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技术文章
古河QSFP形态 ELS设计: 带尾纤QSFP形态如何落地
点击次数：1223 发布时间：2026/1/22 18:04:50
在 housing=55℃ 条件下，QSFP ELS 实现：
8×20 dBm（总0.8 W）
整机功耗 5.6 W
模块级 PCE 14.3%
并且装入壳体后温升仅 case-housing ≈ 0.7℃，功耗计算与实测一致。
4. 8通道 TOSA 的特性
4.1 实物结构
图8给出 8 通道 TOSA 的实物照片。基板左侧通过 FPC（柔性电路板）与各通道 LD/PD实现电连接；基板右侧 8 根 PMF（保偏光纤）从 TOSA 的铝盖处引出。尾纤处有胶水保护。
4.2 光功率与电流特性——耦合效率与工作电流的稳定性
图9展示了 case=25℃ 与 55℃ 下，8 通道光纤耦合输出功率随 LD 偏置电流变化的曲线。结果表明：
无论 case 温度如何变化，耦合效率保持在 80%–85% 的一致水平； 在 case=25℃ 与 55℃ 下，实现 20 dBm（100 mW） 的偏置电流均可做到 <300 mA，低于此前预估的 350 mA。
为什么<300 mA很关键？（这句话直接与模块功耗 5.6 W强相关）
模块级功耗里有一大块来自供电链路：3.3 V → DC/DC → LD bias。当达到目标光功率所需电流更低时，意味着：
1）LD 本体电功耗更低（I 降了，I·V 自然下降）；
2）DC/DC 的输出功率需求更低，转换损耗也跟着下降；
3）在 APC（恒功率）模式下，为补偿温漂所需的电流裕量更充足，更容易在 55℃ 仍把整机功耗压在 5–6 W 量级。
换句话说：这是 14.3% 模块级 PCE 能成立的先决条件之一。
4.3 光谱与单纵模质量——波长与 SMSR
图10给出所有通道的实测光谱：
各通道波长满足 CWDM4 波长要求； 各通道 SMSR > 50 dB，说明谱线干净，有利于降低串扰与噪声劣化风险。
4.4 TOSA 级 PCE
在 case=55℃ 下，该 TOSA 可实现全通道均达到 20 dBm 的光纤耦合输出，总光功率为：
Popt_total = 8 × 100 mW = 0.8 W
同时 TOSA 功耗低至：
Pin_TOSA = 3.7 W
因此 TOSA 级 PCE 为：
PCE_TOSA = 0.8 / 3.7 ≈ 21.2%
提醒：这里的 TOSA 级 PCE 不包含控制/驱动电路与 DC/DC 电源转换损耗；而后续 QSFP ELS 的 模块级 PCE（14.3%）是整机的，两者必须分开对比。
本节一句话结论：TOSA 作为光源引擎，在 55℃ case 下已经做到了高耦合（80–85%）+ 低电流（<300 mA）+ 干净光谱（SMSR>50 dB）+ 高效率（21.2%）；后续任务是：把它装进 QSFP 后仍然守住这些输入条件，并把系统损耗压到足够低，让模块级 PCE 站得住。
5. Pigtailed-QSFP ELS 的结构与设计要点
5.1 线缆与 MPO 端：PMF 慢轴如何定义、如何对准？
他们在 MT/MPO 端面建立两个参考线：
Target line（目标线）
穿过导针孔中心的连线（机械参考） Alignment line（对准线）
穿过 PMF 两处应力区中心并经过纤芯中心的连线（慢轴参考）
通过端面目视旋转每根 PMF，使 alignment line 与 target line 重合，并定义 rotational angle error（目标 <±3°，实测在 0.1–1.6°范围）。
补充：
1、采用业内常用的芳纶压接结构，其抗拉本质是芳纶接管拉力路径，避免拉力传递到裸纤；
BOOT 的限位结构则用于阻断外部弯折/拖拽应力向内传递。
本小节一句话：先建立参考系，再谈 PER 才能量产。
5.2 控制电路：3.3V 供电下怎么省电？
结论先行：模块级 PCE 想高，关键在供电电压贴近需求，减少压差损耗。
作者给出控制电路框图，其中省电关键在 DC/DC：
ELS 供电为 3.3 V DC/DC 将电压降到接近 LD 所需的最大偏置电压 在较小压差下提供所需偏置电流（文中提到可支持到 500 mA 级）
控制方式上：
ACC（恒流）：简单，但输出易随温度/老化漂
APC（恒功率）：PD 反馈闭环调电流，把输出锁住（更工程量产）
本小节一句话：不是少用电，而是同样输出少浪费。
5.3 散热边界与内部热路径：为什么 housing 温度定义在顶部？
结论先行：在风冷 cage 场景里，QSFP 顶部才是主要散热出口，因此把 housing 温度定义为顶部表面温度是合理的。
图13描述了 air-cooling 环境：QSFP 插入带顶部热沉的 cage 后，
顶部表面与热沉热连接
热量主要经上侧传导并被带走 
为了减小 housing 温度与 TOSA case 温度差异，作者强调：
TOSA 的底面应贴到 QSFP 顶盖内侧（热阻最小）
图14 的热仿真在 housing=55℃、全通道 300 mA 条件下给出：
TOSA case 温升约 0.7℃
文中另提可抑制到 1.4℃
0.7℃可能对应某位置/理想贴合假设
1.4℃更像保守条件（局部最高温升或接触热阻更差的假设）
本小节一句话：热路径短，是无TEC还能在 55℃跑起来的基础。
5.4｜OIF补充资料：把散热变成可检验的机械指标（平坦度/粗糙度）
OIF 协议对与热沉接触的上下表面壳体提出粗糙度与平坦度要求。出光越大（功耗越高），越倾向选 Typical/Enhanced：
工程解释：
平坦度：决定贴不贴得上（宏观翘曲会导致局部不接触）
粗糙度：决定贴上后导得好不好（微观峰谷导致真实接触面积小，需要压力+TIM填谷）
平坦度决定能不能贴上，粗糙度决定贴上后导得好不好
6. 实物与实测结果：装进QSFP后曲线几乎不掉，功耗模型对上实测
6.1 实物与端面结果
图15 给出 pigtailed-QSFP ELS 实物：TOSA + 控制板装入 QSFP，8 路 PMF 输出到 12 芯 MPO。
图16 给出 MT 插芯端面与角度结果：各通道角误差控制在 0.1–1.6°范围，PER 全通道 >20 dB。
PER 本文暂保留结论：当角误差压到 1–2°量级，PER 往往进入底噪主导区，角度与 PER 不再强单调相关。
这个数据初看与之前写的一篇有矛盾（角度越大，PER越小），后面再单独开一篇讲。
6.2 光功率特性：TOSA vs QSFP ELS
图17 给出在 TOSA case=55℃、housing=55℃ 条件下，
QSFP ELS 的光纤耦合功率曲线相比裸 TOSA 仅略低 作者解释为：LD 温度只高出约 0.7℃
两条曲线吻合良好 → 侧证壳内温升确实被抑制（与 图14 仿真一致）
6.3 功耗特性：计算 vs 实测
图18 给出功耗随 LD 偏置电流变化的计算与实测对比，二者吻合良好。
在 housing=55℃、全通道 300 mA 获得 >100 mW（20 dBm） 时：
实测整机功耗：5.6 W
总光功率：0.8 W
模块级 PCE ≈ 0.8/5.6 = 14.3%
本节一句话：图17（热闭环）+ 图18（电闭环）共同把 14.3% 模块级PCE做实。
7. 结论与解读：两层光电转化效率
论文给出两层效率闭环：
TOSA级（光源发动机）
：case=55℃，8×20 dBm，功耗 3.7 W → PCE 21.2% 模块级（可部署 QSFP ELS）
：housing=55℃，8×20 dBm，整机 5.6 W → PCE 14.3%
模块级低于 TOSA级的差值主要来自：
DC/DC 转换损耗
控制/监控电路损耗
系统互连与结构带来的额外损耗
参考文章： 封装与光学
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