400 Gbit/s QSFP-DD SR8 光收發模塊的研究

彭家輝，孫莉萍，付永安，張爾康，張德玲，倪鵬遠

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

0 引 言

隨著云計算和大數據等物聯網新技術的商用化以及第五代移動通信(5th Generation Mobile Communication，5G)建設的逐步落地，在數據中心傳輸的流量呈指數式增長[1-2]。Synergy的研究表明，截止到2020年底，全球主要超大規模數據中心總數已增加到了近600個，是5年前的兩倍[3]。數通光模塊市場隨著數據中心數量的增加也迎來了發展契機，根據知名調研機構統計，2019年，在數據中心所使用的光模塊達到了5 000萬只，預計在2021年底數據中心的光模塊市值將超過49億美元。原有的100 Gbit/s光模塊速率滿足不了現有的使用場景，提升光模塊的速率滿足傳輸要求勢在必行。其中滿足電氣與電子工程協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE) 802.3cm協議的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勢在數據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)技術的400 Gbit/s QSFP-DD SR8光模塊的光路設計方案，采用收發一體透鏡設計光路并進行仿真優化，根據菲涅爾反射選擇增加接觸面角度來減小反射，選取適當的斜面，確定方案后分別對模塊的收端和發端進行測試，驗證了光路設計的可行性。

1 耦合理論分析

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

式中：A0為常數因子；i為虛數；x、y和z為其分布坐標；k=2π/λ為波數，λ為波長；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為光束最細處的束腰。

高斯光束在z為常數的面內場振幅以高斯函數分布從中心向外逐步減小，其束腰逐漸發散。用發散角θ來衡量光束發散程度，在圖中可以表示為漸近線的夾角，θ的表達式為

分析發射端的光束模型，發端和收端為兩條獨立的光路，但是可以采用相同的辦法和理論進行分析。光電二極管(Photo Diode，PD)接收來自多模光纖的光束，光纖端面模場分布可由波導方程解出。對于多模光纖，其端面的模場分布為

式中：Efm0為多模光纖的場振幅；ωfm為纖芯半徑。當光從多模光纖中出來時，由于光源產生的模式中存在高階模式，所以對于多模光纖的出射場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。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題，難以將具有發散角的光束匯聚到一個小范圍內，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題，雙透鏡方案中發端lens1通常為短焦距和大數值孔徑的非球面透鏡，用來完成光束的準直以及發散角壓縮；lens2為長焦距和小數值孔徑的聚焦透鏡，用來完成光束與多模光纖模場的匹配。

2 光路設計與仿真

在數據中心短距傳輸中，均選用垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)作為光源，為了滿足模塊封裝協議標準，需要對光路進行轉折，使得VCSEL發出的垂直光能夠平行進入到光纖中。要求模塊穩定出光功率，需要對VCSEL工作狀態實時監控，增加分光片將VCSEL發出的一部分光反射到監測光電二極管(Monitor Photo Diode，MPD)上，進行背光檢測控制穩定出光功率，得到整體光路架構[8-10]。

發端采用VCSEL作為光源，需要將垂直光轉折為平行光耦合進入光纖中進行傳輸。首先將VCSEL發出的光進行準直，進入到透鏡中，通過45 °的面進行全反射將垂直發射的光束轉折后水平入射到光纖中。由于需要對VCSEL進行監控，增加分光片后需要考慮其厚度對光路的影響，通過控制分光片的傾斜角度來調整MPD的位置，改變分光片上反射膜的透射率調整光功率范圍。初始物像距關系由機械空間得到，設定物距為0.34 mm，相距為0.45 mm。圖2所示為發端的光路示意圖。

圖2 發端的光路示意圖

收端與發端類似，PD接收光纖的水平入射光，首先經過光纖端透鏡球面準直，通過45 °的全反射面將入射光束轉折，再經過透鏡將光束準直，最后由PD接收。由于采用的是收發一體的透鏡，在設計過程中需要保證收端與發端的物距一致。由于有分光片的折射作用，收端與發端的像距并不一樣，通過計算在分光片傾斜20 °下，厚度為0.1 mm的分光片將會使光路在Y軸方向偏移0.012 mm，所以透鏡上收端與發端的像距會相差0.012 mm。確定收端的物距為0.23 mm，像距與發端一致為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 光路仿真及優化

收端與發端的主要參數如表1所示。

表1 光學系統主要參數

選用表1物像關系及光路結構，通過ZEMAX軟件進行透鏡耦合光路的設計仿真，優化函數來調整兩個球面的面型對耦合效率進行優化，然后改變光纖的接觸角度，通過設置不同的角度來進行仿真。圖4所示為透鏡耦合系統的發端光學仿真圖[11-14]。

圖4 優化前后發端的光學仿真圖

由圖可知，優化前與優化后的光斑匯聚程度有很大區別，優化前有部分光已經損失，在光纖側接收到的光斑較大，很多光難以進入到光纖中，耦合效率很低。優化后的光路能夠實現光路的匯聚以及更高的耦合效率。

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

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個方向的精度控制在±9 μm的范圍內耦合效率都大于70%，但是考慮到實際過程中可能存在不止一個方向上的偏移，將貼片誤差控制在±3 μm內，使得系統有較高的余量來防止耦合效率的下降。在耦合時將光纖插進透鏡中，可以看作一個整體，實際使用中耦合透鏡之后再進行短纖粘接，可能存在耦合時較好但在裝完短纖后出現產品性能不達標的情況，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的位置導致的，所以可通過移動光纖來仿真光纖移動時的容差。圖6所示為移動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。移動透鏡的位置直接反映了光路設計的容差范圍，圖7所示為移動透鏡耦合效率的變化，由圖可知，在產品的實際耦合中需要選用一致性較好的電機，否則偏差過大容易導致實際位置與理想光路的偏移。

圖5 移動VCSEL耦合效率的變化

圖6 移動光纖耦合效率的變化

圖7 移動透鏡耦合效率的變化

在光模塊互聯的過程中，兩個插芯接觸時難免會產生間隙，此時折射率會發生變化，在接頭處就發生菲涅爾反射。圖8所示為光纖接頭處的菲涅爾反射，由圖可知，在光模塊互聯的過程中，由光纖1出來的光進入空氣間隙中會發生一次菲涅爾反射，再從空氣間隙中進入光纖2中時又會產生菲涅爾反射，由此可見，只要存在空氣間隙就會產生兩次反射，由于連接端距離VCSEL較近，VCSEL會將反射光重新受激發射，產生噪聲造成接收端突發誤碼，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。通過對不同傾斜角的仿真分析以及模塊測試結果，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R為

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

4 實驗驗證

通過測試400 Gbit/s QSFP-DD器件的EF以及收端的響應度來衡量改變傾斜角度后產品性能的變化。改變傾斜角度會改變光路的像距，收發端由于焦距不同，而變化相同的像距，物距變化不一致，從而導致產品光路發生變化。在多模光通信系統中，VCSEL的EF被用來定義VCSEL發射傳輸的光特征，響應度用來衡量PD光電轉換性能，同時也能衡量收端光路性能，通過響應度測試能夠計算收端耦合效率。表2所示為不同傾斜角度下的發端光功率、EF以及收端響應度[17]。

表2 不同傾斜角度下的器件測試

通過測試模塊的高溫自環性能衡量模塊的業務能力，反射光會造成模塊突發誤碼。將誤碼儀的碼型調整為PRBS31Q，將模塊的收與發通過自環纖連接起來，測試其隨溫度變化而產生誤碼的情況[18]。由表2可知，除了15 °時的響應度以及EF劣化至范圍外，其余都是在范圍內(R=4.5 μm時，EF<30%；R=19.0 μm時，EF≥86%)，4.5 μm時的EF下降可以有效減小反射。圖10所示為測試模塊的實時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，橫坐標為測試時間，縱坐標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時誤碼率，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 °的連接時仍然會有突發誤碼產生，圖10(d)所示為選擇12 °連接時收端性能已經有所下降，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400 Gbit/s QSFP-DD模塊測試中，發射端由誤碼儀產生31階的信號源，通過8對差分射頻線與待測光模塊連接，模塊眼圖測試如圖11所示，接收端主要測試模塊的靈敏度。通過改變環境溫度測試模塊收發端在常溫、低溫和高溫下的工作情況，其結果如表3～5所示。測試模塊的眼圖以及3溫狀態下靈敏度、消光比、光調制幅度(Optical Modulation Amplitude，OMA)以及發射機色散眼圖閉合四相(Transmitter and Dispersion Eye Closure Quaternary，TDECQ)等來評估光路設計效果，從測試數據發現，模塊在3溫下的工作狀態比較穩定，通道差異性較小，均在協議范圍內且有較大的余量。

圖10 不同傾斜角度下的高溫傳纖測試

圖11 模塊眼圖測試

表3 常溫狀態光模塊性能測試結果

表4 低溫狀態光模塊性能測試結果

表5 高溫狀態光模塊性能測試結果

5 結束語

本文所提400 Gbit/s QSFP-DD SR8光收發模塊的COB設計方案，通過光路設計和仿真，得出在3個軸下容差寬度、耦合效率以及不同誤差下的耦合效率變化，為器件的生產提供了指導；測試不同研磨角度下器件性能和誤碼情況，最終確定了以8 °角進行適配；同時搭建模塊測試臺位，測試其性能滿足IEEE 802.3cm協議標準，與設計指標要求符合。本設計在一定程度上提高了產品性能，降低了光路反射，是下一代數據中心的不二之選。