拆解：基于51单片机的华为SFP+光模块

电子发烧友网报道（文/李诚）近段时间AIGC的大火，吸引了不少众多科技巨头的关注，同时也让整个AI领域掀起了一股围绕着AI算力的革命浪潮。在这场算力竞赛中，除了需要AI芯片不断处理大量数据之外，能够实现高速率数据传输的光模块，也成为了市场瞩目的焦点。
 
那么，光模块的内部结构是怎样的？它又是如何工作的呢？本文将通过拆解华为SFP+光模块，揭示其中的奥秘。
 
光模块外观及内部结构
 
本次拆解的光模块为华为的MTRS-1E21-01 ，该模块采用SFP+小型封装，中心波长为1310nm，配合光纤使用时最远传输距离可达1.4千米，并且在此距离范围内，能够以10Gbps的速率进行数据传输。可满足数据中心、企业网络等中、短途场景的数据传输需求。
 

 
光模块前端配置有激光收发端口，此端口主要用于与通信光纤建立连接。光模块的后端为用于数据输出的金手指。金手指是在模块连接应用中，较为常见的一种接口形式，采用该设计可使光模块更便捷地与设备相连。
 

 
此外，为确保模块与设备之间电气连接的稳定性，光模块与设备连接处还采用了栅型凸起设计，将其与设备牢牢卡住。
 
同时，全金属的模块外壳不仅能够提供一定的防护作用，保护光模块内部的元件不受外界环境的干扰和物理损坏。还能充当散热板使用，尤其是光模块内部对热量较为敏感的光电芯片，能够在一定程度上解决芯片温漂问题，确保模块的稳定运行。
 

 
华为的这块光模块内部由电路板、激光器和光接收器三部分组成。其中电路板是光模块的核心组件，承载着驱动和控制电路，负责管理激光器的工作状态、调节光功率以及实现电光转换等功能。激光器是光模块的发射部件，用于产生激光光源，将电信号转换为光信号。光接收器则是光模块的接收部件，用于接收光信号并将其转换为电信号。
 

 
在电路结构方面，该模块所采用的封装为SFP+小型封装，由于受到封装尺寸的限制，此类封装的光模块通常将本应内置在模块内部的时钟电路和数据恢复电路，部署到了线板上。因此，该模块内部电路十分简洁，只使用了一颗主控芯片和激光器收发芯片。
 

 
主控芯片是来自芯科科技的C8051F392，其实就是一颗51单片机，芯片内集成了温度传感器、模数转换接口（ADC和DAC）等功能。综合电路结构来看，之所以会在光模块中使用51单片机主要有两点原因。
 
首先，主控芯片在光模块中主要起到对供电电压、模块温度、偏置电流、接收光功率、发射光功率等几项关键数据进行检测与诊断，并不直接参与光电信号的收发控制。因此光模块对主控芯片的性能要求并不高。
 
其次，该芯片在成本、面积、集成度方面也有着很大的优势。与STM32单片机相比，51单片机的价格更为低廉，3*3mm的芯片面积及丰富的片上模拟功能，也能让光模块的整体设计变得更加简洁和紧凑，有利于降低BOM成本和PCB面积，是SFP+封装的理想选择。

 
激光收发器芯片采用的是Semtech的GN1157，根据官方提供的数据显示，该芯片支持高达11.317Gb/s的数据传输速率。同时，内部集成了DFB/FP激光驱动器和限幅放大接收器。
 
这也意味着该芯片不仅能够对激光器发射光信号的功率和频率进行精确的控制，还可以将接收到的光信号进行限幅放大，将其转换为电信号进行后续处理。
 

 
其内部结构大致如上图所示。
 
具体而言，数据的发送由光通信设备开始，当光通信设备将传输信号传递至光模块后，光模块内部激光收发器芯片的LDD会对接收到的信号进行处理与转换，并输出调制信号驱动激光器发光将电信号转换为光信号，然后将其发射到外部光纤或其他光传输介质。
 
数据接收同理，当激光接收器识别到来自外部的光信号时，激光器会将光信号转换为电流信号，传入激光收发器芯片内的TIA/LA，再由TIA将电流信号处理成一定幅值的电压信号，并通过解调和处理后将数据传递给接收设备，以此完成整个高速数据传输过程。

激光收发器特写

 
结语
 
经过拆解发现，这款华为光模块在设计上充分考虑了成本、体积和效率之间的平衡。它采用了高度集成的芯片激光收发器，使得整个模块体积相对较小。同时，使用了经济实惠的51单片机，使得成本得到了兼顾。此外，全金属外壳的自身散热设计，也为模块的稳定运行提供了一道额外保障。