利用定时技术突破光模块的性能极限
5G 网络的部署将使通信取得巨大进步——带宽增加 10 倍，延迟减少 50 倍。为了实现如此巨大的改进，多项技术被推动快速发展，包括数据中心使用的设备和组件。光收发器就是一个例子，它负责在数据中心内连接光纤承载的数据并将其转换为电信号。
数据中心和光模块
为了应对数据流量的大幅增长，光模块的传输速率增加了一倍，在某些情况下增加了四倍。 2020 年，100 Gbps 数据速率模块将得到普遍使用。然而，400 Gbps 模块的使用正在迅速增加，800 Gbps 模块目前正在开发中。更高容量的 400 Gbps 和 800 Gbps 网络对光模块及其内部的振荡器提出了更高的要求。与前代产品相比，这些设备必须具有更强大的功能、更密集的设计、更低的每位功耗以及更严格的抖动。
图 1：光模块用于光骨干网的每个点（从前传到回传）以及城域网络和数据中心所需的高数据速率收发器
超大规模数据中心是增加光吞吐量的最大驱动因素之一。 5G需要海量数据的传输和计算。为了适应这一点，数据中心必须采用更高容量的光学模块。然而，数据中心空间有限且扩展成本昂贵，这意味着光学模块必须将其数据速率提高一倍或四倍，同时最大限度地减少额外尺寸。
此外，运行数据中心所需的电力非常大。一些行业专家预计，到 2030 年，数据中心的电力消耗将占全球电力消耗的 8%[1]。光模块有望在几乎不需要额外功率的情况下大幅提高吞吐量。除了其他高带宽数据通信应用之外，数据中心正在突破光模块技术的界限，进而对振荡器技术提出了更高的要求。
图 2：采用 SiTime 低抖动 MEMS 振荡器为 PAM4 重定时器提供时钟的光学模块框图
光模块的作用是将输入的光信号转换为电信号，并将输出的电信号转换回光格式进行传输，而不会引入错误。这就提出了同步两个时域（光网络的时域和主板上的芯片组的时域）的复杂问题。这使得精确定时成为光学模块中最关键的因素之一。负责弥合时序间隙的组件（恰当地称为重定时器）需要一个参考时钟，随着数据速率从 100 Gbps 增加到 400 Gbps 和 800 Gbps，该参考时钟的抖动必须越来越低。
观看视频：光学模块的 MEMS 计时解决方案
随着 400 GB 模块开始部署，参考振荡器的相位抖动变得越来越重要。 RMS 相位抖动通常通过对 12 kHz 至 20 MHz 偏移频率上的相位噪声进行积分来计算。 SiTime 的SiT9501 差分振荡器起始相位噪声仅为 -89 dBc/赫兹，结束时本底噪声为 -170 dBc/赫兹。集成后，严格的相位噪声会转化为 156.25 MHz 时钟频率下 70 飞秒的 RMS 相位抖动。振荡器 RMS 相位抖动量化时钟边沿的变化。驱动光学模块的参考时钟中的 RMS 相位抖动特别重要，因为它会增加通过模块的串行数据流中的抖动，并且如果抖动太大，可能会产生错误。随着吞吐量从 400 Gbps 翻倍至 800 Gbps，信号中的抖动应按比例减少两倍，以保持类似的时序余量。
图 3：SiT9501 MEMS 振荡器（RMS 抖动：70.629 fsec；无杂散）与基于石英 PLL 的振荡器（杂散）之间的相位噪声比较。
计算相位抖动时要考虑的另一个重要因素是相位噪声中是否存在寄生噪声（杂散）。参考图 3，相位噪声图乍一看似乎相当，但仔细观察基于石英的锁相环 (PLL) 振荡器中的杂散就会变得明显。 SiT9501 振荡器的相位噪声没有杂散，导致 RMS 相位抖动仅为 70 飞秒。相反，石英振荡器的总 RMS 相位抖动为 267 飞秒。在不考虑杂散的情况下进行计算时，石英振荡器的 RMS 相位抖动仅为 90 飞秒，这意味着杂散占总抖动的 60%。 SiTime 先进的整数 N PLL 技术可实现严格的相位噪声和更低的抖动，且无杂散。
图 4：具有 2520 振荡器的传统交流耦合 LVPECL 布局（左）和具有集成 LVPECL 源偏置电阻器的 2016 SiT9501 器件布局（右）的占位面积和电流消耗比较。
SiTime 的差分振荡器设计
虽然光学模块致力于将数据速率提高两到四倍，但模块中包含的组件需要在不增加占地面积的情况下实现这些改进。 SiTime 的 SiT9501 差分振荡器是 400 Gbps 和 800 Gbps 设计的最佳解决方案，因为它不需要在性能上做出任何妥协，以实现更小的尺寸，且 RMS 相位抖动仅为 70 飞秒。此外，SiT9501 振荡器（采用 2.0 x 1.6 mm 封装）集成了源偏置电阻，与领先的 2.5 x 2.0 mm 石英振荡器相比，总占地面积减少了 50%。
SiT9501 振荡器还集成了片上稳压器，可过滤电源噪声并提高模块设计中的电源完整性。通过这种集成功能和小封装尺寸来减少时序足迹非常重要，因为超过一半的光学模块被激光器子组件及其相关电子器件消耗，为信号处理和数据路径留下的空间很小。任何节省的空间都允许模块制造商添加其他功能。
为了解决光学模块严格的电流限制问题，取消两个偏置电阻可将交流耦合输出的电流消耗降低 32 毫安。 SiT9501 还引入了 FlexSwing™ 技术，该技术独特地支持在工厂对差分电压摆幅进行自定义编程，以满足任何芯片组的差分输入摆幅要求。 FlexSwing 允许工程师适应具有非标准电压波动的低压芯片组。通过匹配芯片组的精确需求，可以消除典型的端接，通过直流耦合 LVPECL 输出将功耗降低高达 16 毫安。
在新兴技术的推动下，光模块向 400 Gbps 和 800 Gbps 数据速率的演进要求在不增加尺寸和电流消耗的情况下实现性能飞跃。这反过来又促使振荡器变得更加节能、占用更少的空间并提供更低的抖动。凭借集成偏置电阻器和可编程电压摆幅等创新，SiTime 的 SiT9501 差分振荡器减少了总占地面积和电流消耗，并且 RMS 相位抖动仅为 70 飞秒。 SiTime MEMS 振荡器提供了一种创新的定时解决方案，可以满足光学模块制造商的需求，这些制造商必须快速扩展性能以支持网络设备的快速发展。
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参考：
[1] 尼古拉·琼斯。 “如何阻止数据中心吞噬世界电力。” 《自然新闻》，自然出版集团，2018 年 9 月 12 日， www.nature.com/ articles/d41586-018-06610-y。
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