Sur le module émetteur-récepteur optique 400G QSFP-DD SR8

Avec la commercialisation de nouvelles technologies IoT telles que le cloud computing et le big data et la mise en place progressive de la construction de la communication mobile de 5e génération (5G), le trafic transmis dans les centres de données connaît une croissance exponentielle.

Selon les recherches de FiberMall, le nombre total de grands centres de données à grande échelle dans le monde est passé à près de 600 à la fin de 2020, soit le double de ce qu'il était il y a cinq ans. Avec l'augmentation du nombre de centres de données, le marché du mode optique numérique a également inauguré des opportunités de développement. Selon les statistiques d'institutions de recherche bien connues, les modules optiques utilisés dans les centres de données ont atteint 50 millions en 2019, et la valeur marchande des modules optiques dans les centres de données devrait dépasser 4.9 milliards de dollars d'ici la fin de 2021. Le taux de le module optique 100G d'origine ne peut pas répondre aux exigences des scénarios d'application actuels. Par conséquent, il est impératif d'améliorer le débit du module optique pour répondre aux exigences de transmission. Le module optique 400 Gbit/s Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density Short Range 8 (400G QSFP-DD SR8), qui répond au protocole IEEE 802.3cm, deviendra le module optique principal dans le centre de données avec les avantages de la haute vitesse, faible consommation d'énergie, faible coût et petite taille.

FiberMall propose la conception du chemin optique des modules optiques 400G QSFP-DD SR8 basés sur la technologie Chip on Board COB (COB). Il a adopté une lentille intégrée, conçu le chemin optique et effectué une optimisation de la simulation. Selon la réflexion de Fresnel, l'angle de contact a été augmenté pour réduire la réflexion. Après avoir sélectionné le plan incliné approprié et déterminé le schéma, l'extrémité de réception et l'extrémité d'origine du module sont testées respectivement pour vérifier la faisabilité de la conception du chemin optique.

Figure 1. QSFP-DD SR400 8G

 Conception et simulation de chemin optique 400G QSFP-DD SR8

Le laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) est choisi comme source de lumière pour la transmission à courte distance dans les centres de données. Afin de répondre aux normes du protocole d'emballage de module, le chemin optique doit être tourné de sorte que la lumière verticale du VCSEL puisse entrer dans la fibre en parallèle. Le module est nécessaire pour stabiliser la puissance de sortie, ce qui nécessite une surveillance en temps réel de l'état de fonctionnement du VCSEL, en ajoutant un séparateur pour refléter une partie de la lumière émise par le VCSEL vers la photodiode de surveillance (MPD) pour la détection et le contrôle du rétroéclairage. pour stabiliser la puissance de sortie et obtenir l'architecture globale du chemin lumineux. Le VCSEL est utilisé comme source de lumière au niveau de l'émetteur, et il est nécessaire de convertir la lumière verticale en couplage de lumière parallèle dans la fibre optique pour la transmission. Tout d'abord, la lumière émise par VCSEL est collimatée et entrée dans la lentille. Après réflexion totale à travers la surface à 45°, le faisceau émis verticalement est incident horizontalement dans la fibre optique après avoir tourné.

Étant donné que le VCSEL doit être surveillé, l'épaisseur du séparateur doit être prise en compte pour affecter le chemin optique en contrôlant l'angle d'inclinaison du séparateur pour ajuster la position du MPD et en modifiant la transmission du film réfléchissant sur le séparateur pour ajuster la plage de puissance optique. La relation initiale de distance d'objet est obtenue à partir de l'espace mécanique, et la distance d'objet définie est de 0.34 mm et la distance de phase est de 0.45 mm. La figure 2 montre le diagramme schématique du chemin optique au niveau de l'émetteur.

Figure 2. Tle schéma de principe du chemin optique au niveau de l'émetteur

L'extrémité de réception est similaire à l'extrémité de transmission, où le PD reçoit la lumière incidente horizontale de la fibre, passe d'abord à travers la collimation sphérique de la lentille d'extrémité de fibre, fait tourner le faisceau incident à travers une surface de réflexion totale de 45°, puis passe à travers le lentille pour collimater le faisceau, et est finalement reçu par le PD.

Étant donné que l'objectif intégré est utilisé, le processus de conception doit garantir la même distance d'objet entre l'extrémité de réception et l'extrémité de transmission. La distance de l'objectif à l'extrémité de réception est de 0.23 mm et la distance de l'image à l'extrémité de transmission est de 0.45 mm. La figure 3 montre le chemin optique à l'extrémité de réception.

Figure 3. Le chemin optique à l'extrémité de réception

400G QSFP-DD SR8 simulation et optimisation du chemin optique

Les principaux paramètres du récepteur et de l'émetteur sont indiqués dans le tableau 1.

Tableau 1. Principaux paramètres du système optique

La relation d'image d'objet et la structure de chemin optique dans le tableau 1 ont été sélectionnées pour concevoir et simuler le chemin optique de couplage de lentille à l'aide du logiciel ZEMAX. La fonction d'optimisation a été utilisée pour ajuster la forme de la surface des deux sphères afin d'optimiser l'efficacité du couplage, puis l'angle de contact de la fibre a été modifié et différents angles ont été définis pour la simulation. La figure 4 montre la simulation optique de l'extrémité TX du système de couplage de lentille.

Figure 4. Diagramme de simulation optique

Il ressort de la simulation que le degré de convergence des points avant et après l'optimisation est très différent. Avant l'optimisation, une partie de la lumière a été perdue et les taches lumineuses reçues du côté de la fibre optique sont grandes. Une grande quantité de lumière pénètre difficilement dans la fibre optique et l'efficacité de couplage est très faible. Le trajet optique optimisé permet d'obtenir une convergence de trajet optique et une efficacité de couplage supérieure. La conception et la simulation du chemin optique sont terminées et l'application pratique doit être envisagée.

En fabrication, en raison de l'écart du processus, de l'erreur du patch VCSEL, de l'erreur de production de l'espacement des ports optiques de la lentille, de l'écart causé par la libération de contrainte de la colle lors du durcissement à haute température, etc. Ces facteurs font qu'il est difficile pour l'efficacité de couplage réelle d'atteindre la situation idéale, il est donc nécessaire d'effectuer une analyse de tolérance pour simuler la situation de production réelle. Les tolérances sur les axes X, Y et Z après le décalage VCSEL sont présentées dans la figure 5. Comme on peut le voir sur la figure, tant que la précision des trois directions est contrôlée dans la plage de ±9 μm, l'efficacité de couplage est supérieure à 70 %. Cependant, compte tenu de l'existence possible d'un écart dans plusieurs directions dans le processus réel, l'erreur du patch est contrôlée dans les ±3 μm, de sorte que le système dispose d'une marge élevée pour empêcher la diminution de l'efficacité de couplage. En couplant la fibre dans la lentille, nous pouvons la voir dans son ensemble. En pratique, la lentille de couplage est suivie d'une liaison de fibre courte. Il peut y avoir un bon couplage, mais après le chargement de la fibre discontinue, les performances du produit ne sont pas à la hauteur de la norme. Cela est généralement dû à l'inadéquation entre la taille de la fibre de couplage et la fibre discontinue ou à l'emplacement de la liaison qui n'est pas l'emplacement du couplage actif. Par conséquent, la tolérance de la fibre optique mobile est simulée par la fibre optique mobile. La figure 6 montre l'évolution de l'efficacité de couplage de la fibre mobile. On peut voir sur la figure qu'il existe des tolérances de 30 μm dans les directions X, Y et Z. La position de la lentille mobile reflète directement la plage de tolérance de la conception du trajet optique. La figure 7 montre l'évolution de l'efficacité de couplage de la lentille mobile. Comme on peut le voir sur la figure, il est nécessaire de sélectionner un moteur avec une bonne cohérence dans le couplage réel du produit, sinon un écart trop important entraînera facilement un écart entre la position réelle et le trajet optique idéal. Dans le processus d'interconnexion du module optique, l'écart se produira inévitablement lorsque les deux noyaux entreront en contact. À ce moment, l'indice de réfraction changera et une réflexion de Fresnel se produira au niveau du joint. FIG. La figure 8 montre la réflexion de Fresnel au niveau de la jonction de fibre optique. Comme on peut le voir sur la figure, lors de l'interconnexion des modules optiques, une réflexion de Fresnel se produit lorsque la lumière provenant de la fibre 1 pénètre dans l'entrefer. Une réflexion de Fresnel se produit lorsqu'elle pénètre dans la fibre 2 à partir de l'entrefer. Ainsi, chaque fois qu'il y a un entrefer, il y aura deux réflexions. En raison de la distance proche entre l'extrémité de connexion et le VCSEL, le VCSEL réexcite la lumière réfléchie et génère du bruit, ce qui entraîne des codes d'erreur en rafale à l'extrémité de réception et affecte les performances du module.

Figure 5. Changements dans l'efficacité du couplage VCSEL mobile

Figure 6. Changement d'efficacité de couplage de la fibre mobile

Figure 7. Modification de l'efficacité de couplage de la lentille mobile

Figure 8. Réflexion de Fresnel au niveau du joint de fibre. Remarque : n0 est l'indice de réfraction de l'air ; n1 est l'indice de réfraction du coeur de la fibre.

Dans cet article, l'angle d'inclinaison est augmenté sur la surface de contact de deux fibres optiques pour changer la direction de la lumière réfléchie afin qu'elle ne réponde pas aux exigences de réflexion totale et sorte de la gaine, et ne retourne pas au Vcsel puce, de manière à réduire la réflexion du module et à améliorer les performances du module. Grâce à l'analyse de simulation de différents angles d'inclinaison et aux résultats des tests du module, la sélection finale de l'inclinaison appropriée.

Figure 9. Augmenter l'angle du connecteur de fibre optique

Les coefficients de réflexion à différents angles de meulage peuvent être obtenus selon la théorie du couplage de faisceau gaussien.

R0 est le coefficient de réflexion de Fresnel lorsqu'il est plan ; n est l'indice de réfraction de la gaine ; Assurez-vous que les deux précédents sont des inclinaisons d'angle d'extrémité. Dans la pratique, il est également nécessaire de considérer la puissance optique et la taille du flux lumineux annulaire et de sélectionner l'angle d'inclinaison approprié.

Vérification expérimentale

Un dispositif QSFP-DD de 400 Gbit/s a été testé pour le flux lumineux annulaire et la réactivité du récepteur afin de mesurer le changement de performance du produit après avoir changé l'angle d'inclinaison. La modification de l'angle d'inclinaison modifiera la distance d'image du chemin optique. En raison des différentes distances focales, le récepteur et le récepteur changeront la même distance d'image, et le changement de distance de l'objet est incohérent, ce qui entraîne un changement du chemin optique du produit. Dans les systèmes de communication optique multimode, le flux encerclé (EF) du VCSEL a été utilisé pour définir les caractéristiques optiques de l'émission et de la transmission du VCSEL. La sensibilité est utilisée pour mesurer les performances de conversion photoélectrique de PD et les performances du chemin optique à l'extrémité de réception. L'efficacité de couplage de l'extrémité réceptrice peut être calculée grâce aux tests de sensibilité. Comme le montre le tableau 2, la puissance optique sortante, le flux de boucle et la sensibilité du récepteur sous différents angles d'inclinaison sont mesurés.

Tableau 2. Test de l'appareil sous différents angles

La capacité de service du module est mesurée en testant les performances d'auto-boucle du module à des températures élevées. La lumière réfléchie provoquera une erreur de rafale du module. Le type de code du détecteur d'erreur de bit a été ajusté à PRBS31Q, et la réception et l'envoi du module ont été connectés via la fibre à boucle automatique, afin de tester l'erreur de bit causée par le changement de température. On peut voir dans le tableau 2 que, à l'exception de la réponse à 15° et de la détérioration du flux encerclé par rapport à la gamme, les autres sont dans la gamme (lorsque R=4.5 μm, EF < 30 % ; lorsque R=19 μm, EF≥86 %), la diminution du flux encerclé à 4.5 μm peut réduire efficacement la réflexion. FIGUE. 10 montre les changements du taux d'erreurs sur les bits en temps réel et du taux d'erreurs sur les bits total du module de test avec la température. Différentes couleurs représentent respectivement différents canaux. Comme on peut le voir sur les figures 10 (a) et 10 (b), une erreur de salve se produira toujours lorsque la connexion par fibre plane et la connexion à 5° sont sélectionnées. Comme le montre la figure 10 (d), les performances de réception ont diminué lorsque la connexion à 12° est sélectionnée.

(a) Test de fibreingurgiterà 0°

(B) Essai de fibreingurgiterat 5°

(c) Essai de fibreingurgiterat 8°

(D) Essai de fibreingurgiterat 12°

Figure 10. Test de transfert de fibre à haute température à différents angles d'inclinaison

Dans l'essai du Module QSFP-DD 400G, l'émetteur génère une source de signal d'ordre 31 à partir de l'analyseur de code d'erreur et se connecte au module optique à mesurer via 8 paires de lignes RF différentielles. Le test oculaire du module est illustré à la figure 11 et la sensibilité du module de réception est principalement testée. En modifiant la température ambiante pour tester l'état de fonctionnement des bornes de réception et d'envoi du module à trois températures, les résultats sont présentés dans le tableau 2-5.

Testez le diagramme de l'œil du module et la sensibilité, le rapport d'extinction, l'amplitude de modulation optique (OMA), l'émetteur et la fermeture de l'œil de dispersion quaternaire (TDECQ) et d'autres tests sous l'état à trois températures pour évaluer l'effet de conception du chemin optique.

À partir des données de test, on constate que le module fonctionne de manière stable à la troisième température et que la différence de canal est faible. Tous les modules sont dans le champ d'application du protocole et ont une grande marge.

Figure 11. Le test de la vue du module

Tableau 3. Résultats des tests de performance du module optique à température ambiante

Tableau 4. Résultats des tests de performance du module optique à basse température

Tableau 5. Résultats des tests de performance du module optique à haute température

Pour aller plus loin

La solution de conception COB des émetteurs-récepteurs optiques 400G QSFP-DD SR8 est proposée dans cet article. Grâce à la conception et à la simulation du chemin optique, la largeur de tolérance et l'efficacité de couplage sous trois axes sont obtenues, et l'efficacité de couplage change sous différentes erreurs. Il fournit des conseils pour la production de l'appareil et teste les performances et l'erreur de l'appareil sous différents angles de meulage. Enfin, l'angle de 8° a été déterminé pour l'adaptation, et la plate-forme de test du module a été construite pour vérifier que la conception devait être bonne. Les performances du test sont conformes à la norme de protocole IEEE 802.3cm et répondent aux exigences de l'indice de conception. Cette conception améliore les performances du produit et réduit la réflexion optique dans une certaine mesure. C'est le meilleur choix pour le centre de données de nouvelle génération.