一种用于本地环回测试的光模块的制作方法

本实用新型涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种用于本地环回Loopback(本文中Loopback特指本地环回)测试的光模块。

背景技术：

近年来，随着移动通信技术的快速发展，第五代移动通信技术“5G”将逐渐进入我们的生活，作为5G通信系统的载体，高速率光模块及相应路由器、交换机等网络设备会被大量使用。现有网络设备进行信号传输及交互大多采用非归零码NRZ模式进行调制，即使用两种信号电平来表示数字逻辑信号的0、1信息，每个符号周期可传输1个bit的逻辑信息；而脉冲幅度调制PAM信号则可以采用更多信号电平，从而每个符号周期可传输更多bit信息。以PAM-4信号为例，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)。因此，要实现同样的信号传输能力，PAM-4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将大大减小。

在高速率光模块接口标准的制定过程中，最基本的诉求是每对高速线上的数据速率要提高到50Gbps以上，如果仍采用NRZ调制技术，每个符号周期只有不到20ps，对于收发端芯片的时间余量以及传输链路的损耗要求更加苛刻，所以PAM-4调制技术的使用几乎成为了必然趋势。然而，传统高速率网络通信设备几乎不能支持PAM-4调制模式；现有测试方式还须采用光模块、光纤、光衰减或放大器以及其他测试线缆搭建测试系统(即非本地环回)，该方式不仅测试成本昂贵、测试效率低，且还占用了大量的测试资源，难以进行在线的高低温、系统级测试等。

目前市场没有同时支持NRZ/PAM-4调制模式的Loopback测试光模块，已有QSFP28Loopback测试光模块是将4路NRZ信号通过CDR电路进行环回，每个通道最高环回速率仅为28Gbps。现有的QSFP28Loopback测试光模块采用的是NRZ调制模式，不支持PAM-4等调试模式及其对应速率拓展，另外每只QSFP28Loopback测试光模块仅对应一种功耗等级，如Host端有不同功耗等级的测试需求，就需要定制多种不同功耗的Loopback模块进行测试，既增加了测试成本，又给测试工作带来了诸多不便。

目前世界各大网络通信公司对未来高速率模块的发展方向持不同态度，有的认为QSFP-DD系列高速率光模块将成为主流产品，也有人认为OSFP或CFP系列高速率光模块将主导市场发展趋势；针对下一代高速率光模块发展趋势，在世界各地尚未达成一致意见时，QSFP-DD、OSFP、CFP系列光模块将同时兴起和发展；现有的单一类型的Loopback测试光模块将无法覆盖大多数Host端交换机的应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于本地环回测试的光模块，能够模拟不同功耗条件下的测试应用环境，实时准确地采集反馈相关信息，适用于多种不同调制类型和速率及不同链路衰减条件下的网络设备，在提高测试精度和准确率的同时缩短了测试时间并降低了测试成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案包括以下各方面。

一种用于本地环回测试的光模块，其包括：根据预设协议封装的多个接口、衰减电路ATT、CDR模块、微控制单元MCU、多路控制开关、以及多个负载电阻；

其中，根据预设协议封装的多个接口用于与被测试的主机设备对应的接口相连接，其包括多个用于从主机设备接收数据包的输入信号接口，多个用于向主机设备发生数据包的输出信号接口，六个用于向光模块供电的电源接口，包括数据线SDA和时钟信号线SCL的I2C总线接口，以及多个状态控制及指示接口；每个输入信号接口和输出信号接口均设置为单通道25Gbps或50Gbps的速率可切换接口；输入信号接口经由衰减电路ATT连接至CDR模块；

MCU用于根据预设协议来设置光模块的初始化调制模式和功耗等级；MCU通过I2C总线接口与主机设备连接以接收来自主机设备的环回测试指令并发送诊断信息给主机设备，通过MDIO/MDC总线接口与CDR模块连接，并通过GPIO接口与多路控制开关连接；MCU进一步用于根据环回测试指令中的信息通过MDIO/MDC总线接口设置CDR模块中的寄存器来控制CDR模块采用PAM-4调制模式或者NRZ调制模式进行信号调制，并根据调制模式切换每个输入信号接口和输出信号接口的速率；

MCU进一步用于根据所确定的调制模式经由GPIO接口控制多路控制开关导通或断开多个负载电阻中的一个或多个来设置对应的负载功耗值以匹配预设协议相应的功耗等级，并经由MDIO/MDC总线接口控制CDR模块建立输入信号接口和输出信号接口之间的网络映射。

优选的，所述衰减电路ATT包括8个π型衰减电路，其中的每一个由4个数字电阻器构成，通过不同数字电阻器的组合，来对信号进行不同等级的衰减。

优选的，所述CDR模块包括依次连接的连续时间线性均衡器CTLE、CDR电路、以及前向纠错FEC中继电路；

CDR模块的输入端与输出端之间连接有多个AC耦合电容以滤除高频信号中的直流分量。

优选的，所述光模块进一步包括经由GPIO接口连接至MCU的温度传感器、电压采集电路、以及多个状态指示灯。

优选的，所述MCU用于通过温度传感器、电压采集电路周期地获取光模块的实时温度和供电电压，并判断温度和供电电压是否在光模块的工作要求范围内；当工作温度和工作电压均在正常范围内时，光模块正常工作，MCU控制状态指示灯显示正常工作信息；当模块工作温度或供电电压超过工作要求范围时，MCU控制状态指示灯显示告警信息，并通过MCU内部的控制开关切断电源接口所连接的电源，以保护被测的主机设备和光模块。

优选的，所述MCU进一步用于首先根据环回测试指令判断是否采用PAM-4调制模式，若主机设备指示采用PAM-4调制模式且与初始调制模式相同，则不切换调制模式；并进一步判断是否切换功耗等级；若主机设备指示提高或者降低功耗等级，则MCU通过GPIO接口控制多路控制开关导通或断开多个负载电阻中的一个或多个来设置对应的负载功耗值以匹配环回测试指令中的指示功耗等级；在不需进行功耗等级切换或者完成切换后，MCU经由MDIO/MDC总线接口控制CDR模块建立输入信号接口和输出信号接口之间的网络映射，并控制CDR模块在PAM-4调制模式的驱动下发送数据包。

优选的，所述若主机设备指示采用NRZ调制模式且与初始调制模式不相同，则MCU通过MDIO/MDC总线接口选择CDR模块中相应的寄存器来将调制模式切换为NRZ调制模式；进一步地，MCU判断是否切换功耗等级；若主机设备指示提高或者降低功耗等级，则打开对应通道多路负载开关以匹配环回测试指令中的指示功耗等级；并建立输入信号接口和输出信号接口之间的网络映射，控制CDR模块即可在NRZ调制模式的驱动下发送数据包。

优选的，所述根据调制模式切换每个输入信号接口和输出信号接口的速率包括：在采用PAM-4调制模式时将每个输入信号接口和输出信号接口的速率切换为50Gbps，在采用NRZ调制模式时将每个输入信号接口和输出信号接口的速率切换为25Gbps。

优选的，所述预设协议为QSFP-DD、CFP、CFP2、CFP4、CFP8、OSFP MSA协议中的一种。

优选的，所述光模块结构件包括底座、解锁件拉带、弹簧、PCB组件、LED发光管、盖板和螺钉；

其中，衰减电路ATT、CDR模块、微控制单元MCU、多路控制开关、以及多个负载电阻均设置在PCB组件，LED发光管、以及多个接口引出的金手指连接在PCB组件；底座上设置有卡入PCB组件的安装台，且底座一端设置有用于卡入LED发光管的圆形槽内以进行固定；底座和盖板上各自设置有至少四个位置相对的螺钉孔以通过对应的将螺钉将二者结合固定。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果：

通过集成了同时支持PAM-4和NRZ调制模式的CDR模块，能够适用于不同调制类型和速率及不同链路衰减条件下的网络设备，标准速率范围涵盖了Datacom、Infiniband、Fiber Channel等在内的所有标准应用；做到使用1只测试模块，来兼容多种应用的目的，不仅拓宽了Loopback测试光模块的应用环境，也为网络设备制造商节省大量的测试成本和时间；

通过将本实用新型实施例的光模块封装为QSFP-DD、CFP、CFP2、CFP4、CFP8、OSFP等接口类型，为相应高速接口类型的Host端网络设备提供了完整的出厂性能测试方案，为制造商省去了昂贵的测试费用，降低了系统测试难度，同时也提高了测试效率；

通过在光模块中设置高精度温度探测器和工作电压监控电路，能够实时准确地采集模块的内部温度和模块工作电压并向Host主机端反馈相关信息；

通过状态指示灯，测试者可以直观的看到模块所处的工作状态，并结合Host主机端的监控信息，准确地判断被测设备是否正常；

通过集成有程序可控的功耗等级选择功能，测试者可以由主机通过I2C总线发送指令选择不同功耗模式，模拟不同功耗条件下的测试应用环境。

附图说明

图1示出了根据本实用新型示例性实施例的用于本地环回测试的光模块。

图2示出了根据本实用新型示例性实施例的用于本地环回测试的光模块工作过程示意图。

图3示出了根据本实用新型示例性实施例的用于本地环回测试的光模块的结构分解示意图。

图4示出了根据本实用新型示例性实施例的用于本地环回测试的光模块外形结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，以使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了根据本实用新型示例性实施例的用于本地环回测试的光模块。该实施例的光模块主要包括：根据预设协议封装的多个接口、衰减电路ATT、CDR模块、微控制单元MCU、多路控制开关、以及多个负载电阻。其中，预设协议可以是双密度的四通道小封装可热插拔模块(QSFP-DD)多源协议(MSA)、小封装热插拔CFP、CFP2、CFP4、CFP8、OSFPMSA(八通道小型可插拔SFP)等，下文在没特别说明的实施例中均以QSFP-DD MSA协议封装的高速率Loopback光模块为例进行说明。

其中，根据预设协议封装的多个接口用于与被测试的主机设备(Host，例如交换机、路由器等网络设备)对应的接口相连接；具体地，包括八个用于从主机设备接收数据包的输入信号接口(RX1+、RX1-、…、RX8+、RX8-)，八个用于向主机设备发生数据包的输出信号接口(TX1+、TX1-、…、TX8+、TX8-)，六个(图中示出了两个，其他未示出)用于向光模块供电的电源接口VCC，其中包括数据线SDA和时钟信号线SCL的I2C总线接口，以及多个状态控制及指示接口(包括复位控制接口Reset_L、故障状态指示接口Int_L、模式选择控制接口Modsel_L、低功耗模式控制接口Lpmode_L、故障插入状态指示接口Modprs_L，其中后缀“_L”表示低电平有效)；电源接口VCC分别通过慢启动电路和DC-DC转换电路向CDR模块供电，通过慢启动电路向MCU和多路控制开关供电。每个输入信号接口和输出信号接口均设置为单通道25Gbps或50Gbps的速率可切换接口。

输入信号接口经由衰减电路ATT连接至CDR模块，CDR模块包括依次连接的连续时间线性均衡器CTLE、CDR电路、以及前向纠错FEC中继电路；其中，衰减电路ATT可以包括8个π型衰减电路，其中的每一个由4个数字电阻器构成，通过不同数字电阻器的组合，来实现对高速信号进行不同等级的衰减(例如，对于QSFP-DD MSA协议的光模块，将默认高频衰减值设置为0，即无衰减)；连续时间线性均衡器CTLE用于消除或减弱宽带通信时延带来的码间串扰；CDR电路用于从数据包中提取时钟信号，进行重定时，并对数据进行恢复；前向纠错FEC中继电路用于纠正传输误码；CDR模块的输入端与输出端之间连接有多个AC耦合电容以滤除高频信号中的直流分量；通过CDR模块中多种电路的组合使用能够保证高速数据在传输过程中信号幅度不失真、高低频分量不衰减、传输过程不产生或者少产生误码等，从而保证高速数据包从发射端传输到接收端时能够被正确识别。

MCU用于根据预设协议来设置光模块的初始化调制模式和功耗等级；MCU通过I2C总线接口与主机设备连接以接收来自主机设备的环回测试指令并发送诊断信息(例如，光模块的温度、工作电压等信息，并封装为SFF-8472MSA等规定的协议格式)给主机设备，通过MDIO/MDC总线接口与CDR模块连接，并通过GPIO(General Purpose Input Output，通用输入/输出)接口与多路控制开关连接；MCU进一步用于根据环回测试指令中的信息通过MDIO/MDC总线接口设置CDR模块中的寄存器来控制CDR模块采用PAM-4调制模式或者NRZ调制模式进行信号调制，并在采用PAM-4调制模式时将每个输入信号接口和输出信号接口的速率切换为50Gbps，在采用NRZ调制模式时将每个输入信号接口和输出信号接口的速率切换为25Gbps；MCU进一步用于根据所确定的调制模式经由GPIO接口控制多路控制开关导通或断开多个负载电阻(R1、R2、…Rn，例如n为8)中的一个或多个来设置对应的负载功耗值以匹配预设协议相应的功耗等级(例如，3.5W、7W、8W、9W、10W、12W、14W和＞14W等八个等级)，并经由MDIO/MDC总线接口控制CDR模块建立输入信号接口和输出信号接口之间的网络映射。

其中，设置CDR模块中的寄存器包括：从芯片寄存器A地址开始的N字节长度可以用于选择调制模式、带宽及速率，当需要设置PAM-4调制模式时将A～(A+N)地址中对应的地址位按照寄存器表进行设置选择PAM-4，同时屏蔽掉NRZ模式；反之，需要设置NRZ调制模式时，屏蔽掉PAM-4对应地址寄存器，选择NRZ地址寄存器。

在优选的实施例中，上述用于本地环回测试的光模块还可以包括经由GPIO接口连接的温度传感器、电压采集电路、以及多个状态指示灯。MCU通过温度传感器、电压采集电路实时地获取光模块的实时温度和供电电压，并判断温度和供电电压是否在光模块的工作要求范围内；当工作温度和工作电压均在正常范围内时(例如，温度为-40～+85℃，电压为3.135～3.465V)，光模块正常工作，MCU控制状态指示灯显示正常工作信息；当模块工作温度或供电电压超过工作要求范围时，MCU控制状态指示灯显示告警信息，并通过MCU内部的控制开关切断电源接口所连接的电源，以保护被测的主机设备和光模块。

在一个具体的实施方式中，上述多个状态指示灯至少包括两种不同颜色的状态指示灯，例如包括一颗红色LED和一颗绿色LED，通过不同的显示状态组合，以直观地将光模块的工作状态显示出来，并能对Host主机显示的DDM(数字诊断监控)等相关信息进行补充显示，状态指示灯所显示的工作状态如下表1所示：

表1

在优选的实施方式中，用于本地环回测试的光模块还包括用于存储工作状态的内部存储器，MCU进一步用于通过I2C总线接口从主机设备接收状态更新指令，并根据状态更新指令在低功耗控制接口与内部存储器之间、复位控制接口与内部存储器之间、模式选择控制接口与内部存储器之间、以及故障状态指示接口与内部存储器之间切换光模块的工作状态。

图2示出了根据本实用新型示例性实施例的用于本地环回测试的光模块工作过程示意图。当光模块中根据预设协议封装的多个接口与被测试的主机设备对应的接口建立连接后，光模块中的MCU在预设协议要求的时间内打开电源接口连接电源(步骤201)，并设置初始调制模式、功耗等级(步骤202)。例如，根据QSFP-DD MSA封装的光模块初始调制模式设置为PAM-4、功耗等级为8W。

MCU通过I2C总线接口从Host接收环回测试指令(步骤203)，并根据环回测试指令来判断是否进行调制模式切换和/或功耗等级切换。具体地，首先根据环回测试指令判断是否采用PAM-4调制模式(步骤204)，若主机设备指示采用PAM-4调制模式且与初始调制模式相同，则不切换调制模式。

由于同一速率下PAM-4和NRZ调制模式对应的功耗等级不同(PAM-4调制模式下需打开CDR模块/芯片内部的DSP功能，而NRZ调制模式不需要打开)，功耗等级需通过MCU计算后并通过程控多路控制开关选择进行补偿。因此需要进一步判断是否切换功耗等级(步骤205)；若主机设备指示提高或者降低功耗等级，则MCU通过GPIO接口控制多路控制开关导通或断开多个负载电阻中的一个或多个来设置对应的负载功耗以匹配环回测试指令中的指示功耗等级(步骤206)；在不需进行功耗等级切换或者完成切换后，MCU经由MDIO/MDC总线接口控制CDR模块建立输入信号接口和输出信号接口之间的网络映射(步骤207)。之后，控制CDR模块即可在PAM-4调制模式的驱动下发送数据包。

上述步骤204之后，若主机设备指示采用NRZ调制模式且与初始调制模式不相同，则MCU通过MDIO/MDC总线接口选择CDR模块中相应的寄存器来将调制模式切换为NRZ调制模式(步骤208)；

进一步地，MCU判断是否切换功耗等级(步骤205)；若主机设备指示提高或者降低功耗等级，则打开对应通道多路负载开关以匹配环回测试指令中的指示功耗等级(步骤206)；并建立输入信号接口和输出信号接口之间的网络映射(步骤207)。之后，控制CDR模块即可在NRZ调制模式的驱动下采用PRBS31(默认)码型发送数据包。

上述各实施例的用于本地环回测试的光模块可以根据QSFP-DD MSA协议封装为8通道、200/400Gbps速率、可热插拔、76引脚的收发器结构，其单通道速率为25Gbps或50Gbps，单通道速率为25Gbps时初始调制模式为NRZ，单通道速率为50Gbps时初始调制模式为PAM-4，目标功耗＜8W。

上述各实施例的用于本地环回测试的光模块也可以根据CFP MSA协议封装为4通道、100Gbps速率、可热插拔、148引脚的收发器结构，其单通道速率为25Gbps，且单通道速率为25Gbps时初始调制模式为NRZ，目标功耗＜32W。

上述各实施例的用于本地环回测试的光模块也可以根据CFP2MSA协议封装为4通道、100/200Gbps速率、可热插拔、96引脚的收发器结构，其单通道速率为25Gbps或50Gbps，且单通道速率为25Gbps时初始调制模式为NRZ；单通道速率为50Gbps时初始调制模式为PAM-4，目标功耗＜12W。

上述各实施例的用于本地环回测试的光模块也可以根据CFP4MSA协议封装为4通道、100/200Gbps速率、可热插拔、56引脚的收发器结构，其单通道速率为25Gbps或50Gbps，且单通道速率为25Gbps时初始调制模式为NRZ；单通道速率为50Gbps时初始调制模式为PAM-4，目标功耗＜6W。

上述各实施例的用于本地环回测试的光模块也可以根据CFP8MSA协议封装为8通道、400Gbps速率、可热插拔、124引脚的收发器结构，其单通道速率为50Gbps，且单通道速率为50Gbps，初始调制模式为PAM-4，目标功耗＜18W。

上述各实施例的用于本地环回测试的光模块还可以根据OSFP MSA协议封装为8通道、400Gbps速率、可热插拔、60引脚的收发器结构，其单通道速率为50Gbps，且单通道速率为50Gbps，初始调制模式为PAM-4，目标功耗＜13W。

图3示出了根据本实用新型示例性实施例的用于本地环回测试的光模块的结构分解示意图。图4示出了根据本实用新型示例性实施例的用于本地环回测试的光模块外形结构示意图。图3和图4所示示例性实施例的光模块是根据QSFP-DD MSA协议封装的，根据诸如CFP、CFP2、CFP4、CFP8、OSFP MSA等协议封装的光模块结构区别在于封装尺寸，金手指(接口、引脚)定义及目标功耗等的不同。如图3所示，该光模块的结构件包括底座1、解锁件拉带2、弹簧3、PCB组件4、LED发光管5、保护塞6、盖板7和螺钉8。

其中，解锁件拉带2与底座1上的解锁槽相连接，两个弹簧3分别安装于底座1两侧的解锁槽与解锁件拉带2形成空间中；衰减电路ATT、CDR模块、微控制单元MCU、多路控制开关、以及多个负载电阻均设置在PCB组件4上；LED发光管5、以及多个接口引出的金手指连接在PCB组件4；

底座1上设置有卡入PCB组件4的安装台，且底座1一端设置有用于卡入LED发光管5的圆形槽以进行固定；底座1和盖板7上各自设置有至少四个位置相对的螺钉孔以通过对于的将螺钉8将二者结合固定；为了在未使用时保护光模块内的器件，还可以包括保护塞6，其具有与底座1和盖板7结合固定后一端匹配的结构。安装完成一个示例性光模块如图4所示。

上述实施例中用于本地环回测试的光模块内部集成了同时支持PAM-4和NRZ等调制模式的CDR模块及相应均衡和前向纠错功能，既能够支持PAM-4、NRZ调制模式和对应拓展速率，又能够对衰减的高速信号数据和时钟进行恢复和补偿，从而提高测试精度；CDR电路均能够支持50Gbps和25Gbps及以下速率段的标准应用，其速率范围涵盖Datacom、Infiniband、Fiber Channel等在内的应用标准。同时通过控制CDR的工作状态，可使Loopback测试模块在不同调制类型和速率条件下工作，拓宽了模块的应用环境；并且，可通过程控方式选择不同功耗等级，能够模拟多种负载条件下的测试环境，为网络设备主机提供了更多的测试选择。

以上所述，仅为本实用新型具体实施方式的详细说明，而非对本实用新型的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。