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esfp光模塊,闡述一下ecshop各模塊的功能_【光電通信】40G QSFP+ LR4 光模塊的設計與實現(一)...

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今日光電

? ? ? ?有人說,20世紀是電的世紀,21世紀是光的世紀;知光解電,再小的個體都可以被賦能。歡迎來到今日光電!


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----與智者為伍 為創新賦能----

1.緒論

ecshop的詳細功能?? ? ?高清視頻、云存儲和云計算等新興業務高速發展,隨之帶來的是互聯網全球數據流量猛增。作為處理海量互聯網數據的樞紐,40G 以太網在數據中心的應用極大的緩解了數據中心對于帶寬的壓力。而采用與 XFP 相同電接口尺寸的QSFP 封裝的 40G 光模塊,因其速率高、信道多、功耗低和體積小等優點在數據中心得到廣泛的采用,有著巨大的市場前景。

本章首先對 40G QSFP+光模塊在數據中心的應用現狀和趨勢做了分析,其次介紹了 40G 光模塊國內外研究現狀和趨勢,最后對本課題主要內容和創新點進行了闡述。

1.1 40G 光模塊在數據中心的應用現狀和趨勢

光模塊原理圖、? ? ? ?根據 Cisco 的調研報告預測,全球數據中心年度 IP 流量將從 2013 年的 3.1zettabytes 到 2018 年的 8.6 zettabytes。2013 年到 2018 年,數據中心 IP 流量將有23%的年復合增長率[4]。面對數據中心巨大的流量壓力,Google、Microsoft、Facebook 等國外 IT 巨頭們都在積極對現有數據中心進行升級。與此同時,國內的 3 大電信運營商和互聯網公司如阿里巴巴、百度和騰訊等也在積極改造和興建大型數據中心。據估計,僅中國 2015 年的數據中心市場規模就將達到 157 億美元。

? ? ? 當前數據中心的投資熱潮,為整個光收發模塊行業的發展和增長提供了契機。

? ? ? 依據 IHS Infonetics 分析出的數據,在 2014 年面向企業及數據中心市場的 10G、40G、100G 光模塊銷量增長了 21%,達到 14 億美元,占據整個電信和數據通信市場 65%的份額[6]。預計在未來幾年,光模塊銷售額整體增長的主要驅動力量是其數據中心的部署應用[7]。而 40G QSFP+光收發模塊是其需求激增的主要驅動力,相較于 2013 年下半年,2014 年下半年 40G 光模塊銷售額增長了 81%。因此,40G 光模塊在數據中心市場有著巨大的市場和前景。

? ? ? 40GQSFP+光模塊在數據中心得到廣泛的應用原因主要有 2 個。第一個原因是數據中心內部對于帶寬的要求越來越高。在 2013 年數據中心的大約 2.4zettabytes 的流量在其內部,占整個數據中心流量的 77%,而到了 2018 年數據中心內部流量估計將達到 6.4zettabytes。這些流量主要來自于存儲和虛擬機之間的數據交換活動[8]。傳統的 10G 以太網已不能在數據中心服務器和存儲應用中繼續勝任。為了解決該問題,IEEE已于2010年6月發布了新以太網標準IEEE802.3ba,該標準同時定義了 40G 和 100G 兩種以太網速率,它們主要針對服務器和網絡應用方面不同的需求。其中 40GE 應用于服務器和計算應用,100GE 應用于匯接和核心網絡應用[9]。40G 以太網技術和 40G 光收發模塊從產品成熟度和成本上來說更適于在數據中心中大規模部署。同時,由于 40G 光模塊采用 QSFP 封裝,接口尺寸和 XFP 模塊一樣,更適于數據中心中高密度的部署。另一個重要原因 100G以太網技術價格過高。雖然 100G 能提供 10 倍于 10G 以太網的速率,但當前100G 光模塊中的光器件和 MAC 層 100G PHY 芯片的技術只有少數公司掌握,因此價格昂貴,無法大規模部署。100G 以太網和 100G 光模塊當前僅僅應用于數據中心的核心交換機部分。同時,盡管已經 CFP4 標準已經提出,當前 100G主流應用仍是 CFP 光模塊,尺寸過大,導致其單板密度不高,其規模化部署中相對于 40GQSFP 光模塊優勢不明顯。

? ? ?鑒于以上因素,對 40G QSFP+光模塊的研究從市場角度來看有著很大的現實意義。此外,由于隨著 40G 技術的成熟,40G 光模塊的器件和芯片方案選擇也逐步豐富。這無疑有助于降低研發難度和成本。

最后,研究 40GQSFP+光模塊也可為后續 100G 相關光模塊的研發積累豐富的經驗。

1.2 40G 光模塊國內外現狀和發展趨勢

? ? ?經過最近幾年的發展,40G 光模塊無論在技術上還是市場上都更加成熟。從最初僅有 Finisar、JDSU 等少數幾個國外公司,發展到國內武漢電信器件公司(WTD)、旭創(InnoLight)和易飛揚(Gigalight)等企業紛紛涉足 40G 光模塊市場。其主要的推動力仍然是巨大的市場需求。當前 40G 光收發模塊主要 QSFP+SR4 與 QSFP+ LR4 這 2 種。QSFP+ SR4 使用 4 路 10Gbps 多模 850nm 光收發,有效傳輸距離為 100m,常用于數據中心內部數據交換。QSFP+ LR4 使用采用10Gbps 的 4 路 1271nm、1291nm、1311nm 與 1331nm 的波段的單模光,有效傳輸距離為 10km,既可以用在數據中心內部,也可以用在數據中心間的通信。武漢郵電科學研究院碩士學位論文3但從長遠來看,40G 應看作是從 10G 到 100G 的一個過度產品,隨著 100G器件和模塊方案的成熟,100G 光模塊大規模應用的時代也會隨之到來。100G 當前 100G 光模塊發展路線主要有 2 種。

? ? ?第一種由Finisar、Opnext和Sumitomo等公司組成的制定的CFPMSA標準,其封裝尺寸演進從最開始的 CFP 到 CFP2 一直到最新的 CFP4 標準。每一代的發展在尺寸上都比上一代減小大約一半,模塊寬度從 CFP 的 82mm,到 CFP2 的41.5mm,并最終將 100G 控制在 CFP4 標準下的 21.5mm。這將使 CFP4 擁有 4 倍于第一代 CFP 的單板密度,其單傳輸速率達到了 1.6TB/s。100G 另一種發展路線是由 InfiniBand 行業聯盟制定的 CXP 標準(其寬度 27mm,工作在短距離多模)發展到與 QSFP 相同接口尺寸的 QSFP28,并將能支持 100GBASE SR4與 100GBASE LR4 標準。

? ? ? 另外,美國 Cisco 公司獨立發展了自己進行規范定義的 100G 光模塊方案

CPAK,并在其中運用了自家的 CMOS 光子學技術生產光學器件。該方案采用器件高度集成的電氣設計,直接在硅片上印制整個電路板,開創了光學模塊利用CMOS技術實現創新和高效的先河,并使摩爾定律也開始適用于可光學領域。

? ? ?通過以上現在和趨勢介紹可以看出,更高的傳輸速率、更加小型的封裝和相對更低的成本始終是當前和未來光模塊行業發展的趨勢。

1.3 課題的創新點和主要內容

? ? ?本課題通過分析 40G 光收發模塊工作原理以及相關參考方案,依據 IEEE

802.3ba 關于 40GBASE-LR4 中定義的規范要求以及 QSFP+的多源協議,提出了一種基于 MAXIM MAX3949 激光器驅動芯片的 40G QSFP+ LR4 模塊的設計方案,并通過一系列測試驗證了該方案的可行性。關鍵技術與困難點:

(1)課題方案選用 4 片 11.3GMAX3949 驅動芯片作為其發射單元電路驅動

部分,并采用 C8051 系列單片機作為其控制單元核心。由于研發團隊在 10G 光收發模塊的設計研發過程中,有著廣泛的 MAXIM 公司驅動芯片設計和使用經驗。因此,相比較于 Semtech 等其它芯片提供商,技術過度更加平緩。同時,基于 QSFP+ LR4 模塊控制單元需要的工作量,相比于 ARM,8051 系列的功能已能夠滿足,并能降低開發成本與難度。

(2)由于板載的數據信號發射單元和接收單元都為 4×10Gbps。對于如何在板載設計時減少信號間的串擾將是設計時一個需要關注的問題。同時,控制單元如何對 4 片驅動芯片進行調度以及控制發射和接收單元各項參數也是團隊設計過程中的困難點。另外在測試階段將面對 4 個波段的光信號,對比傳統的單波段發射和接收性能測試,添加了一定的難度。

全文共有六個章節組成,各章節的主要內容安排如下:第 1 章介紹對 40G 光收發模塊在數據中心的應有現狀和趨勢做了分析,同時對 40G 光模塊技術及其后續的發展的 100G 光模塊技術做了介紹。最后對課題的創新點和主要內容做了介紹。第 2 章分析了 40G QSFP+ LR4 模塊的相關標準與協議。首先對 40G 以太網規范進行了闡述;而后對 QSFP+ MSA 多源協議進行了分析。第 3 章給出了 40GQSFP+LR4 的硬件設計。首先通過對 QSFP+LR4 工作原理的分析,并在此基礎上給出 QSFP+ LR4 的總體設計框圖;而后對硬件電路的關鍵部分做了分析,其中包括緩啟動電路,驅動電路、單片機引腳接口定義和外圍設電路設計以及 TOSA 與 ROSA 的引腳分析等。第 4 章首先對自定義的模塊 MemoryMap 進行介紹。而后對 QSFP+LR 的性能調試做了分析,包括發射端和接收端的性能調試。第 5 章給出模塊的測試方案,對樣品模塊進行了系列測試,并對得到的測試數據進行分析。第 6 章對全文的主要工作內容進行總結,分析其中的不足,同時對下一步的工作內容進行了展望。文章來源:40G QSFP+ LR4 光模塊的設計與實現? ?胡方衍

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申明:原創不易希望大家積極點贊、轉發擴散。

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