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光互连如何小型化?行业资讯

2022-09-15 03:02:34

光纤连接器不断往小型化发展……

光纤连接器的趋势包括新的和更小设计的激增,据 NTT 称,光纤连接器标准化活动是国际电工委员会 (IEC) 最活跃的领域之一。截至 2021 年 2 月,IEC SC 86B(光纤互连器件和无源元件)在 IEC 中发布的文件数量仅次于 TC 61(家用电器安全),在工作中的文件数量仅次于 TC 82(光伏电源)一代)。

本文将回顾无源和有源光连接器的缩小,研究与更高带宽光互连和共同封装光学相关的发展,并在此过程中回顾该领域大规模标准化活动的一小部分。

从广义上讲,光纤连接器由两种相互关联的技术组成,连接器光接口和光纤连接器接口,两者都是独立小型化努力的重点(图 1)。连接器光学接口在物理连接中对齐并粘附在纤芯上。套圈用于对齐纤芯,并且有一些标准规定了光纤芯粘附所需的套圈尺寸。套圈封装在连接器外壳中,连接器外壳包括将两侧压在一起的弹簧。光纤连接器接口标准规定了连接器外壳所需的尺寸和弹簧力。

连接器

图 1:光纤小型化集中在两个领域,连接器光学接口 (a) 和光纤连接器接口 (b)。

直到最近,带有 2.5 毫米插芯的 FC 型连接器还是最常见的光纤连接器。它正在被 SC和 LC连接器所取代。SC连接器也有一个 2.5 毫米的套圈,但是用闩锁式连接代替了 FC 连接器的螺钉连接,以简化和加快部署。较新的 LC连接器也使用闩锁式连接,但具有 1.25mm 套圈以支持不断增加的互连密度。FC、SC 和 LC 连接器均符合 IEC 标准。

最新的开发成果之一是一种光学连接器,其尺寸仅为 LC 连接器的十分之一,并且在组装时不需要接头托盘,同时还提供了良好的热性能(图 2)。它提供多种连接方式,设计用于高密度 5G 电话、医疗系统和光纤传感设备。它目前处于 IEC 标准化过程中。

连接器

图 2:一种仅为标准 LC 连接器十分之一的光学连接器

有源光缆

有源光缆 (AOC) 通常用于数据中心和 InfiniBand 等高性能计算网络。AOC 是两个或多个具有互连光纤电缆的可插拔电子模块的预制组件。通过集成电子和光纤,减小了整体解决方案的尺寸,提高了性能。一些实施方式可能在电缆的一端具有单个模块,而在另一端具有多个模块。例如,AOC 的一端带有一个 100 Gb/s 模块,另一端馈入四个单独的 25 Gb/s 模块,使四台服务器能够连接到一个交换机端口。光接口被 IEEE 称为物理介质相关 (PMD) 层,通常由 IEEE 802.3 以太网标准定义。

然而,提供符合 SAS 2.1 (6Gb/s) 和 SAS 3.0 (12Gb/s) 行业标准的 Mini AOC,以及适用于 SAS 的 SFF-8449 管理接口、屏蔽电缆、SFF-8636 通用管理接口和SFF-8644 微型多通道屏蔽集成高密度连接器接口标准,全部来自存储网络行业协会(图 3)。

Mini AOC 设计用于企业存储系统中的高密度 I/O 应用,例如盒对盒、服务器到交换机、服务器到存储等。它们支持 PCI Express Gen3 (8Gb/s) 应用,可以以高达 48Gb/s 的总带宽运行,并且能够使用多模光纤传输长达 100 米。

连接器

图 3:Mini AOC 可满足存储网络行业协会的多项标准。

连接超级计算机

垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 技术被用于构建具有超快传输能力并符合 4 类四通道小型可插拔 (QSFP+) 功耗要求的AOC(图 4)。虽然这些 AOC 不一定更小,但它们以相同的外形尺寸提供更高的带宽,有效地缩小了整体解决方案的尺寸。它们在每端有四个 HDR 收发器,100Gb/s HDR100 (2x 50G-PAM4) 以 100Gb/s 的速度交叉连接。这使得仅使用四个交换机端口和一个 AOC 即可链接四个交换机,而不是使用四根单独的电缆和八个交换机端口。这些 AOC 设计用于具有严格性能要求、超过以太网 AOC 行业标准的超级计算机,可支持短程、中程和远程可扩展性和各种互连拓扑,具有高信号完整性和可靠性。它们支持高达 100m 的四倍数据速率 (QDR) 和 FDR10 (40G)、FDR (56G)、EDR (100G),以及高达 150m 的 HDR (200G) 和 NDR (400G)。

连接器

图 4:基于 VCSEL 技术的 AOC 为超级计算机应用提供超快的传输速度。

共同封装的光学器件

为了解决超级计算机和云数据中心的下一代带宽和功率挑战,重点是用更高密度和更高速度的联合封装光学 (CPO) 替换 AOC(图 5)。CPO 是在单个封装基板上光学和硅的先进异构集成。CPO 将融合光纤、数字信号处理 (DSP)、开关 ASIC 和新的封装技术。今天的连接器光接口和光纤连接器接口将被单一的紧凑和高性能的集成互连结构所取代。

连接器

图 5:正在开发 CPO 以取代当今的 AOC,并实现更高密度和更高速度的互连。

实施后,CPO 有望带来诸多好处,包括:

l 机架密度增加 50%

l 更高的带宽密度

l 高达 500 Gbps/mm 芯片边缘

l 多达 64 根单模光纤连接到单个芯片

l 功率降低 30% 或更多

l 互连功率 <1 pJ/bit

l 系统热管理处理能力超过 100 W/cm2

l 每比特光学成本降低多达 40%

l 集成硅光子学的使用有望实现大批量制造

l 更高的可靠性和运行效率

联合封装光学联合开发基金会 (CPO JDF) 的成立旨在为行业提供最终用户指导和建议,以开发开放式规范,以实现高度集成的光学元件的系统集成。

CPO JDF 为 3.2 Tb/s CPO 收发器模块定义了技术规范,该模块有望成为支持低功耗 51.2Tb/s 交换机的构建块,在交换机 ASIC 边缘周围排列有 16 个模块。CPO JDF 提出了两种开发 3.2 Tb/s CPO 收发器的方法,一种基于 400GBASE-DR4(总共 32 个 Tx/Rx 光纤对),另一种基于 400GBASE-FR4(8 个 Tx/Rx光纤对)。

预期的 CPO 收发器模块将包括一个数字信号处理器、调制器驱动器和跨阻抗放大器 IC,以及集成硅光子学 (SiPho)。400GBASE-FR4 模块规范包括一个光复用器和解复用器部分,并支持长达 3 公里的双工单模光纤。

此外,400GBASE-FR4 模块将提供两个版本;一个带有外部激光源,第二个带有使用 SiPho 的收发器内置的激光二极管。SiPho 配置包括备用激光器,以确保所需的可靠性水平。

CPO 可能不是灵丹妙药

与今天的 AOC 方法相比,CPO 的发展也可能导致一些缺点:

l 连接到交换机的光纤数量越多,将增加从每个 CPO 到前面板和跨网络路由光纤的复杂性,这可能会降低 CPO 互连密度增加带来的一些好处。

l 如果 CPO 发生故障,带有集成 CPO 的交换机可能很难甚至无法修复。在预期的架构中,CPO 开关直接焊接在主板上。如果在连接过程中即使有一根光纤损坏,也必须更换整个 CPO。此外,如果 CPO 在现场发生故障,维修成本将很高,并且可能会抵消任何预期的成本效益,从而增加数据中心的运营成本并降低其可用性。

总结

连接器标准化是 IEC 最活跃的领域之一。对于连接器光接口和光纤连接器接口,正在追求光纤互连的小型化。结果之一是标准光连接器中的 2.5mm 套圈被 1.25 毫米套圈取代。下一代设计正在生产中,但尚未标准化,它将这些互连的尺寸减小了 10 倍。有源光学互连也正在经历一个小型化过程,预计这将导致 CPO 技术的发展,该技术将提供 50机架密度增加 %,功耗降低 30%,有效成本/位降低 40%。

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