No módulo transceptor óptico 400G QSFP-DD SR8

Com a comercialização de novas tecnologias de IoT, como computação em nuvem e big data, e a implementação gradual da construção de Comunicações Móveis de 5ª Geração (5G), o tráfego transmitido em data centers está crescendo exponencialmente.

De acordo com a pesquisa da FiberMall, o número total de grandes centros de dados de hiperescala em todo o mundo cresceu para quase 600 até o final de 2020, o dobro do que era há cinco anos. Com o aumento do número de centros de dados, o mercado de modo óptico digital também inaugurou oportunidades de desenvolvimento. De acordo com estatísticas de instituições de pesquisa conhecidas, os módulos ópticos usados ​​em data centers atingiram 50 milhões em 2019, e o valor de mercado dos módulos ópticos em data centers deve ultrapassar 4.9 bilhões de dólares até o final de 2021. A taxa de o módulo óptico 100G original não pode atender aos requisitos dos cenários de aplicação atuais. Portanto, é imperativo melhorar a taxa do módulo óptico para atender aos requisitos de transmissão. O módulo óptico 400 Gbit/s Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density Short Range 8 (400G QSFP-DD SR8), que atende ao protocolo IEEE 802.3cm, se tornará o módulo óptico mainstream no data center com as vantagens de alta velocidade, baixo consumo de energia, baixo custo e tamanho pequeno.

A FiberMall propõe o projeto de caminho óptico de módulos ópticos 400G QSFP-DD SR8 com base na tecnologia Chip on Board COB (COB). Adotou lente integrada, projetou o caminho óptico e realizou otimização de simulação. De acordo com a reflexão de Fresnel, o ângulo de contato foi aumentado para reduzir a reflexão. Depois de selecionar o plano inclinado apropriado e determinar o esquema, a extremidade receptora e a extremidade original do módulo são testadas, respectivamente, para verificar a viabilidade do projeto do caminho óptico.

Figura 1. 400G QSFP-DD SR8

 Projeto e simulação de caminho óptico 400G QSFP-DD SR8

O laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) é escolhido como fonte de luz para transmissão de curta distância em data centers. Para atender aos padrões do protocolo de empacotamento do módulo, o caminho óptico precisa ser girado para que a luz vertical do VCSEL possa entrar na fibra em paralelo. O módulo é necessário para estabilizar a potência de saída, o que requer monitoramento em tempo real do estado de trabalho do VCSEL, adicionando um divisor para refletir parte da luz emitida do VCSEL para o Monitor Photo Diode (MPD) para detecção e controle da luz de fundo para estabilizar a potência de saída e obter a arquitetura geral do caminho de luz. O VCSEL é usado como fonte de luz no transmissor, e é necessário converter a luz vertical em luz paralela acoplada na fibra óptica para transmissão. Primeiro, a luz emitida pelo VCSEL é colimada e inserida na lente. Após a reflexão total através da superfície de 45°, o feixe emitido verticalmente incide horizontalmente na fibra óptica após o giro.

Como o VCSEL precisa ser monitorado, a espessura do divisor precisa ser considerada para afetar o caminho óptico, controlando o ângulo de inclinação do divisor para ajustar a posição do MPD e alterando a transmitância do filme refletivo no divisor para ajustar a faixa de potência óptica. A relação de distância inicial do objeto é obtida a partir do espaço mecânico, e a distância do objeto definida é de 0.34 mm e a distância de fase é de 0.45 mm. A Figura 2 mostra o diagrama esquemático do caminho óptico no transmissor.

Figura 2.o diagrama esquemático do caminho óptico no transmissor

A extremidade receptora é semelhante à extremidade transmissora, onde o PD recebe a luz incidente horizontal da fibra, primeiro passa pela colimação esférica da lente da extremidade da fibra, gira o feixe incidente através de uma superfície de reflexão total de 45° e depois passa pela lente para colimar o feixe e, finalmente, é recebido pelo PD.

Como a lente integrada é usada, o processo de design precisa garantir a mesma distância do objeto entre a extremidade receptora e a extremidade transmissora. A distância objetiva na extremidade receptora é de 0.23 mm e a distância da imagem na extremidade transmissora é de 0.45 mm. A Figura 3 mostra o caminho óptico na extremidade receptora.

Figura 3. O caminho óptico na extremidade receptora

400G QSFP-DD SR8 simulação e otimização de caminho óptico

Os principais parâmetros do receptor e do transmissor são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1. Principais parâmetros do sistema óptico

A relação da imagem do objeto e a estrutura do caminho óptico na Tabela 1 foram selecionadas para projetar e simular o caminho óptico do acoplamento da lente usando o software ZEMAX. A função de otimização foi usada para ajustar a forma da superfície das duas esferas para otimizar a eficiência do acoplamento e, em seguida, o ângulo de contato da fibra foi alterado e diferentes ângulos foram definidos para simulação. A Figura 4 mostra a simulação óptica da extremidade TX do sistema de acoplamento da lente.

Figura 4. Diagrama de simulação óptica

Pode-se descobrir a partir da simulação que o grau de convergência pontual antes e depois da otimização é muito diferente. Antes da otimização, alguma luz foi perdida e os pontos de luz recebidos no lado da fibra óptica são grandes. Muita luz é difícil de entrar na fibra óptica e a eficiência de acoplamento é muito baixa. O caminho óptico otimizado pode alcançar a convergência do caminho óptico e maior eficiência de acoplamento. O projeto e a simulação do caminho óptico estão concluídos e a aplicação prática deve ser considerada.

Na fabricação, devido ao desvio do processo, o erro do remendo VCSEL, o erro de produção do espaçamento da porta óptica da lente, o desvio causado pela liberação de tensão da cola na cura em alta temperatura, etc. é difícil que a eficiência real do acoplamento atinja a situação ideal, por isso é necessário realizar análises de tolerância para simular a situação real de produção. As tolerâncias nos eixos X, Y e Z após VCSEL offOs conjuntos são mostrados na figura 5. Como pode ser visto na figura, desde que a precisão das três direções seja controlada dentro da faixa de ±9μm, a eficiência do acoplamento é superior a 70%. No entanto, considerando que o desvio em mais de uma direção pode existir no processo real, o erro do patch é controlado em ±3μm, para que o sistema tenha uma margem alta para evitar a diminuição da eficiência do acoplamento. Ao acoplar a fibra na lente podemos vê-la como um todo. Na prática, a lente de acoplamento é seguida pela ligação de fibra curta. Pode haver um bom acoplamento, mas após o carregamento de fibras descontínuas, o desempenho do produto não está de acordo com o padrão. Isso geralmente ocorre devido à incompatibilidade entre o tamanho da fibra de acoplamento e a fibra principal ou o local da ligação não é o local do acoplamento ativo. Portanto, a tolerância da fibra óptica em movimento é simulada pela fibra óptica em movimento. A Figura 6 mostra a mudança da eficiência de acoplamento da fibra móvel. Pode ser visto na figura que existem tolerâncias de 30μm nas direções X, Y e Z. A posição da lente móvel reflete diretamente a faixa de tolerância do projeto do caminho óptico. A Figura 7 mostra a mudança na eficiência de acoplamento da lente móvel. Como pode ser visto na figura, é necessário selecionar um motor com boa consistência no acoplamento real do produto, caso contrário, um desvio muito grande levará facilmente a um desvio entre a posição real e o caminho óptico ideal. No processo de interconexão do módulo óptico, a lacuna inevitavelmente ocorrerá quando os dois núcleos entrarem em contato. Neste momento, o índice de refração mudará e a reflexão de Fresnel ocorrerá na junta. FIGO. 8 mostra a reflexão de Fresnel na junção da fibra óptica. Como pode ser visto na figura, durante a interligação dos módulos ópticos, ocorrerá uma reflexão de Fresnel quando a luz da fibra 1 entrar no entreferro. A reflexão de Fresnel é produzida quando ela entra na fibra 2 do entreferro. Portanto, sempre que houver um entreferro, haverá duas reflexões. Devido à distância próxima entre a extremidade de conexão e o VCSEL, o VCSEL reexcitará a luz refletida e gerará ruído, resultando em códigos de erro de rajada na extremidade receptora e afetando o desempenho do módulo.

Figura 5. Mudanças na eficiência do acoplamento VCSEL móvel

Figura 6. Alteração da eficiência de acoplamento da fibra móvel

Figura 7. Alteração da eficiência de acoplamento da lente móvel

Figura 8. Reflexão de Fresnel na junção da fibra. Nota: n0 é o índice de refração do ar; n1 é o índice de refração do núcleo da fibra.

Neste trabalho, o ângulo de inclinação é aumentado na superfície de contato de duas fibras ópticas para mudar a direção da luz refletida para que ela não atenda aos requisitos de reflexão total e saia do revestimento e não retorne ao Vcsel chip, de modo a reduzir a reflexão do módulo e melhorar o desempenho do módulo. Através da análise de simulação de diferentes ângulos de inclinação e dos resultados do teste do módulo, a seleção final da inclinação apropriada.

Figura 9. Aumente o ângulo do conector de fibra óptica

Os coeficientes de reflexão em diferentes ângulos de retificação podem ser obtidos de acordo com a teoria Gaussiana de acoplamento de feixe.

R0 é o coeficiente de reflexão de Fresnel quando plano; n é o índice de refração do revestimento; Assegure-se de que os dois anteriores sejam inclinações do ângulo final. No uso prático, também é necessário considerar a potência óptica e o tamanho do fluxo luminoso anular e selecionar o ângulo de inclinação apropriado.

Verificação Experimental

Um dispositivo QSFP-DD de 400 Gbit/s foi testado quanto ao fluxo de luz anular e capacidade de resposta do receptor para medir a alteração no desempenho do produto após a alteração do ângulo de inclinação. Alterar o ângulo de inclinação alterará a distância da imagem do caminho óptico. Devido às diferentes distâncias focais, o receptor e o receptor mudarão a mesma distância da imagem, e a mudança da distância do objeto é inconsistente, resultando na mudança do caminho óptico do produto. Em sistemas de comunicação óptica multimodo, o Encircled Flux (EF) de VCSEL foi usado para definir as características ópticas de emissão e transmissão de VCSEL. A responsividade é usada para medir o desempenho da conversão fotoelétrica do PD e o desempenho do caminho óptico na extremidade receptora. A eficiência de acoplamento da extremidade receptora pode ser calculada através dos testes de responsividade. Conforme mostrado na Tabela 2, a potência óptica de saída, fluxo de loop e resposta do receptor sob diferentes ângulos de inclinação são medidos.

Tabela 2. Teste do dispositivo em diferentes ângulos

A capacidade de serviço do módulo é medida testando o desempenho do autoloop do módulo em altas temperaturas. A luz refletida causará um erro de explosão do módulo. O tipo de código do detector de erro de bit foi ajustado para PRBS31Q, e o recebimento e envio do módulo foram conectados através da fibra self-loop, de forma a testar o erro de bit causado pela mudança de temperatura. Pode-se ver na Tabela 2 que, exceto pela resposta em 15° e a deterioração do fluxo circundado ao intervalo, o restante está dentro do intervalo (quando R = 4.5μm, EF < 30%; Quando R = 19μm, EF≥86%), a diminuição do fluxo circundado em 4.5μm pode efetivamente reduzir a reflexão. FIGO. 10 mostra as mudanças da taxa de erro de bit em tempo real e taxa de erro de bit total do módulo de teste com temperatura. Diferentes cores representam diferentes canais, respectivamente. Como pode ser visto na figura 10 (a) e 10 (b), o erro de rajada ainda ocorrerá quando a conexão de fibra plana e a conexão de 5° forem selecionadas. Conforme mostrado na figura 10 (d), o desempenho de recepção diminui quando a conexão de 12° é selecionada.

(a) Teste de fibrainga 0 °

(B) teste de fibraingat 5°

(C) teste de fibraingat 8°

(D) teste de fibraingat 12°

Figura 10. Teste de transferência de fibra de alta temperatura em diferentes ângulos de inclinação

No teste do Módulo 400G QSFP-DD, o transmissor gera uma fonte de sinal de 31 ordens a partir do analisador de código de erro e se conecta ao módulo óptico a ser medido através de 8 pares de linhas de RF diferenciais. O teste ocular do módulo é mostrado na Figura 11, e a sensibilidade do módulo receptor é testada principalmente. Ao alterar a temperatura ambiente para testar a condição de funcionamento dos terminais de recepção e envio do módulo em três temperaturas, os resultados são mostrados na Tabela 2-5.

Teste o diagrama de olho do módulo e a sensibilidade, taxa de extinção, amplitude de modulação óptica (OMA), quaternário de fechamento de olho de dispersão e transmissor (TDECQ) e outros testes sob o estado de três temperaturas para avaliar o efeito do design do caminho óptico.

A partir dos dados de teste, descobriu-se que o módulo funciona de forma estável na terceira temperatura e a diferença de canal é pequena. Todos os módulos estão dentro do escopo do protocolo e possuem uma grande margem.

Figura 11. O teste do olho do módulo

Tabela 3. Resultados do teste de desempenho do módulo óptico em temperatura ambiente

Tabela 4. Resultados do teste de desempenho do módulo óptico em baixa temperatura

Tabela 5. Resultados do teste de desempenho do módulo óptico em alta temperatura

Conclusão

A solução de design COB de transceptores ópticos 400G QSFP-DD SR8 é proposta neste artigo. Através do projeto e simulação do caminho óptico, a largura de tolerância e a eficiência do acoplamento sob três eixos são obtidas, e a eficiência do acoplamento muda sob diferentes erros. Ele fornece orientação para a produção do dispositivo e testa o desempenho e o erro do dispositivo sob diferentes ângulos de retificação. Por fim, foi determinado o Ângulo de 8° para adaptação, e a plataforma de teste do módulo foi construída para verificar se o projeto deveria ser bom. O desempenho do teste atende ao padrão de protocolo IEEE 802.3cm e atende aos requisitos do índice de design. Esse design melhora o desempenho do produto e reduz a reflexão óptica até certo ponto. É a melhor escolha para o centro de dados da próxima geração.