的诊断和处理。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的现有技术中PAM4信号眼图；
图2是根据本发明一个实施例的时钟和数据恢复电路的框图；
图3是根据本发明一个实施例的400G光通信模块的框图；
图4是根据本发明一个实施例的光发射组件的控制框图；
图5是根据本发明一个实施例的调制DFB激光器温度自动控制原理框图；
图6是根据本发明一个实施例的典型的NRZ信号的波形、眼图与PAM4信号的对比示意图；
图7是根据本发明一个实施例的PAM4信号编码过程图；
图8是根据本发明一个实施例的NRZ信号编码成单路PAM4信号原理图；
图9是根据本发明一个实施例的PAM4电平眼高示意图；
图10是根据本发明一个实施例的数据编解码及校验流程图；
图11是根据本发明又一个实施例的数据编解码及校验流程图
图12是根据本发明一个实施例的NRZ与PAM4 FEC编码格式示意图；
图13是根据本发明一个实施例的纠错格式与帧b l ock原理示意图；
图14是根据本发明一个实施例的集成4通道PLC技术的光发射组件示意图；
图15是根据本发明一个实施例的基于混合集成技术的光接收组件示意图；。
图16是根据本发明一个实施例的探测器芯片同AWG芯片的光耦合容差的示意图；
图17是根据本发明又一个实施例的探测器芯片同AWG芯片的光耦合容差的示意图；
图18是根据本发明一个实施例的PAM4信号编码原理图；
图19是根据本发明一个实施例的两种PAM4信号编码优缺点对比示意图；
图20是根据本发明一个实施例的利用gray编码技术进行数据编码原理图；
图21是根据本发明一个实施例的调制DFB激光器内腔局部结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
根据附图2-图21对本发明提出的一种400G光通信模块及信号优化方法进行说明。
本发明实施例提出了一种400G光通信模块，包括：光接收组件、光发射组件、速率转换模块、控制模块及时钟和数据恢复电路；其中，
速率转换模块，用于接收第一主机的8*50G电信号，并进行50G到100G的速率转换编码，转换为4*100G电信号并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路，用于对4*100G电信号进行第一信号处理，并基于发送端将第一信号处理后的4*100G电信号发送至光发射组件；
光发射组件，用于对4*100G电信号进行电光转换，得到4*100G光信号并耦合至一根光纤中进行传输；
光接收组件，用于接收4*100G光信号，进行光电转换，得到4*100G电信号，并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路，用于对4*100G电信号进行第二信号处理，并将第二信号处理后的4*100G电信号传输至速率转换模块；
速率转换模块，用于对4*100G电信号进行100G到50G的速率转换解码，得到8*50G电信号并传输至第二主机；
所述控制模块，分别与光接收组件、光发射组件、速率转换模块、及时钟和数据恢复电路连接。
上述技术方案的工作原理及有益效果：400G光通信模块为高速400G PAM4光模块，光发射组件是一个单纤输出的，提供4个1310nm波长窗中LAN-WDM格栅波长TOSA，集成100Gbps电吸收调制激光器(EML,E l ectro-absorpt i on Modu l ated Laser)，光接收组件则集成单纤输入接口，4个高性能100Gbps的P I N光检测器和1组跨阻放大器(T IA,Trans-Impedance Amp l if ier)。模块采用双工LC接口，将四种波长复用到一根单模光纤上进行传输；因为要传输更高的速率，对信号质量有更高的要求。光收发组件必须尽可能减少寄生参数的影响，减少光路的反射，降低光路的损耗，提高光耦合效率，提高光电器件的响应带宽。通过对光发射组件和光接收组件的精密控制使光芯片处于最佳工作状态，减少啁啾影响，提高光接收灵敏度。400G光通信模块采用的为单波100Gbps速率，但其HOST侧电信号速率为50Gbps，这就需要速率转换模块，即速率转换芯片gearbox来进行50G到100G的速率转换编码，同样接收方面对应进行速率转换解码，成熟稳定可靠的编解码技术将直接反映模块的性能；同时50G/100G信号传输会产生本征抖动和随机抖动，会给信道带来不利影响。时钟和数据恢复电路CDR功能的模块可以保证主板上PCB到驱动芯片信号的低抖动与高速性能，便于准确设计稳定清晰的模块输出，确保通过强度和相位进行PAM4判别的准确性，保证物理层的标准兼容性。
如图2所示，时钟和数据恢复电路包括鉴相器、数字滤波器、相位内插器及锁相回路(PLL)，鉴相器、数字滤波器、相位内插器依次连接，构成外环路，实现时钟恢复功能。锁相回路(PLL)与相位内插器连接。
现有技术中采用SOA的方案，用EML激光器和PI N探测器，但该方案采用SOA成本较高，控制电路相对复杂，此外SOA也同步将光路上引入噪声放大，这并不是一个最佳的选择。本发明采用APD光接收组件，省掉SOA，对光收发组件和外围电路做进一步的优化设计，进行高速信号完整性的仿真设计，优化PAM4的信号质量，减少码间串扰，减少抖动损伤，保障小信号传输条件下的高接收灵敏，保障40km传输线路下的线路余量。
如图3,本发明基于新批准的400GQSFP-DD标准，通过4波LAN-WDM结合PAM4四电平脉冲幅度调制实现5G通讯400G长距离的传输，控制模块，实现对光接收组件、光发射组件、速率转换模块、及时钟和数据恢复电路的控制，并接收实时监控上报数据，实现模块的调整及数字诊断功能。
根据本发明的一些实施例，所述光发射组件包括外腔调制DFB激光器、背光监测二极管；
所述调制DFB激光器，用于生成发射光；
所述背光监测二极管，用于监测调制DFB激光器生成发射光的功率；
所述控制模块，分别与所述调制DFB激光器、背光监测二极管，用于：
根据发射光的功率查询预设功率-偏置电流数据表，确定目标偏置电流，并对调制DFB激光器进行设置。
上述技术方案的工作原理及有益效果：光发射组件输入一定码率的电信号经内部的调制DFB激光器发射出相应速率的调制光信号，背光监测二极管用于实现光功率自动控制，使输出的光信号功率保持稳定。通过对波长不同的4个100Gbs PAM4光信号进行复用传送，外形尺寸支撑小型收发器的QSFP-DD规格，产品的工作温度需要支持-5至+80℃间，最大功耗小于1W。
如图21所示，根据本发明的一些实施例，所述调制DFB激光器包括：热敏电阻、半导体制冷器、散热片、散热基板、电吸收器、平面光波导耦合、光输出接口、微带线支撑；其中，
所述散热片设置在半导体制冷器上；
所述散热基板、电吸收器设置在所述散热片上；所述热敏电阻设置在所述散热基板上；
所述微带线支撑设置在所述半导体制冷器的右侧，所述平面光波导耦合设置在所述微带线支撑上；所述光输出接口设置在平面光波导耦合上。
上述技术方案的工作原理及有益效果：调制DFB激光器的控制功能由控制模块实现，电吸收器调制部分的主要控制量是：调制电压、偏置电压及交叉点控制电压，通过控制模块控制DAC(数字模拟转换器)来实现对激光器调制参数的控制。控制模块通过器件内部的热敏电阻获取器件内部温度，经由专用TEC控制芯片来控制器件内部的半导体制冷器，将器件温度稳定在预设值。模块外部环境温度的变化会导致激光器的阈值电流和斜率发生变化，从而引起发射光功率的变化。控制模块通过查找表来精确设置激光器偏置电流，实现光发射组件光功率的稳定。控制模块还监测光发射组件的调制电压、TEC电流与偏置电流等状态量。电吸收器包括EML驱动芯片，集成EML驱动芯片的光发射组件TOSA体积小，集成度高，节省了空间。工作时，系统主板输入的8路50G信号通过gearbox或DSP进行速率转换，再通过时钟和数据恢复电路进行信号再生和整形。
根据本发明的一些实施例，所述控制模块，用于将第一信号处理后的4*100G电信号分别加载至4个调制DFB激光器上，并控制4个调制DFB激光器发出中心波长分别为1295.56nm、1300.05nm、1304.58nm、1309.14nm的光信号。
根据本发明的一些实施例，所述光接收组件，包括：光探测二极管、前置放大器、光学分波器；其中，
光学分波器，用于接收4*100G光信号，并转换为4个波长不同的光信号；
所述光探测二极管，用于接收4个波长不同的光信号，并转换为初始电信号；
所述前置放大器，用于将所述初始电信号进行处理，输出相应码率的电信号。
上述技术方案的工作原理及有益效果：一定码率的光信号输入光接收组件由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信号一般为PECL电平，同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。
如图5所示，根据本发明的一些实施例，还包括运算放大器、A/D模块、P I D补偿电路、单片机、D/A模块、半导体制冷器电源；其中，
所述热敏电阻、运算放大器、A/D模块、单片机依次连接；
所述单片机与所述P I D补偿电路连接；
所述单片机、D/A模块、半导体制冷器电源、半导体制冷器依次连接。
上述技术方案的工作原理及有益效果：对整个电-光通道特别是激光器进行精确的温度控制，对激光器波长稳定、色散参数控制、寿命指数提高了保障。
光发射组件和光接收组件原理：①PAM4信号编码原理：PAM(Pu l se Amp l itudeModu l at ion:脉冲幅度调制)信号是下一代数据中心做高速信号互连的一种热门信号传输技术,广泛应用于400G接口的电信号或光信号传输。传统的数字信号最多采用的是NRZ(Non-Return-to-Zero)信号,即采用高、低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号的1、0信息,每个信号符号周期可以传输1b it的逻辑信息；而PAM信号则可以采用更多的信号电平,从而每个信号符号周期可以传输更多bit的逻辑信息。比如以PAM4信号来说,其采用4个不同的信号电平来进行信号传输,每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息(0、1、2、3)。由于PAM4信号每个符号周期可以传输2bit的信息，因此要实现同样的信号传输能力,PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可,因此传输通道对其造成的损耗大大减小。随着未来技术的发展,也不排除采用更多电平的PAM8甚至PAM16信号进行信息传输的可能性。如图6所示。
本发明使用的DSP将NRZ逻辑信号重新编码生产PAM4电信号，然后输送到光发射器调制成光信号传输，同时DSP也会将收到的PAM4电信号解调后发射回系统背板，PAM4信号编码过程如图7所示。
从系统单板发送过来的信号为两路NRZ，通过编码成为单路PAM4信号，其原理为，如图8所示。
从编码的过程可以看出，PAM4眼图中上下眼的高度是由LSB决定的，如果LSB的衰减调的不是很准确，则出现上下对称的幅度失调，因此，PAM4的编码技术在发射性能指标上显得尤其重要，本发明采取更优异的gray cod i ng编码方式，如图11所示。
②FEC原理
由于采用100Gbps PAM4调制无法达到传统25GGbps NRZ相同的链路预算，因此需要引入FEC技术来实现相同的链路预算来实现长距离传输。前向纠错技术(Forward ErrorCorrect ion)在确保信号的长距可靠传输方面也起着非常重要的作用。相比于100G系统，400G的OSNR需要提高4倍，这需要多种技术的组合应用才能实现，其中就包括FEC。FEC技术通过在传输码列中加入冗余纠错码，在一定条件下，通过解码可以自动纠正传输误码，降低接收信号的误码率(BER)。在WDM系统中，衡量FEC纠错能力的指标称为“FEC编码增益”，该增益越强表示纠错性能越强。
如图10-13所示，以典型的分组码为例，其基本原理是：在发送端，通过将kbit信息作为一个分组进行编码，加入(n-k)bit的冗余校验信息，组成长度为n bit的码字。码字经过信道到达接收端之后，如果错误在可纠范围之内，通过译码即可检查并纠正错误bit，从而抵抗信道带来的干扰，提高通信系统的可靠性。在光通信系统中，通过FEC的处理，可以以很小的冗余开销代价，有效降低系统的误码率，延长传输距离，实现降低系统成本的目的。FEC的使用可以有效提高系统的性能，根据香农定理可以得到噪声信道无误码传输的极限性能(香农限)，从图可以看出，FEC方案的性能主要由编码开销、判决方式、码字方案这三个主要因素决定。
a.编码开销：校验位长度(n-k)与信息位长度k的比值，称为编码开销。开销越大，FEC方案的理论极限性能越高，但增加并不是线性的，开销越大，开销增加带来的性能提高越小。开销的选择，需要根据具体系统设计的需求来确定。
b.判决方式：FEC的译码方式分为硬判决译码和软判决译码两种。硬判决FEC译码器输入为PAM4电平，由于其复杂度低，理论成熟，已经广泛应用于多种场景。软判决FEC译码器输入为多级量化电平。在相同码率下，软判决较硬判决有更高的增益，但译码复杂度会成倍增加。技术发展到今天，400G吞吐量的软判决译码已经可以实现。随着传送技术的发展，400G时代快速到来，软判决FEC的研究与应用正日趋成熟，并将在基于相干接收的高速光通信中得到广泛应用。
c.码字方案：当确定开销和判决方式后，设计优异码字方案，使性能更接近香农极限，是FEC的主要研究课题。目前，软判决LDPC码，由于其良好的纠错性能，且非常适合高并行度实现，逐步成为高速光通信领域主流FEC的方案。
③时钟和数据恢复电路原理
100G信号传输会产生本征抖动和随机抖动，会对信道带来不利影响。时钟和数据恢复电路可以保证主板上PCB到驱动芯片信号的低抖动与高速性能。系统设计师只需要设计稳定清晰的模块输出，确保通过强度和相位进行相应电平门限判别的准确性，这种架构有助于最大化主板集成度，成功地解决了主板与模块接口的标准兼容问题。
如图14所示，光发射组件，基于铟磷(I nP)基的多量子阱材料，由于不同元件的波导和电学结构不同，利用到了选择区域外延(SAG)和端面耦合(Butt-coupi ng)等多种材料生长技术。在器件结构上，采用在芯片上部架设GSG传输线的方式，减少了金丝打线的长度，减少电学寄生效应，实现了电学信号高速传输。
如图15所示，光接收组件采用了阵列式4路PI N光电探测器APD和1×4硅上二氧化硅AWG芯片混合集成的方式，具有高带宽、低暗电流、工作电压较低的特点，可针对AWG输出波导的间距，较容易制作成探测器阵列。虽然由于折射率差较小的原因，硅上二氧化硅基的AWG芯片通常尺寸较大，但由于其工艺成熟(已实现大批量生产)，所以利用其作为波长分束器，具有成本低、成品率高、光损耗小的特点。作为波长分束器，AWG芯片的理想通带输出光谱应为箱型，这可以通过在AWG输出端采用宽波导也即多模波导来实现，较宽的输出波导也利于同探测器的光耦合。由于探测器芯片的光敏面较大，在同AWG芯片耦合时1dB耦合容差可达到±5um，因此利用无源对准即可实现较高的耦合效率，见图16所示。
如图17所示，控制模块，采用的ADuCM320芯片，具有低功耗ARM Cortex-M3处理器和一个32位RI SC单元，峰值性能最高可达100MI PS。片内还集成2个128kB F l ash/EE存储器和32kB SRAM。闪存包括两个独立的128kB模块，支持一个闪存模块执行程序，另一个闪存模块进行写入/擦除操作。
ADuCM320芯片通过片内振荡器或16MHz外部晶振和PLL在80MHz下工作，该时钟也可以进一步分频，以降低功耗，通过软件可以设置其他低功耗模式，在正常工作模式下，ADuCM320数字内核功耗约300μA/MHz。该器件包括I 2C接口，可运行在最高至1MHz频率下。两个闪存模块同时分别执行程序和进行写入/擦除操作功能，使得ADuCM320 I非常适合400G光学应用。PHYADR、DEVADD和帧结束后接收中断，同时集成PHYADR和DEVADD硬件比较器，让用户编程更轻松。
如图18-20所示，本发明采用的是PAM4编码格式，目前PAM4信号编码有两种方式：线性编码与跳码方式，其原理如图18所示，
其优缺点分析如图19所示。
将采用gray编码技术进行数据编码，其原理过程如图20所示。
在核心的难度最高的激光器发射组件设计上，用微型半导体制冷器对激光器和电吸收调制器进行冷却，四路光耦合使用平面光波导(PLC)进行合波输出，实现稳定的400G速率光传输。
优异的电磁干扰(EM I)能力和稳定的工作性能，有助于增加端口密度、加快产品投放市场的周期。
该产品发射部分采用带制冷的电吸收调制激光器，接收端采用高灵敏度的InGaAs APD-T IA。内置线性放大器(LA)的时钟数据恢复(CDR)芯片电路，功耗和关键指标余量足，TDECQ做到目前业界的最好水平(1.0以下)，70℃时模块功耗小于7W。同时，采用优化的结构设计，将EM I大大降低，优于C l ass B标准6dB以上。
优异的逻辑数据编码与解码技术，相对于传统的100G/25G光模块，本项目的核心在与PAM4数据编码解码技术，该产品采用优异的DSP算法来对PAM4信号进行编码，有非常优异的算法格式，代码简单，性能优良稳定，编码解码速度快。
对高速光器件的设计和封装工艺进行了创新，利用自由空间光路的设计理论，设计出满足不同环境要求的气密和非气密的400G光器件。开发先进LENS耦合工艺，提高耦合效率，使器件封装后，具有高稳定性。
适应光纤接入和综合布线发展趋势，传输距离远，组网方便、灵活。传统传输系统采用电缆传输，传输距离严重受传输损耗的限制。以太网传输系统利用光纤作为传输和分布手段，适应光纤接入和综合布线发展趋势，传输距离可以达到10公里，而且和电缆比较它施工简单，占用空间小，可以远距离集中放置，机房站址选择灵活，方便网络重新规划和站址变更调整工作。
根据本发明的一些实施例，光发射组件采用gray cod i ng编码方式。
根据本发明的一些实施例，所述控制模块通过I 2C接口与第一主机连接，I 2C接口为双向高速串行接口，总线最大读写速率为1MHz。
根据本发明的一些实施例，所述控制模块为ADuCM320芯片，所述ADuCM320 I芯片包括低功耗ARM Cortex-M3处理器和一个32位RI SC单元。
一种基于400G光通信模块的信号优化方法，400G光通信模块包括：光接收组件、光发射组件、速率转换模块、控制模块及时钟和数据恢复电路；基于400G光通信模块的信号优化方法，包括：
基于速率转换模块接收第一主机的8*50G电信号，并进行50G到100G的速率转换编码，转换为4*100G电信号并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路对4*100G电信号进行第一信号处理，并基于发送端将第一信号处理后的4*100G电信号发送至光发射组件；
光发射组件对4*100G电信号进行电光转换，得到4*100G光信号并耦合至一根光纤中进行传输；
光接收组件接收4*100G光信号，进行光电转换，得到4*100G电信号，并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路对4*100G电信号进行第二信号处理，并将第二信号处理后的4*100G电信号传输至速率转换模块；
速率转换模块对4*100G电信号进行100G到50G的速率转换解码，得到8*50G电信号并传输至第二主机。
上述技术方案的有益效果：优化PAM4的信号质量，减少码间串扰，减少抖动损伤，保障小信号传输条件下的高接收灵敏，保障40km传输线路下的线路余量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种400G光通信模块，其特征在于，包括：光接收组件、光发射组件、速率转换模块、控制模块及时钟和数据恢复电路；其中，
速率转换模块，用于接收第一主机的8*50G电信号，并进行50G到100G的速率转换编码，转换为4*100G电信号并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路，用于对4*100G电信号进行第一信号处理，并基于发送端将第一信号处理后的4*100G电信号发送至光发射组件；
光发射组件，用于对4*100G电信号进行电光转换，得到4*100G光信号并耦合至一根光纤中进行传输；
光接收组件，用于接收4*100G光信号，进行光电转换，得到4*100G电信号，并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路，用于对4*100G电信号进行第二信号处理，并将第二信号处理后的4*100G电信号传输至速率转换模块；
速率转换模块，用于对4*100G电信号进行100G到50G的速率转换解码，得到8*50G电信号并传输至第二主机；
所述控制模块，分别与光接收组件、光发射组件、速率转换模块、及时钟和数据恢复电路连接。
2.如权利要求1所述的400G光通信模块，其特征在于，所述光发射组件包括外腔调制DFB激光器、背光监测二极管；
所述调制DFB激光器，用于生成发射光；
所述背光监测二极管，用于监测调制DFB激光器生成发射光的功率；
所述控制模块，分别与所述调制DFB激光器、背光监测二极管，用于：
根据发射光的功率查询预设功率-偏置电流数据表，确定目标偏置电流，并对调制DFB激光器进行设置。
3.如权利要求1所述的400G光通信模块，其特征在于，所述调制DFB激光器包括：热敏电阻、半导体制冷器、散热片、散热基板、电吸收器、平面光波导耦合、光输出接口、微带线支撑；其中，
所述散热片设置在半导体制冷器上；
所述散热基板、电吸收器设置在所述散热片上；所述热敏电阻设置在所述散热基板上；
所述微带线支撑设置在所述半导体制冷器的右侧，所述平面光波导耦合设置在所述微带线支撑上；所述光输出接口设置在平面光波导耦合上。
4.如权利要求3所述的400G光通信模块，其特征在于，所述控制模块，用于将第一信号处理后的4*100G电信号分别加载至4个调制DFB激光器上，并控制4个调制DFB激光器发出中心波长分别为1295.56nm、1300.05nm、1304.58nm、1309.14nm的光信号。
5.如权利要求1所述的400G光通信模块，其特征在于，所述光接收组件，包括：光探测二极管、前置放大器、光学分波器；其中，
光学分波器，用于接收4*100G光信号，并转换为4个波长不同的光信号；
所述光探测二极管，用于接收4个波长不同的光信号，并转换为初始电信号；
所述前置放大器，用于将所述初始电信号进行处理，输出相应码率的电信号。
6.如权利要求3所述的400G光通信模块，其特征在于，还包括运算放大器、A/D模块、PID补偿电路、单片机、D/A模块、半导体制冷器电源；其中，
所述热敏电阻、运算放大器、A/D模块、单片机依次连接；
所述单片机与所述PID补偿电路连接；
所述单片机、D/A模块、半导体制冷器电源、半导体制冷器依次连接。
7.如权利要求1所述的400G光通信模块，其特征在于，光发射组件采用gray coding编码方式。
8.如权利要求1所述的400G光通信模块，其特征在于，所述控制模块通过I2C接口与第一主机连接，I2C接口为双向高速串行接口，总线最大读写速率为1MHz。
9.如权利要求1所述的400G光通信模块，其特征在于，所述控制模块为ADuCM320芯片，所述ADuCM320I芯片包括低功耗ARM Cortex-M3处理器和一个32位RISC单元。
10.一种基于400G光通信模块的信号优化方法，其特征在于，400G光通信模块包括：光接收组件、光发射组件、速率转换模块、控制模块及时钟和数据恢复电路；基于400G光通信模块的信号优化方法，包括：
基于速率转换模块接收第一主机的8*50G电信号，并进行50G到100G的速率转换编码，转换为4*100G电信号并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路对4*100G电信号进行第一信号处理，并基于发送端将第一信号处理后的4*100G电信号发送至光发射组件；
光发射组件对4*100G电信号进行电光转换，得到4*100G光信号并耦合至一根光纤中进行传输；
光接收组件接收4*100G光信号，进行光电转换，得到4*100G电信号，并传输至时钟和数据恢复电路；
时钟和数据恢复电路对4*100G电信号进行第二信号处理，并将第二信号处理后的4*100G电信号传输至速率转换模块；
速率转换模块对4*100G电信号进行100G到50G的速率转换解码，得到8*50G电信号并传输至第二主机。
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