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有源光纜(AOC)產品是衡量一個光器件廠商實力的重要標志。AOC由兩個光電收發(fā)器和光纖跳線組成，從一端進入的電信號經過光模塊轉換成光信號，由耦合處理進入光纜后，光信號到達另一端再轉變?yōu)殡娦盘枴?/font> 對于AOC的設計主要分為光路設計、電路設計、可靠性設計等，并且隨著速率的提升, AOC面臨著越來越多的技術難題。 那么AOC的設計過程中，如何改善這些問題？具體需要注意什么呢？本文主要從光學設計和電路設計兩部分展開介紹。 光學設計要想理解高速AOC的設計，首先要能理解VCSEL激光器。 AOC一般采用多模光纖傳輸，最大傳輸距離不過幾百米，工作波長一般在850nm, 少數(shù)在1310nm。目前光電轉換接口的方案主要包括垂直共振腔面發(fā)射型激光技術(VCSEL)和硅光子學技術，在VCSEL技術方案上，業(yè)界研究較為廣泛。 VCSEL激光器 VCSEL激光器是一種化合物半導體有源器件。 主要由多量子阱(MQW)有源層構成的光學腔和上下兩組高反射率的分布反饋布拉格反射鏡(DBR)組成，通過激光器的driver產生bias電流產生"0"和"1"的脈沖。 VCSEL相比于其它光源的優(yōu)點 ▶ 體積小； ▶ 價格低廉； ▶ 單縱模輸出； ▶ 閾值電流小； ▶ 圓形輸出光斑； ▶ 易集成為大面積陣列； ▶ 目前與多模光纖的耦合效率超過90%。 VCSEL激光器不僅在AOC設計上應用廣泛，更將應用到3G傳感等其他領域。 然而隨著VCSEL調制速率的提高，多模光纖的傳輸帶寬遇到了瓶頸，傳統(tǒng)的VCSEL方案也因氧化孔徑問題導致器件良率變低，可靠性成為一大隱患。 根據(jù)不同的解決方法，需要有不同特性的VCSEL來與之相匹配。采用PAM4調制方式來傳輸信號，要求VCSEL需要有相當寬的動態(tài)調制范圍；高速調制的時候, VCSEL方案的脈沖信號下降時間普遍高于上升時間，導致了高速應用的受限，這就需要改善下降沿“拖尾”的問題。 ◮VCSEL激光器原理示意圖 最近業(yè)界在VCSEL上的處理方法是：在探測器上增加了一個吸收層，快速吸收光子，改善下降沿，脈沖信號的下降時間大大縮短；另外結合DBR的相關特性改善了產生和放大光子的過程。這在速率提升的情況下有效提升了發(fā)光效率。 VCSEL激光器是有源光纜設計中的最重要部分，易飛揚(Gigalight)不生產VCSEL, 但是與全球VCSEL芯片供應鏈保持著密切的合作關系，不管是采用同軸封裝還是COB工藝，相關成本都優(yōu)化到接近臨界的狀態(tài)。 ◮基于VCSEL的波分復用方案示意圖 在AOC的光學設計上，除了VCSEL激光器，光纖耦合也是重要的設計部分。 AOC常用的光纖耦合方式是在激光器和光纖之間增加45°棱鏡來實現(xiàn)，角度誤差一般要求在0.1°以內，耦合過程中要能保證激光器、棱鏡、光纖的光軸中心在一條直線上。易飛揚(Gigalight)的工程師們高度重視對光纖耦合部分的研究，開發(fā)了并行光耦合精密器件封裝平臺，解決了VCSEL陣列和PD陣列在單模和多模條件下的高效并行光耦合問題。 ◮易飛揚(Gigalight)FA 45度耦合光引擎專利示意圖 光學引擎的組成 ▶ 激光器陣列 ▶ 探測器陣列 ▶ 光纖陣列 ▶ 相關的驅動電子線路 國內光學引擎技術面臨極大挑戰(zhàn)，核心激光器被少數(shù)國際大廠商壟斷，價格不菲，且激光器的驅動和限幅放大芯片之間焊接技術也影響著制成效率，制約著國內廠商的大幅推廣。 在光引擎方面，易飛揚(Gigalight)一直走在行業(yè)的前沿，這是不容置疑的。對于面向未來的高速200G/400G VCSEL光模塊，易飛揚(Gigalight)會引用同一個技術架構和同一套工藝平臺，平臺間互相滲透，確保多模平行光模塊的核心光引擎部件PAM4調制的200G/400G光模塊發(fā)展，仍能顯示其優(yōu)越性。 電路設計高速有源光纜AOC的電路設計主要體現(xiàn)在信號完整性設計上。 將信號完整性設計深入地融入到產品開發(fā)尤其是高速PCB設計中，最終為產品設計提供優(yōu)化的解決方案，已經成為產品成功的關鍵一環(huán)。必須有針對性的設定參數(shù)值，進行全面的系統(tǒng)及仿真，然后再去制作硬件。這樣才有可能做出魯棒性能好的產品，并盡快推向市場。 準確地進行高速數(shù)字電路系統(tǒng)信號完整性的分析和設計，是目前國際上尚未很好解決的難題，超寬頻（從直流一直到微波毫米波）的快變信號，加上縱橫交錯的超細微互連封裝結構（不均勻、不連續(xù)、三維立體互連等）則更缺乏廣泛深入的研究。 ◮200G/400G AOC產品的PCB板上布滿了元件，這給設計師帶來了巨大挑戰(zhàn) 在200G/400G有源光纜的設計過程中，由色散效應、不連續(xù)性等導致的串音干擾、信號畸變，由超細微互連結構帶來的大傳輸損耗，以及以多激勵、多負載、多I/O數(shù)為特色的大型復雜網絡的電磁仿真問題仍未得到很好的解決。 舉個實例說明，工程師進行信號完整性設計時會用到Serdes系統(tǒng)，如上圖所示。 Serdes系統(tǒng)的組成 ▶ 發(fā)送機 ▶ 接收機 ▶ 傳輸通道 發(fā)送機負責將并行的多路信號串化為單路信號，并將信號，并將信號送入傳輸通道。 接收機則負責接收串行信號，并將其解串化為多路信號。 由于傳輸通道存在趨膚效應和介質本身的損耗，傳輸通道往往表現(xiàn)出低通特性。頻率較低時，通道損耗主要由趨膚效應決定；頻率較高時，通常介質損耗起主導作用。 除了分析損耗問題，工程師們還得分析頻率響應等其他參數(shù)，尤其是在設計引入PAM4調制的200G/400G AOC產品，碼間干擾導致信號的眼圖閉合，這就得考慮均衡的技術。QSFP-DD方案下的AOC封裝尺寸很小，激光器driver, DSP芯片等大功耗器件常常會有散熱方面的設計難題。 另外，在所有的電路設計問題中，電磁兼容問題最為重要。AOC產品優(yōu)于DAC產品的一大重要原因就在于光纖是沒有電磁干擾的，所有高頻的EMI信號直接在AOC的模塊部分進行處理。 所有以上列出的問題只是說明信號完整性設計不是一個簡單的工作，這是一個充滿挑戰(zhàn)的過程，工程師們必須充分依靠自己的直覺能力處理一個個可能出現(xiàn)的問題。 某公司有一個著名的警句：“設計師可以分為兩類，一類已經遇到了信號完整性問題，另一類即將遇到信號完整性問題。”產品設計人員將一個產品投入市場只有一次機會，所以該產品必須第一次就能成功運行。如果在產品設計周期中不能盡早確定和消除信號完整性問題，產品的研制就可能失敗。 總結高速有源光纜的設計遠遠不止這些，比如可靠性的熱設計、封裝設計等都是非常重要的環(huán)節(jié)。本文只是管中窺豹，并不系統(tǒng)。易飛揚(Gigalight)高度重視光學設計和信號完整性設計，并且在可靠性設計上投資力度日益增大，我們將依托在傳統(tǒng)AOC平臺上的優(yōu)勢，加大在研發(fā)、品質部門的資金投入，真正成為一家設計型的創(chuàng)新公司。 |
