5G网络的部署将实现通讯领域的巨大进步-带宽增加10倍，延迟减少50倍。为了实现如此巨大的改进，正在迅速开发各种技术，包括数据中心中使用的设备和组件。一个示例是光收发器，其负责将通过光纤传输的数据连接并转换为数据中心内的电信号。

为了应对数据流量的巨大增长，光模块的传输速率增加了一倍甚至在某些情况下增加了四倍。2020年，通常将使用数据速率为100 Gbps的模块。但是，400 Gbps模块的使用正在迅速增长，目前正在开发800 Gbps模块。具有更高容量的400 Gbps和800 Gbps网络对光模块及其包含的振荡器提出了更高的要求。这些设备必须具有比其前代产品更强大的功能，更密集的设计，更低的每位功率和更严格的抖动。

从前传到回传，光模块在光骨干网的每个点上都使用了城域网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提高光吞吐量的最大驱动力之一。5G需要传输和计算大量数据。为了实现这一点，数据中心必须使用容量更大的光模块。超大规模是指硬件和设施的完整组合，可用于将分布式计算环境扩展到多达数千台服务器。超大规模是指在计算中实现大规模扩展—通常用于大数据或云计算。超大规模基础架构旨在实现水平可伸缩性，并允许高水平的性能，吞吐量和冗余，从而确保了容错能力和高可用性。大规模可扩展的服务器体系结构和虚拟网络通常用于超大规模计算。

操作数据中心所需的能源巨大且扩展成本昂贵。一些行业专家预计，到2030年，数据中心将占全球用电量的8％。光模块有望在不增加额外功耗的情况下显着提高吞吐量。除了具有高带宽的其他数据通信应用之外，数据中心还扩展了光模块技术的局限性，并且从更广泛的意义上讲，对振荡器技术提出了更高的要求。

光学模块的作用是将传入的光信号转换为电信号，并将传出的电信号转换为光学格式，以进行无误传输。这就提出了同步两个时域的复杂问题，即光网络的时域和主板上的芯片组的时域。这使得精确定时成为光模块内最关键的因素之一。负责弥合时间间隔的组件（因此被称为重定时器）需要参考时钟，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小。

随着开始使用400 Gbps模块的开始，参考振荡器的相位抖动变得越来越关键。RMS相位抖动通常是通过在12 kHz至20 MHz的偏移频率上积分相位噪声来计算的。SiTime的SiT9501差分振荡器在100 Hz的偏移频率下具有–87dBc / Hz的相位噪声，在400 MHz的偏移频率下具有–170dBc / Hz的相位噪声。集成后，闭合相位噪声会在156.25 MHz的时钟频率下导致70飞秒（fs）的RMS相位抖动。振荡器RMS相位抖动量化了时钟沿的变化。驱动光模块的参考时钟中的RMS相位抖动尤为重要，因为它会增加流经模块的串行数据流中的抖动，并且如果该抖动太大，则可能导致错误。

具有低抖动的SiTime MEMS振荡器的光模块的框图，该振荡器为PAM4重定时器提供时钟

计算相位抖动时必须考虑的另一个重要因素是相位噪声中是否存在干扰噪声（杂散）。乍一看，SiT9501 MEMS振荡器与基于晶体PLL的振荡器之间的相位噪声似乎是可比的，但仔细检查后，基于晶体的锁相环振荡器（PLL）的“杂散”就变得清晰了（图3）。SiT9501振荡器的相位噪声没有“杂散”，导致RMS相位抖动仅为70 fs。相反，晶体振荡器的总RMS相位抖动为267 fs。如果不计算“杂散”，晶体振荡器的RMS相位抖动仅为90 fs，这意味着“杂散”占总抖动的60％。SiTime的先进的整数N分频PLL技术可实现密集的相位噪声和较低的抖动，而不会产生“杂散”。

图3：SiT9501 MEMS振荡器（RMS抖动：70.629飞秒；无“杂散”）与基于石英PLL的振荡器（有“杂散”）之间的相位噪声比较

因为现代光学模块应将数据速率提高2倍至4倍，所以模块中包含的组件必须在不增加空间需求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，因为具有70-fs RMS相位抖动的较小尺寸不会影响性能。此外，SiT9501振荡器（采用2.0×1.6 mm封装）集成了源偏置电阻器，与当前使用的2.5×2.0 mm晶体振荡器引线相比，其总体空间需求降低了50％。

SiT9501振荡器还集成了片上稳压器，可过滤电源噪声并改善模块设计中的电源完整性。减少具有此类集成功能和小封装尺寸的时序足迹非常重要，因为光学模块的一半以上被激光器组件和相关的电子设备消耗，几乎没有空间用于信号处理和数据路径。通过节省空间，模块制造商可以使用其他功能。

为了解决光模块上严格的电流限制，去掉两个偏置电阻会导致交流耦合输出的电流消耗降低32mA。SiT9501还引入了FlexSwing技术，该技术允许在工厂以独特的方式对差分电压摆幅进行编程，以满足任何芯片组的差分输入摆幅要求。FlexSwing使工程师能够适应具有非标准电压摆幅的低压芯片组。通过适应芯片组的确切要求，可以消除典型的端接，通过直流耦合的LVPECL输出可将电流降低多达16 mA。

比较具有2520振荡器的传统交流耦合LVPECL布局的占位面积和功耗（左）和具有集成LVPECL源偏置电阻的2016 SiT9501 MEMS振荡器的布局（右）

在新技术的推动下，光模块向400 Gbps和800 Gbps数据速率的演进要求性能飞跃而又不增加尺寸和功耗。反过来，这会驱动振荡器提高能效，使用更少的空间，并产生更少的抖动。通过集成偏置电阻器和可编程电压摆幅等创新技术，SiTime的SiT9501差分振荡器以仅70 fs RMS的相位抖动降低了总体空间要求和功耗。SiTime MEMS振荡器提供了一种创新的定时解决方案，可以满足光模块制造商的需求，并需要快速扩展性能以支持网络设备的快速发展。