Optické moduly sú vyrobené s presnosťou

 

 

Nočná mora zosúladenia vás nikto nevaruje

 

Spojenie laserového svetla do jedného-vlákna vyžaduje presnosť polohovania okolo ±0,5 mikrometra. Pol mikrónu. Pre kontext, ľudský vlas má hrúbku približne 70 mikrometrov.

Chýba vám tá tolerancia a účinnosť vašich nádrží. Strata účinnosti znamená, že kompenzujú vyššie prúdy pohonu, ktoré generujú teplo, ktoré posúva vlnovú dĺžku, čím sa znižuje pomer signálu-k{2}}šumu spôsobmi, ktoré sa prelínajú celým rozpočtom prepojenia. Teoretické spojovacie rovnice vyzerajú v učebniciach čisto. Realita zahŕňa šesť{5}}stupňov zarovnania osí, monitorovanie výkonu-v reálnom čase a procesy vytvrdzovania lepidla, ktoré zavádzajú svoje vlastné pozičné posuny.

Sledoval som, ako technik v roku 2021 celé popoludnie prenasleduje stratu vloženia 2 dB na tom, čo by malo byť rutinnou montážou TOSA. Ukázalo sa, že guličková šošovka sa počas UV vytvrdzovania mierne pootočila - možno o tri stupne - dosť na to, aby smerovala lúč tesne mimo jadro vlákna. Tri stupne. Taký je tento biznis.

 

Aktívne verzus pasívne zarovnanie

 

Priemysel sa o tom háda dvadsať rokov a stále to úplne nevyriešilo.

Aktívne zarovnanie znamená zapnutie lasera počas montáže, sledovanie pripojenej optickej sily a opakované nastavovanie polohy, kým nezasiahnete svoj cieľ. funguje to. Je tiež pomalý, drahý a neškáluje sa elegantne, keď sa pokúšate dodávať milióny transceiverov mesačne.

Pasívne zarovnanie je založené na mechanických prvkoch - leptaných silikónových v{1}}drážkach, litograficky definovaných montážnych podstavcoch, preklápacom-samočinnom spájkovaní čipov-zarovnaní - na umiestnenie komponentov bez toho, aby sa čokoľvek zapínalo. Keď to funguje, priepustnosť sa dramaticky zlepšuje. Keď sa tolerancie nahromadia nepriaznivo, dostanete problémy s výnosom, ktoré sa prejavia ako záhadné série nedostatočne výkonných modulov, ktoré prejdú elektrickými testami, ale nespĺňajú optické špecifikácie.

Hybridné prístupy, ktoré získavajú trakciu, teraz využívajú pasívne zarovnanie, aby sa dostali do vzdialenosti niekoľkých mikrónov, a potom aktívne jemné{0}}ladenie na konečnú optimalizáciu. Viac procesných krokov, ale ekonomika funguje pri produktoch s vysokým-výkonom, kde zákazníkom skutočne záleží na marži odkazov.

Kremíková fotonika tu zmenila niektoré predpoklady. Keď sú vaše vlnovody litograficky definované na kremíkovej doštičke a vaše lasery sú spojené pomocou flip{1}}čipu alebo heterogénne integrované, problém zarovnania sa čiastočne zmení na problém výroby polovodičov. Rôzna sada zručností. Rôzne režimy zlyhania.

 

 

Problém s deformáciou zarovnania vyvolalo zváranie-

 

Laserové zváranie zostáva preferovanou metódou spájania vlákien-do{1}}balenia príloh v hermetických moduloch. Zvar je pevný, rýchly a nevypúšťa plyny ako niektoré lepidlá. Problém je v tom, čo sa stane, keď sa zvarový kúpeľ ochladí.

Tepelná kontrakcia ťahá zostavu objímky vlákna v smeroch, ktoré závisia od geometrie zvaru, vlastností materiálu a - toto je frustrujúca časť - špecifického poradia, v ktorom robíte viacero zvarov. Ak si nedáte pozor, posun po zvare môže presiahnuť niekoľko mikrometrov. Vaša dokonale zarovnaná zostava sa zle zarovná v momente, keď ju dokončíte.

Existujú kompenzačné stratégie. Niektorí výrobcovia zámerne kompenzujú svoje predbežné{1}}zarovnanie zvaru, aby zohľadnili predpokladaný posun. Iné používajú parametre zvárania s nízkym zmršťovaním a akceptujú dlhšie časy cyklu. Niekoľko z nich vyvinulo-systémy monitorovania v reálnom čase, ktoré merajú posun počas zvárania a aplikujú korekčné úpravy skôr, než spoj úplne stuhne.

Žiadny z týchto prístupov nie je spoľahlivý. Každý nový dizajn balíka vyžaduje re-charakterizáciu správania pri zmene.

 

Realita čistých priestorov

 

Optické moduly sa montujú v čistých priestoroch v rozsahu od ISO triedy 7 až po ISO triedu 5 pre operácie, ktoré sú najviac citlivé na kontamináciu-. Čísla znejú pôsobivo, kým si neuvedomíte, že jeden nehybne sediaci človek generuje približne 100 000 častíc za minútu pri prahovej veľkosti 0,3 mikrónu.

Častica na konci vlákna vytvára lokalizované horúce miesto, keď je osvetlené-výkonným laserovým svetlom. V priebehu času toto miesto karbonizuje organické kontaminanty do trvalého absorbčného defektu, ktorý postupne znižuje výkon. Tento poruchový režim viedol celé produktové rady k implementácii 100% kontroly koncového povrchu pred konečnou montážou.

Štandardné ovládacie prvky čistých priestorov zvládajú pomerne dobre častice prenášané vzduchom. Molekulárna kontaminácia je záludnejšia. Prchavé organické zlúčeniny z lepidiel, čistiacich rozpúšťadiel, dokonca aj odplynujúcich plastov môžu na optických povrchoch vytvárať neviditeľné filmy. Tieto filmy sú obzvlášť škodlivé pre aplikácie DUV, ale spôsobujú problémy naprieč vlnovými dĺžkami.

AMC-kontrolované čisté priestory - molekulárna kontaminácia prenášaná vzduchom riadená - predstavujú súčasný stav techniky pre vysoko-spoľahlivú optickú zostavu. Filtračné systémy sú drahé. Monitorovacie zariadenie je drahé. Zoznamy obmedzeného materiálu spôsobujú bolesti hlavy v dodávateľskom reťazci.

Stojí to za to? Závisí to od toho, či posielate komoditné SFP alebo komponenty pre vesmírne-systémy.

 

 

Teplotná kompenzácia trvá dlhšie, než ktokoľvek plánuje

 

Výstupný výkon laserovej diódy a vlnová dĺžka sa menia s teplotou. Typický DFB laser driftuje približne 0,1 nm/stupeň vo vlnovej dĺžke a vyžaduje nastavenie predpätia prúdu na udržanie konštantného optického výkonu v celom rozsahu prevádzkových teplôt.

Teplotná kompenzácia zahŕňa charakterizáciu každého modulu vo viacerých teplotných bodoch - často v 5-stupňových alebo 10-stupňových prírastkoch od -40 stupňov do +85 stupňov pre priemyselné-výrobky – a programovanie korekčných koeficientov do MCU modulu. Koeficienty upravujú prúd predpätia a niekedy aj amplitúdu modulácie ako funkciu nameranej teploty puzdra.

Znie to priamočiaro, kým si neuvedomíte, že každý modul sa správa mierne odlišne v dôsledku výrobných variácií samotného lasera, tepelnej cesty od spoja k termistoru a tolerancií komponentov v obvodoch ovládača. Masovo{1}}vyrábané spotrebiteľské-moduly používajú všeobecné kompenzačné tabuľky a akceptujú výsledné rozpätie výkonu. Vysokovýkonné moduly-dostávajú individualizovanú charakteristiku.

Inžinier, ktorého poznám, strávil štyri mesiace optimalizáciou algoritmu teplotnej kompenzácie pre novú modulovú platformu 400G. Štyri mesiace na to, čo by väčšina ľudí odmietla ako kalibračný krok.

 

Na rozdiele TOSA-ROSA záleží menej ako predtým

 

Tradičné architektúry optických transceiverov oddeľujú vysielaciu funkciu (TOSA - optická podzostava vysielača) od prijímacej funkcie (ROSA - optická podzostava prijímača). Každá podzostava je samostatne zabalená, testovaná a potom integrovaná do modulu PCB.

To dávalo zmysel, keď optické moduly používali diskrétne TO-balíky plechoviek s jednoduchým jednokanálovým dizajnom. Vyššie-viackanálové{4}}moduly čoraz viac integrujú funkcie prenosu a príjmu alebo úplne eliminujú tradičné balenie OSA prostredníctvom prístupov na čipoch-na-doske, kde sa holé matrice montujú priamo na substrát PCB.

Balenie COB znižuje počet optických rozhraní - každé rozhranie je potenciálnym bodom straty -, vyžaduje si však čistejšie výrobné prostredie a sofistikovanejšie montážne vybavenie. Trend je jasný, aj keď prechod nie je dokončený.

Obojsmerné vysielače a prijímače ešte viac komplikujú obraz tým, že na vysielanie a príjem na jedinom vlákne používajú vlnové{0}}rozdelenie multiplexovania. BOSA kombinujúci funkcie TOSA a ROSA s integrovanými filtrami WDM vyžaduje ešte prísnejšie tolerancie zarovnania, pretože obe optické dráhy musia zasiahnuť rovnaké jadro vlákna.

 

Čo sa v skutočnosti testuje-

 

Moduly pred odoslaním podstupujú vysoko{0}}teplotné starnutie - zvyčajne 24 až 168 hodín pri zvýšených teplotách puzdra okolo 70 – 100 stupňov, pričom fungujú za normálnych podmienok.

Cieľom nie je simulovať roky prevádzky v teréne. Je to na urýchlenie zlyhania detskej úmrtnosti. Určité percento komponentov obsahuje latentné defekty - slabé drôtené spoje, okrajové spájkované spoje, mierne poškodené laserové fazety -, ktoré sa za normálnych podmienok neprejavia, ale pri zrýchlenom namáhaní rýchlo zlyhajú. Je lepšie ich nájsť počas výroby ako v sieti zákazníka.

Zapálenie-zachytáva skutočné problémy. Každá výrobná linka má príbehy o zachytení zlých komponentov v dôsledku spálenia-zlyhaní pred odoslaním týchto jednotiek. Protiargumentom je, že napaľovanie-spotrebúva priestor v stojane, energiu a čas cyklu, čo priamo ovplyvňuje výrobné náklady. Komoditné moduly často skracujú dobu horenia-alebo ho úplne vynechávajú, čím akceptujú vyššiu mieru zlyhania v poli ako cenu-za-robenie-obchodného výpočtu.

Testy cyklovania teplôt slúžia na iný účel - a odhaľujú chyby zostavy a nie chyby komponentov. Opakované tepelné výkyvy namáhajú spájkované spoje, lepené spoje a mechanické rozhrania. Trhliny sa šíria. Únava rozhrania. Čokoľvek bolo okrajové, stalo sa neúspešným.

 

 

Prečo váš modul nemusí fungovať v prepínači niekoho iného

 

Problémy s kódovaním EEPROM spôsobujú viac sťažností, ako si väčšina predajcov chce priznať.

Optické moduly obsahujú malé pamäťové čipy, ktoré uchovávajú identifikačné údaje, kalibračné koeficienty a diagnostické monitorovacie parametre v štandardizovaných formátoch definovaných špecifikáciami komisie SFF. Hostiteľský systém číta tieto údaje, aby rozpoznal modul, nastavil vhodné prevádzkové parametre a monitoroval stav počas prevádzky.

Rôzni výrobcovia prepínačov a smerovačov interpretujú tieto špecifikácie s rôznym stupňom prísnosti. Modul, ktorý funguje perfektne v zariadení jedného dodávateľa, môže byť iným odmietnutý z dôvodu rozdielu vo výpočte kontrolného súčtu, neočakávanej hodnoty v poli „rezervované“ alebo presadzovania ID-vlastného dodávateľa.

Trh s vysielačmi a prijímačmi tretích strán{0} existuje z veľkej časti kvôli týmto problémom interoperability. Spoločnosti sa špecializujú na reverzné{2}}inžinierstvo špecifických požiadaviek EEPROM pre hlavných predajcov zariadení a programovanie kompatibilných modulov. Technický výraz je „kódovanie“. Praktická realita zahŕňa rozsiahle testovanie kompatibility so skutočnými zariadeniami od spoločností Cisco, Juniper, Arista a desiatok ďalších.

 

Hermetickosť verzus náklady

 

Hermetické balenie - kovových krytov so sklom{1}}k{2}}kovovým tesneniam a zváraným vrchnákom - poskytuje zlatý štandard pre dlhodobú-spoľahlivosť. Žiadna vlhkosť. Žiadne problémy s odplyňovaním. Predvídateľná dvadsať{8}ročná životnosť v drsnom prostredí.

Stojí tiež podstatne viac ako-nehermetické alternatívy.

Väčšina optických modulov dátových centier používa-nehermetické balenie s rôznym stupňom ochrany životného prostredia. Epoxidové tesnenia, konformné nátery, selektívne getrové materiály na absorbovanie vlhkosti, ktorá preniká. Tieto prístupy fungujú primerane pre prostredia s-riadenou klímou s relatívne krátkymi výmennými cyklami.

Zariadenia telekomunikačných nosičov a letecké aplikácie vo všeobecnosti stále vyžadujú úplné hermetické balenie. Spôsoby zlyhania spôsobené vlhkosťou-indukovanou koróziou alebo kontamináciou trvajú roky, kým sa prejavia, a práve preto sú neprijateľné v infraštruktúre, ktorá musí fungovať bez dozoru po celé desaťročia.

Ľudia s tenkým-filmovým modulátorom z niobátu lítneho sa to naučili tvrdou cestou. Prvé zariadenia s nedostatočným hermetickým utesnením vykazovali záhadné zhoršenie výkonu pri nasadení v teréne. Ukázalo sa, že vodná para spôsobuje DC drift v elektródových štruktúrach.

 

Výnos je všetko

 

Dizajn modulu, ktorý spĺňa všetky výkonnostné špecifikácie, ale poskytuje iba 60 % dobrých jednotiek, stratí peniaze. Trochu horší dizajn s výnosom 95 % môže byť ziskový. Tento kompromis vedie k viac inžinierskym rozhodnutiam ako technická elegancia.

Strata výnosu sa kumuluje mnohonásobne v krokoch procesu. Ak je výnos vášho laserového nástavca 98 %, spájanie drôtom 97 %, spojka vlákna 95 % a vaše spálenie-prežitia je 99 %, váš kumulatívny výnos je 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89 %. Znie to dobre, kým si nepamätáte, že tieto čísla sú optimistické a skutočné procesy majú viac krokov.

Neutíchajúci tlak na výťažnosť vysvetľuje, prečo sa k riadeniu procesov pri výrobe optiky pristupuje s náboženským zápalom. Štatistické grafy riadenia procesov. Vstupná kontrola materiálu. Kvalifikačné protokoly zariadení. Certifikácia operátora. Všetko, čo znižuje odchýlky, znižuje stratu výnosu.

Vysvetľuje tiež, prečo sa výrobným inžinierom lámu nervy pri zmenách dizajnu. Každá úprava potenciálne obnoví vašu krivku učenia výnosov.

 

Rozhranie konektora pravdepodobne ignorujete

 

Na mechanickom rozhraní, kde sa vlákno zapája do modulu, záleží viac, ako naznačuje jeho zdanlivá jednoduchosť.

Konektory LC a MPO musia dosiahnuť fyzický kontakt medzi leštenými koncami vlákien - alebo presne riadené vzduchové medzery pre dizajny so šikmým fyzickým kontaktom - pri zachovaní zarovnania v rámci tolerancií, ktoré zachovávajú účinnosť spojenia. Puzdro konektora, zásuvka na module a lícovaná geometria prispievajú.

Opotrebenie pri opakovanom vkladaní časom znehodnocuje konektory. Špecifikácie MSA definujú požiadavky na minimálnu trvanlivosť, ale skutočný výkon sa líši v závislosti od úrovne kontaminácie, techniky vkladania a kvality výroby konektora aj zásuvky.

Videl som problémy s odkazmi niekoľko hodín, kým niekto konečne vyčistil LC konektor a problém zmizol.

 

Čo je vlastne lodná doprava verzus to, čo ukazujú konferencie

 

Konferenčné príspevky demonštrujú moduly s rýchlosťou 1,6 Tb/s s exotickými koherentnými modulačnými formátmi a spolu{1}}zabalenou fotonickou integráciou. Skutočným objemom zásielok naďalej dominujú 100G a 400G zásuvné transceivery s použitím relatívne konvenčných architektúr.

Rozdiel medzi demonštráciou a nasadením trvá pri väčšine technológií približne päť rokov. Kremíková fotonika trvala ešte dlhšie. Prvé výsledky výskumu sa objavili na začiatku 21. storočia; zmysluplný komerčný objem prišiel až v polovici roku 2010.

To nie je pesimizmus -, to je výrobná realita. Prechod od funkčných prototypov k spoľahlivej hromadnej výrobe si vyžaduje vyriešenie problémov s výnosmi, kvalifikáciu dodávateľov, vybudovanie testovacej infraštruktúry a stanovenie údajov o spoľahlivosti v teréne. Každý krok si vyžaduje čas.

Optické moduly 800G sú teraz na vzostupe. 1.6T bude nasledovať. Základné technológie existujú. Výrobná kapacita je to, čo dozrieva roky.

Modul, ktorý nasadíte do siete v nasledujúcom štvrťroku, pravdepodobne vstúpil do vývoja pred štyrmi rokmi a spolieha sa na technológie základných komponentov overené desaťročím predtým. Z najmodernejšieho-výskumu sa nakoniec stane nudné výrobné inžinierstvo, presne tak by to malo fungovať.