400G QSFP-DD SR8 광 트랜시버 모듈

클라우드 컴퓨팅, 빅데이터 등 IoT 신기술의 상용화와 5세대 이동통신(5G) 구축이 점차 진행되면서 데이터센터에서 전송되는 트래픽이 기하급수적으로 증가하고 있다.

FiberMall의 연구에 따르면 전 세계 주요 하이퍼스케일 데이터 센터의 총 수는 600년 말까지 거의 2020개로 증가했으며 이는 50년 전의 두 배입니다. 데이터 센터 수가 증가함에 따라 디지털 광 모드 시장도 개발 기회를 제공했습니다. 유명 연구기관의 통계에 따르면 데이터센터에서 사용되는 광모듈은 2019년 4.9만개에 이르렀고, 데이터센터 내 광모듈 시장가치는 2021년 말까지 100억 달러를 넘어설 것으로 예상된다. 원래 400G 광 모듈은 현재 애플리케이션 시나리오의 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 따라서 전송 요구 사항을 충족하려면 광 모듈의 속도를 향상시키는 것이 필수적입니다. IEEE 8cm 프로토콜을 충족하는 400Gbit/s Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density Short Range 8 광 모듈(802.3G QSFP-DD SRXNUMX)은 고속, 저전력 소모, 저비용, 소형.

FiberMall은 COB(Chip on Board COB) 기술을 기반으로 400G QSFP-DD SR8 광 모듈의 광 경로 설계를 제안합니다. 일체형 렌즈를 채택하고 광경로를 설계하고 시뮬레이션 최적화를 진행했다. Fresnel 반사에 따라 반사를 줄이기 위해 접촉각을 증가시켰습니다. 적절한 경사면을 선택하고 방식을 결정한 후 모듈의 수신단과 발신단을 각각 테스트하여 광 경로 설계의 타당성을 확인합니다.

그림 1. 400G QSFP-DD SR8

 400G QSFP-DD SR8 광학 경로 설계 및 시뮬레이션

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)은 데이터 센터의 단거리 전송용 광원으로 선택되었습니다. 모듈 패키징 프로토콜 표준을 충족하려면 VCSEL의 수직 광선이 광섬유에 병렬로 들어갈 수 있도록 광 경로를 전환해야 합니다. 이 모듈은 출력 전력을 안정화해야 하며 VCSEL의 작동 상태를 실시간으로 모니터링하고 VCSEL에서 방출된 빛의 일부를 백라이트 감지 및 제어를 위해 MPD(모니터 포토 다이오드)로 반사하는 스플리터를 추가해야 합니다. 출력 전력을 안정화하고 전체 광경로 아키텍처를 얻습니다. VCSEL은 송신기에서 광원으로 사용되며 수직광을 평행광으로 변환하여 광섬유에 결합하여 전송해야 합니다. 먼저 VCSEL에서 방출되는 빛이 시준되어 렌즈로 들어갑니다. 45° 표면을 통한 전반사 후 수직으로 방출된 빔은 회전 후 광섬유에 수평으로 입사됩니다.

VCSEL을 모니터링해야 하므로 Splitter의 기울기 각도를 조절하여 MPD의 위치를 ​​조정하고 Splitter의 반사 필름 투과율을 변경하여 광 경로에 영향을 미치도록 Splitter의 두께를 고려해야 합니다. 광학 전력 범위. 초기 물체 거리 관계는 기계적 공간에서 구하며, 설정된 물체 거리는 0.34mm, 위상 거리는 0.45mm입니다. 그림 2는 송신기에서 광학 경로의 개략도를 보여줍니다.

그림 2. 티그는 송신기에서 광학 경로의 개략도

수신단은 송신단과 비슷합니다. 여기서 PD는 광섬유에서 수평 입사광을 수신하고 먼저 광섬유 끝 렌즈의 구면 시준을 통과하고 입사 빔을 45° 전반사 표면으로 전환한 다음 빔을 시준하고 최종적으로 PD에 의해 수신됩니다.

일체형 렌즈를 사용하기 때문에 설계 과정에서 수신단과 송신단 사이에 동일한 물체 거리를 보장해야 합니다. 수신단에서의 목표 거리는 0.23mm이고 송신단에서의 이미지 거리는 0.45mm입니다. 그림 3은 수신단의 광경로를 보여줍니다.

그림 3. 수신단의 광경로

400G QSFP-DD SR8 광 경로 시뮬레이션 및 최적화

수신기와 송신기의 주요 매개변수는 표 1에 나와 있습니다.

표 1. 광학 시스템의 주요 매개변수

ZEMAX 소프트웨어를 사용하여 렌즈 커플링 광경로를 설계하고 시뮬레이션하기 위해 표 1의 물체 이미지 관계와 광학 경로 구조를 선택했습니다. 최적화 기능을 사용하여 두 구체의 표면 형상을 조정하여 결합 효율을 최적화한 다음 섬유의 접촉 각도를 변경하고 시뮬레이션을 위해 다른 각도를 설정했습니다. 그림 4는 렌즈 커플링 시스템의 TX 끝 광학 시뮬레이션을 보여줍니다.

그림 4. 광학 시뮬레이션 다이어그램

시뮬레이션을 통해 최적화 전과 후의 스폿 수렴 정도가 매우 다른 것을 확인할 수 있습니다. 최적화 전에는 약간의 빛이 손실되었고 광섬유 측에서 받은 광점이 큽니다. 많은 빛이 광섬유에 들어가기 어렵고 결합 효율이 매우 낮습니다. 최적화된 광학 경로는 광학 경로 수렴 및 더 높은 결합 효율을 달성할 수 있습니다. 광학 경로의 설계 및 시뮬레이션이 완료되었으며 실제 적용을 고려해야 합니다.

제조 과정에서 공정 편차, VCSEL 패치 오차, 렌즈 광학 포트 간격 생산 오차, 고온 경화 시 접착제의 응력 해제로 인한 편차 등이 이러한 요인으로 인해 실제 커플링 효율이 이상적인 상황에 도달하기 어렵기 때문에 실제 생산 상황을 시뮬레이션하기 위해 공차 분석을 수행해야 합니다. VCSEL 후 X, Y 및 Z 축의 공차 off그림 5에서 볼 수 있듯이 세 방향의 정확도가 ±9μm 범위 내에서 제어되는 한 결합 효율은 70% 이상입니다. 그러나 실제 공정에서는 한 방향 이상의 편차가 존재할 수 있음을 고려하여 패치오차를 ±3μm 이내로 제어하여 커플링 효율 저하를 방지하기 위한 마진을 높게 하였다. 광섬유를 렌즈에 연결하면 전체적으로 볼 수 있습니다. 실제로 커플링 렌즈 다음에는 단섬유 결합이 뒤따릅니다. 커플링은 양호할 수 있지만 스테이플 섬유를 로드한 후 제품 성능이 표준에 미치지 못합니다. 이것은 일반적으로 결합 섬유와 스테이플 섬유의 크기가 일치하지 않거나 결합 위치가 활성 결합 위치가 아니기 때문입니다. 따라서 이동하는 광섬유의 허용 오차는 이동하는 광섬유에 의해 시뮬레이션됩니다. 그림 6은 모바일 광섬유의 결합 효율 변화를 보여줍니다. 그림에서 X, Y 및 Z 방향으로 30μm의 공차가 있음을 알 수 있습니다. 움직이는 렌즈의 위치는 광학 경로 설계의 허용 범위를 직접적으로 반영합니다. 그림 7은 움직이는 렌즈의 결합 효율 변화를 보여줍니다. 그림에서 알 수 있듯이 제품의 실제 결합에서 일관성이 좋은 모터를 선택해야 합니다. 그렇지 않으면 편차가 너무 커서 실제 위치와 이상적인 광학 경로 사이의 편차가 쉽게 발생합니다. 광 모듈 상호 연결 과정에서 두 개의 코어가 접촉할 때 필연적으로 간격이 발생합니다. 이때 굴절률이 변하게 되고 접합부에서 프레넬 반사가 일어나게 됩니다. 무화과. 그림 8은 광섬유 접합부에서 프레넬 반사를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이 광 모듈의 상호 연결 중에 광섬유 1의 빛이 공극에 들어갈 때 프레넬 반사가 발생합니다. 프레넬 반사는 에어 갭에서 섬유 2로 들어갈 때 생성됩니다. 따라서 에어 갭이 있을 때마다 두 개의 반사가 있게 됩니다. 연결 끝과 VCSEL 사이의 거리가 가깝기 때문에 VCSEL은 반사된 빛을 다시 자극하고 노이즈를 생성하여 수신 끝에서 버스트 오류 코드를 발생시키고 모듈 성능에 영향을 미칩니다.

그림 5. 모바일 VCSEL 결합 효율의 변화

그림 6. 모바일 광섬유의 결합 효율 변화

그림 7. 움직이는 렌즈의 결합 효율 변화

그림 8. 섬유 접합부에서 프레넬 반사. 참고: n0은 공기의 굴절률입니다. n1은 섬유 코어의 굴절률입니다.

본 논문에서는 두 광섬유의 접촉면에서 경사각을 증가시켜 반사광의 방향을 변경하여 전반사 요건을 충족하지 못하고 클래딩을 벗어나 Vcsel로 되돌아오지 않도록 하였다. 모듈의 반사를 줄이고 모듈의 성능을 향상시키기 위해 칩. 다양한 경사각의 시뮬레이션 분석과 모듈 테스트 결과를 통해 적절한 경사의 최종 선택.

그림 9. 광섬유 커넥터의 각도 늘리기

서로 다른 그라인딩 각도에서의 반사 계수는 가우시안 빔 결합 이론에 따라 얻을 수 있습니다.

R0은 평면일 때의 프레넬 반사 계수이고; n은 클래딩의 굴절률입니다. 앞의 두 항목이 끝 각도 기울기인지 확인합니다. 실용화에 있어서도 광출력과 환형 광속의 크기를 고려하여 적절한 틸트각을 선택하는 것이 필요하다.

실험적 검증

400 Gbit/s QSFP-DD 장치는 틸트 각도를 변경한 후 제품 성능의 변화를 측정하기 위해 환형 광속 및 수신기 응답성에 대해 테스트되었습니다. 기울기 각도를 변경하면 광학 경로의 이미지 거리가 변경됩니다. 초점 거리가 다르기 때문에 수신기와 수신기는 동일한 이미지 거리를 변경하고 물체 거리 변경이 일치하지 않아 제품의 광학 경로가 변경됩니다. 다중 모드 광통신 시스템에서 VCSEL의 Encircled Flux(EF)는 VCSEL 방출 및 전송의 광학적 특성을 정의하는 데 사용되었습니다. 응답성은 PD의 광전 변환 성능과 수신단에서의 광경로 성능을 측정하는 데 사용됩니다. 응답성 테스트를 통해 수신단의 결합 효율을 계산할 수 있습니다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 상이한 경사각 하에서 나가는 광 전력, 루프 플럭스 및 수신기 응답성이 측정된다.

표 2. 다양한 각도에서 장치 테스트

모듈의 서비스 기능은 고온에서 모듈의 자체 루프 성능을 테스트하여 측정됩니다. 반사광은 모듈의 버스트 오류를 ​​유발합니다. 비트 오류 감지기의 코드 유형은 PRBS31Q로 조정하고 모듈의 송수신은 자체 루프 광섬유를 통해 연결하여 온도 변화로 인한 비트 오류를 ​​테스트했습니다. 표 2에서 15°에서의 응답과 범위에 대한 포위 자속의 열화를 제외하고 나머지는 범위 내에 있음을 알 수 있습니다(R=4.5μm, EF < 30%; R=19μm일 때, EF≥86%), 4.5μm에서 둘러싸인 자속 감소는 반사를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 무화과. 도 10은 온도에 따른 테스트 모듈의 실시간 비트 오류율과 전체 비트 오류율의 변화를 나타낸다. 다른 색상은 각각 다른 채널을 나타냅니다. 그림 10(a) 및 10(b)에서 볼 수 있듯이 평면 광섬유 연결 및 5° 연결을 선택하면 버스트 오류가 여전히 발생합니다. 그림 10(d)와 같이 12° 연결을 선택하면 수신 성능이 저하됩니다.

(a) 섬유 테스트ING0°에서

(비) 섬유 테스트INGat 5°

(C) 섬유 테스트INGat 8°

(D) 섬유 테스트INGat 12°

그림 10. 다양한 기울기 각도에서 고온 섬유 전달 테스트

테스트에서는 400G QSFP-DD 모듈, 송신기는 오류 코드 분석기로부터 31차 신호 소스를 생성하고 8쌍의 차동 RF 라인을 통해 측정할 광 모듈에 연결합니다. 모듈 눈 테스트는 그림 11에 나와 있으며 수신 모듈의 감도는 주로 테스트됩니다. 주변 온도를 변화시켜 모듈의 수신 및 송신 단자의 작동 조건을 세 가지 온도에서 테스트한 결과는 표 2-5에 나와 있습니다.

모듈의 아이 다이어그램과 감도, 소광비, OMA(광 변조 진폭), TDECQ(전송기 및 분산 눈 폐쇄 XNUMX차) 및 XNUMX가지 온도 상태에서 기타 테스트를 테스트하여 광 경로 설계 효과를 평가합니다.

테스트 데이터에서 모듈이 세 번째 온도에서 안정적으로 작동하고 채널 차이가 작은 것으로 나타났습니다. 모든 모듈은 프로토콜 범위 내에 있으며 마진이 큽니다.

그림 11. 모듈 아이 테스트

테이블 3. 상온에서 광모듈의 성능 테스트 결과

테이블 4. 광모듈의 저온 성능 시험 결과

테이블 5. 고온에서 광모듈의 성능 테스트 결과

결론

본 논문에서는 400G QSFP-DD SR8 광 트랜시버의 COB 설계 솔루션을 제안한다. 광경로 설계 및 시뮬레이션을 통해 공차 폭과 8축 하의 결합 효율을 구하고 오차에 따라 결합 효율이 변한다. 장치 생산에 대한 지침을 제공하고 다양한 연삭 각도에서 장치의 성능과 오류를 테스트합니다. 마지막으로 적응을 위해 802.3° 각도를 결정하고 설계가 양호해야 함을 검증하기 위해 모듈 테스트 플랫폼을 구축했습니다. 테스트 성능은 IEEE XNUMXcm 프로토콜 표준을 충족하고 설계 지수의 요구 사항을 충족합니다. 이 디자인은 제품 성능을 향상시키고 광 반사를 어느 정도 줄입니다. 차세대 데이터 센터를 위한 최고의 선택입니다.