На модуле оптического приемопередатчика 400G QSFP-DD SR8

С коммерциализацией новых технологий IoT, таких как облачные вычисления и большие данные, а также с постепенным внедрением конструкции мобильной связи 5-го поколения (5G) трафик, передаваемый в центрах обработки данных, растет в геометрической прогрессии.

Согласно исследованию FiberMall, к концу 600 года общее количество крупных гипермасштабируемых центров обработки данных по всему миру выросло почти до 2020, что вдвое больше, чем пять лет назад. С увеличением числа центров обработки данных рынок цифровых оптических мод также открыл возможности для развития. Согласно статистике известных исследовательских институтов, оптические модули, используемые в центрах обработки данных, достигли 50 миллионов в 2019 году, а рыночная стоимость оптических модулей в центрах обработки данных, как ожидается, к концу 4.9 года превысит 2021 миллиарда долларов. оригинальный оптический модуль 100G не может соответствовать требованиям текущих сценариев применения. Следовательно, необходимо улучшить скорость оптического модуля для удовлетворения требований передачи. Оптический модуль Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density Short Range 400 со скоростью 8 Гбит/с (400G QSFP-DD SR8), соответствующий протоколу IEEE 802.3cm, станет основным оптическим модулем в центре обработки данных с преимуществами высокой скорости, низкое энергопотребление, низкая стоимость и небольшие размеры.

FiberMall предлагает конструкцию оптического пути для оптических модулей 400G QSFP-DD SR8, основанную на технологии Chip on Board COB (COB). Он использует интегрированную линзу, спроектировал оптический путь и выполнил оптимизацию моделирования. В соответствии с отражением Френеля угол контакта был увеличен, чтобы уменьшить отражение. После выбора подходящей наклонной плоскости и определения схемы приемный конец и исходный конец модуля тестируются соответственно, чтобы проверить осуществимость конструкции оптического пути.

Рисунок 1. 400G QSFP-DD SR8

 Проектирование и моделирование оптического пути 400G QSFP-DD SR8

Лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором (VCSEL) выбран в качестве источника света для передачи на короткие расстояния в центрах обработки данных. Чтобы соответствовать стандартам протокола упаковки модулей, оптический путь необходимо повернуть так, чтобы вертикальный свет от VCSEL мог проходить по волокну параллельно. Модуль необходим для стабилизации выходной мощности, что требует мониторинга рабочего состояния VCSEL в режиме реального времени, добавления сплиттера для отражения части света, излучаемого VCSEL, на фотодиод монитора (MPD) для обнаружения и управления подсветкой. для стабилизации выходной мощности и получения общей архитектуры светового пути. VCSEL используется в качестве источника света в передатчике, и необходимо преобразовать вертикальный свет в параллельный свет, вводимый в оптическое волокно для передачи. Сначала свет, излучаемый VCSEL, коллимируется и попадает в объектив. После полного отражения через поверхность под углом 45° вертикально излучаемый пучок падает горизонтально в оптическое волокно после поворота.

Поскольку VCSEL необходимо контролировать, необходимо учитывать толщину сплиттера, чтобы повлиять на оптический путь, контролируя угол наклона сплиттера для регулировки положения MPD и изменяя коэффициент пропускания отражающей пленки на сплиттере для регулировки. диапазон оптической мощности. Начальное отношение расстояния до объекта получается из механического пространства, заданное расстояние до объекта составляет 0.34 мм, а фазовое расстояние составляет 0.45 мм. На рис. 2 показана принципиальная схема оптического пути в передатчике.

Рисунок 2. ТПринципиальная схема оптического пути в передатчике

Приемный конец аналогичен передающему концу, где ФД принимает горизонтальный падающий свет от волокна, сначала проходит через сферическую коллимацию концевой линзы волокна, поворачивает падающий пучок через поверхность полного отражения под углом 45°, затем проходит через линза для коллимации луча и, наконец, принимается ФД.

Поскольку используется встроенная линза, процесс проектирования должен обеспечивать одинаковое расстояние между объектами между приемным и передающим концами. Расстояние до объектива на приемном конце составляет 0.23 мм, а расстояние до изображения на передающем конце — 0.45 мм. На рис. 3 показан оптический путь на приемном конце.

Рисунок 3. Оптический путь на приемном конце

400G QSFP-DD SR8 моделирование и оптимизация оптического пути

Основные параметры приемника и передатчика приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры оптической системы

Отношение изображения объекта и структура оптического пути в таблице 1 были выбраны для проектирования и моделирования оптического пути, связанного с линзой, с использованием программного обеспечения ZEMAX. Функция оптимизации использовалась для настройки формы поверхности двух сфер для оптимизации эффективности связи, а затем был изменен контактный угол волокна и установлены различные углы для моделирования. На рис. 4 показано оптическое моделирование передающего конца системы соединения линз.

Рисунок 4. Схема оптического моделирования

Из моделирования видно, что степень сходимости точек до и после оптимизации сильно различается. До оптимизации часть света терялась, а световые пятна, полученные на стороне оптического волокна, были большими. Свету трудно проникнуть в оптическое волокно, а эффективность связи очень низкая. Оптимизированный оптический путь может обеспечить конвергенцию оптического пути и более высокую эффективность связи. Проектирование и моделирование оптического пути завершены, и следует рассмотреть вопрос о его практическом применении.

В производстве из-за отклонения процесса, ошибки патча VCSEL, ошибки производства расстояния между оптическими портами линз, отклонения, вызванного снятием напряжения клея при высокотемпературном отверждении и т. д. Эти факторы затрудняют достижение идеальной ситуации фактической эффективности соединения, поэтому необходимо провести анализ допусков для моделирования фактической производственной ситуации. Допуски по осям X, Y и Z после смещения VCSEL показаны на рисунке 5. Как видно из рисунка, пока точность трех направлений контролируется в диапазоне ±9 мкм, эффективность соединения превышает 70%. Однако, учитывая, что в реальном процессе может существовать отклонение более чем в одном направлении, ошибка патча контролируется в пределах ±3 мкм, так что система имеет высокий запас для предотвращения снижения эффективности соединения. При соединении волокна с линзой мы можем видеть ее как единое целое. На практике за линзой соединения следует короткое соединение волокон. Может быть хорошее сцепление, но после загрузки штапельного волокна производительность продукта не соответствует стандарту. Обычно это происходит из-за несоответствия между размером соединительного волокна и штапельного волокна или расположение связи не является расположением активной связи. Поэтому допуск движущегося оптического волокна имитируется движущимся оптически волокном. На рисунке 6 показано изменение эффективности сцепления подвижного волокна. Из рисунка видно, что в направлениях X, Y и Z имеются допуски в 30 мкм. Положение движущейся линзы напрямую отражает диапазон допусков конструкции оптического пути. На рисунке 7 показано изменение эффективности сцепления движущейся линзы. Как видно из рисунка, необходимо выбрать двигатель с хорошей согласованностью в фактическом соединении продукта, в противном случае слишком большое отклонение легко приведет к отклонению между фактическим положением и идеальным оптическим путем. В процессе соединения оптических модулей неизбежно возникнет зазор, когда два сердечника соприкоснутся. В это время изменится показатель преломления, и на стыке возникнет френелевское отражение. РИС. 8 показано френелевское отражение на оптоволоконном стыке. Как видно из рисунка, во время соединения оптических модулей френелевское отражение возникает, когда свет из волокна 1 попадает в воздушный зазор. Френелевское отражение возникает, когда он попадает в волокно 2 из воздушного зазора. Таким образом, всякий раз, когда есть воздушный зазор, будет два отражения. Из-за близкого расстояния между соединительным концом и VCSEL, VCSEL будет повторно возбуждать отраженный свет и генерировать шум, что приведет к пакетным кодам ошибок на приемном конце и повлияет на производительность модуля.

Рис. 5. Изменения в эффективности связи мобильного VCSEL

Рисунок 6. Изменение эффективности связи мобильного волокна

Рис. 7. Изменение эффективности связи подвижной линзы

Рис. 8. Френелевское отражение на стыке волокон. Примечание: n0 — показатель преломления воздуха; n1 — показатель преломления сердцевины волокна.

В данной работе угол наклона увеличен на контактной поверхности двух оптических волокон для изменения направления отраженного света так, чтобы он не удовлетворял требованиям полного отражения и выходил за пределы оболочки, а не возвращался в ВЧС. чип, чтобы уменьшить отражение модуля и улучшить производительность модуля. Благодаря анализу моделирования различных углов наклона и результатов испытаний модуля окончательный выбор соответствующего наклона.

Рис. 9. Увеличьте угол оптоволоконного разъема.

Коэффициенты отражения при различных углах шлифования могут быть получены в соответствии с теорией связи гауссовых лучей.

R0 — коэффициент отражения Френеля на плоскости; n — показатель преломления оболочки; Убедитесь, что предыдущие два являются наклонами с конечным углом. При практическом использовании также необходимо учитывать оптическую силу и величину кольцевого светового потока и выбирать соответствующий Угол наклона.

Экспериментальная проверка

Устройство QSFP-DD 400 Гбит/с было протестировано на кольцевой световой поток и чувствительность приемника для измерения изменения производительности продукта после изменения угла наклона. Изменение угла наклона изменит расстояние изображения оптического пути. Из-за разных фокусных расстояний приемник и приемник будут изменять одинаковое расстояние изображения, а изменение расстояния до объекта непоследовательно, что приводит к изменению оптического пути продукта. В многомодовых оптических системах связи Encircled Flux (EF) VCSEL использовался для определения оптических характеристик излучения и передачи VCSEL. Чувствительность используется для измерения характеристик фотоэлектрического преобразования частичных разрядов и характеристик оптического пути на приемном конце. Эффективность связи принимающей стороны можно рассчитать с помощью тестов чувствительности. Как показано в Таблице 2, измеряются исходящая оптическая мощность, поток в контуре и чувствительность приемника при различных углах наклона.

Таблица 2. Тестирование устройства под разными углами

Работоспособность модуля измеряется путем тестирования характеристик модуля с собственной петлей при высоких температурах. Отраженный свет вызовет взрывную ошибку модуля. Тип кода детектора битовых ошибок был настроен на PRBS31Q, а прием и отправка модуля были подключены через волокно с замкнутым контуром, чтобы проверить битовую ошибку, вызванную изменением температуры. Из таблицы 2 видно, что, за исключением отклика при 15° и ухудшения обведенного потока до диапазона, остальные находятся в пределах диапазона (при R=4.5 мкм КВ < 30%; при R=19 мкм, EF≥86%), уменьшение потока в окружении на 4.5 мкм может эффективно уменьшить отражение. ИНЖИР. 10 показаны изменения частоты ошибок по битам в реальном времени и общей частоты ошибок по битам тестового модуля в зависимости от температуры. Различные цвета представляют разные каналы соответственно. Как видно из рисунков 10 (a) и 10 (b), пакетная ошибка все равно будет возникать, когда выбрано соединение плоского волокна и соединение 5°. Как показано на рис. 10 (d), характеристики приема снижаются при выборе соединения 12°.

(а) Тест волокнаИНГпри 0 °

(B) Волоконный тестИНГat 5°

(c) Волоконный тестИНГat 8°

(D) Волоконный тестИНГat 12°

Рис. 10. Испытание высокотемпературного переноса волокна при различных углах наклона

В тесте Модуль 400G КСФП-ДДПередатчик генерирует источник сигнала 31-го порядка от анализатора кодов ошибок и подключается к оптическому модулю, подлежащему измерению, через 8 пар дифференциальных радиочастотных линий. Проверка зрения модуля показана на рисунке 11, при этом в основном проверяется чувствительность приемного модуля. При изменении температуры окружающей среды для проверки рабочего состояния приемных и передающих клемм модуля при трех температурах результаты показаны в Таблице 2-5.

Проверьте глазковую диаграмму модуля и чувствительность, коэффициент экстинкции, амплитуду оптической модуляции (OMA), передатчик и дисперсионную четвертичную глазковую диаграмму (TDECQ) и другие тесты в трехтемпературном состоянии, чтобы оценить эффект конструкции оптического пути.

Из тестовых данных установлено, что модуль стабильно работает при третьей температуре, а разница каналов небольшая. Все модули находятся в рамках протокола и имеют большой запас.

Рисунок 11. Модуль проверки зрения

Таблица 3. Результаты тестов производительности оптического модуля при комнатной температуре

Таблица 4. Результаты тестов производительности оптического модуля при низкой температуре

Таблица 5. Результаты тестов производительности оптического модуля при высокой температуре

Заключение

В этой статье предлагается проектное решение COB для оптических приемопередатчиков 400G QSFP-DD SR8. Благодаря проектированию и моделированию оптического пути получаются ширина допуска и эффективность связи по трем осям, а эффективность связи изменяется при различных ошибках. Он дает руководство по изготовлению устройства и проверяет производительность и погрешность устройства при различных углах шлифования. Наконец, для адаптации был определен угол 8°, и была построена тестовая платформа модуля, чтобы убедиться, что конструкция должна быть хорошей. Производительность теста соответствует стандарту протокола IEEE 802.3cm и соответствует требованиям индекса дизайна. Такая конструкция улучшает характеристики продукта и в определенной степени уменьшает оптическое отражение. Это лучший выбор для центра обработки данных нового поколения.