AOC有源光缆 设计实现

AOC产品产品简介简介 AOC（Active Optical Cable）带光收发器模块的光缆 1 一、有源光缆（一、有源光缆（Active Optical Cable） 有源光缆是由集成光电器件组成的，用于在数据中心、高性能计算机、大容量存储器等 设备间进行高速率、高可靠性互联的传输设备，它通常满足工业标准的电接口，通过内部的 电-光-电转换，使用光缆的优越性进行数据的传输。 1.1 应用 简单地说，可以把有源光缆理解成两个光收发器（Transceiver）及光缆跳线（Jumper） 组成的一套系统，不过这个系统相对独立器件组成的系统速率更高、可靠性更好。 1.2 结构 即：有源光缆=两个光收发器（Transceiver）+光缆跳线（Jumper） 图1.2：QSFP 有源光缆结 2 在 A 端，数据输入D in 为电子信号，通过电-光装换装置（E-O Converter）将电 信号转换为特定波长的光信号，光信号经调制、耦合后输入到传输光缆中;光信号到达 B 端 后，光电探测装置将光信号进行检测后经放大、处理，由Dout输出相应的电子信号。 反之，自 B 端向 A 端的传输原理相同。 1.3 典型结构 图1.3：典型的有源光缆结构 电信号 电信号 光信号 电信号 电信号 光信号 3 有源光缆一经推出，便以它的众多优越特性，得到了业界的普遍好评，也为它的应 用提供了强劲的动力。 （1）小型化、重量轻、便于安装 在电气接口不变的情况话 同轴电缆的直径通常都在 8mm 以上（以 50-5, 四屏蔽为例），每米的重量在 200g 左右，非常笨重。 有源光缆直径只有 2mm，且每米的重量不足 20g，大幅减少了本身的体积及重量。 非常便于安装。一条12 芯的光缆直径为 12mm，重量约 90g/m （2）功耗低 有源光缆的功耗非常低，每 Gbps 的能耗仅仅只有 50mw，是有源电缆的十分之 一。 1.4 优点 4 5 6 （3） 速率高、距离长 传统的同轴电缆，普遍的工作速率在 1Gbps 以下， 传输距离10 米以内，个别工作 在 35Gbps 速率的同轴电缆， 有源光缆的速率集中在 3种速率下，10Gbps，40Gbps ，120Gbps，其中 10Gbps 和 40Gbps 已经在发达国家得到了广泛的前期应用，正在大规模部署中，而 120Gbps 被看做是未来 20 年内的新发展。工作距离都至少达到了100 米，相对与传统同轴电缆 的 10 米以内，已经高出了一个数量级，优势明显。 名称速率传输距离备注 同轴电缆1Gbps 以下10 米以内 有源光缆10Gbps 40Gbps 120Gbps 400Gbps 至少100 米速率高、距离长 7 （4）接口友好、安全 有源光缆普遍采用业界已广泛使用的标准接口，例如 CX4, SFP, QSFP 等， 用户无需改变任何周边设备及协议，即可将传统的电缆更换为有源光缆，大大方便 升级的可行性和效率。同时，有源光缆支持热插拔操作。在操作安全方面，由于普 遍采用了低功率的多模 VCSEL 技术，激光用眼安全得到了保障，同时，有源光缆 的两端连接器是硬连接，也从根本上杜绝了对人眼伤害的可能性。 8 2.1 以工作介质工作介质的不同，我们可以将其分为光学部分和电路部分。 光学部分包括 VCSEL 激光器、光电探测器、光缆以及用于12耦合的光学部件； 电路部分包括驱动芯片、TIA 芯片、检测电路、补偿电路以及电气接口等部件。 四通道有源光缆的原理框图，如下： 二、二、工作工作原理原理 9 2.2 简单的按功能分类功能分类，我们可以将有源光缆分为三个部分。 一是光发射部分，二是光接收部分，三是控制管理部分。 2.2.1. 光发射部分光发射部分 光发射部分主要由光源、驱动电路、控制电路三部分组成，具有发射禁止和监视输出的 功能。 模块内部的驱动电路包括对输出波形进行整形的缓冲级以及保证功率和消光比稳定的 自动功率补偿和温度补偿电路。它的功能是将数据信号转变为光信号送入光纤进行传输。 主要包括信号的调制、静态工作点调节和自动功率控制等子电路。 发送器模块中包含：VSCEL 激光器、激光驱动器、监视二极管一起构成发射器光部 10 2.2.2 光接收部分光接收部分 光接收部分主要由 PIN 阵列、前放组件和主放电路两部分组成，并具有无光告警 功能。 光接收部分的功能是将光纤传输中的微弱光信号转变为电信号。接收器包含：激光信号探 测器(PIN)，跨阻放大器(TIA)，主放大器(PALA),如图 2-10 所示。 11 2.2.3 控制管理部分控制管理部分 控制管理部分主要用于对光收发器的工作参数和状态进行实时的监视和控制。它 主要由新型数字诊断芯片(含存储器)和报警装置组成。 在进行具体电路设计时考虑这三个方面的因数： 对于接收模块，主要考虑两个方面的因素，一是接收器的灵敏度问题；二是减小 LA 的 时钟抖动。 发射模块选用应用稍好的通信级的 VSCEL 激光器。选用的高效激光器只需要低的调制 电流，并且只产生很低的电压摆幅。封装电感将引起激光器很大的电压摆动，这里要对线 路进行调整，或者加上一个滤波网络来减少信号振铃，提高信号边缘速率，减小电压摆 动。激光管驱动器一般由偏置发生器、调制发生器和安全电路构成。 控制管理模块是通过控制管理模块的芯片实现的，它的性能符合相关协议的规定。 12 三、有源光缆的光路设计三、有源光缆的光路设计 传统的 SFP 封装光收发器采用的是 TOSA(Transmitter Optical Subassembly) 和ROSA(Receiver Optical Subassembly)的光学设计， 有源光缆的光路部分使用的是多通道并行设计，它采用了垂直腔表面发射式激 光器阵列（VCSEL Array）作为激光光源承载信号，通过与高精度的光纤阵列 （Fiber Array）进行直接耦合，实现光路的高效传输。 VCSEL是什么？ 13 VCSEL 介绍介绍 在 VCSEL 诞生之前，传统的边发射激光器一直在光通信中扮演着主要角 色。尽管这些年来，边发射激光器在结构优化，制造技术，工作特性以及应用领 域方面都取得了巨大进展，但仍存在一些不足。比如在芯片解理之前，不能进行 单个器件的基本特性测试；光束发散角过大且呈椭圆状；不易构成二维光源阵 列；而且制造成本也仍然偏高。正是在这样的背景下诞生了垂直腔面发射式激光 器(VCSEL)。 VCSEL的诞生背景 在光纤通信系统中，1.3m 和 1.55m 的长波长激光光源是不可缺少的关键性器 件，主要由边发射的 FP 及 DFB 半导体激光器占领市场。 VCSEL=垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 面发射激光器，如VCSEL 边发射激光器，如FP、DFB 14 VCSEL 是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种半导体激光器，具有 模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、 耦合效率高、价格便宜等很多优点。因为在垂直于衬底的方向上可并行排 列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领 域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能 价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。 与多模光纤的耦合效率竟能大于 90 15 为了严格地与 VCSEL 激光器阵列的发光窗口对准，将 VCSEL 激光器阵列光源 耦合到光纤阵列的芯层中输出，必需制作具有相应间距的光纤阵列接口 F（Fiber Array）。 目前国内外研制一维光纤列阵的方法通常有以下几种：钻孔法、光通道密排法和 刻 V 型槽法。 钻孔法钻孔法 即利用激光束或等离子束在一定厚度基片上加工形成定位孔阵，光纤插入 孔阵，并注胶以固化，最后将光纤阵列端面研磨光滑。 光通道密排法光通道密排法 是指在一个精度很高的玻璃槽内，按使用系统要求将光纤(或套20有陶瓷毛细管 的光纤)紧密排放在玻璃槽内的基片上，所有光通道排放完成之后，上置玻璃基 片并固定。 16 刻刻V型槽法型槽法 是指在特定晶向方向的硅基片上，采用制版、光刻、异性腐蚀等工艺过程，在硅 基片上刻蚀等间距的V形槽，将裸露包层光纤排列在V型槽内，再在光纤顶端平放 一同样的V型基片，注入固化胶定位。光纤排列好之后，其端面研磨并抛光。 新型刻新型刻 V 型槽法型槽法 这种刻V型槽法与传统的主要区别在于，它只使用了一个V型槽基板，将V型 槽的深度与宽度做了调整后，上部使用一块平整的基板覆盖。 17 VCSEL与光纤的耦合效率是我们非常关心的问题，它直接影响了整个有源光缆的性能特征。 光束发散角角度匹配耦合效率的计算方法 VCSEL发出的圆形光束经过光纤包层、光纤纤芯两次折射，到达45反射面MN，经反射后沿光纤主轴传 输。O点为VCSEL所在位置，2a为VCSEL发散角。设空气折射率为0n 。 18 有源光缆的电路设计有源光缆的电路设计 发射模块的电路功能有信号处理、激光驱动与调制、自动偏置控制、报警 及温控等功能。 接收模块 发射模块 有源光缆的接收模块的电路功能主要由前置放大器、主放大器、限幅放 大器这几大主要功能部分。 19 我们对 VCSEL 阵列芯片提出如下要求： 1. 4 通道，850nm 波长，多模 2. 低阀值和工作电流 3. 高稳定性 4. 低寄生电流 5. 速度达到 10Gbps 以上 6. 可以采取倒装贴片方式 7. 公用阴极电极 专用芯片的选择专用芯片的选择 20 激光器驱动芯片的选择激光器驱动芯片的选择 21 验证驱动芯片的特性以及与 VCSEL 芯片的匹配，需要进行全面的验证测试 测试的电路原理框图测试的电路原理框图 22 使用 Wire Bonding （引线接合法 ）的形式，将 VCSEL 芯片的各个引脚和驱动 芯片的各引脚相连，来进行验证测试 23 VCSEL 芯片和驱动芯片位于板卡的中央位置，保证了关键部件的安全可靠；在 VCSEL 芯片和驱动芯片的周围，分布着 8 个高频接头，以进行信号的可靠输入及 采集。 测试工装测试工装 24 测试板卡接口进行了定义及说明 25 测试系统搭建测试系统搭建 测试图案信号发生器 基准时钟 频率发生器电源 示波器 数字通信 26 测试结果测试结果 测试速率设定为 10Gbps，使用 31-bit 的 PRBS pattern 得到如下的波形图。 27 28 29 30 各个温度下的眼图测试结果进行分析，其中驱动电流做为 X 轴，输出功率作为 Y 轴 31 有源光缆的工艺实现及测试有源光缆的工艺实现及测试 部件结构图 其中光路部分包括用于转换光路角度的透镜、FA；电路部分包括 PCB 板、基板、VCSEL 芯片、VCSEL驱动芯片、PD 芯片、TIA 芯片。 按照不同部件的要求，我们将核心的工艺流 程分解为 6 个步骤，分别如下： A. 电子芯片的贴装 B. 部件预组装 C. SMOD 组装 D. 透镜组装 E. 光纤耦合 F. 外部封装 32 有源光缆的常用组装过程有源光缆的常用组装过程 33 部件是预组装好的 VCSEL 芯片及用来转换光路角度的光纤棱镜； 部件是与 PCB 及部分外壳组装后的示意； 部件及部件是与带状光缆连接器的组装示意。 34 有源光缆关键的两个工艺步骤 芯片贴装工艺 光纤耦合工艺 35 芯片贴装工艺芯片贴装工艺 采用的芯片贴装工艺是尖端的 Flip-Chip 工艺（又称倒装贴片法） Flip Chip 既是一种芯片互连技术，又是一种理想的芯片粘接技术。 以往的一级封闭技术都是将芯片的有源区面朝上，背对基板和贴后键合， 如引线健合(Wirebond)和载带自动健全（TAB） 36 光纤耦合工艺光纤耦合工艺 高速率的有源光缆普遍采用多通道的设计，即多通道发射/接收芯片， 与光纤阵列（FA）耦合，以达到并行传输的目的 平台的精度达到了0.1um 37 有源光缆的测试有源光缆的测试 使用在数据中心的有源光缆，承载着非常大量的信息流量，加之工作速率在 10Gbps以上，需要特别重视产品性能的测试。眼图测试和误码测试可以保证 数据传输