على 400G QSFP-DD SR8 وحدة الإرسال والاستقبال البصرية

مع تسويق تقنيات إنترنت الأشياء الجديدة مثل الحوسبة السحابية والبيانات الضخمة والتنفيذ التدريجي لبناء الجيل الخامس للاتصالات المتنقلة (5G) ، فإن حركة المرور المنقولة في مراكز البيانات تنمو بشكل كبير.

وفقًا لبحوث FiberMall ، نما العدد الإجمالي لمراكز البيانات الفائقة النطاق في جميع أنحاء العالم إلى ما يقرب من 600 بحلول نهاية عام 2020 ، أي ضعف ما كان عليه قبل خمس سنوات. مع زيادة عدد مراكز البيانات ، أدخل سوق الوضع البصري الرقمي أيضًا فرصًا للتطوير. وبحسب إحصائيات مؤسسات بحثية معروفة ، فإن الوحدات الضوئية المستخدمة في مراكز البيانات بلغت 50 مليون في عام 2019 ، ومن المتوقع أن تتجاوز القيمة السوقية للوحدات الضوئية في مراكز البيانات 4.9 مليار دولار بنهاية عام 2021. لا تستطيع الوحدة الضوئية الأصلية 100G تلبية متطلبات سيناريوهات التطبيق الحالية. لذلك ، من الضروري تحسين معدل الوحدة الضوئية لتلبية متطلبات الإرسال. ستصبح الوحدة البصرية رباعية النطاق صغيرة الحجم ذات 400 جيجابت / ثانية قابلة للتوصيل - مزدوجة الكثافة قصيرة المدى 8 (400G QSFP-DD SR8) ، والتي تلبي بروتوكول IEEE 802.3 سم ، الوحدة البصرية السائدة في مركز البيانات مع مزايا السرعة العالية ، استهلاك منخفض للطاقة ، تكلفة منخفضة ، وصغر الحجم.

يقترح FiberMall تصميم المسار البصري للوحدات البصرية 400G QSFP-DD SR8 على أساس تقنية Chip on Board COB (COB). اعتمدت العدسة المتكاملة ، وصممت المسار البصري ، ونفذت تحسين المحاكاة. وفقًا لانعكاس فرينل ، تمت زيادة زاوية الاتصال لتقليل الانعكاس. بعد اختيار المستوى المائل المناسب وتحديد المخطط ، يتم اختبار الطرف المستقبل والنهاية الأصلية للوحدة على التوالي للتحقق من جدوى تصميم المسار البصري.

الشكل 1. 400 جرام QSFP-DD SR8

 400G QSFP-DD SR8 تصميم ومحاكاة المسار البصري

يتم اختيار الليزر الباعث للسطح ذو التجويف العمودي (VCSEL) كمصدر للضوء للإرسال لمسافات قصيرة في مراكز البيانات. من أجل تلبية معايير بروتوكول تغليف الوحدة النمطية ، يحتاج المسار البصري إلى الدوران بحيث يمكن للضوء العمودي من VCSEL أن يدخل الألياف بشكل متوازٍ. الوحدة مطلوبة لتحقيق الاستقرار في طاقة الخرج ، الأمر الذي يتطلب مراقبة في الوقت الفعلي لحالة عمل VCSEL ، إضافة مقسم ليعكس جزءًا من الضوء المنبعث من VCSEL إلى الصمام الثنائي للصور على الشاشة (MPD) لاكتشاف الإضاءة الخلفية والتحكم فيها لتحقيق الاستقرار في طاقة الخرج ، والحصول على بنية مسار الضوء الشاملة. يتم استخدام VCSEL كمصدر للضوء في جهاز الإرسال ، ومن الضروري تحويل الضوء العمودي إلى اقتران ضوء متوازي في الألياف الضوئية للإرسال. أولاً ، يتم موازاة الضوء المنبعث من VCSEL وإدخاله في العدسة. بعد الانعكاس الكلي من خلال السطح بزاوية 45 درجة ، تسقط الحزمة المنبعثة عموديًا أفقيًا في الألياف الضوئية بعد الدوران.

نظرًا لأنه يجب مراقبة VCSEL ، يجب مراعاة سماكة الفاصل للتأثير على المسار البصري من خلال التحكم في زاوية إمالة الفاصل لضبط موضع MPD وتغيير نفاذية الفيلم العاكس على الفاصل لضبط نطاق الطاقة الضوئية. يتم الحصول على علاقة مسافة الجسم الأولية من الفضاء الميكانيكي ، ومسافة الكائن المحدد 0.34 مم ومسافة المرحلة 0.45 مم. يوضح الشكل 2 الرسم التخطيطي للمسار البصري عند جهاز الإرسال.

الشكل 2. تيرسم تخطيطي للمسار البصري عند جهاز الإرسال

يشبه الطرف المستقبل طرف الإرسال ، حيث يستقبل PD الضوء الساقط الأفقي من الألياف ، ويمر أولاً عبر الموازاة الكروية للعدسة الطرفية الليفية ، ويحول الشعاع الساقط عبر سطح انعكاس كلي 45 درجة ، ثم يمر عبر عدسة لتجميع الشعاع ، وأخيراً يتم استلامها بواسطة PD.

نظرًا لاستخدام العدسة المدمجة ، تحتاج عملية التصميم إلى ضمان نفس مسافة الكائن بين الطرف المستقبل ونهاية الإرسال. تبلغ المسافة الموضوعية عند طرف الاستقبال 0.23 مم ومسافة الصورة عند نهاية الإرسال 0.45 مم. يوضح الشكل 3 المسار البصري عند الطرف المستقبل.

الشكل 3. المسار البصري عند الطرف المستقبل

400G QSFP-DD SR8 محاكاة المسار البصري والتحسين

ترد المعلمات الرئيسية للمستقبل والمرسل في الجدول 1.

الجدول 1. المعلمات الرئيسية للنظام البصري

تم تحديد علاقة صورة الكائن وهيكل المسار البصري في الجدول 1 لتصميم ومحاكاة المسار البصري لاقتران العدسة باستخدام برنامج ZEMAX. تم استخدام وظيفة التحسين لضبط شكل سطح الكرتين لتحسين كفاءة الاقتران ، ثم تم تغيير زاوية التلامس للألياف وتم ضبط زوايا مختلفة للمحاكاة. يوضح الشكل 4 المحاكاة البصرية لنهاية TX لنظام اقتران العدسة.

الشكل 4. رسم تخطيطي للمحاكاة البصرية

يمكن أن يتبين من المحاكاة أن درجة التقارب النقطي قبل التحسين وبعده مختلفة تمامًا. قبل التحسين ، فقد بعض الضوء ، وكانت البقع الضوئية المستلمة على جانب الألياف الضوئية كبيرة. يصعب دخول الكثير من الضوء إلى الألياف الضوئية ، كما أن كفاءة الاقتران منخفضة جدًا. يمكن أن يحقق المسار البصري الأمثل تقارب المسار البصري وكفاءة اقتران أعلى. تم الانتهاء من تصميم ومحاكاة المسار البصري ، وينبغي النظر في التطبيق العملي.

في التصنيع ، بسبب انحراف العملية ، خطأ التصحيح VCSEL ، خطأ إنتاج تباعد منفذ العدسة البصري ، الانحراف الناجم عن إطلاق الضغط من الغراء في المعالجة بدرجة حرارة عالية ، إلخ. هذه العوامل تجعل من الصعب أن تصل كفاءة الاقتران الفعلية إلى الوضع المثالي ، لذلك من الضروري إجراء تحليل التسامح لمحاكاة حالة الإنتاج الفعلية. التفاوتات في محاور X و Y و Z بعد VCSEL offالمجموعة موضحة في الشكل 5. كما يتضح من الشكل ، طالما يتم التحكم في دقة الاتجاهات الثلاثة في نطاق ± 9 ميكرومتر ، تكون كفاءة الاقتران أكبر من 70٪. ومع ذلك ، نظرًا لأن الانحراف في أكثر من اتجاه قد يكون موجودًا في العملية الفعلية ، يتم التحكم في خطأ التصحيح في حدود ± 3 ميكرومتر ، بحيث يكون للنظام هامش مرتفع لمنع انخفاض كفاءة الاقتران. من خلال اقتران الألياف بالعدسة ، يمكننا رؤيتها ككل. في الممارسة العملية ، يتبع عدسة التوصيل رابطة ألياف قصيرة. قد يكون هناك اقتران جيد ولكن بعد تحميل منتج الألياف الأساسية ، لا يصل أداء المنتج إلى المستوى القياسي. يحدث هذا عادةً بسبب عدم التطابق بين حجم ألياف التوصيل والألياف الأساسية أو أن موقع الرابطة ليس موقع الاقتران النشط. لذلك ، يتم محاكاة تحمل الألياف الضوئية المتحركة عن طريق تحريك الألياف الضوئية. يوضح الشكل 6 تغير كفاءة اقتران الألياف المتنقلة. يمكن أن نرى من الشكل أن هناك تفاوتات تبلغ 30 ميكرومتر في اتجاهات X و Y و Z. يعكس موضع العدسة المتحركة بشكل مباشر مدى تحمل تصميم المسار البصري. يوضح الشكل 7 التغيير في كفاءة اقتران العدسة المتحركة. كما يتضح من الشكل ، من الضروري تحديد محرك ذو اتساق جيد في الاقتران الفعلي للمنتج ، وإلا فإن الانحراف الكبير جدًا سيؤدي بسهولة إلى الانحراف بين الموضع الفعلي والمسار البصري المثالي. في عملية التوصيل البيني للوحدة الضوئية ، ستحدث الفجوة حتمًا عند اتصال النوى. في هذا الوقت ، سيتغير معامل الانكسار ، وسيحدث انعكاس فرينل عند المفصل. تين. يوضح الشكل 8 انعكاس فرينل عند تقاطع الألياف البصرية. كما يتضح من الشكل ، أثناء التوصيل البيني للوحدات الضوئية ، سيحدث انعكاس فرينل عندما يدخل الضوء من الألياف 1 إلى فجوة الهواء. ينتج انعكاس فرينل عندما يدخل الألياف 2 من فجوة الهواء. لذلك كلما كان هناك فجوة هوائية سيكون هناك انعكاسان. نظرًا للمسافة القريبة بين طرف التوصيل و VCSEL ، فإن VCSEL سيعيد إثارة الضوء المنعكس ويولد ضوضاء ، مما ينتج عنه رموز خطأ متقطعة عند الطرف المستقبل ويؤثر على أداء الوحدة.

الشكل 5. التغييرات في كفاءة اقتران VCSEL المحمول

الشكل 6. تغيير كفاءة اقتران الألياف المتنقلة

الشكل 7. تغيير كفاءة اقتران العدسة المتحركة

الشكل 8. انعكاس فرينل عند مفصل الألياف. ملحوظة: n0 هو معامل انكسار الهواء ؛ n1 هو معامل الانكسار لنواة الألياف.

في هذا البحث يتم زيادة زاوية الميل على سطح التلامس لليفين بصريين لتغيير اتجاه الضوء المنعكس بحيث لا يفي بمتطلبات الانعكاس الكلي ويخرج من الكسوة ، ولا يعود إلى Vcsel رقاقة ، وذلك لتقليل انعكاس الوحدة وتحسين أداء الوحدة. من خلال تحليل محاكاة زوايا الميل المختلفة ونتائج اختبار الوحدة ، يتم الاختيار النهائي للميل المناسب.

الشكل 9. قم بزيادة زاوية موصل الألياف الضوئية

يمكن الحصول على معاملات الانعكاس عند زوايا طحن مختلفة وفقًا لنظرية اقتران الحزمة الغوسية.

R0 هو معامل انعكاس فرينل عند المستوى ؛ ن هو معامل الانكسار للكسوة ؛ تأكد من أن الاثنين السابقتين يميلان زاوية النهاية. في الاستخدام العملي ، من الضروري أيضًا مراعاة القوة الضوئية وحجم التدفق الضوئي الحلقي وتحديد زاوية الإمالة المناسبة.

التحقق التجريبي

تم اختبار جهاز QSFP-DD بسرعة 400 جيجابت / ثانية من أجل تدفق الضوء الحلقي واستجابة جهاز الاستقبال لقياس التغيير في أداء المنتج بعد تغيير زاوية الإمالة. سيؤدي تغيير زاوية الميل إلى تغيير مسافة الصورة للمسار البصري. نظرًا للأطوال البؤرية المختلفة ، سيغير جهاز الاستقبال والمستقبل نفس مسافة الصورة ، ويكون تغيير مسافة الكائن غير متسق ، مما يؤدي إلى تغيير المسار البصري للمنتج. في أنظمة الاتصالات الضوئية متعددة الأوضاع ، تم استخدام التدفق المغلق (EF) الخاص بـ VCSEL لتحديد الخصائص البصرية لانبعاث ونقل VCSEL. تُستخدم الاستجابة لقياس أداء التحويل الكهروضوئي لـ PD وأداء المسار البصري عند الطرف المستقبل. يمكن حساب كفاءة اقتران الطرف المستقبل من خلال اختبارات الاستجابة. كما هو مبين في الجدول 2 ، يتم قياس القدرة البصرية الخارجة وتدفق الحلقة واستجابة المستقبل تحت زوايا إمالة مختلفة.

الجدول 2. اختبار الجهاز في زوايا مختلفة

يتم قياس قدرة الخدمة للوحدة عن طريق اختبار أداء الحلقة الذاتية للوحدة في درجات حرارة عالية. سوف يتسبب الضوء المنعكس في حدوث خطأ في انفجار الوحدة. تم تعديل نوع الكود الخاص بكاشف خطأ البتات إلى PRBS31Q ، وتم توصيل استقبال وإرسال الوحدة من خلال ألياف الحلقة الذاتية ، وذلك لاختبار خطأ البت الناجم عن تغير درجة الحرارة. يمكن أن نرى من الجدول 2 أنه ، باستثناء الاستجابة عند 15 درجة وتدهور التدفق المطوق إلى النطاق ، يكون الباقي ضمن النطاق (عندما تكون R = 4.5 ميكرومتر ، EF <30٪ ؛ عندما R = 19 ميكرومتر ، EF≥86٪) ، يمكن أن يقلل التدفق المطوق عند 4.5 ميكرومتر من الانعكاس بشكل فعال. تين. يوضح 10 التغييرات في معدل خطأ البت في الوقت الفعلي ومعدل الخطأ الكلي لوحدة الاختبار مع درجة الحرارة. تمثل الألوان المختلفة قنوات مختلفة على التوالي. كما يتضح من الشكل 10 (أ) و 10 (ب) ، سيستمر حدوث رشقة خطأ عند اختيار توصيل ليفي مستوي ووصلة 5 °. كما هو مبين في الشكل 10 (د) ، انخفض أداء الاستقبال عند اختيار اتصال 12 درجة.

(أ) اختبار الأليافجيعند 0 درجة

(B) اختبار الأليافجيat 5°

(C) اختبار الأليافجيat 8°

(D) اختبار الأليافجيat 12°

الشكل 10. اختبار نقل الألياف بدرجة حرارة عالية بزوايا إمالة مختلفة

في اختبار وحدة 400G QSFP-DD، يقوم جهاز الإرسال بإنشاء مصدر إشارة ذو 31 ترتيبًا من محلل رمز الخطأ ويتصل بالوحدة البصرية المراد قياسها من خلال 8 أزواج من خطوط التردد اللاسلكي التفاضلية. يظهر اختبار عين الوحدة في الشكل 11، ويتم اختبار حساسية وحدة الاستقبال بشكل أساسي. من خلال تغيير درجة الحرارة المحيطة لاختبار حالة العمل لمحطات الاستقبال والإرسال للوحدة عند ثلاث درجات حرارة، تظهر النتائج في الجدول 2-5.

اختبر مخطط العين للوحدة النمطية والحساسية ، ونسبة الانقراض ، وسعة التعديل البصري (OMA) ، وجهاز الإرسال والتشتت الرباعي لإغلاق العين (TDECQ) ، واختبارات أخرى تحت حالة درجات الحرارة الثلاث لتقييم تأثير تصميم المسار البصري.

من بيانات الاختبار ، وجد أن الوحدة تعمل بثبات عند درجة الحرارة الثالثة ، وفرق القناة صغير. جميع الوحدات ضمن نطاق البروتوكول ولها هامش كبير.

الشكل 11. اختبار العين النموذجي

الجدول 3. نتائج اختبار الأداء للوحدة الضوئية في درجة حرارة الغرفة

الجدول 4. نتائج اختبار الأداء للوحدة الضوئية عند درجة حرارة منخفضة

الجدول 5. نتائج اختبار الأداء للوحدة الضوئية عند درجة حرارة عالية

وفي الختام

تم اقتراح حل تصميم COB لأجهزة الإرسال والاستقبال البصرية 400G QSFP-DD SR8 في هذه الورقة. من خلال تصميم المسار البصري والمحاكاة ، يتم الحصول على عرض التفاوت وكفاءة الاقتران تحت ثلاثة محاور ، وتتغير كفاءة الاقتران تحت أخطاء مختلفة. يوفر إرشادات حول إنتاج الجهاز ويختبر أداء وخطأ الجهاز تحت زوايا طحن مختلفة. أخيرًا ، تم تحديد الزاوية 8 درجات للتكيف ، وتم إنشاء منصة اختبار الوحدة للتحقق من أن التصميم يجب أن يكون جيدًا. يفي أداء الاختبار بمعيار بروتوكول IEEE 802.3cm ويلبي متطلبات فهرس التصميم. يعمل هذا التصميم على تحسين أداء المنتج وتقليل الانعكاس البصري إلى حد معين. إنه الخيار الأفضل لمركز البيانات من الجيل التالي.