Как спроектирован и оптимизирован 400G QSFP-DD SR8?

Для дальнейшего повышения эффективности оптической связи и выходной оптической мощности оптического модуля компания FiberMall разработала и оптимизировала 400G QSFP-DD SR8. В нем используются пассивные компоненты с линзами в качестве важнейших элементов оптической связи для повышения эффективности связи. Высокочастотные цепи оптического модуля анализируются и оптимизируются с использованием модели спецификации входной/выходной буферной информации (IBIS). Наконец, на оптическом модуле выполняются оптическое проектирование, моделирование линии связи и тестирование. Результаты испытаний показывают, что разработанный модуль оптического приемопередатчика имеет относительно четкую глазковую диаграмму с джиттером около 2.3 пс и хорошую согласованность по каналам, без битовых ошибок в пределах 202 с. После передачи сигнала на расстояние 100 м не произошло потери пакетов, а производительность системы осталась стабильной.

Общий дизайн оптического модуля

Среди продуктов оптической передачи данных ближнего радиуса действия 400G спрос на оптический модуль 400G QSFP-DD SR8 является самым высоким. Каждый оптический модуль включает 16 каналов передачи (8 передатчиков и 8 приемников) со скоростью передачи 50 Гбит/с на канал. Схема модуляции сигнала представляет собой 4-уровневую импульсно-амплитудную модуляцию (PAM4), одновременно обеспечивающую скорость 400 Гбит/с для передачи по восходящей и нисходящей линии связи. Схема в основном включает в себя микросхему цифрового сигнального процессора (DSP), микросхему трансимпедансного усилителя (TIA) и микросхему драйвера. Напротив, оптический путь и пассивные оптические компоненты включают в себя чип лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), чип фотодиода (PD) и оптические линзы.

На стороне передатчика электрический сигнал поступает в микросхему PAM4 DSP через интерфейс электрического разъема для формирования сигнала. Обработанный высокочастотный сигнал затем разделяется на две группы 4-канальных сигналов и поступает в микросхему драйвера. Микросхема драйвера усиливает сигнал и управляет микросхемой VCSEL для выполнения электрического преобразования в оптическое. На стороне приемника оптический сигнал поступает в чип PD через оптический интерфейс MPO16, и чип PD генерирует фототок. Затем фототок усиливается и формируется по амплитуде с помощью чипа TIA перед входом в чип DSP. Высокочастотный сигнал преобразуется и выводится на чип DSP, завершая опто-электрическое преобразование.

При производстве Модуль 400G QSFP-DD SR8Высокоточные устройства для монтажа микросхем используются для размещения микросхем драйвера, TIA, VCSEL и PD на печатной плате (PCB). Затем для соединения различных чипов используется высокоточный соединитель проводов, обеспечивающий непрерывность сигналов схемы. В процессе соединения проводов высота петли провода уменьшается, что значительно сокращает длину соединяемых проводов и сводит к минимуму влияние высокоскоростных отражений сигнала. На стороне передатчика верхние поверхности чипа драйвера и чипа VCSEL расположены в одной горизонтальной плоскости. На стороне приемника верхние поверхности чипа TIA и чипа PD расположены в одной горизонтальной плоскости, что эффективно сокращает длину соединительных проводов. Позолоченная поверхность, на которой расположены электрические чипы, имеет несколько сквозных отверстий, которые напрямую передают тепло к отверстиям на задней стороне печатной платы. В то же время задняя сторона и контакт с металлическим корпусом заполнены материалом с высокой теплопроводностью, обеспечивая идеальный канал отвода тепла. Кроме того, зазоры между электрическими чипами и металлическим корпусом заполнены материалами с высокой теплопроводностью, что обеспечивает превосходные характеристики терморегулирования. После завершения проволочного соединения микросхем оптического пути и электрических микросхем пассивные компоненты с добавленными линзами используются для интегрированной упаковки оптической связи как на стороне передатчика, так и на стороне приемника, завершая герметизацию оптического механизма. По сравнению с пассивными компонентами без линз эффективность связи может быть повышена на 10–15 % при использовании этих пассивных компонентов с дополнительными линзами.

Высокочастотная электрическая и оптическая схема 400G QSFP-DD SR8

Конструкция печатной платы 400G QSFP-DD SR8

Печатная плата всего модуля имеет 10-слойную структуру: 4 слоя для высокочастотных дифференциальных линий и 6 слоев для опорного уровня и слоев постоянного тока. FiberMall использует программное обеспечение для расчета импеданса (Polar SI9000) и программное обеспечение для трехмерного моделирования сигналов HFSS для выполнения расчетов импеданса и моделирования высокочастотных дифференциальных линий (для внешней дифференциальной структуры ширина дифференциальной линии импеданса 3 Ом составляет 100 мил, а расстояние между линиями составляет 4 мил). . В процессе производства печатной платы материал платы для слоев высокочастотных дифференциальных сигналов должен представлять собой высокоскоростной специализированный материал с низкой диэлектрической проницаемостью, обычно используются Rogers или Panasonic M8. Кроме того, чтобы обеспечить физическую симметрию различных слоев и предотвратить деформацию печатной платы из-за неравномерного нагрева, материалы платы необходимо обрабатывать симметрично. В конструкции оптического модуля FiberMall для опорного слоя и слоя маршрутизации постоянного тока используется обычный материал FR6.

Контакты Goldfinger и конденсаторы связи не могут обеспечить полную непрерывность высокочастотных сигналов. Таким образом, FiberMall оптимизировала высокочастотные характеристики высокоскоростных цепей от пальцевых контактов модуля до чипа DSP и от чипа DSP до чипа драйвера. Положения контактов пальцев разработаны в соответствии со стандартом QSFP-DD Multi-Source Convention (MSA), а процессы покрытия золотом и никель-палладием-золотом используются для усиления контактов пальцев, повышения их износостойкости и проводимости и тем самым снижения сигнала. утечка. Кроме того, за счет увеличения расстояния между электрическими опорными плоскостями, окружающими схему, и сигнальными переходами, индуктивность схемы улучшается, уменьшая отражения сигнала. Метод локальной подстройки программного обеспечения для моделирования используется для подстройки и выполнения высокочастотного моделирования на 16 парах высокочастотных линий от пальцевых контактов до микросхемы DSP. В сочетании с программным обеспечением для расчета импеданса вносятся корректировки толщины линии, ширины линии и расстояния между линиями для каждой группы высокочастотных линий. При обращении к конденсаторам связи расстояние в первую очередь корректируется на основе результатов моделирования, а отверстия в опорном слое земли сверлятся в четырех углах всей модели, чтобы сформировать обратный путь для сигналов помех, обеспечивая защиту от помех.

Результаты высокочастотной оптимизации показывают, что все 32 группы высокоскоростных дифференциальных линий, как передающих, так и принимающих, могут достичь полосы пропускания на 3 дБ более 35 ГГц (фактическая используемая полоса пропускания не превышает 20 ГГц). Значения импеданса всех высокочастотных линий контролируются на уровне 100 Ом (с точностью до 1 Ом), а значения обратных потерь всех высокочастотных линий составляют менее -15 дБ. Кроме того, чип VCSEL соединен с чипом драйвера посредством дифференциальных соединительных проводов с использованием обычных золотых проводов диаметром 25 мкм. Самый длинный соединительный провод укорочен с 500 мкм до 280 мкм, что снижает вносимые потери на 0.3 дБ.

Оптимизация высокочастотных дифференциальных линий на стороне приемника примерно аналогична оптимизации на стороне передатчика, при этом используется метод подстройки для обрезки, коррекции, моделирования, оптимизации, а затем повторной коррекции каждой пары дифференциальных линий до тех пор, пока не будет достигнута желаемая разница. линии получаются. После оптимизации импеданс всех дифференциальных линий точно контролируется на уровне 100 Ом (точность ±1 Ом), полоса пропускания 3 дБ соответствует требованиям 35 ГГц, а обратные потери составляют менее -8 дБ.

Оптическая конструкция 400G QSFP-DD SR8

Используя оборудование для размещения, чип драйвера и чип TIA монтируются в соответствии с разработанной маркировкой монтажного положения, гарантируя, что погрешность монтажного положения двух чипов составляет менее 3 мкм, тем самым обеспечивая точность и стабильность оптической связи продукта. После установки микросхемы драйвера и микросхемы TIA устанавливаются микросхема VCSEL и микросхема PD, соответствующие рабочим областям микросхемы драйвера и микросхемы TIA соответственно, и выравниваются в соответствии с положениями контактов GSG с ошибкой монтажа менее 3 мкм. После завершения монтажа параметры машины для соединения проводов устанавливаются в соответствии с длиной провода и углом, полученными в результате моделирования, и соединение проводов выполняется для всех контактов, тем самым завершая работу по соединению проводов между микросхемами и печатной платой.

После завершения соединения проводов FiberMall использует высокоточную соединительную машину для активного соединения модуля. Работа по соединению выполняется в два этапа: первый этап заключается в соединении одного набора установленных на матрице микросхем драйвера и TIA (с использованием измерителя оптической мощности для определения передаваемой оптической мощности четырех каналов передачи и использования программного обеспечения для обнаружения отклика приема 4 канала приема). Когда показатели обнаружения передачи и приема одновременно достигают максимального значения, объектив фиксируется клеем. Следующий шаг — таким же образом соединить и закрепить другой набор чипов. Физический модуль 4G QSFP-DD SR400 производства FiberMall показан на рисунке.

Моделирование оптического модуля

Структура моделирования связи оптического модуля

На следующем рисунке показана принципиальная схема структуры моделирования канала оптического модуля. На передающей стороне VCSEL излучает луч света под управлением чипа драйвера, а высокоскоростной радиочастотный сигнал, выдаваемый чипом драйвера, модулирует оптический сигнал и выводит его. Измеритель оптической мощности, оптический осциллограф и анализатор оптического спектра могут получать важные параметры, такие как средняя оптическая мощность (Pawg), коэффициент затухания (ER) и длина волны оптического сигнала. При выполнении модульного самозакольцовывания или перекрестного тестирования оптическое волокно принимает оптический сигнал на принимающем конце. После серии обработки сигнала такими чипами, как PD, TIA и DSP, сигнал передается на электрический осциллограф, где можно наблюдать глазковую диаграмму преобразованного электрического сигнала и анализировать качество сигнала. Вводя этот электрический сигнал в порт RX тестера частоты ошибок по битам, тестер частоты ошибок по битам может считывать частоту ошибок по битам в реальном времени, чтобы определить, соответствует ли качество передачи модуля требованиям международных стандартов.

Тестирование оптического модуля 400G QSFP-DD SR8

Компания FiberMall провела тестирование глазковой диаграммы и измерение частоты ошибок по битам на модуле оптического приемопередатчика 400G. Глазковая диаграмма и график частоты ошибок по битам показаны на рисунках 8 и 9 соответственно. Результаты испытаний показывают, что глазковая диаграмма модуля относительно четкая, с джиттером глазковой диаграммы около 2.3 пс, а каналы имеют хорошую согласованность, без битовых ошибок в пределах 202 с. Кроме того, компания FiberMall протестировала производительность системы передачи модуля оптического приемопередатчика 400G на расстоянии передачи 100 м. Выяснилось, что глазковые диаграммы каналов мало чем отличались от результатов испытаний при прямом подключении. Хотя средний джиттер немного увеличился, согласованность глазковой диаграммы канала осталась хорошей, и потери пакетов не произошло при скорости передачи 50 Гбит/с, что указывает на относительно стабильную производительность системы. Общая потребляемая мощность всего оптического модуля составляет 9.8 Вт при низком энергопотреблении.

Заключение

Компания FiberMall систематически разработала структуру и высокочастотные схемы для 400G QSFP-DD SR8 и оптимизировала их с помощью профессионального программного обеспечения. Результаты испытаний показывают, что по сравнению с пассивными устройствами без линз использование пассивных устройств с дополнительными линзами может повысить эффективность связи на 10–15%. После оптимизации высокочастотных линий все значения обратных потерь составляют менее -15 дБ, а вносимые потери уменьшились на 0.3 дБ. Глазковая диаграмма модуля оптического приемопередатчика четкая, с джиттером около 2.3 пс, каналы имеют хорошую согласованность, без битовых ошибок в пределах 202 с. После передачи сигнала на расстояние 100 м коэффициент ошибок по битам составляет менее 1E-12, а общая потребляемая мощность модуля составляет 9.8 Вт, что соответствует требованиям международных стандартов.