知否,知否?高速有源光缆的设计需要注意什么?

发布时间:2019-2-28 15:36    发布者:chaser12
关键词: 数据中心 , AOC , 光通信
有源光缆(AOC)产品是衡量一个光器件厂商实力的重要标志。AOC由两个光电收发器和光纤跳线组成,从一端进入的电信号经过光模块转换成光信号,由耦合处理进入光缆后,光信号到达另一端再转变为电信号。
对于AOC的设计主要分为光路设计、电路设计、可靠性设计等,并且随着速率的提升, AOC面临着越来越多的技术难题。
那么AOC的设计过程中,如何改善这些问题?具体需要注意什么呢?本文主要从光学设计和电路设计两部分展开介绍。
光学设计
要想理解高速AOC的设计,首先要能理解VCSEL激光器。
AOC一般采用多模光纤传输,最大传输距离不过几百米,工作波长一般在850nm, 少数在1310nm。目前光电转换接口的方案主要包括垂直共振腔面发射型激光技术(VCSEL)和硅光子学技术,在VCSEL技术方案上,业界研究较为广泛。
VCSEL激光器
VCSEL激光器是一种化合物半导体有源器件。
主要由多量子阱(MQW)有源层构成的光学腔和上下两组高反射率的分布反馈布拉格反射镜(DBR)组成,通过激光器的driver产生bias电流产生"0"和"1"的脉冲。
VCSEL相比于其它光源的优点
▶ 体积小;
▶ 价格低廉;
▶ 单纵模输出;
▶ 阈值电流小;
▶ 圆形输出光斑;
▶ 易集成为大面积阵列;
▶ 目前与多模光纤的耦合效率超过90%。
VCSEL激光器不仅在AOC设计上应用广泛,更将应用到3G传感等其他领域。
然而随着VCSEL调制速率的提高,多模光纤的传输带宽遇到了瓶颈,传统的VCSEL方案也因氧化孔径问题导致器件良率变低,可靠性成为一大隐患。
根据不同的解决方法,需要有不同特性的VCSEL来与之相匹配。采用PAM4调制方式来传输信号,要求VCSEL需要有相当宽的动态调制范围;高速调制的时候, VCSEL方案的脉冲信号下降时间普遍高于上升时间,导致了高速应用的受限,这就需要改善下降沿“拖尾”的问题。
◮VCSEL激光器原理示意图
最近业界在VCSEL上的处理方法是:在探测器上增加了一个吸收层,快速吸收光子,改善下降沿,脉冲信号的下降时间大大缩短;另外结合DBR的相关特性改善了产生和放大光子的过程。这在速率提升的情况下有效提升了发光效率。
VCSEL激光器是有源光缆设计中的最重要部分,易飞扬(Gigalight)不生产VCSEL, 但是与全球VCSEL芯片供应链保持着密切的合作关系,不管是采用同轴封装还是COB工艺,相关成本都优化到接近临界的状态。
◮基于VCSEL的波分复用方案示意图
在AOC的光学设计上,除了VCSEL激光器,光纤耦合也是重要的设计部分。
AOC常用的光纤耦合方式是在激光器和光纤之间增加45°棱镜来实现,角度误差一般要求在0.1°以内,耦合过程中要能保证激光器、棱镜、光纤的光轴中心在一条直线上。易飞扬(Gigalight)的工程师们高度重视对光纤耦合部分的研究,开发了并行光耦合精密器件封装平台,解决了VCSEL阵列和PD阵列在单模和多模条件下的高效并行光耦合问题。
◮易飞扬(Gigalight)FA 45度耦合光引擎专利示意图
光学引擎的组成
▶ 激光器阵列
▶ 探测器阵列
▶ 光纤阵列
▶ 相关的驱动电子线路
国内光学引擎技术面临极大挑战,核心激光器被少数国际大厂商垄断,价格不菲,且激光器的驱动和限幅放大芯片之间焊接技术也影响着制成效率,制约着国内厂商的大幅推广。
在光引擎方面,易飞扬(Gigalight)一直走在行业的前沿,这是不容置疑的。对于面向未来的高速200G/400G VCSEL光模块,易飞扬(Gigalight)会引用同一个技术架构和同一套工艺平台,平台间互相渗透,确保多模平行光模块的核心光引擎部件PAM4调制的200G/400G光模块发展,仍能显示其优越性。
电路设计
高速有源光缆AOC的电路设计主要体现在信号完整性设计上。
将信号完整性设计深入地融入到产品开发尤其是高速PCB设计中,最终为产品设计提供优化的解决方案,已经成为产品成功的关键一环。必须有针对性的设定参数值,进行全面的系统及仿真,然后再去制作硬件。这样才有可能做出鲁棒性能好的产品,并尽快推向市场。
准确地进行高速数字电路系统信号完整性的分析和设计,是目前国际上尚未很好解决的难题,超宽频(从直流一直到微波毫米波)的快变信号,加上纵横交错的超细微互连封装结构(不均匀、不连续、三维立体互连等)则更缺乏广泛深入的研究。
◮200G/400G AOC产品的PCB板上布满了元件,这给设计师带来了巨大挑战
在200G/400G有源光缆的设计过程中,由色散效应、不连续性等导致的串音干扰、信号畸变,由超细微互连结构带来的大传输损耗,以及以多激励、多负载、多I/O数为特色的大型复杂网络的电磁仿真问题仍未得到很好的解决。
举个实例说明,工程师进行信号完整性设计时会用到Serdes系统,如上图所示。
Serdes系统的组成
▶ 发送机
▶ 接收机
▶ 传输通道
发送机负责将并行的多路信号串化为单路信号,并将信号,并将信号送入传输通道。
接收机则负责接收串行信号,并将其解串化为多路信号。
由于传输通道存在趋肤效应和介质本身的损耗,传输通道往往表现出低通特性。频率较低时,通道损耗主要由趋肤效应决定;频率较高时,通常介质损耗起主导作用。
除了分析损耗问题,工程师们还得分析频率响应等其他参数,尤其是在设计引入PAM4调制的200G/400G AOC产品,码间干扰导致信号的眼图闭合,这就得考虑均衡的技术。QSFP-DD方案下的AOC封装尺寸很小,激光器driver, DSP芯片等大功耗器件常常会有散热方面的设计难题。
另外,在所有的电路设计问题中,电磁兼容问题最为重要。AOC产品优于DAC产品的一大重要原因就在于光纤是没有电磁干扰的,所有高频的EMI信号直接在AOC的模块部分进行处理。
所有以上列出的问题只是说明信号完整性设计不是一个简单的工作,这是一个充满挑战的过程,工程师们必须充分依靠自己的直觉能力处理一个个可能出现的问题。
某公司有一个著名的警句:“设计师可以分为两类,一类已经遇到了信号完整性问题,另一类即将遇到信号完整性问题。”产品设计人员将一个产品投入市场只有一次机会,所以该产品必须第一次就能成功运行。如果在产品设计周期中不能尽早确定和消除信号完整性问题,产品的研制就可能失败。
总结
高速有源光缆的设计远远不止这些,比如可靠性的热设计、封装设计等都是非常重要的环节。本文只是管中窥豹,并不系统。易飞扬(Gigalight)高度重视光学设计和信号完整性设计,并且在可靠性设计上投资力度日益增大,我们将依托在传统AOC平台上的优势,加大在研发、品质部门的资金投入,真正成为一家设计型的创新公司。

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