Ako funguje aoi transceiver?

 

 

Transceiver AOI konvertuje elektrické signály na svetelné impulzy na prenos cez káble z optických vlákien a potom konvertuje prichádzajúce svetlo späť na elektrické signály. Táto obojsmerná konverzia prebieha prostredníctvom dvoch základných podsystémov: optická podzostava vysielača (TOSA) využíva laserovú diódu na generovanie modulovaného svetla, zatiaľ čo optická podzostava prijímača (ROSA) využíva fotodiódu na detekciu a premenu tohto svetla späť na elektrický prúd.

 

 

Proces duálnej konverzie

 

AOI transceiver vykonáva dve súčasné, ale opačné funkcie, a preto sa nazývajú transceivery a nie jednoducho vysielače alebo prijímače.

Elektrická-na{1}}optická konverzia (prenos)

Keď váš sieťový prepínač potrebuje odosielať dáta, generuje elektrické signály vo forme digitálnych impulzov reprezentujúcich binárne dáta. TOSA transceivera AOI prijíma tieto elektrické signály a privádza ich do obvodu ovládača lasera. Tento obvod robí dve veci: udržiava stály predpätý prúd, aby udržal laser v jeho optimálnom prevádzkovom bode, a moduluje dodatočný prúd, ktorý zodpovedá dátovému signálu.

Samotná laserová dióda je miestom, kde dochádza k skutočnej konverzii. Vo väčšine moderných transceiverov nájdete jeden z troch typov laserov v závislosti od aplikácie. VCSEL (Vertical{2}}Cavity Surface-Emitting Lasers) pracujú pri 850 nm a používajú sa na krátke vzdialenosti do 300 metrov, bežne v dátových centrách. Pre stredné vzdialenosti do 40 km poskytujú lasery Fabry-Perot (FP) nákladovo-efektívne riešenia. Lasery DFB (Distributed Feedback) pracujúce pri 1310 nm alebo 1550 nm poskytujú spektrálnu čistotu potrebnú na prenos na dlhé{13}}diaľky nad 40 km.

Technika modulácie sa líši podľa rýchlosti a požiadaviek na vzdialenosť. Priama modulácia, kde dátový signál priamo mení vstrekovací prúd lasera, funguje dobre pre rýchlosti do 25 Gbps a vzdialenosti pod 10 km. Intenzita svetelného výstupu lasera sa mení v reakcii na tieto zmeny prúdu, čím sa vytvárajú optické impulzy, ktoré kódujú vaše údaje. Pri vyšších rýchlostiach alebo dlhších vzdialenostiach je nevyhnutná externá modulácia - laser funguje nepretržite, zatiaľ čo samostatný elektro-modulátor absorpcie (EAM) alebo Mach{7}}Zehnder modulátor manipuluje so svetlom po vyžarovaní, čím sa vyhýba frekvenčnému cvrneniu, ktoré degraduje signály na veľké-diaľky.

Konverzia optiky-na{1}elektrickú energiu (recepcia)

Na prijímacom konci prichádzajúce svetelné impulzy z kábla z optických vlákien vstupujú do ROSA transceivera a dopadnú na fotodetektor. Zvyčajne ide buď o PIN fotodiódu pre štandardné aplikácie, alebo o lavínovú fotodiódu (APD) pre situácie vyžadujúce vyššiu citlivosť, ako sú napríklad diaľkové-linky, kde je optický signál oslabený.

Fotodetektor využíva fotoelektrický efekt: keď fotóny zasiahnu polovodičový prechod, uvoľnia elektróny, čím sa vytvorí prúd úmerný intenzite svetla. Tu je niečo, čo mnohých ľudí prekvapí -, že fotodióda nezistí frekvenciu samotného svetla (čo je okolo 193 THz pre vlnovú dĺžku 1550 nm). Namiesto toho reaguje na zmeny intenzity svetla spôsobené moduláciou. Ak naň svietite stálym lúčom 1550nm svetla, získate stály jednosmerný prúd. Keď sa táto kontrolka rozsvieti a zhasne pri 10 GHz na kódovanie údajov, dostanete elektrický signál 10 GHz.

Elektrický prúd generovaný fotodiódou je extrémne slabý, často sa meria v mikroampéroch. Transimpedančný zosilňovač (TIA) okamžite premieňa tento prúd na napäťový signál a zosilňuje ho. Po TIA ďalšie obvody vykonávajú obnovu hodín, aby extrahovali informácie o časovaní a rozhodovacie obvody na určenie, či je každý bit jednotka alebo nula, čím sa regenerujú čisté digitálne signály pre hostiteľské zariadenie.

 

Vnútorná architektúra a komponenty

 

Otvorenie modulu transceivera AOI odhalí prekvapivo husté usporiadanie optických a elektronických komponentov, pričom všetky pracujú v rámci prísnych tolerancií.

Podrobná štruktúra TOSA

Optická podzostava vysielača- obsahuje viac než len laser. Teplota výrazne ovplyvňuje výkon lasera - výstupný výkon sa môže líšiť o 50 % alebo viac v 70-stupňovom prevádzkovom rozsahu. Aby sa tomu zabránilo, TOSA obsahuje termistor na monitorovanie teploty a často aj termoelektrický chladič (TEC) vo vysokovýkonných moduloch-. Pracujú s obvodmi automatického riadenia napájania (APC), ktoré upravujú prúd jednotky, aby sa zachoval konzistentný optický výstup.

Za laserom je umiestnená monitorová fotodióda, ktorá zachytáva malú časť vyžarovaného svetla cez zadnú fazetu. Táto spätná väzba umožňuje obvodu APC kompenzovať starnutie lasera a teplotný posun v reálnom-čase. Bez tohto monitorovania by sa výstupný výkon mohol počas životnosti modulu výrazne znížiť.

Optické izolátory sa objavujú v mnohých prevedeniach, aby zabránili spätnému{0}}odrazu, aby sa znova dostal-do dutiny lasera, čo by spôsobilo nestabilitu a hluk. Svetlo lasera sa pripája k vláknu pomocou presných-zarovnaných šošoviek alebo priamej{4}}spojky v závislosti od dizajnu. Každý zlomok decibelu straty spojenia je dôležitý, keď sa pokúšate poslať signály na vzdialenosť 80 km alebo viac.

Rozdelenie komponentov ROSA

Strana príjemcu čelí rôznym výzvam. Fotodióda musí konvertovať extrémne slabé optické signály - niekedy len niekoľko mikrowattov - na použiteľné elektrické signály pri zachovaní nízkeho šumu. Optické rozhranie používa na pripojenie vlákna buď LC konektor (najbežnejší) alebo iné štandardné typy konektorov.

Kryt chráni citlivú elektroniku pred elektromagnetickým rušením a zároveň poskytuje tepelné riadenie. Na rozdiel od TOSA, ROSA zvyčajne nepotrebuje aktívne chladenie, ale tepelný dizajn je stále dôležitý, pretože tmavý prúd fotodiódy (nežiaduci prúd, keď nie je prítomné svetlo) sa zvyšuje s teplotou, čím sa zvyšuje hladina hluku a znižuje sa citlivosť.

V niektorých konštrukciách transceiverov, najmä obojsmerných (BiDi) modulov, filter s delením vlnovej dĺžky (WDM) rozdeľuje optickú cestu. To umožňuje rovnakému vláknu prenášať vysielané aj prijímané signály s rôznymi vlnovými dĺžkami - zvyčajne 1310 nm v jednom smere a 1490 nm alebo 1550 nm v druhom smere.

Elektronická riadiaca vrstva

Okrem optických komponentov obsahuje každý AOI transceiver zostavu dosky s plošnými spojmi (PCBA), ktorá obsahuje čipy elektrického rozhrania, regulátory napätia a funkcie digitálnej diagnostiky. Moderné vysielače a prijímače implementujú digitálne diagnostické monitorovanie (DDM), ako je uvedené v štandarde SFF-8472, a poskytujú telemetriu v reálnom čase- prostredníctvom dvojvodičového rozhrania I2C.

Správcovia siete môžu zisťovať teplotu, napájacie napätie, laserový biasový prúd, prenášaný optický výkon a prijímaný optický výkon bez špeciálneho testovacieho zariadenia. Táto funkcia zmenila riešenie problémov so sieťou -, vďaka čomu môžete identifikovať zlyhávajúci laser alebo špinavý konektor skôr, ako spôsobí výpadok.

 

 

Modulácia a kódovanie signálu

 

Spôsob, akým sa údaje zakódujú do svetelných impulzov, sa značne vyvinul so zvyšujúcimi sa požiadavkami na rýchlosť.

Ne-návrat-na-nulovú (NRZ) moduláciu

Tradičné transceivery do 100 Gbps primárne využívajú NRZ-OOK (zapnuté-vypnuté kľúčovanie). Laser je buď zapnutý (predstavuje binárnu 1) alebo vypnutý (predstavuje 0), bez návratu na neutrálnu úroveň medzi bitmi. Je to jednoduché a efektívne, ale ako sa rýchlosti posúvajú smerom k 100 Gbps na jednej vlnovej dĺžke, požiadavky na elektrickú a optickú šírku pásma sú náročné.

Pomer zhasnutia meria, ako úplne sa laser vypne pri nulových bitoch v porovnaní so stavom zapnutia-. Extinkčný pomer 100:1 (20 dB) znamená, že laser vydáva 1 % svojho špičkového výkonu, keď je „vypnutý“. Lepšie extinkčné pomery zlepšujú kvalitu signálu, ale vyžadujú sofistikovanejší dizajn laserového ovládača.

PAM4 a pokročilá modulácia

Pri rýchlosti 200 Gb/s a vyššej prijal priemysel PAM4 (4-úrovňová modulácia pulznej amplitúdy). Namiesto dvoch úrovní intenzity reprezentujúcich jeden bit, PAM4 používa štyri úrovne reprezentujúce dva bity na symbol. Tým sa zdvojnásobí rýchlosť prenosu dát bez zdvojnásobenia požiadavky na šírku pásma, hoci sa tým mení pomer signálu-k-šumu – každá úroveň je bližšie pri sebe, takže detekcia je náročnejšia.

Koherentné optické transceivery používané v-diaľkových sieťach využívajú ešte sofistikovanejšie schémy. Modulujú amplitúdu aj fázu svetla pomocou QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) alebo vyššieho -radu QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Tieto systémy vyžadujú špecializované koherentné prijímače s lokálnymi oscilátorovými lasermi a komplexným digitálnym spracovaním signálu, ale môžu dosiahnuť 400 Gbps alebo viac na jednej vlnovej dĺžke.

 

Výber vlnovej dĺžky a kompatibilita vlákien

 

Rôzne vlnové dĺžky slúžia na rôzne účely v optickej komunikácii a podľa toho sa mení aj konštrukcia vysielača a prijímača.

Multimode Fibre Systems (850nm)

Aplikácie s krátkym{0}}dosahom v rámci jednej budovy alebo kampusu dátového centra zvyčajne používajú multimódové vlákno s 850nm vysielačmi VCSEL. Multimódové vlákno má väčšie jadro (50 alebo 62,5 mikrónov), ktoré umožňuje súčasné šírenie viacerých svetelných dráh alebo „režimov“. To uľahčuje spájanie a znižuje náklady, ale modálny rozptyl obmedzuje vzdialenosť - rôznych režimov, ktoré prechádzajú mierne odlišnými rýchlosťami, čo spôsobuje šírenie impulzov. OM3 vlákno podporuje 10 Gbps na 300 metrov, zatiaľ čo OM4 to rozširuje na 400 metrov a OM5 ďalej optimalizuje pre paralelný prenos.

Jednorežimové optické systémy (1310 nm a 1550 nm)

Prenos na dlhé{0}}diaľky vyžaduje jedno{1}}režimové vlákno s oveľa menším jadrom (9 mikrónov), ktoré obmedzuje svetlo na jeden režim šírenia. To eliminuje modálny rozptyl a umožňuje oveľa väčšie vzdialenosti. Vlnová dĺžka 1310nm je umiestnená v nízkom-okne rozptylu štandardného jednovidového-vlákna, zatiaľ čo 1550nm zaberá najnižšie okno útlmu (približne 0,2 dB/km v porovnaní s 0,35 dB/km pri 1310 nm).

Pre rozpätia nad 80 km je potrebná kompenzácia rozptylu už pri 1550 nm. Pokročilé konštrukcie transceiverov využívajú externú moduláciu a niekedy laditeľné lasery na presné riadenie optického spektra.

Presnosť vlnovej dĺžky DWDM

Vysielače/prijímače DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) generujú svetlo na vysoko špecifických vlnových dĺžkach definovaných ITU-T mriežkou, ktoré sú zvyčajne od seba vzdialené 50 GHz alebo 100 GHz (čo zodpovedá rozstupu približne 0,4 nm alebo 0,8 nm blízko 1 550 nm). Samotný DFB laser nie je dostatočne stabilný pre DWDM - tieto transceivery obsahujú reguláciu teploty na ±0,1 stupňa alebo lepšie, pričom zachováva presnosť vlnovej dĺžky v rozmedzí ±0,02 nm v rozsahu prevádzkových teplôt.

 

Faktory tvaru a evolúcia

 

Fyzické balenie transceiverov sa vyvinulo tak, aby vyhovovalo vyšším rýchlostiam pri zachovaní alebo zmenšení veľkosti.

SFP a SFP+ (až 16 Gbps)

Štandard SFP (Small Form{0}}factor Pluggable) sa objavil na začiatku 21. storočia a ponúka kompaktný, rýchlo{2}}vymeniteľný dizajn, ktorý má približne polovičnú veľkosť oproti predchádzajúcim modulom GBIC. SFP zvláda 1 Gbps, zatiaľ čo SFP+ rozšírilo elektrické rozhranie na podporu 10 Gbps. Tieto moduly merajú 13,4 mm × 8,5 mm × 56 mm, sú dostatočne malé na to, aby prepínače mohli umiestniť 48 portov do jednej rackovej jednotky.

QSFP28 a QSFP-DD (100 – 400 Gb/s)

Formát Quad SFP (QSFP) spája štyri kanály do jedného modulu. QSFP28 využíva štyri 25 Gbps pruhy (často s NRZ) na dosiahnutie celkovej rýchlosti 100 Gbps. QSFP-DD (Double Density) to zdvojnásobuje s ôsmimi pruhmi a dosahuje rýchlosť 400 Gb/s pomocou signalizácie PAM4 pri rýchlosti 50 Gb/s na pruh. Dizajn DD si zachováva rovnakú šírku ako QSFP28, ale používa vyšší konektor s dodatočnými elektrickými kontaktmi.

OSFP a budúce formáty

Keďže sa priemysel posúva smerom k 800 Gbps a 1,6 Tbps, formát Octal SFP (OSFP) poskytuje osem pruhov s lepším tepelným dizajnom ako QSFP-DD, čo je kritické, keď moduly strácajú 12-15 wattov. Niektorí predajcovia vyvinuli QSFP112 pre 400 Gbps cez štyri 100 Gbps pruhy, hoci štandardizácia formátu zostáva pri týchto rýchlostiach sporná.

Každý tvarový faktor definuje nielen fyzické rozmery, ale aj elektrické špecifikácie, teplotné limity a protokoly rozhrania správy, čím sa zabezpečuje interoperabilita medzi dodávateľmi.

 

Power Budgets a Link Design

 

Úspešné nasadenie AOI transceiverov si vyžaduje pochopenie výkonových rozpočtov - aritmetiky ziskov a strát signálu v rámci spojenia.

Výstupný výkon transceivera sa zvyčajne pohybuje od -2 dBm (0,63 mW) pre moduly s krátkym{5}}dosahom do +4 dBm (2,5 mW) pre konštrukcie s-rozšíreným dosahom. Citlivosť prijímača môže byť -14 dBm pre 10 Gbps ER aplikácie alebo -25 dBm pre vysoko citlivé diaľkové prijímače. Rozdiel medzi týmito hodnotami je váš energetický rozpočet.

Útlm vlákna spotrebuje väčšinu tohto rozpočtu - 0.3 dB/km pri 1310 nm alebo 0,2 dB/km pri 1550 nm pre štandardné jedno-režimové vlákno. Straty konektorov pridávajú každý 0,3 – 0,5 dB, straty spoja prispievajú 0,05 – 0,1 dB a mali by ste zahrnúť systémovú rezervu 3 – 6 dB na starnutie, opravu spojov a neočakávané straty.

Pre 40 km spojenie pri 1310 nm: 0,3 dB/km × 40 km=12 dB strata vlákna, plus štyri konektory (2 dB), jeden stredný- spoj (0,1 dB) a 3 dB rezerva=17.1 dB celková strata trasy. Ak má váš vysielač výstup 0 dBm a váš prijímač potrebuje -18 dBm, máte k dispozícii rozpočet 18 dB – sotva postačujúci.

Táto aritmetika vysvetľuje, prečo systémy na dlhé{0}}dopravy používajú 1550nm (nižší útlm) a vysokovýkonné -vysielače, často s optickými zosilňovačmi na vzdialenosti nad 80 km.

 

Nové technológie a budúce smery

 

Odvetvie transceiverov AOI pokračuje v rýchlom vývoji poháňanom požiadavkami hyperškálových dátových centier a budovaním telekomunikácií.

Integrácia kremíkovej fotoniky sľubuje zníženie výrobných nákladov využitím infraštruktúry polovodičových fab. Namiesto diskrétnych zostáv TOSA a ROSA integrujú kremíkové fotonické transceivery laserové zdroje, modulátory a detektory na kremíkových čipoch, hoci polovodičové materiály III-V stále poskytujú najlepší výkon lasera a vyžadujú hybridné integračné prístupy.

Spolu{0}}balená optika (CPO) presúva vysielače a prijímače z čelnej dosky priamo na kremíkové obaly prepínačov, čím znižuje spotrebu energie a latenciu a zároveň dramaticky zvyšuje hustotu portov prepínača. Skoré demonštrácie CPO dosahujú 51,2 Tbps na prepínač ASIC odstránením elektrického výkonu SerDes a obmedzení vzdialenosti.

Zásuvná optika s lineárnou jednotkou (LPO) zjednodušuje elektrické rozhranie odstránením obvodov pre prečasovanie a prenášaním signálov priamo medzi hostiteľom a optikou pomocou lineárnych ovládačov. To znižuje spotrebu energie o 40-50 % v porovnaní s modulmi s novým časom, hoci si to vyžaduje kvalitnejšie návrhy plošných spojov a obmedzuje dosah.

Kvantové bodkové lasery sľubujú teplotne-necitlivú prevádzku bez termoelektrických chladičov, čím sa znižuje výkon modulu a náklady. Skoršie verzie demonštrujú stabilnú prevádzku od -40 stupňov do +95 stupňov s minimálnym posunom vlnovej dĺžky.

 

Často kladené otázky

 

Aký je rozdiel medzi AOI transceiverom a inými značkami?

AOI (Applied Optoelectronics Inc.) vyrába optické transceivery a komponenty, ale základné princípy fungovania sú u všetkých predajcov rovnaké. Fyzikálny mechanizmus fotoelektrickej konverzie sa v závislosti od výrobcu nemení. Kde sa značky líšia, je kvalita výroby, špecifikácie teplotného rozsahu, energetická účinnosť a hodnotenie spoľahlivosti. Viac{4}}zdrojové dohody (MSA) zaisťujú, že vyhovujúce vysielače a prijímače od rôznych dodávateľov fungujú zameniteľne v rovnakom slote zariadenia.

Vidíte svetlo vychádzajúce z optického transceivera?

Žiadna - väčšina transceiverov pracuje na infračervených vlnových dĺžkach (850nm, 1310nm alebo 1550nm), ktoré sú pre ľudské oči neviditeľné. Dokonca aj 850nm svetlo VCSEL sa prinajlepšom javí ako slabé červené. Nikdy sa nepozerajte priamo do aktívneho portu vlákna alebo transceivera; zatiaľ čo úrovne výkonu sú nízke (zvyčajne 1-3 miliwatty), lúč je vysoko kolimovaný a zaostrený, čo môže spôsobiť trvalé poškodenie sietnice. Z tohto dôvodu existujú bezpečnostné predpisy pre laser triedy 1M.

Prečo majú niektoré transceivery dve vlákna, zatiaľ čo iné používajú jedno?

Tradičné vysielače a prijímače používajú dve vlákna -, jedno na vysielanie, jedno na príjem - pracujúce na rovnakej vlnovej dĺžke v opačných smeroch. Obojsmerné (BiDi) vysielače a prijímače používajú jedno vlákno s filtrom WDM, ktorý oddeľuje dve rôzne vlnové dĺžky: jednu pre upstream a jednu pre downstream. BiDi dizajny šetria vlákno, ale stoja o niečo viac kvôli komponentom WDM. Systémy CWDM a DWDM multiplexujú mnoho vlnových dĺžok na jeden pár vlákien pomocou externých multiplexerov.

Ako dlho zvyčajne vydržia optické transceivery?

Laserová degradácia je primárnym obmedzovačom životnosti. Väčšina transceiverov špecifikuje 100 000 až 200 000 hodín stredného času medzi poruchami (MTBF) pri prevádzkovej teplote 25 stupňov. V praxi moduly často bežia 5-10 rokov pred poruchou, pričom vyššie teploty urýchľujú starnutie. Obvody automatického riadenia výkonu kompenzujú postupnú degradáciu lasera zvýšením prúdu pohonu, ale nakoniec dosiahnu maximálny prúd a už nedokážu udržať špecifikovaný výstupný výkon. Správne chladenie výrazne predlžuje životnosť transceivera.

 

Kľúčové technické špecifikácie na pochopenie

 

Pri výbere transceiverov niekoľko špecifikácií priamo ovplyvňuje výkon:

Špecifikácie vysielača:Výstupný výkon (dBm), spektrálna šírka (nm), extinkčný pomer (dB) a pomer potlačenia bočného-režimu (dB pre DFB lasery) určujú kvalitu signálu a dosah. Tolerancia stredovej vlnovej dĺžky sa stáva kritickou pre aplikácie DWDM.

Špecifikácie prijímača:Citlivosť (dBm) definuje minimálny optický výkon potrebný pre špecifikovanú bitovú chybovosť (zvyčajne 10^-12). Saturačný výkon udáva maximálny vstupný výkon pred poškodením alebo nadmerným skreslením. Špecifikácia straty optickej návratnosti je dôležitá pre zabránenie odrazom, ktoré destabilizujú lasery.

Elektrické rozhranie:Diferenciálna impedancia (zvyčajne 100 ohmov), kolísanie výstupného napätia a špecifikácie jitteru musia zodpovedať požiadavkám hostiteľského zariadenia. SFP používa signalizáciu LVPECL, QSFP28 používa NRZ pri 25,78 Gbps, zatiaľ čo QSFP-DD zvyčajne implementuje PAM4 pri 53,125 Gbaud.

Environmentálne hodnotenia:Hodnoty komerčnej teploty (0 stupňov až 70 stupňov), rozšírenej teploty (-5 stupňov až 85 stupňov) a priemyselnej teploty (-40 stupňov až 85 stupňov ) označujú, aké tepelné riadenie modul vyžaduje. Stratový výkon vo wattoch ovplyvňuje požiadavky na chladenie – moduly QSFP-DD môžu prekročiť 12W.

Digitálna diagnostika:Alarmové a varovné prahy pre teplotu, napätie, predpätie, TX výkon a RX výkon umožňujú proaktívne monitorovanie. Špecifikácie presnosti (zvyčajne ±3 dB pre optický výkon) sú dôležité pri riešení problémov s okrajovými prepojeniami.

Pochopenie týchto parametrov umožňuje informovaný výber transceivera a efektívne odstraňovanie problémov, keď prepojenia nefungujú alebo zlyhajú.