拆解：基于51單片機(jī)的華為SFP+光模塊

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李誠）近段時(shí)間AIGC的大火，吸引了不少眾多科技巨頭的關(guān)注，同時(shí)也讓整個(gè)AI領(lǐng)域掀起了一股圍繞著AI算力的革命浪潮。在這場(chǎng)算力競(jìng)賽中，除了需要AI芯片不斷處理大量數(shù)據(jù)之外，能夠?qū)崿F(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饽K，也成為了市場(chǎng)矚目的焦點(diǎn)。

那么，光模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？它又是如何工作的呢？本文將通過拆解華為SFP+光模塊，揭示其中的奧秘。

光模塊外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本次拆解的光模塊為華為的MTRS-1E21-01 ，該模塊采用SFP+小型封裝，中心波長為1310nm，配合光纖使用時(shí)最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1.4千米，并且在此距離范圍內(nèi)，能夠以10Gbps的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？蓾M足數(shù)據(jù)中心、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)等中、短途場(chǎng)景的數(shù)據(jù)傳輸需求。

光模塊前端配置有激光收發(fā)端口，此端口主要用于與通信光纖建立連接。光模塊的后端為用于數(shù)據(jù)輸出的金手指。金手指是在模塊連接應(yīng)用中，較為常見的一種接口形式，采用該設(shè)計(jì)可使光模塊更便捷地與設(shè)備相連。

此外，為確保模塊與設(shè)備之間電氣連接的穩(wěn)定性，光模塊與設(shè)備連接處還采用了柵型凸起設(shè)計(jì)，將其與設(shè)備牢牢卡住。

同時(shí)，全金屬的模塊外殼不僅能夠提供一定的防護(hù)作用，保護(hù)光模塊內(nèi)部的元件不受外界環(huán)境的干擾和物理損壞。還能充當(dāng)散熱板使用，尤其是光模塊內(nèi)部對(duì)熱量較為敏感的光電芯片，能夠在一定程度上解決芯片溫漂問題，確保模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。

華為的這塊光模塊內(nèi)部由電路板、激光器和光接收器三部分組成。其中電路板是光模塊的核心組件，承載著驅(qū)動(dòng)和控制電路，負(fù)責(zé)管理激光器的工作狀態(tài)、調(diào)節(jié)光功率以及實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換等功能。激光器是光模塊的發(fā)射部件，用于產(chǎn)生激光光源，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光接收器則是光模塊的接收部件，用于接收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

在電路結(jié)構(gòu)方面，該模塊所采用的封裝為SFP+小型封裝，由于受到封裝尺寸的限制，此類封裝的光模塊通常將本應(yīng)內(nèi)置在模塊內(nèi)部的時(shí)鐘電路和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，部署到了線板上。因此，該模塊內(nèi)部電路十分簡(jiǎn)潔，只使用了一顆主控芯片和激光器收發(fā)芯片。

主控芯片是來自芯科科技的C8051F392，其實(shí)就是一顆51單片機(jī)，芯片內(nèi)集成了溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口（ADC和DAC）等功能。綜合電路結(jié)構(gòu)來看，之所以會(huì)在光模塊中使用51單片機(jī)主要有兩點(diǎn)原因。

首先，主控芯片在光模塊中主要起到對(duì)供電電壓、模塊溫度、偏置電流、接收光功率、發(fā)射光功率等幾項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)與診斷，并不直接參與光電信號(hào)的收發(fā)控制。因此光模塊對(duì)主控芯片的性能要求并不高。

其次，該芯片在成本、面積、集成度方面也有著很大的優(yōu)勢(shì)。與STM32單片機(jī)相比，51單片機(jī)的價(jià)格更為低廉，3*3mm的芯片面積及豐富的片上模擬功能，也能讓光模塊的整體設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)潔和緊湊，有利于降低BOM成本和PCB面積，是SFP+封裝的理想選擇。
激光收發(fā)器芯片采用的是Semtech的GN1157，根據(jù)官方提供的數(shù)據(jù)顯示，該芯片支持高達(dá)11.317Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時(shí)，內(nèi)部集成了DFB/FP激光驅(qū)動(dòng)器和限幅放大接收器。

這也意味著該芯片不僅能夠?qū)す馄靼l(fā)射光信號(hào)的功率和頻率進(jìn)行精確的控制，還可以將接收到的光信號(hào)進(jìn)行限幅放大，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如上圖所示。

具體而言，數(shù)據(jù)的發(fā)送由光通信設(shè)備開始，當(dāng)光通信設(shè)備將傳輸信號(hào)傳遞至光模塊后，光模塊內(nèi)部激光收發(fā)器芯片的LDD會(huì)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)換，并輸出調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后將其發(fā)射到外部光纖或其他光傳輸介質(zhì)。

數(shù)據(jù)接收同理，當(dāng)激光接收器識(shí)別到來自外部的光信號(hào)時(shí)，激光器會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，傳入激光收發(fā)器芯片內(nèi)的TIA/LA，再由TIA將電流信號(hào)處理成一定幅值的電壓信號(hào)，并通過解調(diào)和處理后將數(shù)據(jù)傳遞給接收設(shè)備，以此完成整個(gè)高速數(shù)據(jù)傳輸過程。
結(jié)語

經(jīng)過拆解發(fā)現(xiàn)，這款華為光模塊在設(shè)計(jì)上充分考慮了成本、體積和效率之間的平衡。它采用了高度集成的芯片激光收發(fā)器，使得整個(gè)模塊體積相對(duì)較小。同時(shí)，使用了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的51單片機(jī)，使得成本得到了兼顧。此外，全金屬外殼的自身散熱設(shè)計(jì)，也為模塊的穩(wěn)定運(yùn)行提供了一道額外保障。