400G QSFP-DD SR8 光トランシーバー モジュールについて

クラウド コンピューティングやビッグ データなどの新しい IoT テクノロジの商用化と、第 5 世代モバイル通信 (5G) 構築の段階的な実装により、データ センターで送信されるトラフィックは指数関数的に増加しています。

FiberMall の調査によると、世界中の主要なハイパースケール データセンターの総数は、600 年末までに 2020 年前の 50 倍の 2019 近くにまで増加しています。 データセンター数の増加に伴い、デジタル光モード市場も開発の機会をもたらしました。 有名な研究機関の統計によると、データセンターで使用される光モジュールは 4.9 年に 2021 万に達し、データセンターの光モジュールの市場価値は 100 年末までに 400 億ドルを超えると予想されています。元の 8G 光モジュールは、現在のアプリケーション シナリオの要件を満たすことができません。 したがって、伝送要件を満たすために光モジュールの速度を向上させることが不可欠です。 IEEE 400cm プロトコルを満たす 8 Gbit/s Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density Short Range 802.3 光モジュール (XNUMXG QSFP-DD SRXNUMX) は、高速、低消費電力、低コスト、小型。

FiberMall は、チップ オン ボード COB (COB) テクノロジに基づく 400G QSFP-DD SR8 光モジュールの光パス設計を提案します。 一体型レンズを採用し、光路を設計し、シミュレーション最適化を実施しました。 フレネル反射によると、接触角を大きくして反射を減らしました。 適切な傾斜面を選択し、スキームを決定した後、モジュールの受信側と発信側をそれぞれテストして、光路設計の実現可能性を検証します。

図 1. 400G QSFP-DD SR8

 400G QSFP-DD SR8 光パスの設計とシミュレーション

垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) は、データ センターでの短距離伝送用の光源として選択されています。 モジュール パッケージング プロトコル規格を満たすためには、VCSEL からの垂直光がファイバに平行に入るように光路を変更する必要があります。 このモジュールは、出力電力を安定させるために必要です。これには、VCSEL の動作状態をリアルタイムで監視する必要があり、VCSEL から放射された光の一部を反射するスプリッタを追加して、バックライトの検出と制御のためにモニター フォト ダイオード (MPD) に送る必要があります。出力電力を安定させ、全体的な光路アーキテクチャを取得します。 送信側では光源にVCSELを使用し、垂直光を平行光に変換して光ファイバーに結合させて伝送する必要があります。 まず、VCSEL から放出された光がコリメートされ、レンズに入射します。 垂直に放射されたビームは、45° の面で全反射した後、回転して光ファイバーに水平に入射します。

VCSELを監視する必要があるため、スプリッターの傾斜角度を制御してMPDの位置を調整し、スプリッターの反射膜の透過率を変更して調整することにより、スプリッターの厚さが光路に影響を与えることを考慮する必要があります。光パワー範囲。 初期物体距離関係は機械空間から得られ、設定物体距離は 0.34 mm、位相距離は 0.45 mm です。 図 2 は、送信機での光路の概略図を示しています。

図2。 T送信機での光路の概略図

受光端は送信端と同様で、PD はファイバからの水平入射光を受光し、最初にファイバ端レンズの球面コリメーションを通過し、入射ビームを 45° の全反射面に向けてから、レンズを介してビームをコリメートし、最終的に PD で受信されます。

一体型レンズを使用するため、受信側と送信側の物体距離が同じになるように設計する必要があります。 受信端での対物距離は 0.23 mm、送信端での像距離は 0.45 mm です。 図 3 は、受信側の光路を示しています。

図 3. 受信側の光路

400G QSFP-DD SR8 光路のシミュレーションと最適化

受信機と送信機の主なパラメータを表1に示します。

表 1. 光学系の主なパラメータ

表 1 のオブジェクト イメージの関係と光路構造は、ZEMAX ソフトウェアを使用してレンズ結合光路を設計およびシミュレーションするために選択されました。 最適化機能を使用して 4 つの球体の表面形状を調整し、結合効率を最適化した後、ファイバーの接触角を変更し、シミュレーション用にさまざまな角度を設定しました。 図 XNUMX は、レンズ結合システムの TX 端の光学シミュレーションを示しています。

図 4. 光学シミュレーション図

シミュレーションから、最適化の前後でスポットの収束の程度が大きく異なることがわかります。 最適化前は、一部の光が失われており、光ファイバー側で受信した光スポットが大きくなっています。 光ファイバーには多くの光が入りにくく、結合効率は非常に低いです。 最適化された光路は、光路の収束とより高い結合効率を実現できます。 光路の設計とシミュレーションが完了し、実用化を検討する必要があります。

製造上、プロセスの偏差、VCSEL パッチの誤差、レンズの光ポート間隔の製造誤差、高温硬化時の接着剤の応力解放によって引き起こされる偏差などにより、これらの要因が発生します。実際の結合効率が理想的な状況に達することは難しいため、実際の生産状況をシミュレートするために公差分析を実行する必要があります。 VCSEL後のX、Y、Z軸の公差 offセットを図5に示します。図からわかるように、9方向の精度が±70μmの範囲内に制御されている限り、結合効率は3%を超えます。 ただし、実際の工程では複数方向のずれが存在する可能性があることを考慮し、パッチ誤差を±6μm以内に抑えており、結合効率の低下を防ぐ高いマージンを持っています。 ファイバーをレンズに結合すると、全体として見ることができます。 実際には、カップリング レンズの後に短繊維の結合が続きます。 良好なカップリングがあるかもしれませんが、ステープル ファイバー製品をロードした後のパフォーマンスは標準に達していません。 これは通常、カップリング ファイバーとステープル ファイバーのサイズが一致していないか、結合の位置がアクティブなカップリングの位置ではないことが原因です。 したがって、移動する光ファイバの公差は、移動する光ファイバによってシミュレートされます。 図 30 にモバイル ファイバの結合効率の変化を示します。 図よりX、Y、Z方向に7μmの公差があることがわかります。 可動レンズの位置は、光路設計の許容範囲を直接反映します。 図 8 に移動レンズの結合効率の変化を示します。 図からわかるように、製品の実際のカップリングで一貫性のあるモーターを選択する必要があります。そうしないと、偏差が大きすぎると、実際の位置と理想的な光路との間の偏差が生じやすくなります。 光モジュールの相互接続の過程で、1つのコアが接触すると必然的にギャップが発生します。 このとき屈折率が変化し、つなぎ目でフレネル反射が発生します。 図。 図８は、光ファイバー接合部でのフレネル反射を示す。 図からわかるように、光モジュールの相互接続中に、ファイバー 2 からの光がエア ギャップに入ると、フレネル反射が発生します。 フレネル反射は、エア ギャップからファイバー XNUMX に入ると生成されます。 したがって、エア ギャップがある場合は常に XNUMX つの反射が発生します。 接続端と VCSEL の距離が近いため、VCSEL は反射光を再励起してノイズを発生させ、受信端でバースト エラー コードが発生し、モジュールの性能に影響を与えます。

図 5. モバイル VCSEL 結合効率の変化

図6 モバイルファイバの結合効率の変化

Figure 7. 可動レンズの結合効率の変化

図 8. ファイバー接合部でのフレネル反射。 注: n0 は空気の屈折率です。 n1 はファイバ コアの屈折率です。

この論文では、XNUMX 本の光ファイバの接触面で傾斜角度を大きくして反射光の方向を変え、全反射の要件を満たさず、クラッドから出て、Vcsel に戻らないようにします。モジュールの反射を減らし、モジュールの性能を改善するためにチップ。 さまざまな傾斜角とモジュール テスト結果のシミュレーション分析により、適切な傾斜角が最終的に選択されます。

図 9. 光ファイバ コネクタの角度を大きくする

異なる研削角度での反射係数は、ガウス ビーム結合理論に従って取得できます。

R0 は平面時のフレネル反射係数です。 n はクラッドの屈折率です。 前の XNUMX つが end Angle 傾斜であることを確認します。 実際の使用においても、光パワーと輪帯光束の大きさを考慮して、適切なチルト角を選択する必要があります。

実験的検証

400 Gbit/s QSFP-DD デバイスの環状光束と受信機の応答性をテストし、傾斜角度を変更した後の製品性能の変化を測定しました。 傾斜角度を変更すると、光路の画像距離が変更されます。 焦点距離が異なるため、受信機と受信機は同じ画像距離を変更し、物体距離の変更は一貫性がなく、製品の光路が変更されます。 マルチモード光通信システムでは、VCSEL のエンサークルド フラックス (EF) を使用して、VCSEL の放射と伝送の光学特性を定義しました。 応答性は、PD の光電変換性能と受信側の光路性能を測定するために使用されます。 受信端の結合効率は、応答性テストを通じて計算できます。 表 2 に示すように、さまざまな傾斜角での出力光パワー、ループ フラックス、およびレシーバの応答性が測定されます。

表 2. さまざまな角度からのデバイス テスト

モジュールのサービス能力は、モジュールの自己ループ性能を高温でテストすることによって測定されます。 反射光によりモジュールのバーストエラーが発生します。 ビットエラー検出器のコードタイプはPRBS31Qに調整され、モジュールの受信と送信はセルフループファイバーを介して接続され、温度変化によって引き起こされるビットエラーをテストしました。 表2より、15°での応答とエンサークルドフラックスが範囲内に悪化することを除けば、残りは範囲内にあることがわかります(R=4.5μmの場合、EF < 30%; R=19μmの場合、 EF≧86％）、4.5μmでのエンサークルドフラックスの減少により、反射を効果的に減らすことができます。 図。 図１０は、温度によるテストモジュールのリアルタイムビットエラー率と総ビットエラー率の変化を示す。 異なる色は、それぞれ異なるチャネルを表します。 図 10 (a) と 10 (b) からわかるように、プレーン ファイバー接続と 10° 接続を選択した場合でもバースト エラーが発生します。 図 5 (d) に示すように、10°接続を選択すると受信性能が低下します。

(a) 繊維試験る0°で

（b） 繊維試験るat 5°

（c） 繊維試験るat 8°

（d） 繊維試験るat 12°

図 10. さまざまな傾斜角での高温繊維転写試験

のテストでは、 400G QSFP-DD モジュール、トランスミッタはエラー コード アナライザから 31 次の信号ソースを生成し、8 対の差動 RF ラインを介して測定対象の光モジュールに接続します。モジュールアイテストを図 11 に示します。主に受信モジュールの感度がテストされます。周囲温度を変化させて、モジュールの受信端子と送信端子の動作状態を 2 つの温度でテストした結果を表 5-XNUMX に示します。

モジュールのアイ ダイアグラムと、感度、消光比、光変調振幅 (OMA)、トランスミッタおよび分散アイ クロージャ クォータナリ (TDECQ)、およびその他のテストを XNUMX つの温度状態でテストして、光路設計の効果を評価します。

テスト データから、モジュールは XNUMX 番目の温度で安定して動作し、チャネルの差が小さいことがわかります。 すべてのモジュールはプロトコルの範囲内にあり、大きなマージンがあります。

図11. モジュールのアイテスト

表3。 光モジュールの室温性能試験結果

表4。 光モジュールの低温性能試験結果

表5。 光モジュールの高温性能試験結果

まとめ

400G QSFP‐DD SR8光トランシーバのCOB設計ソリューションを本論文で提案した。 光路設計とシミュレーションにより,三軸下の許容幅と結合効率が得られ,異なる誤差下で結合効率が変化する。 デバイスの製造に関するガイダンスを提供し、さまざまな研削角度でデバイスの性能とエラーをテストします。 最後に、適応のために 8° の角度が決定され、設計が適切であることを検証するためにモジュール テスト プラットフォームが構築されました。 テストのパフォーマンスは、IEEE 802.3cm プロトコル標準を満たし、設計指標の要件を満たしています。 この設計により、製品のパフォーマンスが向上し、光の反射がある程度減少します。 次世代データセンターに最適です。