隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對(duì)帶寬的需求與日俱增，伴隨著公有云、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的快速發(fā)展，100G 系統(tǒng)也開始進(jìn)行了大規(guī)模部署。而在100G系統(tǒng)的建設(shè)中，CFP是目前使用最為廣泛的光模塊之一，而接下來本文將結(jié)合100G客戶側(cè)和線路側(cè)光模塊框架結(jié)構(gòu)對(duì)CFP?、CFP2、CFP4三種封裝類型的光模塊進(jìn)行對(duì)比。

為推動(dòng)100G 光通信產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展，多個(gè)光通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織積極制定100G 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋100G以太網(wǎng)接口、光器件、光模塊、OTN 成幀、系統(tǒng)架構(gòu)等領(lǐng)域。IEEE 802.3ba 涵蓋40/100G 以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)，并于 2010 年 7 月正式發(fā)布；ITU- T G.709 定義了支持100GE 的OTU4 幀結(jié)構(gòu)及映射協(xié)議，規(guī)范了100G 單板中成幀處理要求；OIF 負(fù)責(zé)制定100G 波分側(cè)光模塊電氣機(jī)械接口、軟件管理接口、集成式發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組件、前向糾錯(cuò)技術(shù)的協(xié)議規(guī)范，推動(dòng)了波分側(cè)接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化；由多個(gè)光模塊廠商組成的CFP 多源協(xié)議聯(lián)盟也發(fā)布了客戶側(cè)可熱插拔光模塊硬件和軟件接口協(xié)議，并為100G 客戶側(cè)接口制定了接口規(guī)范。

CFPMSA 是第一個(gè)支持40 和100GbE 以太網(wǎng)光端機(jī)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。CFP 多源協(xié)議是為了定義一種熱插拔光模塊的封裝規(guī)格，以推動(dòng)40 和100Gbit/s 應(yīng)用，包括下一代高速以太網(wǎng)應(yīng)用（40 和100GbE）。CFA 多源協(xié)議利用高級(jí)溫度管理（Advanced Thermal Manage-ment）、電磁干擾管理（EMI Management）和10Gbit/s 信號(hào)完整性（10Gbit/s Signal Integrity）等來定義光收發(fā)模塊的機(jī)械封裝、光連接器、帶插針10×10Gbit/s 電連接器，并基于MDIO 的模塊管理接口和系統(tǒng)控制板上的硬件。

CFP 協(xié)議包括兩部分，即硬件規(guī)格和管理接口規(guī)范。CFP3 種封裝類型下硬件規(guī)格詳細(xì)定義協(xié)議發(fā)布時(shí)間如下：

（1）CFP Publication 于2009 年3 月23 日發(fā)布，目前最新版本為Publication Rev1.4。

（2）CFP2 Draft 0.0 于2012 年12 月30 日發(fā)布，目前最新版本為1.02013.7.31。

（3）CFP4 Draft 0.1 于2014 年3 月2 日發(fā)布（目前唯一版本）。

CFP 管理接口規(guī)范2.0 發(fā)布于2011 年6 月30 日，涵蓋3 種CFP 封裝類型，此前版本只支持100G 客戶側(cè)光模塊，從該版本開始新增對(duì)OIF MSA-100GLH DWDM光模塊的支持。

如表1所示，IEEE802.3ba規(guī)定了支持100GE接口類型，即 100GBASE- SR10、100GBASE- LR10、100GBASE-LR4 和 100GBASE-ER4 等，詳細(xì)定義了各種類型支持的傳輸距離、光纖類型、支持速率和對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)等。IEEE 802.3ba 定 義 了 100GE 的 速 率 為103.125Gbit/s。 OIF 定 義 了 兩 種 CFP 類 型 ：4 波 長(zhǎng)（4×25G，100GBASE- LR4/ER4）和 10 波長(zhǎng)（10×10G，100GBASE-SR10/LR10）。

DWDM 的長(zhǎng)距傳輸主要受限于OSNR、色散、非線性效應(yīng)、PMD 等物理限制。系統(tǒng)允許的色散容限與速率的平方成比例下降；DGD 容限與速率成反比，速率越高，系統(tǒng)允許的DGD 越小，而信號(hào)偏振變化的統(tǒng)計(jì)特性導(dǎo)致PMD 的光學(xué)補(bǔ)償方式實(shí)用困難。此外，光傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是需要進(jìn)一步提升光纖的頻譜利用效率，以節(jié)省光纖資源。這些限制因素和調(diào)制信號(hào)速率密切相關(guān)，調(diào)制速率越高，影響越明顯。為解決上述問題，100G 線路側(cè)光模塊發(fā)送端使用PM-QPSK 調(diào)制技術(shù)，接收端使用相干檢測(cè)技術(shù)、DSP 技術(shù)以及FEC軟判決。

發(fā)送端使用偏振復(fù)用技術(shù)，兩路獨(dú)立的光偏振態(tài)來承載56GHz業(yè)務(wù)。每路偏振態(tài)都采用QPSK調(diào)制方式，可以進(jìn)一步將波特率降低到28Gbit/s，降低了對(duì)光/電器件的帶寬要求，從而降低了系統(tǒng)功耗和成本。

接收端使用相干接收以及電域補(bǔ)償技術(shù)。其中， DSP 芯片實(shí)現(xiàn)功能包括CD 補(bǔ)償、PMD 補(bǔ)償、SOP 跟蹤、頻偏估計(jì)和相位恢復(fù)。相干平衡光接收機(jī)從光信號(hào)還原出兩路偏振態(tài)，并從中解調(diào)出4 路相位信息，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過CD 補(bǔ)償模塊進(jìn)行色散補(bǔ)償，通過偏振補(bǔ)償模塊補(bǔ)償 PMD，并跟蹤線路 SOP 的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行正確的偏振解復(fù)用，之后進(jìn)行頻率偏移補(bǔ)償和相位恢復(fù)，最后進(jìn)行判決恢復(fù)出原始信號(hào)，也可以輸出軟判決信號(hào)給后續(xù)的FEC 譯碼模塊。DSP補(bǔ)償技術(shù)可提升OSNR 容限到近6dB，系統(tǒng)色散容限可以達(dá)到 40000～60000ps/nm，PMD 容限可以達(dá)到25～30ps。

在100Gbit/sWDM系統(tǒng)中普遍采用軟判決FEC技術(shù)。SD-FEC充分利用信道輸出波形信息，應(yīng)用更豐富的采樣信息來判斷接收到的信號(hào)是“1”還是“0”，可以提供更高的解碼準(zhǔn)確率，以此提高系統(tǒng)性能。對(duì)于20％開銷的理想場(chǎng)景，軟判決譯碼將比硬判決譯碼高出1.3dB 的理論增益性能。

2009 年，思博倫推出業(yè)內(nèi)第一個(gè)100G 測(cè)試模塊。隨著TOSA、ROSA 和GearBox IC 的發(fā)展，CFP MSA 已經(jīng)演進(jìn)到CFP4 類型。2013 年9 月，F(xiàn)inisar 展示了業(yè)界第一個(gè)100GE-SR4CFP4 光模塊。2014 年3 月11 日，思博倫通信宣布推出支持CFP4 的4 端口DX2100G 測(cè)試模塊，支持40Gbit/s 和100Gbit/s 光接口應(yīng)用，可滿足當(dāng)今以及未來通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于超高帶寬的要求。在2014年以太網(wǎng)聯(lián)盟展臺(tái)上，F(xiàn)inisar 的100GE-SR4CFP4 光模塊將插在思博倫DX2100G CFP4 測(cè)試模塊上，展示了無錯(cuò)誤的傳輸流互操作性，顯示了CFP4 技術(shù)的成熟性，加快了該類型模塊的上市時(shí)間。

100G CFP 模塊封裝演進(jìn)歷程，從最初的CFP 逐步發(fā)展到現(xiàn)在的CFP4。CFP4 光模塊體積是CFP2 的一半，是當(dāng)前使用的CFP 寬度的1/4。由于體積的減小，CFP4耗電量大幅下降，從而使它們?cè)谛鲁邘挃?shù)據(jù)中心和核心路由器領(lǐng)域更具吸引力，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商可以通過從CFP2向CFP4接口遷移，將前板端口密度 增加1倍。

圖 1 展示了近十年電接口速率的發(fā)展，從 1Gbit/s發(fā)展到 28.05Gbit/s。得益于 IC 芯片的發(fā)展，CFP 光模塊才發(fā)展到目前的CFP4類型，集成度大幅提高，功耗也得以進(jìn)一步降低。各類型光模塊支持電接口速率如下：

1、CFP光模塊支持每通道電接口速率為10Gbit/s。

2、CFP2光模塊支持下面幾種速率高速電接口：

●4×TX通道+4×RX通道，每通道速率25Gbit/s。

●8×TX通道+8×RX通道，每通道速率25Gbit/s。

●10×TX通道+10×RX通道，每通道速率10Gbit/s。

以下兩種類型將來可能支持：

●4×TX通道+4×RX通道，每通道速率50Gbit/s。

●8×TX通道+8×RX通道，每通道速率50Gbit/s。

3、CFP4光模塊支持下面幾種速率高速電接口：

●4×TX通道+4×RX通道，每通道速率25Gbit/s。

●4×TX通道+4×RX通道，每通道速率10Gbit/s。

以CFP4 光模塊為例，展示光模塊內(nèi)部環(huán)回功能，此功能為可選功能。環(huán)回功能通過MDIO 接口對(duì)內(nèi)部器件進(jìn)行控制。如圖2 所示，有兩個(gè)環(huán)回方向：主機(jī)側(cè)環(huán)回和網(wǎng)絡(luò)側(cè)環(huán)回。是否支持環(huán)回功能，若支持，支持哪個(gè)方向，由模塊內(nèi)部IC 芯片決定（圖中標(biāo)記“Interface IC(s)”）。此功能由廠家決定。環(huán)回功能，可以用于光模塊故障定位。

CFP 管理信息系統(tǒng)由包括 MDIO 固件接口和硬件控制、告警插針。CFP、CFP2 和 CFP4 均采用MDIO 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行讀寫控制。幾種封裝結(jié)構(gòu)有細(xì)微差別：CFP 使用5 個(gè)MDIO 端口地址插針來傳輸32 個(gè)不同的地址，在后續(xù)使用中發(fā)現(xiàn)實(shí)際使用不到如此多的地址；CFP2 和CFP4 減少到使用3 個(gè) MDIO 端口地址插針傳輸8 個(gè)地址端口信息。當(dāng)主機(jī)需要多于8 個(gè)端口時(shí)，使用獨(dú)立的MDIO 總線。CFP2仍保留 CFP 中可編程告警和控制插針，這些管腳在 CFP4 中被去除。

客戶側(cè)光模塊MDIO 接口實(shí)現(xiàn)功能如下：

●模塊基本信息查詢。

●密碼控制（可選）。

●Alarm/Warning 門限設(shè)置。

●控制類命令設(shè)置，如模塊復(fù)位、TX 端去使能、TX PRBS 使能等。

●FAWS（Fault、Alarm、Warning and Status）查詢，包括當(dāng)前和鎖存兩種類型。

●軟件下載。

MSA-100GLH 光模塊除上面功能外還包括：

●發(fā)送端激光器功率和頻率控制。

●接收端功激光器率和頻率控制。

●FEC 控制。

●狀態(tài)查詢，包括模塊整體狀態(tài)、Lane 通道狀態(tài)（是否幀對(duì)齊、告警、OTN 幀狀態(tài)），由3 類寄存器配合完成，即當(dāng)前狀態(tài)、鎖存狀態(tài)、使能寄存器。

●NetworkLane控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道相位、幅度控制。

●實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振狀態(tài)控制和查詢。

通過上面相關(guān)接口功能實(shí)現(xiàn)對(duì)MSA-100GLH 光模塊控制，從而實(shí)現(xiàn)偏振、QPSK、DSP、FEC 對(duì)應(yīng)器件功能，結(jié)合控制環(huán)路控制實(shí)現(xiàn)模塊整天功能。MDIO接口詳細(xì)定義請(qǐng)參考“CFP MSA Management Interface Specification”。

目前，100G 光模塊主要應(yīng)用于電信骨干網(wǎng)，CFP技術(shù)已經(jīng)比較成熟，是現(xiàn)在使用最多的光模塊。在 2013 年OFC 會(huì)議上很多光模塊公司已經(jīng)推出了CFP2相關(guān)產(chǎn)品。CFP2 光模塊在數(shù)據(jù)、通訊、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，甚至包括目前很熱門的云計(jì)算領(lǐng)域，都有比較廣泛的應(yīng)用，在未來幾年有比較大的應(yīng)用前景和空間。雖然華為等設(shè)備商和光模塊廠家都在力推CFP4，但是目前CFP4相關(guān)器件技術(shù)仍然不是很成熟，價(jià)格也相對(duì)較高，因此大規(guī)模使用還需要一定的時(shí)間。但隨著光電器件技術(shù)逐步發(fā)展，價(jià)格進(jìn)一步下降，在不遠(yuǎn)的將來，CFP4 光模塊由于其小封裝、低功耗等優(yōu)勢(shì)，肯定會(huì)占領(lǐng)100G 光模塊大部分市場(chǎng)。