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有源光纜(AOC)產(chǎn)品是衡量一個(gè)光器件廠商實(shí)力的重要標(biāo)志。AOC由兩個(gè)光電收發(fā)器和光纖跳線組成，從一端進(jìn)入的電信號(hào)經(jīng)過(guò)光模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，由耦合處理進(jìn)入光纜后，光信號(hào)到達(dá)另一端再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。 對(duì)于AOC的設(shè)計(jì)主要分為光路設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等，并且隨著速率的提升, AOC面臨著越來(lái)越多的技術(shù)難題。 那么AOC的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何改善這些問(wèn)題？具體需要注意什么呢？本文主要從光學(xué)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)兩部分展開(kāi)介紹。 光學(xué)設(shè)計(jì)要想理解高速AOC的設(shè)計(jì)，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(guò)幾百米，工作波長(zhǎng)一般在850nm, 少數(shù)在1310nm。目前光電轉(zhuǎn)換接口的方案主要包括垂直共振腔面發(fā)射型激光技術(shù)(VCSEL)和硅光子學(xué)技術(shù)，在VCSEL技術(shù)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(dǎo)體有源器件。 主要由多量子阱(MQW)有源層構(gòu)成的光學(xué)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(guò)激光器的driver產(chǎn)生bias電流產(chǎn)生"0"和"1"的脈沖。 VCSEL相比于其它光源的優(yōu)點(diǎn) ▶ 體積小； ▶ 價(jià)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(guò)90%。 VCSEL激光器不僅在AOC設(shè)計(jì)上應(yīng)用廣泛，更將應(yīng)用到3G傳感等其他領(lǐng)域。 然而隨著VCSEL調(diào)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(wèn)題導(dǎo)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(lái)與之相匹配。采用PAM4調(diào)制方式來(lái)傳輸信號(hào)，要求VCSEL需要有相當(dāng)寬的動(dòng)態(tài)調(diào)制范圍；高速調(diào)制的時(shí)候, VCSEL方案的脈沖信號(hào)下降時(shí)間普遍高于上升時(shí)間，導(dǎo)致了高速應(yīng)用的受限，這就需要改善下降沿“拖尾”的問(wèn)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(cè)器上增加了一個(gè)吸收層，快速吸收光子，改善下降沿，脈沖信號(hào)的下降時(shí)間大大縮短；另外結(jié)合DBR的相關(guān)特性改善了產(chǎn)生和放大光子的過(guò)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(shè)計(jì)中的最重要部分，易飛揚(yáng)(Gigalight)不生產(chǎn)VCSEL, 但是與全球VCSEL芯片供應(yīng)鏈保持著密切的合作關(guān)系，不管是采用同軸封裝還是COB工藝，相關(guān)成本都優(yōu)化到接近臨界的狀態(tài)。 ◮基于VCSEL的波分復(fù)用方案示意圖 在AOC的光學(xué)設(shè)計(jì)上，除了VCSEL激光器，光纖耦合也是重要的設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，角度誤差一般要求在0.1°以內(nèi)，耦合過(guò)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(yáng)(Gigalight)的工程師們高度重視對(duì)光纖耦合部分的研究，開(kāi)發(fā)了并行光耦合精密器件封裝平臺(tái)，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(wèn)題。 ◮易飛揚(yáng)(Gigalight)FA 45度耦合光引擎專利示意圖 光學(xué)引擎的組成 ▶ 激光器陣列 ▶ 探測(cè)器陣列 ▶ 光纖陣列 ▶ 相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電子線路 國(guó)內(nèi)光學(xué)引擎技術(shù)面臨極大挑戰(zhàn)，核心激光器被少數(shù)國(guó)際大廠商壟斷，價(jià)格不菲，且激光器的驅(qū)動(dòng)和限幅放大芯片之間焊接技術(shù)也影響著制成效率，制約著國(guó)內(nèi)廠商的大幅推廣。 在光引擎方面，易飛揚(yáng)(Gigalight)一直走在行業(yè)的前沿，這是不容置疑的。對(duì)于面向未來(lái)的高速200G/400G VCSEL光模塊，易飛揚(yáng)(Gigalight)會(huì)引用同一個(gè)技術(shù)架構(gòu)和同一套工藝平臺(tái)，平臺(tái)間互相滲透，確保多模平行光模塊的核心光引擎部件PAM4調(diào)制的200G/400G光模塊發(fā)展，仍能顯示其優(yōu)越性。 電路設(shè)計(jì)高速有源光纜AOC的電路設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在信號(hào)完整性設(shè)計(jì)上。 將信號(hào)完整性設(shè)計(jì)深入地融入到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)尤其是高速PCB設(shè)計(jì)中，最終為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的解決方案，已經(jīng)成為產(chǎn)品成功的關(guān)鍵一環(huán)。必須有針對(duì)性的設(shè)定參數(shù)值，進(jìn)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(chǎn)品，并盡快推向市場(chǎng)。 準(zhǔn)確地進(jìn)行高速數(shù)字電路系統(tǒng)信號(hào)完整性的分析和設(shè)計(jì)，是目前國(guó)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(hào)，加上縱橫交錯(cuò)的超細(xì)微互連封裝結(jié)構(gòu)（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(chǎn)品的PCB板上布滿了元件，這給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn) 在200G/400G有源光纜的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由色散效應(yīng)、不連續(xù)性等導(dǎo)致的串音干擾、信號(hào)畸變，由超細(xì)微互連結(jié)構(gòu)帶來(lái)的大傳輸損耗，以及以多激勵(lì)、多負(fù)載、多I/O數(shù)為特色的大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的電磁仿真問(wèn)題仍未得到很好的解決。 舉個(gè)實(shí)例說(shuō)明，工程師進(jìn)行信號(hào)完整性設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)用到Serdes系統(tǒng)，如上圖所示。 Serdes系統(tǒng)的組成 ▶ 發(fā)送機(jī) ▶ 接收機(jī) ▶ 傳輸通道 發(fā)送機(jī)負(fù)責(zé)將并行的多路信號(hào)串化為單路信號(hào)，并將信號(hào)，并將信號(hào)送入傳輸通道。 接收機(jī)則負(fù)責(zé)接收串行信號(hào)，并將其解串化為多路信號(hào)。 由于傳輸通道存在趨膚效應(yīng)和介質(zhì)本身的損耗，傳輸通道往往表現(xiàn)出低通特性。頻率較低時(shí)，通道損耗主要由趨膚效應(yīng)決定；頻率較高時(shí)，通常介質(zhì)損耗起主導(dǎo)作用。 除了分析損耗問(wèn)題，工程師們還得分析頻率響應(yīng)等其他參數(shù)，尤其是在設(shè)計(jì)引入PAM4調(diào)制的200G/400G AOC產(chǎn)品，碼間干擾導(dǎo)致信號(hào)的眼圖閉合，這就得考慮均衡的技術(shù)。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(huì)有散熱方面的設(shè)計(jì)難題。 另外，在所有的電路設(shè)計(jì)問(wèn)題中，電磁兼容問(wèn)題最為重要。AOC產(chǎn)品優(yōu)于DAC產(chǎn)品的一大重要原因就在于光纖是沒(méi)有電磁干擾的，所有高頻的EMI信號(hào)直接在AOC的模塊部分進(jìn)行處理。 所有以上列出的問(wèn)題只是說(shuō)明信號(hào)完整性設(shè)計(jì)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的工作，這是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的過(guò)程，工程師們必須充分依靠自己的直覺(jué)能力處理一個(gè)個(gè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。 某公司有一個(gè)著名的警句：“設(shè)計(jì)師可以分為兩類，一類已經(jīng)遇到了信號(hào)完整性問(wèn)題，另一類即將遇到信號(hào)完整性問(wèn)題。”產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員將一個(gè)產(chǎn)品投入市場(chǎng)只有一次機(jī)會(huì)，所以該產(chǎn)品必須第一次就能成功運(yùn)行。如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中不能盡早確定和消除信號(hào)完整性問(wèn)題，產(chǎn)品的研制就可能失敗。 總結(jié)高速有源光纜的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，比如可靠性的熱設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)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(yáng)(Gigalight)高度重視光學(xué)設(shè)計(jì)和信號(hào)完整性設(shè)計(jì)，并且在可靠性設(shè)計(jì)上投資力度日益增大，我們將依托在傳統(tǒng)AOC平臺(tái)上的優(yōu)勢(shì)，加大在研發(fā)、品質(zhì)部門(mén)的資金投入，真正成為一家設(shè)計(jì)型的創(chuàng)新公司。 |
