阅读说明：本技术 一种pam4光模块、测试装置及系统 (PAM4 optical module, testing device and system ) 是由 许国威 刘振长 汪晓珍 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种PAM4光模块、测试装置及系统,该PAM4光模块包括：光发射单元,用于将电信号转换为光信号并发射出去；光接收单元,用于将接收的光信号转换为电信号；时钟提取单元,与光发射单元和光接收单元连接,用于根据光发射单元的PAM4信号或光接收单元的PAM4信号提取得到参考时钟信号；控制器,与光发射单元、光接收单元和时钟提取单元连接,用于通过时钟分频控制时钟提取单元。本发明内置时钟提取单元来提取光发射单元或光接收单元中PAM4信号的同步时钟,可以使PAM4光模块本身具有输出参考时钟信号的功能,可以在PAM4光模块测试中由光模块本身为测试设备提供精准的采样时钟信号,从而大大降低光模块的测试成本。(The invention provides a PAM4 optical module, a testing device and a system, wherein the PAM4 optical module comprises: the light emission unit is used for converting the electric signal into an optical signal and emitting the optical signal; a light receiving unit for converting a received light signal into an electrical signal; the clock extraction unit is connected with the light emitting unit and the light receiving unit and used for extracting a reference clock signal according to a PAM4 signal of the light emitting unit or a PAM4 signal of the light receiving unit; and the controller is connected with the light emitting unit, the light receiving unit and the clock extraction unit and is used for controlling the clock extraction unit through clock frequency division. The clock extraction unit is arranged in the PAM module testing device to extract the synchronous clock of the PAM4 signal in the light emitting unit or the light receiving unit, so that the PAM4 optical module has the function of outputting a reference clock signal, and the optical module can provide an accurate sampling clock signal for testing equipment in the PAM4 optical module test, thereby greatly reducing the testing cost of the optical module.)

一种PAM4光模块、测试装置及系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种PAM4光模块、测试装置及系统。

背景技术

随着5G通信的发展，需要速率更快，体积更小，功耗更低的新一代光模块。PAM4是PAM（Pulse Amplitude Modulation，脉冲幅度调制）调制技术的一种，PAM信号是继NRZ（Non-Return-to-Zero，非归零）信号后的热门信号传输技术，也是多阶调制技术的代表。PAM4(四阶脉冲幅度调制)技术可以提高传输速率，以满足不断增加的网络带宽需求，这样在提升高速互联的网络容量的同时降低每比特传输成本。在相同的波特率下，PAM4码型信号的传输速率是NRZ码的两倍，能携带更多的信息，并且具有更高的传输效率。

目前，PAM4技术已广泛应用于 200G/400G 接口的电信号或光信号传输，在新一代的200G/400G接口标准的制定过程中，普遍的诉求是每对差分线上的数据速率要提高到50Gbps以上。如果仍然采用NRZ技术，由于每个符号周期只有不到20ps，对于收发芯片以及传输链路的时间裕量要求更加苛刻，所以PAM4技术的采用几乎成为了必然趋势，特别是在电信号传输距离超过20cm以上的场合。比如在IEEE协会正在制定的802.3bs规范里，以及OIF组织的CEI4.0规范里，都对PAM4信号的特性及参数测试进行了深入的研究和定义。同时，64G Fiber Channel以及InfiniBand 600G HDR的标准中，也都会借鉴IEEE协会及OIF组织的PAM4标准。图1为按照PAM4光模块协议（以IEEE 802.3bs-2017为例）PAM4光模块的发射性能测试框图，如图1所示，都需要用到时钟恢复单元CRU，CRU的价格比较昂贵，会增加测试成本。

通常在50G/200G /400G PAM4光模块中，都需要引入PAM4编码芯片，经过DSP编码芯片编码后的调制信号，加载到PAM4驱动芯片上，通过发射光组件将高速PAM4调制电信号转产成PAM4光信号，在光纤上进行长距传输。调制信号为PAM4的光模块，由于光模块内部引入PAM4编码芯片后，光模块输出的光信号已不再与电接口时钟同步，这样在进行PAM4光模块测试时，都需要外置一台精密的时钟提取设备（时钟和数据回复电路，Clock and DataRecovery，简称CDR），将从光信号中提取的时钟提供给示波器做采样TRI，然而能提供精密时钟的光CDR价格太昂贵，市场都在70万人民币以上。当前找到一种能快速实现PAM4光模块测试中用到的精密参考时钟方法，来降低光模块生产测试成本，成为光通信领域高速PAM4光模块测试急需解决的问题。

基于上述，现有技术中存在外置CDR提取时钟信号成本太高的问题。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种PAM4光模块、测试装置及系统，解决现有技术中外置CDR提取时钟信号成本太高的问题。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一方面，本发明提供一种PAM4光模块，包括：

光发射单元，用于将电信号转换为光信号并发射出去；

光接收单元，用于将接收的光信号转换为电信号；

时钟提取单元，与光发射单元和光接收单元连接，用于根据光发射单元的PAM4信号或光接收单元的PAM4信号提取得到参考时钟信号；

控制器，与光发射单元、光接收单元和时钟提取单元连接，用于通过时钟分频控制时钟提取单元。

在本发明的一种示例性实施例中，还包括：

金手指，与光发射单元、光接收单元和时钟提取单元均连接，用于向光发射单元发出第一信号、接收光接收单元发送来的第二信号以及接收时钟提取单元提供的参考时钟信号。

在本发明的一种示例性实施例中，所述光发射单元包括顺次连接的：第一编码器、发射激光器驱动器和发射光组件，其中第一编码器与金手指、时钟提取单元和控制器连接，发射激光器驱动器与控制器连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述光接收单元包括顺次连接的：第二编码器、接收光组件驱动器和接收光组件，其中第二编码器与金手指、时钟提取单元和控制器连接，接收光组件驱动器与控制器连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第一编码器编码后得到的PAM4信号中一部分发送给发射激光器驱动器，另一部分发送给所述时钟提取单元；所述第二编码器编码后得到的PAM4信号中一部分发送给金手指，另一部分发送给所述时钟提取单元。

在本发明的一种示例性实施例中，所述时钟提取单元通过对第一编码器或第二编码器的PAM4信号三个眼图的上升沿或下降沿进行信号提取得到参考时钟信号，所述参考时钟信号为一对时钟差分信号。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第一信号为NRZ信号或PAM4信号，所述第二信号为NRZ信号或PAM4信号。

在本发明的一种示例性实施例中，所述控制器根据测试用示波器的输入频率对参考时钟信号进行时钟分频的控制。

另一方面，本发明还提供一种PAM4光模块的测试装置，包括：

连接器，与以上所述的PAM4光模块连接；

参考时钟输出接口，与连接器连接，用于输出提取的参考时钟信号；

主控制单元，与通信接口连接，用于对光模块的通信进行控制；以及

电源控制单元，与电源接口连接，用于对电源管理进行控制。

再一方面，本发明还提供一种PAM4光模块的测试系统，包括：

以上所述的PAM4光模块的测试装置；

信号发生器，与测试装置的连接器连接，用于发送预设信号；以及

眼图仪，具有采样时钟接口和光信号接口，通过光信号接口接收PAM4光模块的光发射单元发出的光信号，并通过采样时钟接口接收提取的参考时钟信号。

（三）有益效果

本发明实施例提供的PAM4光模块、测试装置及系统的有益效果是：

通过提供一种内置的时钟提取单元，用于提取光发射单元或光接收单元中PAM4信号的同步时钟，可以使PAM4光模块本身具有输出参考时钟信号的功能，这样可以在PAM4光模块测试中由光模块本身为测试设备提供精准的采样时钟信号，测试中无需价格昂贵的光CDR，从而大大降低光模块的测试成本。

附图说明

图1为按照PAM4光模块协议（以IEEE 802.3bs-2017为例）PAM4光模块的发射性能测试框图；

图2为本发明一实施例中提供的一种PAM4光模块的组成示意图；

图3为本发明一实施例中基于QSFP-DD封装的200G PAM4带时钟提取光模块结构框图；

图4为本发明一实施例中基于QSFP-DD封装的400G PAM4带时钟提取光模块结构框图；

图5为本发明另一实施例中提供的一种PAM4光模块的测试装置的组成示意图；

图6为本发明再一实施例中提供的一种PAM4光模块的测试系统的组成示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明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，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/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。

本发明的目的就是提出一种带有参考同步时钟输出的PAM4光模块及光模块测试装置和系统。本发明施例采用QSFP-DD封装的光模块内部时钟恢复功能单元提取PAM4参考时钟，为测试设备提供精准TRI采样时钟信号，能大大降低光模块厂家的测试设备采购成本，该方案可推广到所有封装的QSFP56、QSFP-DD、OSFP的PAM4光模块产品上，具有很好的推广价值。

图2为本发明一实施例中提供的一种PAM4光模块的组成示意图，如图2所示，该光模块200包括：光发射单元210、光接收单元220、时钟提取单元230和控制器240。

其中光发射单元210用于将电信号转换为光信号并发射出去；光接收单元220用于将接收的光信号转换为电信号；时钟提取单元230与光发射单元210和光接收单元220连接，用于根据光发射单元的PAM4信号或光接收单元的PAM4信号提取得到参考时钟信号；控制器240与光发射单元210、光接收单元220和时钟提取单元230连接，用于通过时钟分频控制时钟提取单元230。

本发明在光模块内部设置的时钟提取单元是通过对编码器进行PAM4信号编码后的信号进行时钟提取，不影响光模块的正常工作。在测试中光模块的时钟提取单元主要是提取出参考时钟，同时将参考时钟通过测试装置引出参考时钟信号，为示波器提供时钟参考，无需外接设备再提供时钟信号。

如图2所示，该光模块200中还包括：金手指250，与光发射单元210、光接收单元220和时钟提取单元230均连接，用于向光发射单元210发出第一信号、接收光接收单元220发送来的第二信号以及接收时钟提取单元230提供的参考时钟信号。本发明中将提取的参考时钟信号发送给金手指，既可以为光模块测试设备提供精密时钟信号，还可以为交换机设备提供时钟参考。

在本发明的一种示例性实施例中，所述光发射单元210包括顺次连接的：第一编码器、发射激光器驱动器和发射光组件，其中第一编码器与金手指、时钟提取单元和控制器连接，发射激光器驱动器与控制器连接。其中第一编码器编码后得到的PAM4信号中一部分发送给发射激光器驱动器，另一部分发送给所述时钟提取单元，以便提取得到参考时钟信号。

在本发明的一种示例性实施例中，所述光接收单元220包括顺次连接的：第二编码器、接收光组件驱动器和接收光组件，其中第二编码器与金手指、时钟提取单元和控制器连接，接收光组件驱动器与控制器连接。其中所述第二编码器编码后得到的PAM4信号中一部分发送给金手指，另一部分发送给所述时钟提取单元，以便提取得到参考时钟信号。

在本发明的一种示例性实施例中，所述时钟提取单元通过对第一编码器或第二编码器的PAM4信号三个眼图的上升沿或下降沿进行信号提取得到参考时钟信号。本发明中针对PAM4信号来提取时钟信号，由于PAM4信号是四电平，同时PAM4 线性度要求更高，对时钟提取相比NRZ信号难度更高。

在本发明的一种示例性实施例中，所述参考时钟信号为一对时钟差分信号，这对时钟差分信号可以从光发射单元的第一编码器中提取，也可以从光接收单元的第二编码器中提取，可根据不同的测试需求来设置输出。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第一信号为NRZ信号或PAM4信号，所述第二信号为NRZ信号或PAM4信号。

在本发明的一种示例性实施例中，所述控制器根据测试用示波器的输入频率对参考时钟信号进行时钟分频的控制，同时实现PAM4光模块通用接口管理协议。

图3为本发明一实施例中基于QSFP-DD封装的200G PAM4带时钟提取光模块结构框图，图4为本发明一实施例中基于QSFP-DD封装的400G PAM4带时钟提取光模块结构框图。接下来，以图3和图4中的QSFP-DD封装的PAM4光模块为例，对图2所示PAM4光模块的具体结构进行详细介绍：

图3中的PAM4光模块包括：金手指301、第一PAM4编码器302、发射激光器驱动器303、发射光组件304、PAM4时钟提取单元305、MCU控制器306、第二PAM4编码器307、接收光组件驱动器308和接收光组件309。第一PAM4编码器302、第二PAM4编码器307和PAM4时钟提取单元305均用于DSP PAM4 编码，发射光组件304为激光器。

设备端输出的调制信号NRZ信号通过金手指301，将8x25G NRZ信号给到第一PAM4编码器302，经过第一PAM4编码器302进行PAM4编码后的PAM4信号，一部分（即4x25G PAM4）给到线性PAM4发射激光器驱动器303驱动发射光组件304内激光器输出带调制的PAM4光信号；另一部分给到PAM4时钟提取单元305进行信号提取，从三个眼图的上升/下降沿提取时钟输出到复用的金手指301管脚上。如图3所示，经PAM4时钟提取单元305后可以得到一对时钟差分信号MONCLKP和MONCLKN，经金手指301上的预留引脚46和66传输到金手指301中。

接收光组件309接收到远端发送过来的光信号后，光组件内部的线性TIA将PAM4光信号转换成PAM4电信号，再经接收光组件驱动器308给到第二PAM4编码器307，经过第二PAM4编码器307进行PAM4编码整形预处理后的信号，一部分（即8x25G NRZ信号）通过金手指301输出给到交换机设备；另一部分给到PAM4时钟提取单元305进行信号提取，从三个眼图的上升/下降沿提取时钟输出到复用的金手指301管脚上。经PAM4时钟提取单元305后也可以得到一对时钟差分信号MONCLKP和MONCLKN，同理，也可以经金手指301上的预留引脚46和66传输到金手指301中。

图4中的PAM4光模块包括：金手指401、第一PAM4编码器402、发射激光器驱动器403、发射光组件404、PAM4时钟提取单元405、MCU控制器406、第二PAM4编码器407、接收光组件驱动器408和接收光组件409。第一PAM4编码器402、第二PAM4编码器407和PAM4时钟提取单元405均用于DSP PAM4 编码，发射光组件404为激光器。

设备端输出的调制信号PAM4信号通过金手指401，将8x25G PAM4信号给到第一PAM4编码器402，经过第一PAM4编码器402进行PAM4编码后的PAM4信号，一部分（即4x50GPAM4）给到线性PAM4发射激光器驱动器403驱动发射光组件404内激光器输出带调制的PAM4光信号；另一部分给到PAM4时钟提取单元405进行信号提取，从三个眼图的上升/下降沿提取时钟输出到复用的金手指管脚上。如图4所示，经PAM4时钟提取单元405后可以得到一对时钟差分信号MONCLKP和MONCLKN，经金手指401上的预留引脚46和66传输到金手指401中。

接收光接收组件409接收到远端发送过来的光信号后，光接收组件409内部的线性TIA将PAM4光信号转换成PAM4电信号（即4x50G PAM4），再经光接收组件驱动器408给到第二PAM4编码器407，经过第二PAM4编码器407进行PAM4编码整形预处理后的信号，一部分（即8x25G PAM4）通过金手指401输出给到交换机设备；另一部分给到PAM4时钟提取单元405进行信号提取，从三个眼图的上升/下降沿提取时钟输出到复用的金手指401管脚上。经PAM4时钟提取单元405后也可以得到一对时钟差分信号MONCLKP和MONCLKN，同理，也可以经金手指401上的预留引脚46和66传输到金手指401中。

本实施例中金手指复用输出的时钟信号是一对差分信号，但是只有一个时钟信号输出。不同的示波器对触发时钟也是不同的，例如，第一采样示波器TRI输入频率范围：0.15-15GHz；第二采样示波器DCA-M N1092C TRI输入频率范围：0.1-32GHz。本发明实施例中参考时钟信号支持8分频和4分频输出，针对不同类型的示波器（采样示波器或实时示波器）TRI参考时钟要求进行不同的设置，例如泰克采样示波器 DSA8300对采样时钟输入要求频率小于15GHz，输入幅度小于1.1Vp-p。

需要说明的是，图3所示200G PAM4光模块与图4所示400G PAM4光模块的结构框图的区别为：金手指输入端的调制信号及DSP编码后输出编码信号之间的差异，200G PAM4光模块金手指输入端的调制信号是8x25G NRZ信号，经过DSP编码后转换成4x2G PAM4信号；而400G PAM4光模块金手指输入端的调制信号是8x25G PAM4信号，经过DSP编码后转换成4x50G PAM4信号。本发明还可以应用在50G的PAM4光模块上，只是光模块封装形式不一样，和金手指输入端调制电信号有差异，但是时钟提取单元的作用和组成相同。

综上所述，本发明提供的PAM光模块具有的效果为：

通过提供一种内置的时钟提取单元，用于提取光发射单元或光接收单元中PAM4信号的同步时钟，可以使PAM4光模块本身具有输出参考时钟信号的功能，既可以保证光模块本身的功能，还可以在PAM4光模块测试中由光模块本身为测试设备提供精准的采样时钟信号，测试中无需价格昂贵的光CDR，从而大大降低光模块的测试成本。另外，通过MCU控制器进行时钟分频控制输出，操作方便灵活。这种具有PAM4参考同步时钟输出的高速光模块，能够广泛推广到所有封装的QSFP56、QSFP-DD、OSFP的PAM4光模块产品上，具有很好的推广价值。

基于上述光模块，本发明还提供一种PAM4光模块的测试装置，图5为本发明另一实施例中提供的一种PAM4光模块的测试装置的组成示意图，如图5所示，该测试装置包括：连接器501、主控制单元502和电源控制单元503。其中连接器501与以上所述的PAM4光模块（待测件）连接；参考时钟输出接口与连接器501连接，用于输出提取的参考时钟信号；主控制单元502与通信接口连接，用于对光模块的通信进行控制；电源控制单元503与电源接口连接，用于对电源管理进行控制。

该测试装置中的结构可以集成在一块测试板上，用以插接待测件以进行测试。

基于上述光模块的测试装置，本发明还提供一种PAM4光模块的测试系统，图6为本发明再一实施例中提供的一种PAM4光模块的测试系统的组成示意图，如图6所示，该测试系统包括：测试装置601、信号发生器602和眼图仪603。测试装置具体包括连接器、主控制单元、电源控制单元和参考时钟输出接口、通信接口和电源接口；信号发生器602与测试装置601的连接器连接，用于发送预设信号；眼图仪603具有采样时钟接口和光信号接口，通过光信号接口接收PAM4光模块的光发射单元发出的光信号，并通过采样时钟接口与测试装置连接，用于接收提取的参考时钟信号。

综上所述，采用本发明实施例提供的一种PAM4光模块的测试装置和测试系统，能够有效降低光模块生产厂家及设备厂家测试设备的采购成本，降低测试成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和 “上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。