Como o 400G QSFP-DD SR8 é projetado e otimizado?

Para melhorar ainda mais a eficiência do acoplamento óptico e a potência óptica de saída do módulo óptico, a FiberMall projetou e otimizou o 400G QSFP-DD SR8. Ele utiliza componentes passivos com lentes como elementos cruciais para o acoplamento óptico para aumentar a eficiência do acoplamento. Os circuitos de alta frequência do módulo óptico são analisados ​​e otimizados usando o modelo Input/Output Buffer Information Specification (IBIS). Finalmente, o projeto óptico, a simulação do link e os testes são realizados no módulo óptico. Os resultados do teste indicam que o módulo transceptor óptico projetado possui um diagrama visual relativamente claro, com jitter de cerca de 2.3ps e boa consistência entre canais, sem erros de bit em 202s. Nenhuma perda de pacotes ocorreu após a transmissão do sinal de 100m e o desempenho do sistema permaneceu estável.

Projeto Geral do Módulo Óptico

Em produtos de transmissão óptica de curto alcance 400G, a demanda pelo módulo óptico 400G QSFP-DD SR8 é a mais alta. Cada módulo óptico inclui 16 canais de transmissão (8 transmissores e 8 receptores), com taxa de transmissão de 50Gb/s por canal. O esquema de modulação de sinal é uma modulação de amplitude de pulso de 4 níveis (PAM4), satisfazendo simultaneamente a taxa de 400 Gb/s para transmissões de uplink e downlink. O circuito inclui principalmente um chip de processador de sinal digital (DSP), um chip de amplificador de transimpedância (TIA) e um chip de driver. Em contraste, o caminho óptico e os componentes ópticos passivos incluem um chip de laser emissor de superfície de cavidade vertical (VCSEL), um chip de fotodiodo (PD) e lentes ópticas.

No lado do transmissor, o sinal elétrico entra no chip PAM4 DSP através da interface do conector elétrico para condicionamento de sinal. O sinal de alta frequência processado é então dividido em dois grupos de sinais de 4 canais e entra no chip driver. O chip driver amplifica o sinal e aciona o chip VCSEL para realizar a conversão elétrica em óptica. No lado do receptor, o sinal óptico entra no chip PD através da interface óptica MPO16, e o chip PD gera uma fotocorrente. A fotocorrente é então amplificada e modelada em amplitude pelo chip TIA antes de entrar no chip DSP. O sinal de alta frequência é condicionado e emitido no chip DSP, completando a conversão óptica para elétrica.

Na fabricação do Módulo 400G QSFP-DD SR8, montadores de chips de alta precisão são usados ​​para colocar os chips driver, TIA, VCSEL e PD na placa de circuito impresso (PCB). Em seguida, um dispositivo de ligação de fios de alta precisão é empregado para conectar os vários chips, permitindo a continuidade dos sinais do circuito. Durante o processo de ligação dos fios, a altura do laço do fio é reduzida, encurtando significativamente o comprimento dos fios de ligação e minimizando o impacto das reflexões do sinal de alta velocidade. No lado do transmissor, as superfícies superiores do chip driver e do chip VCSEL são colocadas no mesmo plano horizontal. No lado do receptor, as superfícies superiores do chip TIA e do chip PD são colocadas no mesmo plano horizontal, encurtando efetivamente o comprimento dos fios de ligação. A superfície banhada a ouro onde os chips elétricos estão localizados possui vários orifícios que transferem calor diretamente para as aberturas traseiras da placa de circuito impresso. Simultaneamente, um material de alta condutividade térmica é preenchido na parte traseira e em contato com a carcaça metálica, proporcionando um canal ideal de dissipação de calor. Além disso, materiais de alta condutividade térmica preenchem as lacunas entre os chips elétricos e a carcaça metálica, garantindo excelente desempenho de gerenciamento térmico. Depois de completar a ligação dos fios dos chips do caminho óptico e dos chips elétricos, componentes passivos com lentes adicionadas são usados ​​para empacotamento de acoplamento óptico integrado nos lados do transmissor e do receptor, completando a vedação hermética do motor óptico. Em comparação com componentes passivos sem lentes, a eficiência do acoplamento pode ser melhorada em 10% a 15% ao usar esses componentes passivos com lentes adicionais.

Projeto elétrico e óptico de alta frequência do 400G QSFP-DD SR8

Projeto de PCB do 400G QSFP-DD SR8

O PCB de todo o módulo adota uma estrutura de 10 camadas, com 4 camadas para linhas diferenciais de alta frequência e 6 camadas para referência e camadas DC. FiberMall utiliza software de cálculo de impedância (Polar SI9000) e software de simulação de sinal 3D HFSS para realizar cálculos de impedância e simulações para linhas diferenciais de alta frequência (para a estrutura diferencial externa, a largura da linha diferencial de impedância de 100Ω é 4mil e o espaçamento é 8mil) . Durante o processo de fabricação da PCB, o material da placa para as camadas de sinal diferencial de alta frequência deve ser um material especializado de baixa constante dielétrica e alta velocidade, sendo Rogers ou Panasonic M6 comumente usados. Além disso, para garantir a simetria física das várias camadas e evitar a deformação do PCB devido ao aquecimento desigual, os materiais da placa precisam ser tratados simetricamente. O design do módulo óptico do FiberMall emprega material FR4 comum para as camadas de referência e roteamento DC.

Os contatos Goldfinger e os capacitores de acoplamento não conseguem obter continuidade completa para sinais de alta frequência. Portanto, o FiberMall otimizou o desempenho de alta frequência dos circuitos de alta velocidade dos contatos digitais do módulo para o chip DSP e do chip DSP para o chip do driver. As posições de contato dos dedos são projetadas de acordo com o padrão QSFP-DD Multi-Source Agreement (MSA), e processos de revestimento de ouro e níquel-paládio-ouro são empregados para reforçar os contatos dos dedos, aumentando sua resistência ao desgaste e condutividade e, assim, reduzindo o sinal vazamento. Além disso, ao aumentar a distância entre os planos de referência elétrica que circundam o circuito e as vias de sinal, a indutância do circuito é melhorada, reduzindo as reflexões do sinal. O método de corte local do software de simulação é usado para cortar e realizar simulações de alta frequência nos 16 pares de linhas de alta frequência, desde os contatos digitais até o chip DSP. Em combinação com o software de cálculo de impedância, são feitos ajustes na espessura da linha, na largura da linha e no espaçamento entre linhas para cada grupo de linhas de alta frequência. Ao abordar os capacitores de acoplamento, a distância é ajustada principalmente com base nos resultados da simulação, e furos de referência na camada de solo são perfurados nos quatro cantos de todo o modelo para formar um caminho de retorno para sinais de interferência, alcançando capacidades anti-interferência.

Os resultados da otimização de alta frequência mostram que todos os 32 grupos de linhas diferenciais de alta velocidade, tanto de transmissão quanto de recepção, podem atingir uma largura de banda de 3dB superior a 35GHz (a largura de banda real usada não excede 20GHz). Os valores de impedância de todas as linhas de alta frequência são controlados em 100Ω (com precisão de 1Ω) e os valores de perda de retorno de todas as linhas de alta frequência são inferiores a -15dB. Além disso, o chip VCSEL é conectado ao chip driver através de fios de ligação diferencial, usando fios de ouro convencionais de 25 μm de diâmetro. O fio de ligação mais longo é encurtado de 500μm para 280μm, reduzindo a perda de inserção em 0.3dB.

A otimização das linhas diferenciais de alta frequência no lado do receptor é aproximadamente semelhante à do lado do transmissor, empregando o método de corte para cortar, corrigir, simular, otimizar e, em seguida, corrigir novamente cada par de linhas diferenciais até o diferencial desejado linhas são obtidas. Após a otimização, a impedância de todas as linhas diferenciais é controlada com precisão em 100Ω (precisão ±1Ω), a largura de banda de 3dB atende ao requisito de 35GHz e a perda de retorno é inferior a -8dB.

Projeto óptico de 400G QSFP-DD SR8

Usando equipamento de posicionamento, o chip Driver e o chip TIA são montados em matriz de acordo com as marcações de posição de montagem projetadas, garantindo que o erro de posição de montagem dos dois chips seja inferior a 3 μm, garantindo assim a precisão e estabilidade do acoplamento óptico do produto. Após a montagem do chip Driver e do chip TIA, o chip VCSEL e o chip PD são montados, correspondendo às áreas de trabalho do chip Driver e do chip TIA, respectivamente, e alinhados de acordo com as posições dos pinos do GSG, com um erro de montagem de menos de 3μm. Após a conclusão da montagem, os parâmetros da máquina de ligação de fios são definidos de acordo com o comprimento e ângulo do fio obtidos na simulação, e a ligação de fios é realizada para todos os pinos, completando assim o trabalho de ligação de fios entre os chips e a PCB.

Após a conclusão da ligação dos fios, o FiberMall usa uma máquina de acoplamento de alta precisão para realizar o acoplamento ativo no módulo. O trabalho de acoplamento é realizado em duas etapas: uma etapa é acoplar um conjunto de drivers montados em array e chips TIA (usando um medidor de potência óptica para detectar a potência óptica transmitida de 4 canais TX e usando software para detectar a resposta de recepção de 4 canais RX). Quando os indicadores de detecção de transmissão e recepção atingem o valor máximo simultaneamente, a Lente é fixada com cola. A outra etapa é acoplar e fixar o outro conjunto de chips da mesma forma. O módulo físico 400G QSFP-DD SR8 fabricado pela FiberMall é mostrado na figura.

Simulação de módulo óptico

Estrutura de simulação de link de módulo óptico

A figura a seguir mostra o diagrama esquemático da estrutura de simulação do link do módulo óptico. Na extremidade de transmissão, o VCSEL emite um feixe de luz sob o acionamento do chip Driver, e a saída do sinal RF de alta velocidade pelo chip Driver modula o sinal óptico e o emite. Um medidor de potência óptica, um osciloscópio óptico e um analisador de espectro óptico podem obter parâmetros importantes como potência óptica média (Pawg), taxa de extinção (ER) e comprimento de onda do sinal óptico. Ao realizar o auto-loopback ou teste cruzado do módulo, a fibra óptica recebe o sinal óptico na extremidade receptora. Após uma série de processamento de sinal por chips como PD, TIA e DSP, o sinal é transmitido para um osciloscópio elétrico, onde o diagrama ocular do sinal elétrico convertido pode ser observado e a qualidade do sinal analisada. Ao inserir este sinal elétrico na porta RX de um testador de taxa de erro de bit, o testador de taxa de erro de bit pode ler a taxa de erro de bit em tempo real para determinar se a qualidade de transmissão do módulo atende aos requisitos do padrão internacional.

Teste de módulo óptico 400G QSFP-DD SR8

FiberMall realizou testes de diagrama ocular e medição de taxa de erro de bit no módulo transceptor óptico 400G. O diagrama ocular e o gráfico da taxa de erro de bits são mostrados nas Figuras 8 e 9, respectivamente. Os resultados do teste mostram que o diagrama ocular do módulo é relativamente claro, com um jitter do diagrama ocular de cerca de 2.3ps, e os canais têm boa consistência, sem erros de bit em 202s. Além disso, a FiberMall testou o desempenho de transmissão do sistema do módulo transceptor óptico 400G em uma distância de transmissão de 100 m. Verificou-se que os diagramas oculares dos canais não diferiram muito dos resultados do teste de conexão direta. Embora o jitter médio tenha aumentado ligeiramente, a consistência do diagrama de olho de canal permaneceu boa e nenhuma perda de pacotes ocorreu a uma taxa de transmissão de 50 Gb/s, indicando um desempenho do sistema relativamente estável. O consumo total de energia de todo o módulo óptico é de 9.8W, com baixo consumo de energia.

Conclusão

FiberMall projetou sistematicamente a estrutura e os circuitos de alta frequência para o 400G QSFP-DD SR8 e os otimizou usando software profissional. Os resultados dos testes mostram que, em comparação com dispositivos passivos sem lentes, o uso de dispositivos passivos com lentes adicionadas pode aumentar a eficiência do acoplamento em 10% a 15%. Após a otimização das linhas de alta frequência, os valores de perda de retorno são todos inferiores a -15dB e a perda de inserção diminuiu 0.3dB. O diagrama ocular do módulo transceptor óptico é claro, com jitter de aproximadamente 2.3ps, e os canais têm boa consistência, sem erros de bits em 202s. Após 100 m de transmissão de sinal, a taxa de erro de bit é inferior a 1E-12 e o consumo total de energia do módulo é de 9.8 W, atendendo aos requisitos dos padrões internacionais.