云計(jì)算環(huán)境下的有源光纜耦合工藝優(yōu)化

趙關(guān)寶，張傳棟，孫 權(quán)

（江蘇亨通光網(wǎng)科技有限公司技術(shù)二部，江蘇蘇州 215200）

云計(jì)算環(huán)境下的有源光纜耦合工藝優(yōu)化

趙關(guān)寶，張傳棟，孫 權(quán)

（江蘇亨通光網(wǎng)科技有限公司技術(shù)二部，江蘇蘇州 215200）

AOC（有源光纜）耦合效率對(duì)云計(jì)算環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸性能有著重要影響。文章針對(duì)云計(jì)算環(huán)境下AOC耦合效率低于75%展開(kāi)研究，通過(guò)COB（板上芯片）技術(shù)，對(duì)目前AOC的生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，所得多模粘裝精度為±5μm，光損耗＜1 dB，耦合效率＞90%。對(duì)該工藝下的VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）位置進(jìn)行了分析計(jì)算，首次得到VCSEL到光纖陣列的最大距離為117.68μm。結(jié)果表明，所采用的COB技術(shù)與45°反射面光纖耦合工藝能夠滿足低成本高效率的生產(chǎn)要求，提高了AOC的耦合效率，為大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的進(jìn)一步研究提供了思路。

云計(jì)算；有源光纜；板上芯片；耦合效率

0 引 言

在云計(jì)算環(huán)境下，信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)傳輸模式提出了更高要求。而目前廣泛使用的10/40Gbit/s DAC（直接連接）銅纜，因具有損耗與重量大、傳輸距離短、EMI（電磁干擾）抗擾度差和抗彎曲性差等特性，已成為云計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。為此，許多學(xué)者提出了很多解決模型和方法［1-2］，但都是基于過(guò)程的定性解決方法［3-4］。云計(jì)算具有數(shù)據(jù)密集與傳輸密集的特點(diǎn)，隨著人們對(duì)AOC（有源光纜）的不斷了解，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝的研究與改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)40Gbit/s AOC在7m以上的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境中具備不可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括體積更小、重量更輕、更容易彎曲、更容易管理和信號(hào)傳輸距離更長(zhǎng)等。同時(shí)對(duì)生產(chǎn)工藝的不斷熟悉，可以形成進(jìn)行定量高效率AOC加工的知識(shí)庫(kù)，以滿足低成本高效率的定量生產(chǎn)要求。

本文在構(gòu)建云計(jì)算數(shù)據(jù)中心傳輸模型時(shí)，采用了面向云計(jì)算服務(wù)的40Gbit/s QSFP（四通道小體熱插拔封裝）+AOC方案。為使云計(jì)算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸容量更大，損耗更小，EMI抗擾度更強(qiáng)，提出了面向云服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁OC加工體系，該體系采用COB（板上芯片）工藝，實(shí)現(xiàn)了低成本高效率生產(chǎn)要求，通過(guò)定性分析得知多模耦合精度為±5μm，能夠保證耦合效率。

提出了一種更為簡(jiǎn)單高效且可靠的光纖耦合工藝技術(shù)，對(duì)光纖陣列耦合端面進(jìn)行45°角切割，用于將激光反射至光纖的纖芯中，并首次對(duì)45°反射面工藝的耦合效率進(jìn)行分析計(jì)算，得出總耦合效率接近90%。同時(shí)，對(duì)該工藝下的VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）位置進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)VCSEL的范圍也給出了定量的計(jì)算結(jié)果，首次得到VCSEL到光纖陣列的最大距離為117.68μm。該工藝制作的AOC具有高帶寬、低損耗、無(wú)串?dāng)_和匹配及電磁兼容問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)，滿足低成本高效率的生產(chǎn)要求，對(duì)AOC的研發(fā)生產(chǎn)有一定的借鑒作用。

1 云計(jì)算環(huán)境的AOC

大數(shù)據(jù)云計(jì)算環(huán)境下的AOC按照未來(lái)趨勢(shì)主要可分為三類(lèi)：第一類(lèi)為光收發(fā)模塊類(lèi) ，目前主要速率有10、40、100和400Gbit/s；第二類(lèi)為超高清互連類(lèi)，主要速率有1.25、10.2和18Gbit/s；第三類(lèi)為超高速分布部署類(lèi)，主要速率有1.25、2.5和5Gbit/s。

（1）光收發(fā)模塊類(lèi)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上光收發(fā)模塊類(lèi)AOC外接口與封裝體現(xiàn)形態(tài)以SFP（小體熱插接口）、MPO（多芯光纖連接器）和LC（朗訊連接器）為主，主要包括光收發(fā)一體類(lèi)和光收發(fā)分支類(lèi)。光收發(fā)一體類(lèi)包括3種型號(hào)：1×10Gbit/s SPF+AOC、4×10Gbit/s QSFP+AOC和12×10Gbit/s CX《《》》P（十二通道小體積熱插拔封裝）AOC；光收發(fā)分支類(lèi)也包括3種型號(hào)：40Gbit/s QSPF+to 4×SFP+、40Gbit/ s QSFP+to 8×LC connector和120Gbit/s CXP to 3×QSFP+。

該類(lèi)AOC的主要技術(shù)集中在光電耦合上，應(yīng)用場(chǎng)景主要為設(shè)備擴(kuò)容互聯(lián)、服務(wù)器并發(fā)互聯(lián)和云節(jié)點(diǎn)機(jī)房。

（2）超高清互連類(lèi)

超高清互連類(lèi)AOC外接口主要以HDMI（高清晰度多媒體接口）-19針規(guī)格體現(xiàn)，是解決長(zhǎng)距離視頻傳輸?shù)睦硐敕桨?，能提供高質(zhì)量、實(shí)時(shí)和長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸，方便與所有的HDMI信號(hào)連接器相連并能享受高質(zhì)量的顯示，主要用于播控中心、視頻互傳和視頻基地。

（3）超高速分布部署類(lèi)

超高速分布部署類(lèi)AOC是由一段兩端分別內(nèi)置于USB（通用串行總線）3.0接頭的光纜與光收發(fā)模塊耦合而成的光器件，應(yīng)用場(chǎng)景主要以核心節(jié)點(diǎn)外掛分布節(jié)點(diǎn)設(shè)備星狀互聯(lián)或小節(jié)點(diǎn)設(shè)備擴(kuò)容間互聯(lián)為主，該器件相對(duì)日常使用的USB2.0數(shù)據(jù)線傳輸距離更遠(yuǎn)、可靠性更好?？捎糜跀?shù)字家庭影院、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、數(shù)字標(biāo)牌、電視墻以及零客戶端連接等。

2 COB工藝

圖1所示為COB工藝下AOC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。COB的布局可以改善集成電路信號(hào)性能，因?yàn)樗鼈內(nèi)サ袅舜蟛糠只蛉糠庋b，即去掉了大部分或全部寄生器件。在所有這些設(shè)計(jì)中，由于有引線框架片或BGA（焊球陣列封裝）標(biāo)志，襯底可能不會(huì)很好地連接到VCC（雙極器件電源電壓）或地，存在CTE（熱膨脹系數(shù)）問(wèn)題以及不良的襯底連接。

圖1　AOC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)并行光模塊的產(chǎn)品方案都是基于VCSEL陣列和光纖陣列耦合方案，采用COB工藝實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的生產(chǎn)要求。該工藝中，芯片的貼裝精度直接影響光耦合的效率。在PCB（印刷電路板）上，選擇軸心（芯片裝貼標(biāo)準(zhǔn)位置）為坐標(biāo)原點(diǎn)，圖2所示為芯片貼裝位置水平、垂直偏離軸心距離的數(shù)據(jù)分析對(duì)比。由圖可知，多模耦合精度為±5μm，光損耗＜1dB，耦合效率＞90%。

圖2　芯片貼裝位置偏離軸心距離數(shù)據(jù)對(duì)比

3 AOC耦合位置及效率

通過(guò)研究可知，當(dāng)光纖和VCSEL直接耦合時(shí)，其最大耦合效率ηmax的理論值為［1］

式中，P為進(jìn)入OM3光纜的光功率；Po為VCSEL發(fā)出的光功率；ωy為VCSEL高斯光束的腰寬；θc為VCSEL激光入射角度；λ為VCSEL的波長(zhǎng)。當(dāng)λ取850nm，θc取8°時(shí)，得到ηmax與ωy的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3　ηmax與ωy的關(guān)系曲線

3.1VCSEL與光纖耦合光路

為了提高AOC的耦合效率，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，將光纖的端面磨成45°的斜面，以達(dá)到光路90°轉(zhuǎn)換的目的，研究光束到達(dá)纖芯時(shí)的發(fā)散角是否存在角度匹配。

圖4所示為VCSEL發(fā)出的光與光纖耦合示意圖。圖中，A0為VCSEL中心光束到達(dá)纖芯的位置（即纖芯中心）；光線1、3為VCSEL最大散射角δ的光線，最大入射角分別為θ10和θ30，所對(duì)應(yīng)的折射角分別為θ11和θ31，到達(dá)纖芯的位置分別為A1和A3，入射光線與鍍膜面的夾角分別為θ13和θ33；入射光2 在45°面上發(fā)生全反射，其入射角θ23為45°面的臨界角，入射光2經(jīng)過(guò)包層、纖層兩折射面時(shí)入、折射角分別為θ21和θ22，在纖芯的位置為A2。

圖4　耦合示意圖

根據(jù)折射定理，對(duì)于光線1～3分別有

式中，n0為光在空氣中的折射率。結(jié)合VCSEL的特點(diǎn)，其發(fā)射光為錐形光束，最大散射角為10°，即θ10=θ30=10°；AOC一般采用萬(wàn)兆級(jí)光纖OM3之300型，即n0=1，有效群折射率n1=1.482，n2= 1.457，有

由上述分析可得到以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）多模光纖的孔徑角小于VCSEL光束散射角，會(huì)造成多模光纖與VCSEL的角度失配。

（2）當(dāng)光線通過(guò)45°反射之后，在纖芯內(nèi)的光線最大發(fā)散角可認(rèn)為等于2θ12，即2θ12小于多模光纖的孔徑角。

（3）在纖芯內(nèi)的光束等效于從反射膜右側(cè)VCSEL的像發(fā)出，VCSEL發(fā)出的光進(jìn)入包層，散射角被壓縮后能夠與光纖耦合角度相匹配。要使全部的光耦合入光纖內(nèi)，取決于VCSEL與光纖的距離。

3.2光纖耦合效率計(jì)算

結(jié)合圖4的光路，可知

根據(jù)折射定律有

將式（5）代入式（6）～（9）中，并結(jié)合圖4進(jìn)行比較，可以得到以下結(jié)論：

（1）在VCSEL的最大發(fā)散光1和臨界發(fā)散光2之間的光將在45°面上發(fā)生全反射。

（2）能發(fā)生全反射的光占VCSEL所發(fā)出的光的比例為

除了能發(fā)生全反射的這部分光外，還有未發(fā)生全反射的光，其反射光能進(jìn)入光纖內(nèi)，對(duì)VCSEL與光纖的耦合效率產(chǎn)生影響。假設(shè)光線4為臨界發(fā)散光2與最大發(fā)散光3之間的一束光線，如圖5所示。

圖5　45°面上的折射與反射光束

由菲涅爾公式得到入射光中s分量和p分量的反射率分別為

在該45°反射面上的反射率為

結(jié)合以上分析，光線2與3之間光線的反射率為

在光線2與3之間的區(qū)域內(nèi)，反射光占該區(qū)域光束的比例為

代入?yún)?shù)，得到η1=76.5%，η2=8.4%，總耦合效率為η=η1+η2=84.9%。

3.3VCSEL的位置計(jì)算

由圖4可知，假設(shè)A1A0=r1，A0A3=r2，由幾何關(guān)系可得

式中，l為VCSEL發(fā)光點(diǎn)到光纖的距離。結(jié)合式（2）～（5）可知，VCSEL與光纖耦合的最大工作距離lmax為

代入數(shù)據(jù)可得lmax=117.63μm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了云計(jì)算環(huán)境下AOC的相關(guān)特點(diǎn)和制作工藝，對(duì)目前AOC的生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)COB技術(shù)，得到多模粘裝精度在±5μm，光損耗約為0.5dB，耦合效率大于90%。同時(shí)對(duì)該工藝下的VCSEL位置進(jìn)行了計(jì)算，首次得到VCSEL到光纖陣列的最大距離為117.68μm；使用光纖陣列45°角切割耦合端面，首次得到耦合工藝效率約為85%。結(jié)果表明，所采用的COB技術(shù)與45°反射面光纖耦合工藝能夠滿足低成本高效率的生產(chǎn)要求，提高了AOC的耦合效率，為大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的進(jìn)一步研究提供了思路。

［1]白春.高速有源光纜的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011：8-25.

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Optimization of AOC Coupling Processbased on Cloud Computing

ZHAO Guan-bao，ZHANG Chuan-dong，SUN Quan
（Dept.of Technical，Hengtong Optical Network Technology Co.，LTD.，Suzhou 215200，China）

The coupling efficiency of Active fiber Optical Cable（AOC）has an important effect on the performance of data transmission in the cloud computing environment.This paper carries out the study on the case when the coupling efficiency of the transmission medium AOC is lower than 75%.We first optimize the production process for current AOC by the COB technology.After the optimization process，the multimode sticky installation accuracy is within±5μm，and the optical loss can be controlled within 1dB，and the coupling efficiency can be ensured more than 90%.Then，we analyze and calculate the position of the VCSEL by the processes，obtaining the maximum distance from the fiber array to the VCSEL is 117.68μm for the first time.The results show that the COB technology and the 45degree reflective surface optical fiber coupling process can achieve the requirements of low cost and high efficiency with improved coupling efficiency of AOC.The result in this paper can provide a way for the further study on big data and cloud computing.

cloud computing；AOC；COB；coupling efficiency

TP393

A

1005-8788（2016）02-0047-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.015

2015-10-20

江蘇省科技廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（15F0102）

趙關(guān)寶（1986-），男，山西偏關(guān)人。工程師，碩士研究生，主要從事光通信器件與非線性光學(xué)的研究。