Auf 400G QSFP-DD SR8 Optisches Transceiver-Modul

Mit der Kommerzialisierung neuer IoT-Technologien wie Cloud Computing und Big Data und der schrittweisen Implementierung der Mobilkommunikationskonstruktion der 5. Generation (5G) wächst der in Rechenzentren übertragene Datenverkehr exponentiell.

Laut den Untersuchungen von FiberMall ist die Gesamtzahl der großen Hyperscale-Rechenzentren weltweit bis Ende 600 auf fast 2020 angewachsen, doppelt so viel wie vor fünf Jahren. Mit der Zunahme der Anzahl von Rechenzentren eröffnete der Markt für digitale optische Modi auch Entwicklungsmöglichkeiten. Nach den Statistiken bekannter Forschungseinrichtungen erreichten die in Rechenzentren verwendeten optischen Module im Jahr 50 2019 Millionen, und der Marktwert optischer Module in Rechenzentren wird voraussichtlich bis Ende 4.9 2021 Milliarden Dollar überschreiten Das ursprüngliche optische 100G-Modul kann die Anforderungen der aktuellen Anwendungsszenarien nicht erfüllen. Daher ist es unbedingt erforderlich, die Rate des optischen Moduls zu verbessern, um die Übertragungsanforderungen zu erfüllen. Das 400 Gbit/s Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density Short Range 8 optische Modul (400G QSFP-DD SR8), das dem IEEE 802.3cm-Protokoll entspricht, wird zum Mainstream-Optikmodul im Rechenzentrum mit den Vorteilen von Hochgeschwindigkeit, geringer Stromverbrauch, geringe Kosten und geringe Größe.

FiberMall schlägt das optische Pfaddesign von optischen 400G-QSFP-DD-SR8-Modulen basierend auf der Chip-on-Board-COB-Technologie (COB) vor. Es übernahm eine integrierte Linse, entwarf den optischen Pfad und führte eine Simulationsoptimierung durch. Gemäß der Fresnel-Reflexion wurde der Kontaktwinkel erhöht, um die Reflexion zu verringern. Nach der Auswahl der geeigneten geneigten Ebene und der Festlegung des Schemas werden das Empfangsende und das Ursprungsende des Moduls jeweils getestet, um die Machbarkeit des Entwurfs des optischen Pfads zu verifizieren.

Abbildung 1. 400G QSFP-DD SR8

 400G QSFP-DD SR8 Optischer Pfadentwurf und -simulation

Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) wird als Lichtquelle für die Kurzstreckenübertragung in Rechenzentren gewählt. Um die Standards des Modulverpackungsprotokolls zu erfüllen, muss der optische Pfad so gedreht werden, dass das vertikale Licht vom VCSEL parallel in die Faser eintreten kann. Das Modul ist erforderlich, um die Ausgangsleistung zu stabilisieren, was eine Echtzeitüberwachung des Betriebszustands des VCSEL erfordert, indem ein Splitter hinzugefügt wird, um einen Teil des vom VCSEL emittierten Lichts zur Monitor-Fotodiode (MPD) zur Erkennung und Steuerung der Hintergrundbeleuchtung zu reflektieren um die Ausgangsleistung zu stabilisieren und die gesamte Lichtpfadarchitektur zu erhalten. Der VCSEL wird als Lichtquelle am Sender verwendet, und es ist notwendig, das vertikale Licht in paralleles Licht umzuwandeln, das zur Übertragung in die optische Faser eingekoppelt wird. Zuerst wird das vom VCSEL emittierte Licht kollimiert und in die Linse geleitet. Nach Totalreflexion durch die 45°-Fläche fällt der vertikal emittierte Strahl nach Umlenkung horizontal in den Lichtwellenleiter.

Da der VCSEL überwacht werden muss, muss berücksichtigt werden, dass die Dicke des Splitters den optischen Weg beeinflusst, indem der Neigungswinkel des Splitters gesteuert wird, um die Position der MPD anzupassen, und die Transmission des reflektierenden Films auf dem Splitter geändert wird, um ihn anzupassen der optische Leistungsbereich. Die anfängliche Objektabstandsbeziehung wird aus dem mechanischen Raum erhalten, und der eingestellte Objektabstand beträgt 0.34 mm und der Phasenabstand beträgt 0.45 mm. Abbildung 2 zeigt das schematische Diagramm des optischen Wegs am Sender.

Figure 2. TDas schematische Diagramm des optischen Pfades am Sender

Das Empfangsende ähnelt dem Sendeende, wo das PD das horizontal einfallende Licht von der Faser empfängt, zuerst durch die sphärische Kollimation der Faserendlinse geht, den einfallenden Strahl durch eine 45°-Totalreflexionsfläche dreht und dann durch die Linse, um den Strahl zu kollimieren, und wird schließlich von der PD empfangen.

Da die integrierte Linse verwendet wird, muss der Designprozess den gleichen Objektabstand zwischen dem Empfangsende und dem Sendeende sicherstellen. Der empfangsseitige Objektivabstand beträgt 0.23 mm und der sendeseitige Bildabstand 0.45 mm. Abbildung 3 zeigt den Strahlengang am Empfangsende.

Abbildung 3. Der optische Pfad am Empfangsende

400G QSFP-DD SR8 Simulation und Optimierung des optischen Pfades

Die Hauptparameter des Empfängers und des Senders sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1. Hauptparameter des optischen Systems

Die Objektbildbeziehung und die optische Pfadstruktur in Tabelle 1 wurden ausgewählt, um den optischen Pfad der Linsenkopplung unter Verwendung der ZEMAX-Software zu entwerfen und zu simulieren. Die Optimierungsfunktion wurde verwendet, um die Oberflächenform der beiden Kugeln anzupassen, um die Kopplungseffizienz zu optimieren, und dann wurde der Kontaktwinkel der Faser geändert und verschiedene Winkel wurden für die Simulation eingestellt. Abbildung 4 zeigt die optische Simulation des TX-Endes des Linsenkopplungssystems.

Abbildung 4. Optisches Simulationsdiagramm

Aus der Simulation ist ersichtlich, dass der Grad der Punktkonvergenz vor und nach der Optimierung sehr unterschiedlich ist. Vor der Optimierung ist etwas Licht verloren gegangen und die Lichtpunkte, die auf der Seite der optischen Faser empfangen werden, sind groß. Viel Licht kann nur schwer in die optische Faser eintreten, und die Kopplungseffizienz ist sehr gering. Der optimierte optische Weg kann eine optische Wegkonvergenz und eine höhere Kopplungseffizienz erreichen. Das Design und die Simulation des Strahlengangs sind abgeschlossen, und die praktische Anwendung sollte berücksichtigt werden.

Bei der Herstellung aufgrund der Abweichung des Prozesses, des Fehlers des VCSEL-Patches, des Fehlers der Herstellung des optischen Anschlussabstands der Linse, der Abweichung, die durch die Spannungsfreisetzung des Klebstoffs beim Hochtemperaturhärten usw. verursacht wird. Diese Faktoren machen Da der tatsächliche Kopplungswirkungsgrad nur schwer den Idealzustand erreicht, ist eine Toleranzanalyse zur Simulation der tatsächlichen Produktionssituation erforderlich. Die Toleranzen in X-, Y- und Z-Achse nach VCSEL offsind in Abbildung 5 dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist die Kopplungseffizienz größer als 9 %, solange die Genauigkeit der drei Richtungen innerhalb des Bereichs von ±70 μm gesteuert wird. In Anbetracht der Abweichung in mehr als einer Richtung, die im tatsächlichen Prozess vorhanden sein kann, wird der Patch-Fehler jedoch innerhalb von ±3 μm kontrolliert, so dass das System einen großen Spielraum hat, um die Verringerung der Kopplungseffizienz zu verhindern. Wenn wir die Faser in die Linse einkoppeln, können wir sie als Ganzes sehen. In der Praxis folgt auf die Koppellinse ein Kurzfaserbonden. Es kann eine gute Kopplung vorliegen, aber nach dem Laden des Stapelfaserprodukts entspricht die Leistung nicht dem Standard. Dies liegt normalerweise an der Nichtübereinstimmung zwischen der Größe der Kopplungsfaser und der Stapelfaser, oder der Ort der Bindung ist nicht der Ort der aktiven Kopplung. Daher wird die Toleranz einer sich bewegenden optischen Faser durch eine sich bewegende optische Faser simuliert. Abbildung 6 zeigt die Änderung der Kopplungseffizienz der Mobilfunkfaser. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass in X-, Y- und Z-Richtung Toleranzen von 30μm bestehen. Die Position der beweglichen Linse spiegelt direkt den Toleranzbereich des Strahlengangdesigns wider. Abbildung 7 zeigt die Änderung der Kopplungseffizienz der beweglichen Linse. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist es notwendig, einen Motor mit guter Konsistenz in der tatsächlichen Kopplung des Produkts auszuwählen, da sonst eine zu große Abweichung leicht zu einer Abweichung zwischen der tatsächlichen Position und dem idealen optischen Pfad führt. Bei der Verbindung optischer Module tritt zwangsläufig eine Lücke auf, wenn sich die beiden Kerne berühren. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich der Brechungsindex und an der Verbindungsstelle tritt eine Fresnel-Reflexion auf. FEIGE. 8 zeigt die Fresnel-Reflexion an der Faseroptikverbindung. Wie aus der Figur ersichtlich ist, tritt während der Verbindung von optischen Modulen eine Fresnel-Reflexion auf, wenn das Licht von Faser 1 in den Luftspalt eintritt. Eine Fresnel-Reflexion wird erzeugt, wenn sie aus dem Luftspalt in die Faser 2 eintritt. Wenn also ein Luftspalt vorhanden ist, gibt es zwei Reflexionen. Aufgrund des geringen Abstands zwischen dem Anschlussende und VCSEL regt VCSEL das reflektierte Licht erneut an und erzeugt Rauschen, was zu Burst-Fehlercodes am Empfangsende führt und die Modulleistung beeinträchtigt.

Abbildung 5. Änderungen in der Kopplungseffizienz mobiler VCSEL

Abbildung 6. Änderung der Kopplungseffizienz von Mobilfunkfasern

Abbildung 7. Änderung der Kopplungseffizienz der beweglichen Linse

Abbildung 8. Fresnel-Reflexion an der Faserverbindung. Hinweis: n0 ist der Brechungsindex von Luft; n1 ist der Brechungsindex des Faserkerns.

In dieser Arbeit wird der Neigungswinkel an der Kontaktfläche zweier optischer Fasern erhöht, um die Richtung des reflektierten Lichts so zu ändern, dass es die Anforderungen der Totalreflexion nicht erfüllt und aus dem Mantel austritt und nicht zum Vcsel zurückkehrt Chip, um die Reflexion des Moduls zu reduzieren und die Leistung des Moduls zu verbessern. Durch die Simulationsanalyse verschiedener Neigungswinkel und die Modultestergebnisse erfolgt die endgültige Auswahl der geeigneten Neigung.

Abbildung 9. Erhöhen Sie den Winkel des Glasfaseranschlusses

Die Reflexionskoeffizienten bei verschiedenen Schleifwinkeln können gemäß der Gaußschen Strahlkopplungstheorie erhalten werden.

R0 ist der Fresnel-Reflexionskoeffizient, wenn er eben ist; n der Brechungsindex des Mantels ist; Stellen Sie sicher, dass die beiden vorherigen Endwinkelneigungen sind. Im praktischen Einsatz gilt es außerdem, die optische Leistung und die Größe des ringförmigen Lichtstroms zu berücksichtigen und den passenden Neigungswinkel zu wählen.

Experimentelle Überprüfung

Ein 400-Gbit/s-QSFP-DD-Gerät wurde auf den ringförmigen Lichtfluss und das Ansprechverhalten des Empfängers getestet, um die Änderung der Produktleistung nach Änderung des Neigungswinkels zu messen. Das Ändern des Neigungswinkels ändert den Bildabstand des optischen Pfads. Aufgrund der unterschiedlichen Brennweiten ändern der Empfänger und der Empfänger den gleichen Bildabstand, und die Änderung des Objektabstands ist inkonsistent, was zu einer Änderung des optischen Pfads des Produkts führt. In optischen Multimode-Kommunikationssystemen wurde der Encircled Flux (EF) von VCSEL verwendet, um die optischen Eigenschaften der VCSEL-Emission und -Übertragung zu definieren. Die Empfindlichkeit wird verwendet, um die photoelektrische Umwandlungsleistung von PD und die Leistung des optischen Pfads am Empfangsende zu messen. Die Kopplungseffizienz des Empfangsendes kann durch die Empfindlichkeitstests berechnet werden. Wie in Tabelle 2 gezeigt, werden die ausgehende optische Leistung, der Schleifenfluss und die Empfindlichkeit des Empfängers unter verschiedenen Neigungswinkeln gemessen.

Tabelle 2. Gerätetests aus verschiedenen Winkeln

Die Gebrauchsfähigkeit des Moduls wird gemessen, indem das Selbstschleifenverhalten des Moduls bei hohen Temperaturen getestet wird. Das reflektierte Licht verursacht einen Burst-Fehler des Moduls. Der Codetyp des Bitfehlerdetektors wurde auf PRBS31Q eingestellt, und das Empfangen und Senden des Moduls wurde über die Self-Loop-Faser verbunden, um den durch die Temperaturänderung verursachten Bitfehler zu testen. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass mit Ausnahme der Reaktion bei 15° und der Verschlechterung des eingekreisten Flusses auf den Bereich der Rest innerhalb des Bereichs liegt (bei R = 4.5 μm, EF < 30 %; bei R = 19 μm, EF≥86%), die eingekreiste Flussabnahme bei 4.5 μm kann die Reflexion effektiv reduzieren. FEIGE. 10 zeigt die Änderungen der Echtzeit-Bitfehlerrate und der Gesamtbitfehlerrate des Testmoduls mit der Temperatur. Unterschiedliche Farben repräsentieren jeweils unterschiedliche Kanäle. Wie aus den Abbildungen 10 (a) und 10 (b) ersichtlich ist, treten immer noch Burst-Fehler auf, wenn eine ebene Faserverbindung und eine 5°-Verbindung ausgewählt werden. Wie in Abbildung 10 (d) gezeigt, hat sich die Empfangsleistung verringert, wenn eine 12°-Verbindung ausgewählt ist.

(a) FasertestIng.bei 0°

(B) FasertestIng.at 5°

(C) FasertestIng.at 8°

(D) FasertestIng.at 12°

Abbildung 10. Hochtemperatur-Faserübertragungstest bei verschiedenen Neigungswinkeln

Im Test der 400G QSFP-DD-ModulDer Sender generiert aus dem Fehlercode-Analysator eine Signalquelle 31. Ordnung und stellt über 8 Paare differenzieller HF-Leitungen eine Verbindung zum zu messenden optischen Modul her. Der Modul-Sehtest ist in Abbildung 11 dargestellt. Dabei wird hauptsächlich die Empfindlichkeit des Empfangsmoduls getestet. Durch Ändern der Umgebungstemperatur, um den Betriebszustand der Empfangs- und Sendeanschlüsse des Moduls bei drei Temperaturen zu testen, sind die Ergebnisse in Tabelle 2-5 dargestellt.

Testen Sie das Augendiagramm des Moduls und die Empfindlichkeit, das Extinktionsverhältnis, die optische Modulationsamplitude (OMA), den quaternären Sender- und Streuungsaugenverschluss (TDECQ) und andere Tests im Dreitemperaturzustand, um den Designeffekt des optischen Pfads zu bewerten.

Aus den Testdaten geht hervor, dass das Modul bei der dritten Temperatur stabil arbeitet und die Kanaldifferenz gering ist. Alle Module liegen im Rahmen des Protokolls und haben einen großen Spielraum.

Figure 11. Das Modul Sehtest

Tabelle 3. Leistungstestergebnisse des optischen Moduls bei Raumtemperatur

Tabelle 4. Leistungstestergebnisse des optischen Moduls bei niedriger Temperatur

Tabelle 5. Leistungstestergebnisse des optischen Moduls bei hoher Temperatur

Zusammenfassung

In diesem Dokument wird die COB-Designlösung von optischen 400G-QSFP-DD-SR8-Transceivern vorgeschlagen. Durch das Design und die Simulation des optischen Pfads werden die Toleranzbreite und die Kopplungseffizienz unter drei Achsen erhalten, und die Kopplungseffizienz ändert sich unter verschiedenen Fehlern. Es bietet eine Anleitung für die Herstellung des Geräts und testet die Leistung und den Fehler des Geräts unter verschiedenen Schleifwinkeln. Schließlich wurde der 8°-Winkel zur Anpassung bestimmt und die Modultestplattform wurde gebaut, um zu überprüfen, ob das Design gut sein sollte. Die Leistung des Tests entspricht dem Protokollstandard IEEE 802.3cm und erfüllt die Anforderungen des Designindex. Dieses Design verbessert die Produktleistung und reduziert die optische Reflexion bis zu einem gewissen Grad. Es ist die beste Wahl für das Rechenzentrum der nächsten Generation.