¿Cómo se diseña y optimiza el 400G QSFP-DD SR8?

Para mejorar aún más la eficiencia del acoplamiento óptico y la potencia óptica de salida del módulo óptico, FiberMall ha diseñado y optimizado el 400G QSFP-DD SR8. Utiliza componentes pasivos con lentes como elementos cruciales para el acoplamiento óptico para mejorar la eficiencia del acoplamiento. Los circuitos de alta frecuencia del módulo óptico se analizan y optimizan utilizando el modelo de especificación de información del búfer de entrada/salida (IBIS). Finalmente, se realizan el diseño óptico, la simulación de enlace y las pruebas en el módulo óptico. Los resultados de la prueba indican que el módulo transceptor óptico diseñado tiene un diagrama de ojo relativamente claro, con una fluctuación de alrededor de 2.3 ps y buena consistencia entre canales, sin errores de bits dentro de 202 s. No se produjo ninguna pérdida de paquetes después de una transmisión de señal de 100 m y el rendimiento del sistema se mantuvo estable.

Diseño general del módulo óptico

En los productos de transmisión óptica de corto alcance de 400G, la demanda del módulo óptico QSFP-DD SR400 de 8G es la más alta. Cada módulo óptico incluye 16 canales de transmisión (8 transmisores y 8 receptores), con una velocidad de transmisión de 50 Gb/s por canal. El esquema de modulación de señal es una modulación de amplitud de pulso de 4 niveles (PAM4), que satisface simultáneamente la velocidad de 400 Gb/s para transmisiones de enlace ascendente y descendente. El circuito incluye principalmente un chip de procesador de señal digital (DSP), un chip amplificador de transimpedancia (TIA) y un chip controlador. Por el contrario, la trayectoria óptica y los componentes ópticos pasivos incluyen un chip láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL), un chip de fotodiodo (PD) y lentes ópticas.

En el lado del transmisor, la señal eléctrica ingresa al chip PAM4 DSP a través de la interfaz del conector eléctrico para el acondicionamiento de la señal. La señal de alta frecuencia procesada se divide luego en dos grupos de señales de 4 canales y ingresa al chip controlador. El chip controlador amplifica la señal y controla el chip VCSEL para realizar la conversión eléctrica a óptica. En el lado del receptor, la señal óptica ingresa al chip PD a través de la interfaz óptica MPO16 y el chip PD genera una fotocorriente. Luego, el chip TIA amplifica la fotocorriente y le da forma de amplitud antes de ingresar al chip DSP. La señal de alta frecuencia se acondiciona y se emite en el chip DSP, completando la conversión óptica a eléctrica.

En la fabricación del Módulo 400G QSFP-DD SR8, se utilizan montadores de chips de alta precisión para colocar los chips del controlador, TIA, VCSEL y PD en la placa de circuito impreso (PCB). Luego, se emplea un conector de cables de alta precisión para conectar los distintos chips, permitiendo la continuidad de las señales del circuito. Durante el proceso de unión de cables, la altura del bucle de alambre se reduce, lo que acorta significativamente la longitud de los cables de unión y minimiza el impacto de los reflejos de la señal de alta velocidad. En el lado del transmisor, las superficies superiores del chip controlador y del chip VCSEL están colocadas en el mismo plano horizontal. En el lado del receptor, las superficies superiores del chip TIA y del chip PD se colocan en el mismo plano horizontal, acortando efectivamente la longitud de los cables de unión. La superficie chapada en oro donde se encuentran los chips eléctricos tiene varios orificios pasantes que transfieren calor directamente a las aberturas traseras de la PCB. Al mismo tiempo, se rellena un material de alta conductividad térmica en la parte posterior y en contacto con la carcasa metálica, proporcionando un canal ideal de disipación de calor. Además, se rellenan los espacios entre los chips eléctricos y la carcasa metálica con materiales de alta conductividad térmica, lo que garantiza un excelente rendimiento de gestión térmica. Después de completar la unión de cables de los chips de trayectoria óptica y los chips eléctricos, se utilizan componentes pasivos con lentes adicionales para el empaquetamiento de acoplamiento óptico integrado tanto en el lado del transmisor como en el del receptor, completando el sellado hermético del motor óptico. En comparación con los componentes pasivos sin lentes, la eficiencia del acoplamiento se puede mejorar entre un 10 % y un 15 % cuando se utilizan estos componentes pasivos con lentes adicionales.

Diseño eléctrico y óptico de alta frecuencia del 400G QSFP-DD SR8

Diseño de PCB del 400G QSFP-DD SR8

La PCB de todo el módulo adopta una estructura de 10 capas, con 4 capas para líneas diferenciales de alta frecuencia y 6 capas para referencia y capas de CC. FiberMall utiliza software de cálculo de impedancia (Polar SI9000) y software de simulación de señal 3D HFSS para realizar cálculos de impedancia y simulaciones para las líneas diferenciales de alta frecuencia (para la estructura diferencial exterior, el ancho de la línea diferencial de impedancia de 100 Ω es de 4 mil y el espaciado es de 8 mil). . Durante el proceso de fabricación de PCB, el material de la placa para las capas de señal diferencial de alta frecuencia debe ser un material especializado de alta velocidad y baja constante dieléctrica, siendo comúnmente utilizado Rogers o Panasonic M6. Además, para garantizar la simetría física de las distintas capas y evitar la deformación de la PCB debido a un calentamiento desigual, los materiales de la placa deben tratarse simétricamente. El diseño del módulo óptico de FiberMall emplea material FR4 ordinario para las capas de referencia y de enrutamiento de CC.

Los contactos Goldfinger y los condensadores de acoplamiento no pueden lograr una continuidad completa para señales de alta frecuencia. Por lo tanto, FiberMall optimizó el rendimiento de alta frecuencia de los circuitos de alta velocidad desde los contactos de los dedos del módulo hasta el chip DSP y desde el chip DSP hasta el chip controlador. Las posiciones de contacto de los dedos están diseñadas de acuerdo con el acuerdo de fuentes múltiples (MSA) QSFP-DD estándar, y se emplean procesos de enchapado en oro y níquel-paladio-oro para reforzar los contactos de los dedos, mejorando su resistencia al desgaste y conductividad, y reduciendo así la señal. fuga. Además, al aumentar la distancia entre los planos de referencia eléctrica que rodean el circuito y las vías de señal, se mejora la inductancia del circuito, reduciendo los reflejos de la señal. El método de recorte local del software de simulación se utiliza para recortar y realizar simulaciones de alta frecuencia en los 16 pares de líneas de alta frecuencia desde los contactos de los dedos hasta el chip DSP. En combinación con el software de cálculo de impedancia, se realizan ajustes en el grosor de la línea, el ancho de la línea y el espaciado de las líneas para cada grupo de líneas de alta frecuencia. Al abordar los condensadores de acoplamiento, la distancia se ajusta principalmente en función de los resultados de la simulación, y se perforan orificios en la capa de tierra de referencia en las cuatro esquinas de todo el modelo para formar una ruta de retorno para las señales de interferencia, logrando capacidades antiinterferencias.

Los resultados de la optimización de alta frecuencia muestran que los 32 grupos de líneas diferenciales de alta velocidad, tanto de transmisión como de recepción, pueden alcanzar un ancho de banda de 3 dB superior a 35 GHz (el ancho de banda real utilizado no supera los 20 GHz). Los valores de impedancia de todas las líneas de alta frecuencia se controlan a 100 Ω (con una precisión de 1 Ω) y los valores de pérdida de retorno de todas las líneas de alta frecuencia son inferiores a -15 dB. Además, el chip VCSEL está conectado al chip controlador a través de cables de unión diferencial, utilizando cables de oro convencionales de 25 μm de diámetro. El cable de unión más largo se acorta de 500 μm a 280 μm, lo que reduce la pérdida de inserción en 0.3 dB.

La optimización de las líneas diferenciales de alta frecuencia en el lado del receptor es más o menos similar a la del lado del transmisor, empleando el método de recorte para recortar, corregir, simular, optimizar y luego volver a corregir cada par de líneas diferenciales hasta obtener el diferencial deseado. Se obtienen líneas. Después de la optimización, la impedancia de todas las líneas diferenciales se controla con precisión a 100 Ω (precisión ±1 Ω), el ancho de banda de 3 dB cumple con el requisito de 35 GHz y la pérdida de retorno es inferior a -8 dB.

Diseño óptico 400G QSFP-DD SR8

Utilizando equipos de colocación, el chip controlador y el chip TIA se montan en matriz de acuerdo con las marcas de posición de montaje diseñadas, lo que garantiza que el error de posición de montaje de los dos chips sea inferior a 3 μm, lo que garantiza la precisión y estabilidad del acoplamiento óptico del producto. Después de montar el chip Driver y el chip TIA, se montan el chip VCSEL y el chip PD, correspondientes a las áreas de trabajo del chip Driver y el chip TIA, respectivamente, y se alinean de acuerdo con las posiciones de los pines del GSG, con un error de montaje de menos de 3μm. Una vez completado el montaje, los parámetros de la máquina de unión de cables se configuran de acuerdo con la longitud y el ángulo del cable obtenidos de la simulación, y se realiza la unión de cables para todos los pines, completando así el trabajo de unión de cables entre los chips y la PCB.

Una vez completada la unión de los cables, FiberMall utiliza una máquina de acoplamiento de alta precisión para realizar el acoplamiento activo en el módulo. El trabajo de acoplamiento se lleva a cabo en dos pasos: un paso es acoplar un conjunto de controladores montados en matriz y chips TIA (usando un medidor de potencia óptica para detectar la potencia óptica transmitida de 4 canales TX y usando software para detectar la respuesta de recepción de 4 canales RX). Cuando los indicadores de detección de transmisión y recepción alcanzan el valor máximo simultáneamente, la lente se fija con pegamento. El otro paso es acoplar y fijar el otro conjunto de chips de la misma forma. En la figura se muestra el módulo físico 400G QSFP-DD SR8 fabricado por FiberMall.

Simulación de módulo óptico

Estructura de simulación de enlace de módulo óptico

La siguiente figura muestra el diagrama esquemático de la estructura de simulación de enlace del módulo óptico. En el extremo transmisor, el VCSEL emite un haz de luz bajo la conducción del chip del controlador, y la señal de RF de alta velocidad emitida por el chip del controlador modula la señal óptica y la emite. Un medidor de potencia óptica, un osciloscopio óptico y un analizador de espectro óptico pueden obtener parámetros importantes como la potencia óptica promedio (Pawg), el índice de extinción (ER) y la longitud de onda de la señal óptica. Al realizar el autobucle del módulo o la prueba cruzada, la fibra óptica recibe la señal óptica en el extremo receptor. Después de una serie de procesamiento de señal mediante chips como PD, TIA y DSP, la señal se transmite a un osciloscopio eléctrico, donde se puede observar el diagrama de ojo de la señal eléctrica convertida y analizar la calidad de la señal. Al ingresar esta señal eléctrica en el puerto RX de un probador de tasa de error de bits, el probador de tasa de error de bits puede leer la tasa de error de bits en tiempo real para determinar si la calidad de transmisión del módulo cumple con los requisitos de los estándares internacionales.

Prueba del módulo óptico 400G QSFP-DD SR8

FiberMall realizó pruebas de diagrama de ojo y medición de tasa de error de bits en el módulo transceptor óptico 400G. El diagrama de ojo y el gráfico de tasa de error de bits se muestran en las Figuras 8 y 9, respectivamente. Los resultados de la prueba muestran que el diagrama de ojo del módulo es relativamente claro, con una fluctuación del diagrama de ojo de alrededor de 2.3 ps, y los canales tienen buena consistencia, sin errores de bits dentro de los 202 s. Además, FiberMall probó el rendimiento de transmisión del sistema del módulo transceptor óptico de 400G en una distancia de transmisión de 100 m. Se encontró que los diagramas de ojo de los canales no diferían mucho de los resultados de las pruebas de conexión directa. Aunque la fluctuación promedio aumentó ligeramente, la consistencia del diagrama de ojo del canal se mantuvo buena y no se produjo ninguna pérdida de paquetes a una velocidad de transmisión de 50 Gb/s, lo que indica un rendimiento del sistema relativamente estable. El consumo de energía total de todo el módulo óptico es de 9.8 W, con un bajo consumo de energía.

Conclusión

FiberMall ha diseñado sistemáticamente la estructura y los circuitos de alta frecuencia para el 400G QSFP-DD SR8 y los ha optimizado utilizando software profesional. Los resultados de las pruebas muestran que, en comparación con los dispositivos pasivos sin lentes, el uso de dispositivos pasivos con lentes adicionales puede aumentar la eficiencia del acoplamiento entre un 10% y un 15%. Después de la optimización de las líneas de alta frecuencia, los valores de pérdida de retorno son todos inferiores a -15 dB y la pérdida de inserción ha disminuido en 0.3 dB. El diagrama de ojo del módulo transceptor óptico es claro, con una fluctuación de aproximadamente 2.3 ps y los canales tienen buena consistencia, sin errores de bits dentro de los 202 s. Después de 100 m de transmisión de señal, la tasa de error de bits es inferior a 1E-12 y el consumo de energía total del módulo es de 9.8 W, cumpliendo con los requisitos de los estándares internacionales.