Использование микрооптических компонентов в компактных оптических приемопередатчиках для центров обработки данных

Выравнивание толерантности: точный вызов

Производительность любой микрооптической системы зависит от точного выравнивания. Для типичного однорежимного волоконного приемопередатчика несоответствие даже 0,5 микрометра может вызвать оптический убыток в 1 дБ, что напрямую приводит к снижению бюджета канала и более высоким скоростям ошибок битов. Микрооптические компоненты часто проектируются со встроенными функциями выравнивания, такими как механические остановки, фидуциальные метки или самоцентрирующиеся держатели объективов. Пассивные методы выравнивания в сочетании с передовой автоматизацией выбора и места позволяют производителям достигать субмикронной точности без обширного активного мониторинга, снижения производственных затрат и увеличения урожайности.

Преимущества перед традиционной оптикой

До широкого внедрения микрооптики приемопередатчики центров обработки данных часто полагались на более крупные дискретные оптические компоненты, такие как обычные линзы и зеркала, установленные в сборках свободного пространства. Эти объемные оптические конструкции ограничивали минимальный размер модуля и требовали ручных этапов сборки, что увеличивало стоимость и изменчивость. Переход на микрооптику обеспечил измеримые преимущества:

1. Драматическая экономия пространства

Микрооптические компоненты изготавливаются с использованием процессов на уровне пластин, во многом похожих на полупроводниковые приборы. Микролинзовый массив, заменяющий десяток отдельных линз, может вписаться в объем в несколько кубических миллиметров. Такое уменьшение объема имеет решающее значение для интерфейсов разъемов высокой плотности. Например, формат разъема OSFP поддерживает 8 полос 100 Гбит/с PAM4 в упаковке 18,6 мм х 17,4 мм, форм-фактор, ставший возможным только благодаря микрооптической интеграции.

2. Низкое рассеивание энергии

Поскольку микрооптика уменьшает расстояние между лазером и волокном, а также поскольку они позволяют более эффективно собирать свет, требуемый ток лазерного привода часто может быть снижен. В типичном модуле DR4 с мощностью 400 Гбит/с использование микролинзной связи вместо прикладной связи может снизить оптический бюджет мощности на 1-2 дБ, что, в свою очередь, снижает потребление мощности лазера на 15-30%. При умножении на тысячи модулей в центре обработки данных экономия энергии значительна.

3. Улучшение термостабильности

Микрооптические компоненты, изготовленные из стекла или высокотемпературных пластмасс, имеют низкие коэффициенты теплового расширения (CTE) и могут быть связаны с клеями, которые соответствуют CTE подложки. Это гарантирует, что оптическое выравнивание остается стабильным в широком температурном диапазоне, испытываемом внутри центров обработки данных (обычно от 0°C до 70°C). Напротив, объемно-оптические сборки часто требуют более крупных механических скобок, которые могут расширяться неравномерно, что приводит к проблемам смещения с течением времени.

4 Масштабируемость для когерентных и PAM4 сигналов

По мере роста скорости передачи данных форматы модуляции становятся более восприимчивыми к нарушениям сигнала. Микрооптику можно сконструировать таким образом, чтобы минимизировать искажение волнового фронта и потерю вставки, сохраняя целостность сигналов PAM4 высокого порядка и когерентных схем модуляции. Микрооптика управления поляризацией (например, микрополяризаторы и волновые пластины) также все чаще встречается в когерентных модулях для приложений 800G ZR, дополнительно подчеркивая их универсальность.

Технологии производства и материалы

Точная формовка стекла и оптика уровня вафера

Высокообъемное производство микрооптических компонентов опирается на точное стеклоформование (PGM) и репликацию на уровне пластины . В PGM стеклянная заготовка нагревается и прессуется в форму линзы с использованием точно обработанной формы. Этот процесс дает линзы с отличным качеством поверхности и повторяемостью, подходящие как для многорежимных, так и для однорежимных применений. Для еще более высоких объемов полимерные материалы могут быть воспроизведены с использованием УФ-отверждаемых смол на стеклянной подложке — процесс, подобный наноимпринтной литографии. Такие компании, как AMS Technologies и SUSS MicroOptics, имеют стандартизированную микрооптику на уровне пластин, которая может быть вырезана и обработана как полупроводниковый кристалл, что позволяет интегрировать непосредственно в приемопередающие оптические двигатели.

Лазерная микромашиностроение и вытяжка

Для пользовательских или очень сложных геометрий лазерная микрообработка фемтосекундными лазерами может создавать микрооптику в стеклянных, кремниевых или полимерных материалах. Эти методы прямой записи предлагают беспрецедентную свободу проектирования, но с более медленными темпами производства. Для приемопередатчиков ЦОД обычно используются лазерные компоненты для прототипов или специальных модулей, где объем не оправдывает стоимость точной формы.

Выбор материалов: балансирование производительности и стоимости

• Стекло: Предлагает низкое поглощение, высокую температурную стойкость и низкую CTE. Идеально подходит для однорежимных применений при 1310 нм и 1550 нм, где потеря сигнала должна быть сведена к минимуму.
• Полимер (например, PMMA, COC): Более низкая стоимость и меньший вес, но с более высоким поглощением и тепловым дрейфом. Используется в основном для многорежимных передатчиков на основе VCSEL на 850 нм, распространенных в каналах с коротким доступом к ЦОД.
• Силикон: Использование установленных методов изготовления полупроводников. Микрооптика может быть вытравлена непосредственно в кремниевые подложки, что позволяет интегрироваться с фотонными интегральными схемами (PIC) в единый технологический поток.

Автоматическая сборка и активное выравнивание

Даже с высококачественной микрооптикой сборка остается критическим шагом. Современные производственные линии трансиверов используют шестиосевые роботизированные выравнивающие станции, которые ощущают оптическую мощность через систему и настраивают положения компонентов для максимизации пропускной способности. После выравнивания микрооптический компонент постоянно фиксируется с помощью УФ-отверждаемой эпоксидной или лазерной сварки. Лидеры отрасли, такие как Finisar (теперь часть II-VI) и Lumentum, усовершенствовали эти процессы для достижения времени цикла менее 30 секунд на компонент, сохраняя допуски выравнивания в субмикронном диапазоне.

Применение в современных и новых стандартах приемопередатчика

100G и 400G приемопередатчики

Переход от 100 Гбит/с до 400 Гбит/с был испытательным полигоном для микрооптики. В оптике 400G DR4 (8x50G PAM4) оптический двигатель использует четыре лазера и четыре фотодиода, каждый из которых требует точной связи с четырьмя отдельными волокнами. Микролинзовые массивы, расположенные над VCSEL или EML (электроабсорбционно-модулируемый лазер) массивы коллимируют пучки и направляют их в волоконную матрицу. Аналогично, модули 400G FR4 используют микрооптические мультиплексоры с разделением длины волны (WDM) для объединения четырех полос в одну дуплексную пару. Эти миниатюрные компоненты WDM, часто основанные на технологии тонкопленочных фильтров, имеют длину менее 3 мм.

800G и 1.6T: дальнейшее развитие интеграции

С приходом 800 Гбит/с Ethernet и 1.6 Тбит/с каналов количество полос увеличилось до 8 или 16 полос. Форм-факторы приемопередатчика остаются компактными (QSFP-DD и OSFP для 800G, будущий OSFP-XD для 1.6T), что означает, что плотность микрооптики должна удвоиться. Инженеры теперь интегрируют массивы объективов с интегрированными структурами выравнивания, такими как V-гроувы для позиционирования волокна, чтобы уменьшить сложность сборки. Упакованная оптика (CPO), где оптический двигатель интегрирован непосредственно на коммутаторе ASIC-подложки, также в значительной степени зависит от микрооптики, чтобы связать свет от PIC к волокнистому фермулу. Согласно отчету LightCounting, CPO потребует микрооптических компонентов, которые могут обрабатывать скорости передачи данных за 112 Гбит/с на полосу при сохранении тепловой стабильности в общей среде с горячими ASIC.

Центр обработки данных Interconnect и Long-Haul Links

Микрооптика не ограничивается внутрицентровыми линиями передачи данных. Для когерентных приемопередатчиков, используемых в приложениях межсоединения центров обработки данных (DCI) (таких как 400G ZR и 800G ZR+), микрооптика облегчает управление поляризацией и мониторинг OSNR. Микроэлектромеханические системы (MEMS) зеркала, являющиеся типом микрооптического устройства, также могут использоваться для оптического коммутирования в ROADM в сетях кампуса центра обработки данных.

Термические и надежные соображения

Приемопередатчики центра обработки данных должны надежно работать в течение многих лет при непрерывном использовании, часто при повышенных температурах. Микрооптические компоненты могут быть чувствительны к изменениям температуры из-за дифференциального расширения и изменений показателя преломления. Конструкторы смягчают это, используя конструкции , которые сочетают два материала с противоположными кривыми температуры индекса, или путем установки оптики на носители, изготовленные из того же материала, что и корпус приемопередатчика (например, нержавеющая сталь или нитрид алюминия).