用于下一代数据中心交换机的90度弯折二维光纤阵列

逍遥设计自动化

引言
# c+ f' `9 b0 P1 r" |随着数据中心传输容量的不断增长，功耗问题日益突出。光电共封装技术通过在单一器件中集成电路和光学功能，为降低功耗提供了解决方案。通过将硅基光电子芯片靠近交换芯片ASIC放置并缩短电互连距离，可在保持数据传输速率的同时实现功耗降低[1]。
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) v. c6 [$ _4 `/ w1 X0 R图1：CPO交换机概念和2D-FBGE实现的示意图。该图展示了在空间受限环境下光学组件如何实现高效耦合。

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系统要求和技术挑战
在现代数据中心应用中，CPO交换机需要支持大带宽传输。一个典型的支持6.4 Tb/s带宽的CPO模块需要64根单模光纤(SMF)用于双向传输，以及8根偏振保持光纤(PMF)用于外部光源连接。这种配置在空间限制和耦合效率方面带来了显著挑战。

% S8 q. q& y9 D2 O  p7 Z; r0 D光互连组件(OIC)必须在严格的尺寸限制内工作 - 最大宽度为16毫米，高度不超过6毫米。传统的使用0.25毫米间距的一维光纤阵列仅能实现4根光纤/毫米的密度，无法满足每毫米4.5根或更高的密度要求。这促使研究人员开发更先进的封装解决方案。

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图2：偏振光显微镜图像对比机械弯折与无应力弯折，显示不同弯折技术如何影响光纤中的应力分布。
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$ S1 ~' P4 Q6 x光纤弯折技术创新
无应力弯折(SFB)工艺的开发代表了光纤操控技术的重大突破。当直径为125微米的光纤以2.5毫米的半径进行90度机械弯折时，弯折应力超过1.8 GPa，预计在五年内破裂概率达到100%。SFB工艺通过从根本上改变光纤内的应力分布，实现了可靠的小半径弯折，同时保持光纤的光学特性。
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4 W2 X) [( o/ v0 s! A图3：偏振消光比(PER)在0度和90度方向上随弯折半径的变化关系，展示了弯折PMF在不同弯折半径下的性能特征。
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2D-FBGE技术实现
二维FlexBeamGuidE (2D-FBGE)在光纤阵列技术方面实现了创新。该系统通过将72根光纤排列成12根光纤×6排的配置（间距为0.25×0.30毫米），实现了24根光纤/毫米的密度，大大超过了传统一维阵列的能力，同时保持出色的光学性能。

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图4：72根光纤2D-FBGE的示意图，显示了包括光纤保护层和MT光纤连接器在内的完整组装结构。
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图5：2D-FBGE的端面视图，展示了高密度配置下的精确光纤排列。
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% K- M$ Q+ f/ _; m! Q0 ^8 T4 L7 f性能特征
2D-FBGE在多个关键参数上展现出优异性能。插入损耗测量结果显示，所有通道的值均低于0.5 dB，平均值为0.33 dB。芯位置误差测量显示出极高的精度，平均误差为0.5微米，97百分位值为1.4微米。这种精确对准在与硅基光电子芯片接口时实现了最小的耦合损耗。
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- N$ G6 z! h- w/ r图6：插入损耗测量结果，显示所有通道的一致性能。

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( X# i/ l. L1 L图7：芯位置误差测量结果和光栅耦合器的估计耦合损耗，展示了光纤对准的精确度。
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图8：PER测量结果，展示了所有通道的高偏振保持特性。
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! j: @* }' u8 l$ ~* ]# x! n所有PMF通道的偏振消光比(PER)测量值均超过20 dB，确保了优异的偏振保持特性。整体高度为5.5毫米，满足现代CPO模块的严格空间限制，同时实现了24根光纤/毫米的密度要求。
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可靠性测试
) @% M  g! H1 N- d2D-FBGE的可靠性已通过全面的环境测试得到验证。器件经历了从-45°C到85°C的100次温度循环测试，以及在85°C、85%相对湿度下进行的100小时湿热测试。此外，还进行了110°C下168小时的延长高温测试，模拟了靠近交换ASIC工作的情况。在所有这些严格测试中，2D-FBGE保持了结构完整性和光学性能，没有出现光纤破裂或性能退化。

4 C  E/ ^" M* H4 q1 t7 N这种光纤阵列设计方法为下一代数据中心交换机提供了新的技术支持。2D-FBGE技术成功地结合了高密度、优异的光学性能和可靠性，适用于现代数据中心应用中的表面耦合型CPO模块。

参考文献
[1] T. Kumagai, H. Kitao and T. Nakanishi, "Two-Dimensional Optical Fiber Array with 90-Degree Bend for Next-Generation Datacenter Switches," SUMITOMO ELECTRIC TECHNICAL REVIEW, no. 96, pp. 25-29, April 2023.
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