有源光缆(AOC)产品是衡量一个光器件厂商实力的重要标志。AOC由两个光电收发器和光纤跳线组成，从一端进入的电信号经过光模块转换成光信号，由耦合处理进入光缆后，光信号到达另一端再转变为电信号。

对于AOC的设计主要分为光路设计、电路设计、可靠性设计等，并且随着速率的提升, AOC面临着越来越多的技术难题。

那么AOC的设计过程中，如何改善这些问题？具体需要注意什么呢？本文主要从光学设计和电路设计两部分展开介绍。

要想理解高速AOC的设计，首先要能理解VCSEL激光器。

AOC一般采用多模光纤传输，最大传输距离不过几百米，工作波长一般在850nm, 少数在1310nm。目前光电转换接口的方案主要包括垂直共振腔面发射型激光技术(VCSEL)和硅光子学技术，在VCSEL技术方案上，业界研究较为广泛。

VCSEL激光器

VCSEL激光器是一种化合物半导体有源器件。

主要由多量子阱(MQW)有源层构成的光学腔和上下两组高反射率的分布反馈布拉格反射镜(DBR)组成，通过激光器的driver产生bias电流产生"0"和"1"的脉冲。

VCSEL相比于其它光源的优点

▶ 体积小；

▶ 价格低廉；

▶ 单纵模输出；

▶ 阈值电流小；

▶ 圆形输出光斑；

▶ 易集成为大面积阵列；

▶ 目前与多模光纤的耦合效率超过90%。

VCSEL激光器不仅在AOC设计上应用广泛，更将应用到3G传感等其他领域。

然而随着VCSEL调制速率的提高，多模光纤的传输带宽遇到了瓶颈，传统的VCSEL方案也因氧化孔径问题导致器件良率变低，可靠性成为一大隐患。

根据不同的解决方法，需要有不同特性的VCSEL来与之相匹配。采用PAM4调制方式来传输信号，要求VCSEL需要有相当宽的动态调制范围；高速调制的时候, VCSEL方案的脉冲信号下降时间普遍高于上升时间，导致了高速应用的受限，这就需要改善下降沿“拖尾”的问题。

◮VCSEL激光器原理示意图

最近业界在VCSEL上的处理方法是：在探测器上增加了一个吸收层，快速吸收光子，改善下降沿，脉冲信号的下降时间大大缩短；另外结合DBR的相关特性改善了产生和放大光子的过程。这在速率提升的情况下有效提升了发光效率。

VCSEL激光器是有源光缆设计中的最重要部分，易飞扬(Gigalight)不生产VCSEL, 但是与全球VCSEL芯片供应链保持着密切的合作关系，不管是采用同轴封装还是COB工艺，相关成本都优化到接近临界的状态。

◮基于VCSEL的波分复用方案示意图

在AOC的光学设计上，除了VCSEL激光器，光纤耦合也是重要的设计部分。

AOC常用的光纤耦合方式是在激光器和光纤之间增加45°棱镜来实现，角度误差一般要求在0.1°以内，耦合过程中要能保证激光器、棱镜、光纤的光轴中心在一条直线上。易飞扬(Gigalight)的工程师们高度重视对光纤耦合部分的研究，开发了并行光耦合精密器件封装平台，解决了VCSEL阵列和PD阵列在单模和多模条件下的高效并行光耦合问题。

◮易飞扬(Gigalight)FA 45度耦合光引擎专利示意图

光学引擎的组成

▶ 激光器阵列

▶ 探测器阵列

▶ 光纤阵列

▶ 相关的驱动电子线路

国内光学引擎技术面临极大挑战，核心激光器被少数国际大厂商垄断，价格不菲，且激光器的驱动和限幅放大芯片之间焊接技术也影响着制成效率，制约着国内厂商的大幅推广。

在光引擎方面，易飞扬(Gigalight)一直走在行业的前沿，这是不容置疑的。对于面向未来的高速200G/400G VCSEL光模块，易飞扬(Gigalight)会引用同一个技术架构和同一套工艺平台，平台间互相渗透，确保多模平行光模块的核心光引擎部件PAM4调制的200G/400G光模块发展，仍能显示其优越性。

高速有源光缆AOC的电路设计主要体现在信号完整性设计上。

将信号完整性设计深入地融入到产品开发尤其是高速PCB设计中，最终为产品设计提供优化的解决方案，已经成为产品成功的关键一环。必须有针对性的设定参数值，进行全面的系统及仿真，然后再去制作硬件。这样才有可能做出鲁棒性能好的产品，并尽快推向市场。

准确地进行高速数字电路系统信号完整性的分析和设计，是目前国际上尚未很好解决的难题，超宽频（从直流一直到微波毫米波）的快变信号，加上纵横交错的超细微互连封装结构（不均匀、不连续、三维立体互连等）则更缺乏广泛深入的研究。

◮200G/400G AOC产品的PCB板上布满了元件，这给设计师带来了巨大挑战

在200G/400G有源光缆的设计过程中，由色散效应、不连续性等导致的串音干扰、信号畸变，由超细微互连结构带来的大传输损耗，以及以多激励、多负载、多I/O数为特色的大型复杂网络的电磁仿真问题仍未得到很好的解决。

举个实例说明，工程师进行信号完整性设计时会用到Serdes系统，如上图所示。

Serdes系统的组成

▶ 发送机

▶ 接收机

▶ 传输通道

发送机负责将并行的多路信号串化为单路信号，并将信号，并将信号送入传输通道。

接收机则负责接收串行信号，并将其解串化为多路信号。

由于传输通道存在趋肤效应和介质本身的损耗，传输通道往往表现出低通特性。频率较低时，通道损耗主要由趋肤效应决定；频率较高时，通常介质损耗起主导作用。

除了分析损耗问题，工程师们还得分析频率响应等其他参数，尤其是在设计引入PAM4调制的200G/400G AOC产品，码间干扰导致信号的眼图闭合，这就得考虑均衡的技术。QSFP-DD方案下的AOC封装尺寸很小，激光器driver, DSP芯片等大功耗器件常常会有散热方面的设计难题。

另外，在所有的电路设计问题中，电磁兼容问题最为重要。AOC产品优于DAC产品的一大重要原因就在于光纤是没有电磁干扰的，所有高频的EMI信号直接在AOC的模块部分进行处理。

所有以上列出的问题只是说明信号完整性设计不是一个简单的工作，这是一个充满挑战的过程，工程师们必须充分依靠自己的直觉能力处理一个个可能出现的问题。

某公司有一个著名的警句：“设计师可以分为两类，一类已经遇到了信号完整性问题，另一类即将遇到信号完整性问题。”产品设计人员将一个产品投入市场只有一次机会，所以该产品必须第一次就能成功运行。如果在产品设计周期中不能尽早确定和消除信号完整性问题，产品的研制就可能失败。

高速有源光缆的设计远远不止这些，比如可靠性的热设计、封装设计等都是非常重要的环节。本文只是管中窥豹，并不系统。易飞扬(Gigalight)高度重视光学设计和信号完整性设计，并且在可靠性设计上投资力度日益增大，我们将依托在传统AOC平台上的优势，加大在研发、品质部门的资金投入，真正成为一家设计型的创新公司。

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