一种高性能的光纤互连系统的制作方法

本发明涉及光纤互连方法，属于光电通信技术领域，特别涉及一种高性能的光纤互连系统。

背景技术：

随着5g，大数据，分布式存储，ai，高速计算业务的兴起，数据中心的规模日益增长，数据中心交换系统从10ge/40ge提高到100ge/400ge，服务器接入也从10ge提高到25ge/100ge。基于高吞吐和大带宽的发展趋势，现有100geqsfp28接口在向下一代100ge接口演进，下一代100ge接口由两个50ge物理接口组成，相对于上一代100geqsfp28接口，通道数目减半，端口密度增加一倍。

下一代100ge接口有两种封装形式：sfp-dd和dsfp。

sfp-dd(smallform-factorpluggable-doubledensity)小形状系数可插拔双密度电气接口可以拓展现有的sfp接口。sfp-dd接口和现有的sfp接口很像，它在现有的sfp接口上增加了一排电气接口。sfp-dd接口是由小形状系数可插拔双密度(sfp-dd)多源协议(msa)工作组提出。现有的sfp单通道接口广泛应用与高达28gbps的nrz或者56gbps的pam4中。新型的sfp-dd接口可支持两个通道，每个通道都可支持28gbps的nrz或者56gbps的pam4，从而两个通道能达到56gbps或112gbps的聚合带宽。sfp-dd使通信通道密度和速率都提高一倍，同时又向下兼容sfp接口，有助于满足下一代数据中心互联对数据带宽和通道密度，接口兼容性的需求。

dsfp(doublesmallform-factorpluggable)连接器组件，其上排管脚及下排管脚分别设有预设管脚，增加了两个通道，使用者可根据需要，对预设管脚进行定义，扩展了其使用功能。dsfp是个别设备商发起和主推的封装类型，取消了很多控制和指示脚，用软件来读写寄存器，进行通信和控制。

有源光缆aoc是activeopticalfiber的简写，它主要用于短距离多通道数据应用中。有源光缆由多模光纤，光收发控制芯片，光器件和光模块组成。有源光缆两边的收发器提供光电转换，光传输和驱动电口的能力，以提高光信号的传输速度和距离，兼容电口规范的性能。

在传输形式上，为了满足下一代数据中心互联的应用需求，灵活，低成本的100gbit/s的速率传输方案被相继提出。主流的使用pam4调制的2通道x50gbit/s的传输方式可以降低收发机模块的设计复杂度，面积和功耗消耗。但是这其中有两个问题是系统性能的瓶颈：收发机的调制带宽限制和调制解调过程中的非线性损伤。为了解决这两个问题，基于dsp(数字信号处理)的方案被提出。dsp方案利用判决反馈均衡(dfe)和前向均衡(ffe)来补偿信道的非线性失真。这些方案往往需要很高的计算复杂度和耗费很大的功耗。

技术实现要素：

本发明提出了一种解决上述问题的光纤互连系统，所述光纤互连系统包括电接口，光路接口，变速箱，nrz接收发送机，其中，

所述系统电口为n/2(n为大于等于2的偶数)路pam4信号，光路接口信号为n路nrz信号；

所述电接口使用100gdsfp接口或100gdsfp或sfp-ddpam4电接口单元；

输入电口信号为两路50gpam4信号tx1，tx2，输出电口信号为两路50gpam4信号rx1，rx2；

所述变速箱将输入信号tx1，tx2转化成nrz信号，由nrz光发送单元转化为光信号，并且，

nrz接收单元接收光信号，把信号放大后传给变速箱，变速箱生成dsfp或sfp-dd电接口信号rx1，rx2。

优选地，所述变速箱包括发送机端变速箱和接收机端变速箱，通过开关和pam4编码/解码器，使光纤互连电路实现pam4模式和nrz模式的复用。

优选地，nrz接收发送机包括nrz接收机和nrz发送机，

nrz发送机输入为四通道nrz信号，经由ctle连续时间线性均衡器补偿信道衰减后输入到cdr时钟恢复模块，

nrz接收机输入为nrz光信号，pd光电探测器阵列把光转化成的电流信号，经由tia跨阻放大器把小信号进行放大，限幅放大器把信号进一步放大，输入到cdr时钟恢复模块。

优选地，nrz发送机中的cdr时钟恢复模块包括相位比较器，环路滤波器，vco时钟生产器，

当用于低速数据输入时，cdr时钟恢复模块通过旁路数据选择器，实现高速模式和低速模式的复用。

优选地，cdr相位比较器包括非线性相位比较器或线性相位比较器，

cdr时钟恢复和旁路数据由旁路数据选择器进行选择，输出给驱动器driver，驱动器driver集成预加重均衡器，对输出信号进行高频分量的提升，用于补偿光路的衰减；

输出信号经由vcsel激光器转换成光信号。

优选地，nrz接收机中的cdr时钟恢复模块包括相位比较器，环路滤波器，vco时钟生产器，

当用于低速数据输入时，cdr时钟恢复模块通过旁路数据选择器，可以实现高速模式和低速模式的复用。

优选地，cdr相位比较器包括非线性相位比较器或线性相位比较器组成；

cdr时钟恢复和旁路数据由数据选择器进行选择，输给输出级，输出级集成有前向反馈均衡器对信号进行去加重，去加重保持信号上升沿和下降沿的幅度不变，其它地方信号进行衰减，来补偿电信号的衰减。

优选地，发送器机端变速箱包括ctle连续时间线性均衡，电位判决器和pam4解码器，pam4解码器输入信号经ctle连续时间线性均衡器补偿信道衰减；

均衡后的信号，经判决后得到3路nrz，3路nrz信号经过解码后得到2路nrz；一路nrz作为pam4的高有效位，直接由切片后的中间一路nrz信号得到；另外一路nrz作为pam4的低有效位，利用切片后的三路输出进行逻辑得到。

优选地，接收机端变速箱把两路nrz合成一路pam4；

pam4编码器由cml电路实现，一路nrz信号可以作为高有效位，另外一路nrz信号可以作为低有效位；

两路nrz输入到cml电路的输入端，电流进行加权，得到pam4信号。

一种使用本光纤互连系统的有源光缆，所述有源光缆包括第一端和第二端，所述第一端和第二端具有光纤互连电路，第一端和第二端之间通过多模光纤连接。

本发明可以实现pam4模式和nrz模式的复用。通过切换变速箱的开关，电接口可以为pam4模式或nrz模式。nrz接收机包括光电探测器，tia跨阻放大器，限幅放大器，时钟恢复cdr，旁路数据选择器组成。通过旁路数据选择器，接收机可以实现高速模式和低速模式的复用。nrz发送机包括时钟恢复cdr，旁路数据选择器，驱动器和vcsel激光器组成。通过旁路数据选择器，发送机可以实现高速模式和低速模式的复用。

本发明提出了高性能光纤互连系统，能把传统的100gsfp接口改造为下一代100gdsfp或sfp-dd接口。通信通道密度和速率都提高一倍，同时又向下兼容sfp接口。使用本光纤互连系统的100gsr2aoc有源光缆由多模光纤，变速箱，nrz接收发送机，光器件组成。该有源光缆能兼容下一代数据中心应用的dsfp/sfp-dd封装技术，实现两路并行2x50gbpspam4信号光电传输。使用本光纤互连系统的高速光通信电路由电接口，变速箱，nrz接收发送机和光纤接口组成。使用本光纤互连系统的光通信系统可以实现pam4模式和nrz模式的复用。通过切换变速箱的开关，电接口可以为pam4模式或nrz模式。

本发明可以在原有nrz接收发送机基础上进行扩展，加上变速箱后，得到pam4电接口，设计上可以复用nrz接收发送机部分，减少设计迭代周期。传统的pam4接收是系统的瓶颈，本系统接收前端为nrz信号，对系统的线性度要求大大降低，灵敏度相比传统的pam4架构有很大的优势。另外，由于接收前端和发送后端均为nrz信号，对光器件的要求降低，能节约大量成本。

本发明描述的下一代数据中心应用的100gsr2aoc光互连产品，应用于数据中心接入层，满足高速互联需求。该方案可用于dsfp封装和sfp-dd封装。具有低成本，低延时，低功耗，高良率。不需要复杂和具有高功耗的dsp。该方案可以在现有的100gsr4的现有基础上扩展成100gsr2，减少设计成本和设计迭代时间。

本发明有源光缆能兼容下一代数据中心应用的dsfp/sfp-dd封装技术，实现两路并行2x50gbpspam4信号光电传输。

附图说明

图1描述了根据本发明的一个说明性或示范性实施例的的高性能光纤互连系统的框图。

图2是现有100gsfp接口光通信方案。

图3是使用本光纤互连系统的100gdsfp接口或sfp-dd接口光通信方案。

图4描述了一种使用本光纤互连系统的高速通信电路的具体实现方法。

图5是变速箱技术应用于100gsr2aoc有源光缆的实现方式。

具体实施方式

如图1，实现高性能的光通信系统方案为：n/2(n为大于等于2的偶数)路pam4信号先经pam4解码器转换为n路nrz信号，经过发送机和激光器转化为n路nrz光信号。nrz光信号再经光电探测器，接收机转化为n路nrz信号，n路nrz信号经过pam4合成器输出n/2路pam4信号。本系统相对于传统的pam4接收机而言，由于光信号是nrz，灵敏度和性能具有显著提升。例如，传统50gpam4接口的光接收发送机，电信号是50gpam4，光信号是50gpam4，而本系统的电信号是50gpam4，光信号是25gnrz。25gnrz光信号经过光电探测器后，电眼的幅度是pam4的3倍，电眼的宽度也优于pam4。25gnrz相对于50gpam4经过接收机后灵敏度约提高6db以上。所以本系统相对与传统的pam4具有更高的性能。

如图2，现有100gsfp接口光通信方案由100gsfp电接口单元和100gnrz光发送与接收单元组成。输入电口信号为四路25gnrz信号tx1，tx2，tx3，tx4，输出电口信号为四路25gnrz信号rx1，rx2，rx3，rx4。输入信号tx1，tx2，tx3，tx4经过nrz光发送单元转化为光信号。接收光信号经过nrz接收单元，传给sfp电接口rx1，rx2，rx3，rx4。

如图3，使用本光纤互连系统的，用100gdsfp接口或sfp-dd接口的光通信方案由100gdsfp或sfp-ddpam4电接口单元，变速箱和100gnrz光发送与接收单元组成。电接口单元为下一代100gdsfp或sfp-dd接口，输入电口信号为两路50gpam4信号tx1，tx2，输出电口信号为两路50gpam4信号rx1，rx2。输入信号tx1，tx2经过变速箱处理转化成nrz信号，然后由nrz光发送单元转化为光信号。接收光信号经过nrz接收单元把信号放大后传给变速箱，变速箱生成dsfp或sfp-dd电接口信号rx1，rx2。

如图4，使用本光纤互连系统的高速光通信电路由电接口，变速箱，nrz接收发送机和光纤接口组成。

使用本光纤互连系统的光通信系统可以实现pam4模式和nrz模式的复用。通过切换图中的开关，电接口可以为pam4模式或nrz模式。具体为：开关1，3，5，7闭合，开关2，4，6，8开路，则电口为nrz模式；开关2，4，6，8闭合，开关1，3，5，7开路，则电口为pam4模式。

100g的nrz发送机输入为四通道nrz信号，可以经由ctle连续时间线性均衡器补偿信道衰减后输入到cdr时钟恢复模块。cdr时钟恢复模块是提高系统性能的一个关键模块，用于从信道的失真和噪声中恢复出质量高的低抖动数据。cdr时钟恢复模块由相位比较强，环路滤波器，vco时钟生产器组成。当用于低速数据输入时，cdr时钟恢复模块可以被旁路(bypass)。通过旁路数据选择器，可以实现高速模式(100gbps)和低速模式(10gbps)的复用。cdr相位比较器由非线性相位比较器或线性相位比较器组成。cdr时钟恢复和旁路bypass数据可以由数据选择器进行选择，输出给驱动器driver。驱动器driver集成有预加重均衡器，对输出信号进行高频分量的提升，用于补偿光路的衰减。输出信号经由vcsel激光器转换成光信号。

100g的nrz接收机输入为nrz光信号，pd光电探测器阵列把光转化成的电流信号，经由tia跨阻放大器把小信号进行放大，然后限幅放大器把信号进一步放大，输入到cdr时钟恢复模块。cdr时钟恢复模块是提高系统性能的一个关键模块，用于从信道的失真和噪声中恢复出质量高的低抖动数据。cdr时钟恢复模块由相位比较器，环路滤波器，vco时钟生产器组成。当用于低速数据输入时，cdr时钟恢复模块可以被旁路(bypass)。通过旁路数据选择器，可以实现高速模式(100gbps)和低速模式(10gbps)的复用。cdr相位比较器由非线性相位比较器或线性相位比较器组成。cdr时钟恢复和旁路bypass数据可以由数据选择器进行选择，输给输出级，输出级集成有前向反馈均衡器对信号进行去加重，去加重保持信号上升沿和下降沿的幅度不变，其它地方信号进行衰减，来补偿电信号的衰减。

发送器端变速箱由ctle连续时间线性均衡，电位判决器和pam4解码器组成。pam4输入信号经由ctle连续时间线性均衡器补偿信道衰减。均衡后的信号分别与3个参考电压进行比较，这3个参考电压分别对应与pam4的上中下眼图的中间。也可以把输入pam4进行电平移位进行判决。判决后得到3路nrz，3路nrz信号经过解码后得到2路nrz。一路nrz作为pam4的高有效位，可以直接由切片后的中间一路nrz信号得到。另外一路nrz作为pam4的低有效位，需要利用切片后的三路输出进行逻辑得到。此逻辑可以由简单的cml电路实现。发送器端变速箱也可以被旁路，旁路后，100gsr2可以用做50gsr2，输入由两路25gpam4变为两路25gnrz信号。

接收器端变速箱把两路nrz合成一路pam4。pam4合成器可以由cml电路实现，一路nrz信号可以作为高有效位，另外一路nrz信号可以作为低有效位。两路nrz输入到cml电路的输入端，电流进行加权，即可得到pam4信号。cml加法器还集成有前向反馈均衡器ffe对信号进行去加重，去加重保持信号上升沿和下降沿的幅度不变，其它地方信号进行衰减，来补偿电信号的衰减。接收器端变速箱也可以被旁路，旁路后，100gsr2可以用做50gsr2，输出由两路25gpam4变为两路25gnrz信号。

如图5，使用本光纤互连系统的100gsr2aoc有源电缆包含两端，中间用光纤连接，每一端都含有变速箱，nrz发送机，vcsel激光器阵列，nrz接收机，光电探测器阵列。vcsel激光器阵列和光电探测器阵列为光器件。有源光缆两边的收发器提供光电转换，光传输和驱动电口的能力，有源光缆的电口为下一代100gdsfp或sfp-dd封装形式的pam4接口。100gsr2aoc有源光缆能兼容下一代数据中心应用的dsfp/sfp-dd封装技术，实现两路并行2x50gbps光电传输。

传统的100gqsfp28aoc有源光缆被广泛应用于100g数据中心，高性能计算和存储区域短距离互联，由两个光收发器和一根光纤跳线组成。传统的100gqsfp28aoc有源光缆使用4通道850nmvcsel激光器阵列和pd光电探测器阵列。在100gqsfp28aoc的基础上，加上变速箱，就能实现100gsr2aoc。100gsr2aoc的接口为sfp-dd或dsfp。每个收发器的输入为两通道的pam4差分对电信号tx1，tx2，每个通道为50g，两个通道组成了100g。每个收发器的输出为两通道的pam4差分对电信号rx1，rx2，每个通道为50g，两个通道组成了100g。

本系统可以在原有100gsr4nrz基础上进行扩展，加上变速箱后，得到100gpam4。设计上可以复用nrz接收发送机部分，减少设计迭代周期。传统的pam4接收是系统的瓶颈，对接收机的线性度要求较高，灵敏度难以做得很高。本系统接收前端为nrz，对线性度要求不高，灵敏度比pam4有很大的优势。传统的pam4接收机需要切片器slicer把pam4进行信号切片转为nrz，由于信号切片前是小信号，切割后信号会有较大的失真，对系统的灵敏度造成了很大的影响。本发明方案接收机由于输入是nrz信号，不需要对信号进行切片，系统设计复杂度和系统性能比传统pam4得到很大的提升。另外，由于接收前端和发送后端均为nrz信号，对光器件的要求降低，能节约大量成本。

受益于前述描述和相关联的附图中呈现的教导，本领域的技术人员将想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，将理解到，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和实施例旨在被包括在随附的权利要求的范围内。还应理解到，在缺少在本文中未特别地公开的元件/步骤的情况下，可以实践本发明的其他实施例。