CN209283248U - 100Gbps光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种100Gbps光模块，包括接口单元、与接口单元连接的光发射单元和光接收单元、主控管理单元以及电源管理单元；其中，光发射单元包括光发射组件，光发射组件包括直接调制半导体激光器，光发射组件用于通过直接调制半导体激光器将接口单元输出的电信号转换为光信号并发射；光接收单元包括光接收组件，光接收组件用于接收光信号并转换为电信号后输出给接口单元；主控管理单元包括通信连接的MCU和FPGA，FPGA通过MDIO总线与接口单元通信连接，MCU与光发射单元和光接收单元通信连接；电源管理单元与FPGA连接，用于对光发射单元及光接收单元进行供电控制。本实用新型的光模块，其功耗较低且兼容性更强。

Description

100Gbps光模块

技术领域

本实用新型涉及一种光纤通信器件，特别是涉及一种100Gbps光模块。

背景技术

随着互联网和云计算等产业的加速发展，数据中心对应用于长距离通信的100Gbps光产品的需求也随之增多，根据第三方OVUM预测，100Gbps 40公里光模块在未来的五年需求数量将以每年30％速度增长，目前市场上已经存在CFP、CFP2、CFP4等多种封装形式的100Gbps光模块，传统的光模块多采用电吸收调制激光器，使得模块组网功耗高，同时模块内部一般采用MCU进行控制，而MCU一般不具备MDIO(管理数据输入输出)从接口，无法与系统板的MDIO接口进行通信，由此使得模块与系统板的兼容性较差，不能满足用户的要求。

实用新型内容

基于此，有必要针对100Gbps光模块组网功耗高且模块接口兼容性较差的技术问题，提供一种新型的100Gbps光模块。

一种100Gbps光模块，其特征在于，所述光模块包括接口单元、与所述接口单元连接的光发射单元和光接收单元、主控管理单元以及电源管理单元；其中：

所述光发射单元包括光发射组件，所述光发射组件包括直接调制半导体激光器，所述光发射组件用于接收所述接口单元输出的电信号并通过所述直接调制半导体激光器将所述电信号转换为光信号后发射；

所述光接收单元包括光接收组件，所述光接收组件用于接收光信号并转换为电信号后输出给所述接口单元；

所述主控管理单元包括通信连接的MCU和FPGA，所述FPGA通过MDIO总线与所述接口单元通信连接，所述MCU与所述光发射单元和所述光接收单元通信连接；

所述电源管理单元与所述FPGA连接，且与所述光发射单元及所述光接收单元连接，用于对所述光发射单元及所述光接收单元进行供电控制。

上述100Gbps光模块，完整地完成了光电及电光信号的转换与收发，同时，该光模块一方面采用直接调制半导体激光器，有效地降低了模块的组网功耗，另一方面采用FPGA通过MDIO总线与接口单元通信连接，再由FPGA与MCU进行通信连接，即MCU通过FPGA在接口单元处与系统板实现数据的交互，再由MCU对模块内部各单元进行控制，采用FPGA与接口单元通过MDIO总线进行通信连接，再与系统板的MDIO接口进行通信连接，使得该光模块兼容性更强。

在其中一个实施例中，所述MCU通过I2C总线与所述光发射单元和所述光接收单元通信连接。

在其中一个实施例中，所述MCU与所述FPGA通过SPI总线通信连接。

在其中一个实施例中，还包括FLASH存储器，所述FLASH存储器与所述FPGA通过SPI总线通信连接。

在其中一个实施例中，所述光发射组件包括四路并列的直接调制半导体激光器及与所述四路直接调制半导体激光器连接的合波器，所述四路直接调制半导体激光器用于将所述接口单元输出的电信号转换为四路光信号后输出给所述合波器合成一路光信号，所述光接收单元包括四路并列的PIN光探测器和与所述四路PIN光探测器连接的分波器，所述分波器用于将接收的光信号分成四路光信号后输出给所述四路PIN光探测器。

在其中一个实施例中，所述四路直接调制半导体激光器转换得到的四路光信号和所述分波器分成的四路光信号的波长范围分别为1294.53～1296.59nm、1299.02～1301.09nm、1303.54～1305.63nm、1308.09～1310.19nm。

在其中一个实施例中，所述光发射单元还包括温度控制单元，所述温度控制单元包括半导体制冷器，所述温度控制单元用于通过所述半导体制冷器调节控制所述光发射组件的温度。

在其中一个实施例中，所述光接收组件还包括跨阻放大器，所述跨组放大器连接于所述PIN光探测器与所述接口单元之间。

在其中一个实施例中，所述光发射单元还包括连接于所述光发射组件与所述接口单元之间的第一时钟恢复单元，所述第一时钟恢复单元用于接收所述接口单元输出的电信号并恢复所述电信号中的时钟信号所述光接收单元还包括连接于所述光接收组件与所述接口单元之间的第二时钟恢复单元，所述第二时钟恢复单元用于接收所述光接收组件输出的电信号并恢复所述电信号中的时钟信号。

在其中一个实施例中，所述光模块采用CFP2封装模式进行封装。

附图说明

图1为本实用新型提供的100Gbps光模块的结构框图；

图2为本实用新型一实施例中的光发射单元的结构框图；

图3为本实用新型一实施例中的光接收单元的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。

如图1所示，本实用新型涉及的100Gbps光模块包括接口单元10、光发射单元11、光接收单元12、主控管理单元13和电源管理单元14，光发射单元11、光接收单元12均与接口单元10连接；其中，光发射单元11包括光发射组件(Transmitter Optical Subassembly，以下简称TOSA)，TOSA又包括直接调制半导体激光器(Directly Modulated SemiconductorLaser，以下简称DML)，TOSA用于接收接口单元10输出的电信号并通过DML将接口单元10输出的电信号转换为光信号后发射出去；光接收单元12包括光接收组件(Receiver OpticalSubassembly，以下简称ROSA)，ROSA用于接收外部的光信号并将其转换为电信号后输出给接口单元10；主控管理单元13包括MCU和FPGA(现场可编程门阵列)，FPGA通过MDIO总线与接口单元10通信连接，MCU与FPGA通信连接，即MCU通过FPGA与接口单元10通信连接，实现与接口单元10信息的交互，同时MCU还与光发射单元11和光接收单元12通信连接，以对光发射单元11和光接收单元12进行控制；电源管理单元14与FPGA连接，即通过FPGA与接口单元10连接，实现与接口单元10信息的交互，且电源管理单元还与光发射单元11和光接收单元12连接，以对光发射单元11及光接收单元12进行供电控制如开通和关断电源。

可以理解的，100Gbps光模块通过接口单元10与一系统板连接，该系统板可位于移动终端、服务器或者数据中心等设备内部。以移动终端为例，100Gbps光模块通过接口单元10与移动终端的系统板连接。在本方案中，100Gbps光模块集成有光发射单元11和光接收单元12，通过光发射单元11可完整地完成电信号的接收与转换，即完整地将从系统板输入的电信号转换成对应的光信号并发射出去，还可以通过光接收单元12完整地完成光信号的接收与转换，即完整地将外部的光信号转换成对应的电信号并输送给系统板，从而完成了不同移动终端之间的光纤通信。

由于在本方案中使用DML将电信号转换为光信号，而DML自身功耗较小，利用DML代替传统的电吸收调制激光器(Eroabsorption Modulated Laser，以下简称EML)，能有效减少模块功耗。同时，本方案还采用FPGA与接口单元10通信连接，由于光模块和系统板通常是通过MDIO接口通信连接，而MCU一般不具备MDIO接口，不能直接与系统板的MDIO接口通信连接，本方案采用FPGA与接口单元10通信连接，FPGA可以实现MDIO接口设计，能够通过MDIO总线与接口单元10通信连接，并通过接口单元10与系统板的MDIO接口通信连接，再由MCU与FPGA通信连接，即MCU通过FPGA实现与系统板数据的交互，使得该光模块兼容性更强。

在一些优选的实施例中，如图1所示，MCU与FPGA通过SPI(串行外设接口)总线通信连接，SPI总线为全双工同步的通信总线，在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，节省了芯片布线空间，同时其数据传输速率快，可达几Mbps，虽然MCU通过FPGA与系统板交互数据，但是MCU与FPGA之间数据传输速率较快，由此造成的数据传输的延时可忽略不计。

在一些优选的实施例中，MCU通过I2C总线与光发射单元11和光接收单元12通信连接，既可获取光发射单元11和光接收单元12的相关信息，又可对光发射单元11和光接收单元12进行调节控制。

在一些优选的实施例中，如图1所示，光模块具有FLASH存储器，FLASH存储器与FPGA通过SPI总线通信连接，FLASH存储器是一种非易失性内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，在本方案中，光模块内集成有FLASH存储器以存储模块重要的数据。

在一些优选的实施例中，本方案中的100Gbps光模块为4通道光模块，即光模块的接口单元10具有四个通道进行光纤电信号的收发，如图2所示，TOSA包括四路并列的DML以及和四路DML连接的合波器，四路DML均用于接收接口单元10输出的电信号并将其转换成四路对应的光信号后输出给合波器，即接口单元10通过四个通道输出四路电信号，每一路DML接收一路电信号并将其转换为对应的光信号，合波器用于接收四路DML输出的四路光信号并合成一路光信号后发射出去；对应的，如图3所示，ROSA包括四路并列的PIN光探测器以及与该四路PIN光探测器连接的分波器，分波器用于接收光信号并将该光信号分成四路光信号后分别输出给四路PIN光探测器，即每一路光信号对应一路PIN光探测器，PIN光探测器用于将分波器输出的光信号转换为电信号，四路PIN光探测器则生成四路电信号并将四路电信号均输出给接口单元10。在本实施例中，100Gbps光模块为4通道光模块，每条通道的速率最高达28Gbps，设置每条通道的传输速率为25Gbps，四通道输出的电信号的速率则为4x25Gbps。优选地，上述四路DML转换得到的四路光信号和分波器分成的四路光信号的波长范围分别为1294.53～1296.59nm、1299.02～1301.09nm、1303.54～1305.63nm、1308.09～1310.19nm。

在一些优选的实施例中，如图3所示，ROSA还包含有跨阻放大器(Trans-ImpedanceAmplifier，以下简称TIA)，TIA连接于PIN光探测器与接口单元10之间，用于接收PIN光探测器生成的电信号并将其进行放大后输出给接口单元10。通常在光通信系统中，PIN光探测器与TIA是配合使用的，PIN光探测器将微弱的光信号转换成电信号，该生成的电信号为电流信号，再通过TIA将电流信号进行一定强度的放大形成稳定的电压信号。为配合四路并列的PIN光探测器使用，本方案也包括四路并列的TIA，PIN光探测器与TIA一一对应。

在一些优选的实施例中，如图2所示，光发射单元11还包括第一时钟恢复单元，第一时钟恢复单元连接于TOSA与接口单元10之间，用于接收接口单元10输出的电信号并恢复该电信号中的时钟信号，即接口单元10的电信号先输入第一时钟恢复单元进行时钟恢复形成稳定的电信号后再输入TOSA进行电光转换，具体的，为配合上述四路DML使用，本实施例中也包括四路第一时钟恢复单元，且第一时钟恢复单元与DML一一对应连接；对应的，如图3所示，光接收单元12还包括第二时钟恢复单元，第二时钟恢复单元连接于ROSA与接口单元10之间，用于接收光接收组件12输出的电信号并恢复该电信号中的时钟信号，即经ROSA转换后的电信号先输入第二时钟恢复单元进行时钟恢复形成稳定的电信号后输出给接口单元10，具体的，为配合四路PIN光探测器使用，本实施例中也包括四路第二时钟恢复单元，且第二时钟恢复单元与TIA一一对应连接；其中，由主控管理单元13完成时钟恢复单元的初始化操作。由于数据在传送过程中会发生时钟漂移和抖动，造成数据质量下降，在本方案中，通过时钟恢复单元对数据进行时钟恢复处理，可以从传输信道的失真和噪声中恢复数据，从而使得该100Gbps光模块具有可靠的输出传输性能。

在一些优选的实施例中，光发射单元11还包括温度控制单元(图中未示出)，温度控制单元包括半导体制冷器(Thermoelectric Cooler，以下简称TEC)，温度控制单元根据TOSA的温度控制TEC的制冷或制热功能，从而调节控制TOSA的温度，温度控制单元控制调节TOSA的温度实质是控制TOSA内部激光器的温度，激光器是一种对温度很敏感的器件，温度过高或过低都会导致激光功率和波长不稳定，即影响数据传输性能，也会影响激光器的使用寿命，所以一般要求其在恒定温度下工作，而激光器工作时发热量比较大，在本方案中，通过采集激光器的温度并根据该温度反馈调节TEC的内部电流，从而控制TEC的制冷或制热功能，实现对激光器温度的快速调控，使TOSA在不同环境温度工作时光功率恒定和波长稳定。

在一些优选的实施例中，上述光模块可采用CFP2封装模式进行封装，使得模块整体尺寸较小。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种100Gbps光模块，其特征在于，所述光模块包括接口单元、与所述接口单元连接的光发射单元和光接收单元、主控管理单元以及电源管理单元；其中：

所述光发射单元包括光发射组件，所述光发射组件包括直接调制半导体激光器，所述光发射组件用于接收所述接口单元输出的电信号并通过所述直接调制半导体激光器将所述电信号转换为光信号后发射；

所述光接收单元包括光接收组件，所述光接收组件用于接收光信号并转换为电信号后输出给所述接口单元；

所述主控管理单元包括通信连接的MCU和FPGA，所述FPGA通过MDIO总线与所述接口单元通信连接，所述MCU与所述光发射单元和所述光接收单元通信连接；

所述电源管理单元与所述FPGA连接，用于对所述光发射单元及所述光接收单元进行供电控制。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述MCU通过I2C总线与所述光发射单元和所述光接收单元通信连接。

3.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述MCU与所述FPGA通过SPI总线通信连接。

4.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，还包括FLASH存储器，所述FLASH存储器与所述FPGA通过SPI总线通信连接。

5.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述光发射组件包括四路并列的直接调制半导体激光器及与所述四路直接调制半导体激光器连接的合波器，所述四路直接调制半导体激光器用于将所述接口单元输出的电信号转换为四路光信号后输出给所述合波器合成一路光信号，所述光接收单元包括四路并列的PIN光探测器和与所述四路PIN光探测器连接的分波器，所述分波器用于接收的光信号并将其分成四路光信号后输出给所述四路PIN光探测器。

6.根据权利要求5所述的光模块，其特征在于，所述四路直接调制半导体激光器转换得到的四路光信号和所述分波器分成的四路光信号的波长范围分别为1294.53～1296.59nm、1299.02～1301.09nm、1303.54～1305.63nm、1308.09～1310.19nm。

7.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述光发射单元还包括温度控制单元，所述温度控制单元包括半导体制冷器，所述温度控制单元用于通过所述半导体制冷器调节控制所述光发射组件的温度。

8.根据权利要求5所述的光模块，其特征在于，所述光接收组件还包括跨阻放大器，所述跨阻放大器连接于所述PIN光探测器与所述接口单元之间。

9.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述光发射单元还包括连接于所述光发射组件与所述接口单元之间的第一时钟恢复单元，所述第一时钟恢复单元用于接收所述接口单元输出的电信号并恢复所述电信号中的时钟信号所述光接收单元还包括连接于所述光接收组件与所述接口单元之间的第二时钟恢复单元，所述第二时钟恢复单元用于接收所述光接收组件输出的电信号并恢复所述电信号中的时钟信号。

10.根据权利要求1至9任一项所述的光模块，所述光模块采用CFP2封装模式进行封装。