Comment le 400G QSFP-DD SR8 est-il conçu et optimisé ?

Pour améliorer encore l'efficacité du couplage optique et la puissance optique de sortie du module optique, FiberMall a conçu et optimisé le 400G QSFP-DD SR8. Il utilise des composants passifs avec des lentilles comme éléments cruciaux pour le couplage optique afin d'améliorer l'efficacité du couplage. Les circuits haute fréquence du module optique sont analysés et optimisés à l'aide du modèle IBIS (Input/Output Buffer Information Spécification). Enfin, la conception optique, la simulation de liaison et les tests sont effectués sur le module optique. Les résultats des tests indiquent que le module émetteur-récepteur optique conçu présente un diagramme oculaire relativement clair, avec une gigue d'environ 2.3 ps, et une bonne cohérence entre les canaux, sans erreurs binaires dans les 202 s. Aucune perte de paquet ne s'est produite après une transmission de signal de 100 m et les performances du système sont restées stables.

Conception globale du module optique

Dans les produits de transmission optique à courte portée 400G, la demande pour le module optique 400G QSFP-DD SR8 est la plus élevée. Chaque module optique comprend 16 canaux de transmission (8 émetteurs et 8 récepteurs), avec un débit de transmission de 50 Gb/s par canal. Le schéma de modulation du signal est une modulation d'amplitude d'impulsion à 4 niveaux (PAM4), satisfaisant simultanément le débit de 400 Gb/s pour les transmissions en liaison montante et descendante. Le circuit comprend principalement une puce de processeur de signal numérique (DSP), une puce d'amplificateur de transimpédance (TIA) et une puce de pilote. En revanche, le chemin optique et les composants optiques passifs comprennent une puce laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), une puce à photodiode (PD) et des lentilles optiques.

Du côté de l'émetteur, le signal électrique entre dans la puce PAM4 DSP via l'interface du connecteur électrique pour le conditionnement du signal. Le signal haute fréquence traité est ensuite divisé en deux groupes de signaux à 4 canaux et entre dans la puce pilote. La puce pilote amplifie le signal et pilote la puce VCSEL pour effectuer une conversion électrique-optique. Du côté du récepteur, le signal optique entre dans la puce PD via l'interface optique MPO16, et la puce PD génère un photocourant. Le photocourant est ensuite amplifié et façonné en amplitude par la puce TIA avant d'entrer dans la puce DSP. Le signal haute fréquence est conditionné et émis dans la puce DSP, complétant ainsi la conversion optique-électrique.

Dans la fabrication du Module 400G QSFP-DD SR8, des monteurs de puces de haute précision sont utilisés pour placer les puces de pilote, TIA, VCSEL et PD sur la carte de circuit imprimé (PCB). Ensuite, un fil de liaison de haute précision est utilisé pour connecter les différentes puces, permettant ainsi la continuité des signaux du circuit. Pendant le processus de liaison des fils, la hauteur de la boucle du fil est réduite, ce qui raccourcit considérablement la longueur des fils de liaison et minimise l'impact des réflexions des signaux à grande vitesse. Côté émetteur, les surfaces supérieures de la puce pilote et de la puce VCSEL sont placées sur le même plan horizontal. Côté récepteur, les surfaces supérieures de la puce TIA et de la puce PD sont placées sur le même plan horizontal, raccourcissant ainsi efficacement la longueur des fils de liaison. La surface plaquée or où se trouvent les puces électriques comporte plusieurs trous traversants qui transfèrent directement la chaleur vers les ouvertures arrière du PCB. Simultanément, un matériau à haute conductivité thermique est rempli à l'arrière et en contact avec le boîtier métallique, offrant ainsi un canal de dissipation thermique idéal. De plus, des matériaux à haute conductivité thermique comblent les espaces entre les puces électriques et le boîtier métallique, garantissant ainsi d'excellentes performances de gestion thermique. Une fois la liaison filaire des puces de chemin optique et des puces électriques terminée, des composants passifs avec des lentilles supplémentaires sont utilisés pour le boîtier de couplage optique intégré des côtés de l'émetteur et du récepteur, complétant ainsi l'étanchéité hermétique du moteur optique. Par rapport aux composants passifs sans lentilles, l'efficacité du couplage peut être améliorée de 10 à 15 % lors de l'utilisation de ces composants passifs avec des lentilles supplémentaires.

Conception électrique et optique haute fréquence du QSFP-DD SR400 8G

Conception du PCB du 400G QSFP-DD SR8

Le PCB de l'ensemble du module adopte une structure à 10 couches, avec 4 couches pour les lignes différentielles haute fréquence et 6 couches pour les couches de référence et DC. FiberMall utilise un logiciel de calcul d'impédance (Polar SI9000) et un logiciel de simulation de signal 3D HFSS pour effectuer des calculs d'impédance et des simulations pour les lignes différentielles haute fréquence (pour la structure différentielle externe, la largeur de ligne différentielle d'impédance de 100 Ω est de 4 mil et l'espacement est de 8 mil) . Au cours du processus de fabrication des PCB, le matériau de la carte pour les couches de signaux différentiels haute fréquence doit être un matériau spécialisé à faible constante diélectrique et à grande vitesse, Rogers ou Panasonic M6 étant couramment utilisés. De plus, pour garantir la symétrie physique des différentes couches et éviter la déformation du PCB due à un chauffage inégal, les matériaux des cartes doivent être traités symétriquement. La conception du module optique de FiberMall utilise un matériau FR4 ordinaire pour les couches de référence et de routage CC.

Les contacts Goldfinger et les condensateurs de couplage ne peuvent pas assurer une continuité complète pour les signaux haute fréquence. Par conséquent, FiberMall a optimisé les performances haute fréquence des circuits haute vitesse, depuis les contacts des doigts du module jusqu'à la puce DSP et depuis la puce DSP jusqu'à la puce pilote. Les positions des contacts des doigts sont conçues selon la norme QSFP-DD Multi-Source Agreement (MSA), et des processus de placage d'or et de nickel-palladium-or sont utilisés pour renforcer les contacts des doigts, améliorant leur résistance à l'usure et leur conductivité, et réduisant ainsi le signal. fuite. De plus, en augmentant la distance entre les plans de référence électriques entourant le circuit et les vias de signal, l'inductance du circuit est améliorée, réduisant ainsi les réflexions du signal. La méthode de découpage local du logiciel de simulation est utilisée pour découper et effectuer des simulations haute fréquence sur les 16 paires de lignes haute fréquence depuis les contacts des doigts jusqu'à la puce DSP. En combinaison avec un logiciel de calcul d'impédance, des ajustements sont apportés à l'épaisseur de ligne, à la largeur de ligne et à l'espacement des lignes pour chaque groupe de lignes haute fréquence. Lors de l'adressage des condensateurs de couplage, la distance est principalement ajustée en fonction des résultats de simulation, et des trous de couche de masse de référence sont percés aux quatre coins de l'ensemble du modèle pour former un chemin de retour pour les signaux d'interférence, obtenant ainsi des capacités anti-interférences.

Les résultats de l'optimisation haute fréquence montrent que les 32 groupes de lignes différentielles à grande vitesse, à la fois émettrices et réceptrices, peuvent atteindre une bande passante de 3 dB supérieure à 35 GHz (la bande passante réelle utilisée ne dépasse pas 20 GHz). Les valeurs d'impédance de toutes les lignes haute fréquence sont contrôlées à 100 Ω (avec une précision de 1 Ω) et les valeurs de perte de réflexion de toutes les lignes haute fréquence sont inférieures à -15 dB. De plus, la puce VCSEL est connectée à la puce pilote via des fils de liaison différentielle, en utilisant des fils d'or conventionnels de 25 μm de diamètre. Le fil de liaison le plus long est raccourci de 500 μm à 280 μm, réduisant ainsi la perte d'insertion de 0.3 dB.

L'optimisation des lignes différentielles haute fréquence côté récepteur est à peu près similaire à celle du côté émetteur, en utilisant la méthode de découpage pour couper, corriger, simuler, optimiser, puis recorriger chaque paire de lignes différentielles jusqu'à obtenir le différentiel souhaité. des lignes sont obtenues. Après optimisation, l'impédance de toutes les lignes différentielles est contrôlée avec précision à 100 Ω (précision ± 1 Ω), la bande passante de 3 dB répond aux exigences de 35 GHz et la perte de réflexion est inférieure à -8 dB.

Conception optique 400G QSFP-DD SR8

À l'aide d'un équipement de placement, la puce pilote et la puce TIA sont montées en réseau selon les marquages ​​de position de montage conçus, garantissant que l'erreur de position de montage des deux puces est inférieure à 3 μm, garantissant ainsi la précision et la stabilité du couplage optique du produit. Une fois la puce pilote et la puce TIA montées, la puce VCSEL et la puce PD sont montées, correspondant respectivement aux zones de travail de la puce pilote et de la puce TIA, et alignées en fonction des positions des broches du GSG, avec une erreur de montage de moins de 3 μm. Une fois le montage terminé, les paramètres de la machine de liaison filaire sont définis en fonction de la longueur et de l'angle du fil obtenus à partir de la simulation, et la liaison filaire est effectuée pour toutes les broches, complétant ainsi le travail de liaison filaire entre les puces et le PCB.

Une fois la liaison filaire terminée, FiberMall utilise une machine de couplage de haute précision pour effectuer un couplage actif sur le module. Le travail de couplage est effectué en deux étapes : une étape consiste à coupler un ensemble de puces Driver et TIA montées sur réseau (en utilisant un wattmètre optique pour détecter la puissance optique transmise de 4 canaux TX et en utilisant un logiciel pour détecter la réponse de réception de 4 canaux RX). Lorsque les indicateurs de détection d'émission et de réception atteignent simultanément la valeur maximale, la lentille est fixée avec de la colle. L'autre étape consiste à coupler et à fixer l'autre jeu de puces de la même manière. Le module physique 400G QSFP-DD SR8 fabriqué par FiberMall est illustré dans la figure.

Simulation de modules optiques

Structure de simulation de liaison de module optique

La figure suivante montre le diagramme schématique de la structure de simulation de liaison de module optique. À l'extrémité de transmission, le VCSEL émet un faisceau de lumière sous la commande de la puce pilote, et le signal RF à grande vitesse émis par la puce pilote module le signal optique et le produit. Un wattmètre optique, un oscilloscope optique et un analyseur de spectre optique peuvent obtenir des paramètres importants tels que la puissance optique moyenne (Pawg), le taux d'extinction (ER) et la longueur d'onde du signal optique. Lors de l'exécution d'un bouclage automatique ou d'un test croisé du module, la fibre optique reçoit le signal optique à l'extrémité de réception. Après une série de traitement du signal par des puces telles que PD, TIA et DSP, le signal est transmis à un oscilloscope électrique, où le diagramme oculaire du signal électrique converti peut être observé et la qualité du signal analysée. En entrant ce signal électrique dans le port RX d'un testeur de taux d'erreur sur les bits, le testeur de taux d'erreur sur les bits peut lire le taux d'erreur sur les bits en temps réel pour déterminer si la qualité de transmission du module répond aux exigences des normes internationales.

Test du module optique 400G QSFP-DD SR8

FiberMall a effectué des tests de diagramme oculaire et une mesure du taux d'erreur binaire sur le module émetteur-récepteur optique 400G. Le diagramme de l'œil et le tracé du taux d'erreur binaire sont représentés respectivement sur les figures 8 et 9. Les résultats des tests montrent que le diagramme oculaire du module est relativement clair, avec une gigue du diagramme oculaire d'environ 2.3 ps, et que les canaux ont une bonne cohérence, sans erreurs de bits dans les 202 s. De plus, FiberMall a testé les performances de transmission du système du module émetteur-récepteur optique 400G sur une distance de transmission de 100 m. Il a été constaté que les diagrammes oculaires des canaux ne différaient pas beaucoup des résultats des tests de connexion directe. Bien que la gigue moyenne ait légèrement augmenté, la cohérence du diagramme œil de canal est restée bonne et aucune perte de paquet ne s'est produite à un débit de transmission de 50 Gb/s, ce qui indique des performances du système relativement stables. La consommation électrique totale de l'ensemble du module optique est de 9.8 W, avec une faible consommation d'énergie.

Conclusion

FiberMall a systématiquement conçu la structure et les circuits haute fréquence du 400G QSFP-DD SR8 et les a optimisés à l'aide d'un logiciel professionnel. Les résultats des tests montrent que par rapport aux appareils passifs sans lentilles, l'utilisation d'appareils passifs avec des lentilles supplémentaires peut augmenter l'efficacité du couplage de 10 à 15 %. Après optimisation des lignes haute fréquence, les valeurs de perte de réflexion sont toutes inférieures à -15 dB et la perte d'insertion a diminué de 0.3 dB. Le diagramme oculaire du module émetteur-récepteur optique est clair, avec une gigue d'environ 2.3 ps, et les canaux ont une bonne cohérence, sans erreurs de bits dans les 202 s. Après 100 m de transmission du signal, le taux d'erreur binaire est inférieur à 1E-12 et la consommation électrique totale du module est de 9.8 W, répondant aux exigences des normes internationales.