彭家輝，孫莉萍，付永安，張爾康，張德玲，倪鵬遠(yuǎn)

(1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074；2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430074)

0 引 言

隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的商用化以及第五代移動(dòng)通信(5th Generation Mobile Communication，5G)建設(shè)的逐步落地，在數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)牧髁砍手笖?shù)式增長(zhǎng)[1-2]。Synergy的研究表明，截止到2020年底，全球主要超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心總數(shù)已增加到了近600個(gè)，是5年前的兩倍[3]。數(shù)通光模塊市場(chǎng)隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)量的增加也迎來(lái)了發(fā)展契機(jī)，根據(jù)知名調(diào)研機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2019年，在數(shù)據(jù)中心所使用的光模塊達(dá)到了5 000萬(wàn)只，預(yù)計(jì)在2021年底數(shù)據(jù)中心的光模塊市值將超過(guò)49億美元。原有的100 Gbit/s光模塊速率滿足不了現(xiàn)有的使用場(chǎng)景，提升光模塊的速率滿足傳輸要求勢(shì)在必行。其中滿足電氣與電子工程協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE) 802.3cm協(xié)議的400 Gbit/s雙密度四通道小型可插拔封裝(Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD)短距離(Short Range，SR) 8光模塊憑借著高速率、低功耗、低成本以及小體積等優(yōu)勢(shì)在數(shù)據(jù)中心必將成為主流光模塊[4-5]。本文提出了基于板上芯片封裝(Chip on Board，COB)技術(shù)的400 Gbit/s QSFP-DD SR8光模塊的光路設(shè)計(jì)方案，采用收發(fā)一體透鏡設(shè)計(jì)光路并進(jìn)行仿真優(yōu)化，根據(jù)菲涅爾反射選擇增加接觸面角度來(lái)減小反射，選取適當(dāng)?shù)男泵?，確定方案后分別對(duì)模塊的收端和發(fā)端進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了光路設(shè)計(jì)的可行性。

1 耦合理論分析

在半導(dǎo)體激光器中，光子在諧振腔中來(lái)回振蕩傳播，其橫截面的能量遵守高斯函數(shù)，故稱這樣的光場(chǎng)為激光諧振腔的橫模輻射場(chǎng)，出射光束稱為高斯光束，其模場(chǎng)分布為[6]

式中：A0為常數(shù)因子；i為虛數(shù)；x、y和z為其分布坐標(biāo)；k=2π/λ為波數(shù)，λ為波長(zhǎng)；ω(z)為光斑半徑；R(z)為波面曲率半徑；φ(z)為相位因子。

圖1所示為高斯光束傳播圖。

圖1 高斯光束傳播圖

高斯光束的光斑半徑、曲率半徑以及相位因子分別表示如下：

式中，z0為光束最細(xì)處的束腰。

高斯光束在z為常數(shù)的面內(nèi)場(chǎng)振幅以高斯函數(shù)分布從中心向外逐步減小，其束腰逐漸發(fā)散。用發(fā)散角θ來(lái)衡量光束發(fā)散程度，在圖中可以表示為漸近線的夾角，θ的表達(dá)式為

分析發(fā)射端的光束模型，發(fā)端和收端為兩條獨(dú)立的光路，但是可以采用相同的辦法和理論進(jìn)行分析。光電二極管(Photo Diode，PD)接收來(lái)自多模光纖的光束，光纖端面模場(chǎng)分布可由波導(dǎo)方程解出。對(duì)于多模光纖，其端面的模場(chǎng)分布為

式中：Efm0為多模光纖的場(chǎng)振幅；ωfm為纖芯半徑。當(dāng)光從多模光纖中出來(lái)時(shí)，由于光源產(chǎn)生的模式中存在高階模式，所以對(duì)于多模光纖的出射場(chǎng)分布同樣以高斯光束作為光源從多模光纖中射出，其分布可表示為[7]

式中，j為虛數(shù)。光纖與光束的耦合常用方式有單透鏡耦合和雙透鏡耦合，單透鏡耦合需要解決像差問(wèn)題，難以將具有發(fā)散角的光束匯聚到一個(gè)小范圍內(nèi)，所以耦合效率較低。采用雙透鏡耦合可以很好地解決上述問(wèn)題，雙透鏡方案中發(fā)端lens1通常為短焦距和大數(shù)值孔徑的非球面透鏡，用來(lái)完成光束的準(zhǔn)直以及發(fā)散角壓縮；lens2為長(zhǎng)焦距和小數(shù)值孔徑的聚焦透鏡，用來(lái)完成光束與多模光纖模場(chǎng)的匹配。

2 光路設(shè)計(jì)與仿真

在數(shù)據(jù)中心短距傳輸中，均選用垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)作為光源，為了滿足模塊封裝協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)光路進(jìn)行轉(zhuǎn)折，使得VCSEL發(fā)出的垂直光能夠平行進(jìn)入到光纖中。要求模塊穩(wěn)定出光功率，需要對(duì)VCSEL工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，增加分光片將VCSEL發(fā)出的一部分光反射到監(jiān)測(cè)光電二極管(Monitor Photo Diode，MPD)上，進(jìn)行背光檢測(cè)控制穩(wěn)定出光功率，得到整體光路架構(gòu)[8-10]。

發(fā)端采用VCSEL作為光源，需要將垂直光轉(zhuǎn)折為平行光耦合進(jìn)入光纖中進(jìn)行傳輸。首先將VCSEL發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直，進(jìn)入到透鏡中，通過(guò)45 °的面進(jìn)行全反射將垂直發(fā)射的光束轉(zhuǎn)折后水平入射到光纖中。由于需要對(duì)VCSEL進(jìn)行監(jiān)控，增加分光片后需要考慮其厚度對(duì)光路的影響，通過(guò)控制分光片的傾斜角度來(lái)調(diào)整MPD的位置，改變分光片上反射膜的透射率調(diào)整光功率范圍。初始物像距關(guān)系由機(jī)械空間得到，設(shè)定物距為0.34 mm，相距為0.45 mm。圖2所示為發(fā)端的光路示意圖。

圖2 發(fā)端的光路示意圖

收端與發(fā)端類似，PD接收光纖的水平入射光，首先經(jīng)過(guò)光纖端透鏡球面準(zhǔn)直，通過(guò)45 °的全反射面將入射光束轉(zhuǎn)折，再經(jīng)過(guò)透鏡將光束準(zhǔn)直，最后由PD接收。由于采用的是收發(fā)一體的透鏡，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要保證收端與發(fā)端的物距一致。由于有分光片的折射作用，收端與發(fā)端的像距并不一樣，通過(guò)計(jì)算在分光片傾斜20 °下，厚度為0.1 mm的分光片將會(huì)使光路在Y軸方向偏移0.012 mm，所以透鏡上收端與發(fā)端的像距會(huì)相差0.012 mm。確定收端的物距為0.23 mm，像距與發(fā)端一致為0.45 mm。圖3所示為收端的光路示意圖。

圖3 收端的光路示意圖

3 光路仿真及優(yōu)化

收端與發(fā)端的主要參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)

選用表1物像關(guān)系及光路結(jié)構(gòu)，通過(guò)ZEMAX軟件進(jìn)行透鏡耦合光路的設(shè)計(jì)仿真，優(yōu)化函數(shù)來(lái)調(diào)整兩個(gè)球面的面型對(duì)耦合效率進(jìn)行優(yōu)化，然后改變光纖的接觸角度，通過(guò)設(shè)置不同的角度來(lái)進(jìn)行仿真。圖4所示為透鏡耦合系統(tǒng)的發(fā)端光學(xué)仿真圖[11-14]。

圖4 優(yōu)化前后發(fā)端的光學(xué)仿真圖

由圖可知，優(yōu)化前與優(yōu)化后的光斑匯聚程度有很大區(qū)別，優(yōu)化前有部分光已經(jīng)損失，在光纖側(cè)接收到的光斑較大，很多光難以進(jìn)入到光纖中，耦合效率很低。優(yōu)化后的光路能夠?qū)崿F(xiàn)光路的匯聚以及更高的耦合效率。

完成了光路的設(shè)計(jì)與仿真，需要考慮實(shí)際應(yīng)用情況。在生產(chǎn)制造中，由于工藝的偏差，VCSEL貼片的誤差以及透鏡光口間距生產(chǎn)的誤差，膠水在高溫固化中的應(yīng)力釋放導(dǎo)致的偏移等，這些因素都使得實(shí)際的耦合效率難以達(dá)到理想的情況，需要進(jìn)行容差分析，模擬生產(chǎn)的實(shí)際情況。

將VCSEL偏移后分別在X、Y和Z軸方向上的容差如圖5所示，由圖可知，只要將3個(gè)方向的精度控制在±9 μm的范圍內(nèi)耦合效率都大于70%，但是考慮到實(shí)際過(guò)程中可能存在不止一個(gè)方向上的偏移，將貼片誤差控制在±3 μm內(nèi)，使得系統(tǒng)有較高的余量來(lái)防止耦合效率的下降。在耦合時(shí)將光纖插進(jìn)透鏡中，可以看作一個(gè)整體，實(shí)際使用中耦合透鏡之后再進(jìn)行短纖粘接，可能存在耦合時(shí)較好但在裝完短纖后出現(xiàn)產(chǎn)品性能不達(dá)標(biāo)的情況，通常是由于耦合光纖與短纖的尺寸不一致或粘接位置并不是有源耦合時(shí)的位置導(dǎo)致的，所以可通過(guò)移動(dòng)光纖來(lái)仿真光纖移動(dòng)時(shí)的容差。圖6所示為移動(dòng)光纖耦合效率的變化，由圖可知，在X、Y和Z方向都有30 μm的容差。移動(dòng)透鏡的位置直接反映了光路設(shè)計(jì)的容差范圍，圖7所示為移動(dòng)透鏡耦合效率的變化，由圖可知，在產(chǎn)品的實(shí)際耦合中需要選用一致性較好的電機(jī)，否則偏差過(guò)大容易導(dǎo)致實(shí)際位置與理想光路的偏移。

圖5 移動(dòng)VCSEL耦合效率的變化

圖6 移動(dòng)光纖耦合效率的變化

圖7 移動(dòng)透鏡耦合效率的變化

在光模塊互聯(lián)的過(guò)程中，兩個(gè)插芯接觸時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生間隙，此時(shí)折射率會(huì)發(fā)生變化，在接頭處就發(fā)生菲涅爾反射。圖8所示為光纖接頭處的菲涅爾反射，由圖可知，在光模塊互聯(lián)的過(guò)程中，由光纖1出來(lái)的光進(jìn)入空氣間隙中會(huì)發(fā)生一次菲涅爾反射，再?gòu)目諝忾g隙中進(jìn)入光纖2中時(shí)又會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射，由此可見(jiàn)，只要存在空氣間隙就會(huì)產(chǎn)生兩次反射，由于連接端距離VCSEL較近，VCSEL會(huì)將反射光重新受激發(fā)射，產(chǎn)生噪聲造成接收端突發(fā)誤碼，影響模塊性能[15-16]。

圖8 光纖接頭處的菲涅爾反射

本文采用在兩個(gè)光纖接觸面增加傾斜角，改變反射光的方向使其不滿足全反射的要求從包層出去，不再回到VCSEL芯片中，減小模塊的反射，提升模塊性能。通過(guò)對(duì)不同傾斜角的仿真分析以及模塊測(cè)試結(jié)果，最終選取合適的傾斜度，如圖9所示。

圖9 光纖接頭處增加傾斜角度

根據(jù)高斯光束耦合理論可以得到在不同的研磨角度下的反射系數(shù)R為

式中：R0為平面時(shí)的菲涅爾反射系數(shù)；n為包層折射率；O為端面傾斜角度。在實(shí)際使用中還需要綜合考慮光功率以及環(huán)形光通量(Encircled Flux，EF)的大小，選取合適的傾斜角度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)測(cè)試400 Gbit/s QSFP-DD器件的EF以及收端的響應(yīng)度來(lái)衡量改變傾斜角度后產(chǎn)品性能的變化。改變傾斜角度會(huì)改變光路的像距，收發(fā)端由于焦距不同，而變化相同的像距，物距變化不一致，從而導(dǎo)致產(chǎn)品光路發(fā)生變化。在多模光通信系統(tǒng)中，VCSEL的EF被用來(lái)定義VCSEL發(fā)射傳輸?shù)墓馓卣?，響?yīng)度用來(lái)衡量PD光電轉(zhuǎn)換性能，同時(shí)也能衡量收端光路性能，通過(guò)響應(yīng)度測(cè)試能夠計(jì)算收端耦合效率。表2所示為不同傾斜角度下的發(fā)端光功率、EF以及收端響應(yīng)度[17]。

表2 不同傾斜角度下的器件測(cè)試

通過(guò)測(cè)試模塊的高溫自環(huán)性能衡量模塊的業(yè)務(wù)能力，反射光會(huì)造成模塊突發(fā)誤碼。將誤碼儀的碼型調(diào)整為PRBS31Q，將模塊的收與發(fā)通過(guò)自環(huán)纖連接起來(lái)，測(cè)試其隨溫度變化而產(chǎn)生誤碼的情況[18]。由表2可知，除了15 °時(shí)的響應(yīng)度以及EF劣化至范圍外，其余都是在范圍內(nèi)(R=4.5 μm時(shí)，EF<30%；R=19.0 μm時(shí)，EF≥86%)，4.5 μm時(shí)的EF下降可以有效減小反射。圖10所示為測(cè)試模塊的實(shí)時(shí)誤碼率以及總誤碼率隨溫度的變化，不同顏色分別代表不同的通道，橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)間，縱坐標(biāo)最上面的代表不同通道的總誤碼率，中間表示不同通道的實(shí)時(shí)誤碼率，下面代表模塊的溫度變化。由圖10(a)和10(b)可知，在選擇平面光纖連接以及5 °的連接時(shí)仍然會(huì)有突發(fā)誤碼產(chǎn)生，圖10(d)所示為選擇12 °連接時(shí)收端性能已經(jīng)有所下降，所以最終選擇8 °斜纖適配可以有效兼顧性能以及降低反射影響。

在對(duì)400 Gbit/s QSFP-DD模塊測(cè)試中，發(fā)射端由誤碼儀產(chǎn)生31階的信號(hào)源，通過(guò)8對(duì)差分射頻線與待測(cè)光模塊連接，模塊眼圖測(cè)試如圖11所示，接收端主要測(cè)試模塊的靈敏度。通過(guò)改變環(huán)境溫度測(cè)試模塊收發(fā)端在常溫、低溫和高溫下的工作情況，其結(jié)果如表3～5所示。測(cè)試模塊的眼圖以及3溫狀態(tài)下靈敏度、消光比、光調(diào)制幅度(Optical Modulation Amplitude，OMA)以及發(fā)射機(jī)色散眼圖閉合四相(Transmitter and Dispersion Eye Closure Quaternary，TDECQ)等來(lái)評(píng)估光路設(shè)計(jì)效果，從測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，模塊在3溫下的工作狀態(tài)比較穩(wěn)定，通道差異性較小，均在協(xié)議范圍內(nèi)且有較大的余量。

圖10 不同傾斜角度下的高溫傳纖測(cè)試

圖11 模塊眼圖測(cè)試

表3 常溫狀態(tài)光模塊性能測(cè)試結(jié)果

表4 低溫狀態(tài)光模塊性能測(cè)試結(jié)果

表5 高溫狀態(tài)光模塊性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所提400 Gbit/s QSFP-DD SR8光收發(fā)模塊的COB設(shè)計(jì)方案，通過(guò)光路設(shè)計(jì)和仿真，得出在3個(gè)軸下容差寬度、耦合效率以及不同誤差下的耦合效率變化，為器件的生產(chǎn)提供了指導(dǎo)；測(cè)試不同研磨角度下器件性能和誤碼情況，最終確定了以8 °角進(jìn)行適配；同時(shí)搭建模塊測(cè)試臺(tái)位，測(cè)試其性能滿足IEEE 802.3cm協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，與設(shè)計(jì)指標(biāo)要求符合。本設(shè)計(jì)在一定程度上提高了產(chǎn)品性能，降低了光路反射，是下一代數(shù)據(jù)中心的不二之選。