En el módulo transceptor óptico 400G QSFP-DD SR8

Con la comercialización de nuevas tecnologías IoT, como la computación en la nube y el big data, y la implementación gradual de la construcción de comunicaciones móviles (5G) de quinta generación, el tráfico transmitido en los centros de datos está creciendo exponencialmente.

Según la investigación de FiberMall, la cantidad total de los principales centros de datos de hiperescala en todo el mundo aumentó a casi 600 a fines de 2020, el doble de lo que era hace cinco años. Con el aumento en la cantidad de centros de datos, el mercado del modo óptico digital también abrió el comienzo de oportunidades de desarrollo. Según las estadísticas de reconocidas instituciones de investigación, los módulos ópticos utilizados en los centros de datos alcanzaron los 50 millones en 2019, y se espera que el valor de mercado de los módulos ópticos en los centros de datos supere los 4.9 millones de dólares a finales de 2021. La tasa de el módulo óptico original de 100G no puede cumplir con los requisitos de los escenarios de aplicación actuales. Por lo tanto, es imperativo mejorar la velocidad del módulo óptico para cumplir con los requisitos de transmisión. El módulo óptico Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density Short Range 400 de 8 Gbit/s (400G QSFP-DD SR8), que cumple con el protocolo IEEE 802.3cm, se convertirá en el módulo óptico principal en el centro de datos con las ventajas de alta velocidad, Bajo consumo de energía, bajo costo y tamaño pequeño.

FiberMall propone el diseño de ruta óptica de módulos ópticos 400G QSFP-DD SR8 basados ​​en tecnología Chip on Board COB (COB). Adoptó una lente integrada, diseñó la ruta óptica y llevó a cabo la optimización de la simulación. De acuerdo con la reflexión de Fresnel, el ángulo de contacto se incrementó para reducir la reflexión. Después de seleccionar el plano inclinado apropiado y determinar el esquema, el extremo receptor y el extremo de origen del módulo se prueban respectivamente para verificar la viabilidad del diseño de la ruta óptica.

Figura 1. 400G QSFP-DD SR8

 Diseño y simulación de ruta óptica 400G QSFP-DD SR8

El láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) se elige como fuente de luz para la transmisión de corta distancia en los centros de datos. Para cumplir con los estándares del protocolo de empaquetado del módulo, la ruta óptica debe girarse para que la luz vertical del VCSEL pueda ingresar a la fibra en paralelo. El módulo es necesario para estabilizar la potencia de salida, lo que requiere el monitoreo en tiempo real del estado de funcionamiento del VCSEL, agregando un divisor para reflejar parte de la luz emitida desde el VCSEL al fotodiodo del monitor (MPD) para la detección y el control de la retroiluminación. para estabilizar la potencia de salida y obtener la arquitectura general del camino de la luz. El VCSEL se utiliza como fuente de luz en el transmisor, y es necesario convertir la luz vertical en un acoplamiento de luz paralelo en la fibra óptica para la transmisión. Primero, la luz emitida por VCSEL se colima y entra en la lente. Después de la reflexión total a través de la superficie de 45°, el haz emitido verticalmente incide horizontalmente en la fibra óptica después de girar.

Dado que es necesario monitorear el VCSEL, se debe considerar que el grosor del divisor afecta la ruta óptica controlando el ángulo de inclinación del divisor para ajustar la posición del MPD y cambiando la transmitancia de la película reflectante en el divisor para ajustar el rango de potencia óptica. La relación de distancia del objeto inicial se obtiene del espacio mecánico, y la distancia del objeto establecida es de 0.34 mm y la distancia de fase es de 0.45 mm. La figura 2 muestra el diagrama esquemático del camino óptico en el transmisor.

Figura 2 y XNUMX. TEl diagrama esquemático del camino óptico en el transmisor.

El extremo receptor es similar al extremo transmisor, donde el PD recibe la luz incidente horizontal de la fibra, primero pasa a través de la colimación esférica de la lente del extremo de la fibra, gira el haz incidente a través de una superficie de reflexión total de 45° y luego pasa a través de la lente para colimar el haz, y finalmente es recibido por el PD.

Dado que se utiliza la lente integrada, el proceso de diseño debe garantizar la misma distancia del objeto entre el extremo receptor y el extremo transmisor. La distancia del objetivo en el extremo receptor es de 0.23 mm y la distancia de la imagen en el extremo transmisor es de 0.45 mm. La figura 3 muestra el camino óptico en el extremo receptor.

Figura 3. La ruta óptica en el extremo receptor

400G QSFP-DD SR8 Simulación y optimización de trayectoria óptica.

Los principales parámetros del receptor y del transmisor se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Principales parámetros del sistema óptico

La relación de la imagen del objeto y la estructura de la ruta óptica en la Tabla 1 se seleccionaron para diseñar y simular la ruta óptica de acoplamiento de lentes utilizando el software ZEMAX. La función de optimización se usó para ajustar la forma de la superficie de las dos esferas para optimizar la eficiencia del acoplamiento, y luego se cambió el ángulo de contacto de la fibra y se establecieron diferentes ángulos para la simulación. La figura 4 muestra la simulación óptica del extremo TX del sistema de acoplamiento de lentes.

Figura 4. Diagrama de simulación óptica

Se puede encontrar a partir de la simulación que el grado de convergencia puntual antes y después de la optimización es muy diferente. Antes de la optimización, se ha perdido algo de luz y los puntos de luz recibidos en el lado de la fibra óptica son grandes. Es difícil que entre mucha luz en la fibra óptica y la eficiencia de acoplamiento es muy baja. La ruta óptica optimizada puede lograr la convergencia de la ruta óptica y una mayor eficiencia de acoplamiento. El diseño y la simulación de la ruta óptica están completos y se debe considerar la aplicación práctica.

En la fabricación, debido a la desviación del proceso, el error del parche VCSEL, el error de producción del espaciado del puerto óptico de la lente, la desviación causada por la liberación de tensión del pegamento en el curado a alta temperatura, etc. Estos factores hacen Es difícil que la eficiencia de acoplamiento real alcance la situación ideal, por lo que es necesario realizar un análisis de tolerancia para simular la situación de producción real. Las tolerancias en los ejes X, Y y Z después de VCSEL offEl conjunto se muestra en la figura 5. Como se puede ver en la figura, siempre que la precisión de las tres direcciones se controle dentro del rango de ± 9 μm, la eficiencia de acoplamiento es superior al 70%. Sin embargo, considerando que la desviación en más de una dirección puede existir en el proceso real, el error de parche se controla dentro de ±3 μm, de modo que el sistema tiene un margen alto para evitar la disminución de la eficiencia del acoplamiento. Al acoplar la fibra a la lente podemos verla como un todo. En la práctica, la lente de acoplamiento va seguida de una unión de fibras cortas. Puede haber un buen acoplamiento, pero después de la carga, el rendimiento del producto de fibra cortada no está a la altura del estándar. Esto generalmente se debe a la falta de coincidencia entre el tamaño de la fibra de acoplamiento y la fibra cortada o la ubicación de la unión no es la ubicación del acoplamiento activo. Por lo tanto, la tolerancia de la fibra óptica en movimiento se simula moviendo la fibra óptica. La Figura 6 muestra el cambio de la eficiencia de acoplamiento de la fibra móvil. En la figura se puede ver que hay tolerancias de 30 μm en las direcciones X, Y y Z. La posición de la lente móvil refleja directamente el rango de tolerancia del diseño de la trayectoria óptica. La figura 7 muestra el cambio en la eficiencia de acoplamiento de la lente móvil. Como se puede ver en la figura, es necesario seleccionar un motor con buena consistencia en el acoplamiento real del producto; de lo contrario, una desviación demasiado grande conducirá fácilmente a una desviación entre la posición real y la trayectoria óptica ideal. En el proceso de interconexión del módulo óptico, la brecha inevitablemente ocurrirá cuando los dos núcleos entren en contacto. En este momento, el índice de refracción cambiará y se producirá una reflexión de Fresnel en la unión. HIGO. 8 muestra la reflexión de Fresnel en la unión de fibra óptica. Como puede verse en la figura, durante la interconexión de los módulos ópticos, se producirá una reflexión de Fresnel cuando la luz de la fibra 1 entre en el entrehierro. La reflexión de Fresnel se produce cuando entra en la fibra 2 desde el entrehierro. Entonces, siempre que haya un espacio de aire, habrá dos reflejos. Debido a la corta distancia entre el extremo de conexión y VCSEL, VCSEL volverá a excitar la luz reflejada y generará ruido, lo que generará códigos de error de ráfaga en el extremo receptor y afectará el rendimiento del módulo.

Figura 5. Cambios en la eficiencia del acoplamiento VCSEL móvil

Figura 6. Cambio de eficiencia de acoplamiento de fibra móvil

Figura 7. Cambio de la eficiencia de acoplamiento de la lente móvil

Figura 8. Reflexión de Fresnel en la unión de la fibra. Nota: n0 es el índice de refracción del aire; n1 es el índice de refracción del núcleo de la fibra.

En este trabajo, se aumenta el ángulo de inclinación en la superficie de contacto de dos fibras ópticas para cambiar la dirección de la luz reflejada de modo que no cumpla con los requisitos de reflexión total y salga del revestimiento y no regrese al Vcsel. chip, para reducir el reflejo del módulo y mejorar el rendimiento del módulo. A través del análisis de simulación de diferentes ángulos de inclinación y los resultados de la prueba del módulo, la selección final de la inclinación adecuada.

Figura 9. Aumente el ángulo del conector de fibra óptica

Los coeficientes de reflexión en diferentes ángulos de pulido se pueden obtener de acuerdo con la teoría de acoplamiento de haz de Gauss.

R0 es el coeficiente de reflexión de Fresnel cuando está plano; n es el índice de refracción del revestimiento; Asegúrese de que los dos anteriores sean inclinaciones de ángulo final. En el uso práctico, también es necesario considerar la potencia óptica y el tamaño del flujo luminoso anular y seleccionar el ángulo de inclinación apropiado.

Verificación experimental

Se probó un dispositivo QSFP-DD de 400 Gbit/s para el flujo de luz anular y la capacidad de respuesta del receptor para medir el cambio en el rendimiento del producto después de cambiar el ángulo de inclinación. Cambiar el ángulo de inclinación cambiará la distancia de la imagen de la ruta óptica. Debido a las diferentes distancias focales, el receptor y el receptor cambiarán la misma distancia de imagen, y el cambio de distancia del objeto es inconsistente, lo que resulta en el cambio de la ruta óptica del producto. En los sistemas de comunicaciones ópticas multimodo, se utilizó el flujo delimitado (EF) de VCSEL para definir las características ópticas de la emisión y transmisión de VCSEL. La capacidad de respuesta se utiliza para medir el rendimiento de conversión fotoeléctrica de PD y el rendimiento del camino óptico en el extremo receptor. La eficiencia de acoplamiento del extremo receptor se puede calcular a través de las pruebas de capacidad de respuesta. Como se muestra en la Tabla 2, se miden la potencia óptica de salida, el flujo de bucle y la capacidad de respuesta del receptor bajo diferentes ángulos de inclinación.

Tabla 2. Pruebas de dispositivos en diferentes ángulos

La capacidad de servicio del módulo se mide probando el rendimiento de bucle automático del módulo a altas temperaturas. La luz reflejada provocará un error de ráfaga del módulo. El tipo de código del detector de error de bit se ajustó a PRBS31Q, y la recepción y el envío del módulo se conectaron a través de la fibra de bucle automático, para probar el error de bit causado por el cambio de temperatura. Se puede ver en la Tabla 2 que, excepto por la respuesta a 15° y el deterioro del flujo encircled al rango, el resto está dentro del rango (cuando R=4.5μm, EF < 30%; cuando R=19μm, EF≥86%), la disminución del flujo rodeado a 4.5 μm puede reducir efectivamente la reflexión. HIGO. 10 muestra los cambios de la tasa de error de bit en tiempo real y la tasa de error de bit total del módulo de prueba con temperatura. Diferentes colores representan diferentes canales respectivamente. Como se puede ver en la figura 10 (a) y 10 (b), el error de ráfaga seguirá ocurriendo cuando se seleccione la conexión de fibra plana y la conexión de 5°. Como se muestra en la figura 10 (d), el rendimiento de recepción ha disminuido cuando se selecciona la conexión de 12°.

(a) Prueba de fibraIng.a 0 °

(B) Prueba de fibraIng.at 5°

(C) Prueba de fibraIng.at 8°

(D) Prueba de fibraIng.at 12°

Figura 10. Prueba de transferencia de fibra a alta temperatura en diferentes ángulos de inclinación

en la prueba del Módulo 400G QSFP-DD, el transmisor genera una fuente de señal de 31 órdenes desde el analizador de códigos de error y se conecta al módulo óptico a medir a través de 8 pares de líneas de RF diferenciales. La prueba ocular del módulo se muestra en la Figura 11 y se prueba principalmente la sensibilidad del módulo receptor. Al cambiar la temperatura ambiente para probar las condiciones de funcionamiento de los terminales de recepción y envío del módulo a tres temperaturas, los resultados se muestran en la Tabla 2-5.

Pruebe el diagrama de ojo del módulo y la sensibilidad, la relación de extinción, la amplitud de modulación óptica (OMA), el cuaternario de cierre de ojo de dispersión y transmisor (TDECQ) y otras pruebas en el estado de tres temperaturas para evaluar el efecto del diseño de la ruta óptica.

A partir de los datos de prueba, se encuentra que el módulo funciona de manera estable a la tercera temperatura y la diferencia de canal es pequeña. Todos los módulos están dentro del alcance del protocolo y tienen un amplio margen.

Figura 11 y XNUMX. La prueba de la vista del módulo

Tabla 3. Resultados de la prueba de rendimiento del módulo óptico a temperatura ambiente

Tabla 4. Resultados de la prueba de rendimiento del módulo óptico a baja temperatura

Tabla 5. Resultados de la prueba de rendimiento del módulo óptico a alta temperatura

Conclusión

En este documento se propone la solución de diseño COB de transceptores ópticos 400G QSFP-DD SR8. A través del diseño y la simulación de la ruta óptica, se obtienen el ancho de tolerancia y la eficiencia de acoplamiento en tres ejes, y la eficiencia de acoplamiento cambia bajo diferentes errores. Proporciona orientación para la producción del dispositivo y prueba el rendimiento y el error del dispositivo bajo diferentes ángulos de rectificado. Finalmente se determinó el Ángulo de 8° para la adaptación y se construyó la plataforma de prueba del módulo para verificar que el diseño sea bueno. El rendimiento de la prueba cumple con el estándar de protocolo IEEE 802.3cm y cumple con los requisitos del índice de diseño. Este diseño mejora el rendimiento del producto y reduce la reflexión óptica hasta cierto punto. Es la mejor opción para el centro de datos de próxima generación.