Як працює трансивер aoi?

 

 

Трансивер AOI перетворює електричні сигнали в світлові імпульси для передачі по волоконно-оптичних кабелях, а потім перетворює вхідне світло назад в електричні сигнали. Це двонаправлене перетворення відбувається через дві основні підсистеми: оптичний блок передавача (TOSA) використовує лазерний діод для генерування модульованого світла, тоді як оптичний блок приймача (ROSA) використовує фотодіод для виявлення та перетворення цього світла назад в електричний струм.

 

 

Процес подвійного перетворення

 

Приймач AOI виконує дві одночасні, але протилежні функції, тому їх називають приймачами, а не просто передавачами чи приймачами.

Перетворення-електрики в-оптику (передача)

Коли мережевому комутатору потрібно надіслати дані, він генерує електричні сигнали у формі цифрових імпульсів, що представляють двійкові дані. TOSA трансивера AOI приймає ці електричні сигнали та передає їх на схему драйвера лазера. Ця схема робить дві речі: підтримує постійний струм зсуву, щоб утримувати лазер у оптимальній робочій точці, і модулює додатковий струм, який відповідає сигналу даних.

Саме лазерний діод є місцем фактичного перетворення. У більшості сучасних трансиверів ви знайдете один із трьох типів лазерів залежно від застосування. VCSEL (вертикальні-поверхневі-випромінювальні лазери) працюють на 850 нм і використовуються на коротких відстанях до 300 метрів, зазвичай у центрах обробки даних. Для середніх відстаней до 40 км лазери Фабрі-Перо (FP) забезпечують-рентабельні рішення. Лазери DFB (розподіленого зворотного зв’язку), що працюють на довжині хвилі 1310 нм або 1550 нм, забезпечують спектральну чистоту, необхідну для-передачі на великі відстані понад 40 км.

Техніка модуляції залежить від вимог до швидкості та відстані. Пряма модуляція, коли сигнал даних безпосередньо змінює інжекційний струм лазера, добре працює для швидкостей до 25 Гбіт/с і відстаней до 10 км. Інтенсивність світлового потоку лазера змінюється у відповідь на ці коливання струму, створюючи оптичні імпульси, які кодують ваші дані. Для вищих швидкостей або більших відстаней стає необхідною зовнішня модуляція - лазер працює безперервно, тоді як окремий електро-модулятор поглинання (EAM) або модулятор Mach-Zehnder маніпулює світлом після випромінювання, уникаючи частотного чіппання, яке погіршує-сигнали на великій відстані.

Перетворення-оптики в-електрику (прийом)

На приймальному кінці вхідні світлові імпульси від волоконно-оптичного кабелю потрапляють у ROSA трансивера та потрапляють на фотодетектор. Зазвичай це PIN-фотодіод для стандартних застосувань або лавинний фотодіод (APD) для ситуацій, що вимагають вищої чутливості, як-от -дистанційні зв’язки, коли оптичний сигнал послаблений.

Фотодетектор використовує фотоелектричний ефект: коли фотони потрапляють на напівпровідниковий перехід, вони звільняють електрони, створюючи струм, пропорційний інтенсивності світла. Ось те, що дивує багатьох людей - фотодіод не визначає саму частоту світла (яка становить приблизно 193 ТГц для довжини хвилі 1550 нм). Натомість він реагує на зміни інтенсивності світла, спричинені модуляцією. Якщо ви посвітите на нього постійним променем світла з довжиною 1550 нм, ви отримаєте постійний постійний струм. Коли цей індикатор блимає та вимикається на частоті 10 ГГц для кодування даних, ви отримуєте електричний сигнал 10 ГГц.

Електричний струм, який генерує фотодіод, надзвичайно слабкий, часто вимірюється в мікроамперах. Трансімпедансний підсилювач (TIA) негайно перетворює цей струм у сигнал напруги та підсилює його. Після TIA додаткова схема виконує відновлення тактового сигналу, щоб отримати інформацію про час і схеми прийняття рішень, щоб визначити, чи є кожен біт одиницею чи нулем, регенеруючи чисті цифрові сигнали для головного обладнання.

 

Внутрішня архітектура та компоненти

 

Якщо відкрити трансиверний модуль AOI, можна побачити напрочуд щільне розташування оптичних і електронних компонентів, які працюють у строгих допусках.

Детальна структура TOSA

Оптичний вузол передавача-містить більше, ніж просто лазер. Температура суттєво впливає на продуктивність лазера - вихідна потужність може змінюватися на 50% або більше в робочому діапазоні 70 градусів. Щоб боротися з цим, TOSA містить термістор для контролю температури та часто термоелектричний охолоджувач (TEC) у високо-модулях продуктивності. Вони працюють із схемами автоматичного керування потужністю (APC), які регулюють струм приводу для підтримки постійного оптичного виходу.

Фотодіод монітора розташований позаду лазера, вловлюючи невелику частину випромінюваного світла через задню грань. Цей зворотний зв’язок дозволяє схемі APC компенсувати старіння лазера та дрейф температури в реальному-часі. Без цього моніторингу вихідна потужність може суттєво знизитися протягом терміну служби модуля.

Оптичні ізолятори з’являються в багатьох конструкціях, щоб запобігти повторному-відбиванню-в лазерну порожнину, що спричинить нестабільність і шум. Світло лазера потрапляє на волокно через точні-вирівняні лінзи або пряме{4}}стикове з’єднання, залежно від конструкції. Кожна частка децибела втрат зв’язку має значення, коли ви намагаєтеся надіслати сигнали на 80 км або більше.

Розбивка компонентів ROSA

Сторона приймача стикається з різними проблемами. Фотодіод має перетворювати надзвичайно слабкі оптичні сигнали - інколи лише кілька мікроват - у придатні для використання електричні сигнали, зберігаючи низький рівень шуму. Оптичний інтерфейс використовує роз’єм LC (найпоширеніший) або інші стандартні типи роз’ємів для отримання волокна.

Корпус захищає чутливу електроніку від електромагнітних перешкод, одночасно забезпечуючи терморегуляцію. На відміну від TOSA, ROSA зазвичай не потребує активного охолодження, але тепловий дизайн все ще має значення, оскільки темновий струм фотодіода (небажаний струм, коли немає світла) зростає з температурою, підвищуючи рівень шуму та знижуючи чутливість.

У деяких конструкціях трансиверів, зокрема двонаправлених (BiDi) модулів, фільтр мультиплексування за довжиною хвилі (WDM) розділяє оптичний шлях. Це дозволяє одному волокну передавати передані та отримані сигнали на різних довжинах хвиль - зазвичай 1310 нм в одному напрямку та 1490 нм або 1550 нм в іншому.

Рівень електронного керування

Окрім оптичних компонентів, кожен трансивер AOI містить друковану плату (PCBA), на якій розміщено мікросхеми електричного інтерфейсу, регулятори напруги та функції цифрової діагностики. Сучасні трансивери використовують цифровий діагностичний моніторинг (DDM), як зазначено в стандарті SFF-8472, забезпечуючи-телеметрію в реальному часі через двопровідний інтерфейс I2C.

Адміністратори мережі можуть запитувати температуру, напругу живлення, струм зміщення лазера, передану оптичну потужність і прийняту оптичну потужність без спеціального тестового обладнання. Ця можливість змінила усунення несправностей мережі - ви можете визначити несправний лазер або забруднений роз’єм до того, як це спричинить збій.

 

 

Модуляція та кодування сигналу

 

Спосіб кодування даних у світлові імпульси значно вдосконалився зі збільшенням вимог до швидкості.

Модуляція без{0}}повернення-до-нуля (NRZ)

Традиційні трансивери зі швидкістю до 100 Гбіт/с переважно використовують NRZ-OOK (увімкнення-вимкнення). Лазер увімкнено (відображає двійкову 1) або вимкнено (відображає 0), без повернення до нейтрального рівня між бітами. Це просто та ефективно, але оскільки швидкість на одній довжині хвилі досягає 100 Гбіт/с, вимоги до електричної та оптичної смуги пропускання стають складнішими.

Коефіцієнт екстинкції вимірює, наскільки повністю лазер вимикається під час нульових бітів порівняно з потужністю увімкненого-стану. Коефіцієнт екстинкції 100:1 (20 дБ) означає, що лазер видає 1% своєї пікової потужності у вимкненому стані. Кращі коефіцієнти екстинкції покращують якість сигналу, але вимагають більш складної конструкції драйвера лазера.

PAM4 і розширена модуляція

На швидкості 200 Гбіт/с і вище промисловість прийняла PAM4 (4-рівнева імпульсно-амплітудна модуляція). Замість двох рівнів інтенсивності, що представляють один біт, PAM4 використовує чотири рівні, що представляють два біти на символ. Це подвоює швидкість передачі даних без подвоєння вимоги до пропускної здатності, хоча це змінює співвідношення сигналу-до-шуму – кожен рівень знаходиться ближче один до одного, що ускладнює виявлення.

Когерентні оптичні приймачі, що використовуються в -мережах дальнього зв’язку, використовують ще складніші схеми. Вони модулюють як амплітуду, так і фазу світла за допомогою QPSK (квадратурна фазова маніпуляція) або вищого -порядку QAM (квадратурна амплітудна модуляція). Для цих систем потрібні спеціалізовані когерентні приймачі з гетеродинними лазерами та складною цифровою обробкою сигналу, але вони можуть досягати 400 Гбіт/с або більше на одній довжині хвилі.

 

Вибір довжини хвилі та сумісність волокон

 

Різні довжини хвиль служать різним цілям в оптичному зв’язку, і конструкція трансивера відповідно змінюється.

Системи багатомодового волокна (850 нм)

Додатки з -коротким радіусом дії в одній будівлі або кампусі центру обробки даних зазвичай використовують багатомодове волокно з передавачами VCSEL 850 нм. Багатомодове волокно має більшу серцевину (50 або 62,5 мікрон), що дозволяє одночасному поширенню кількох шляхів світла або «мод». Це полегшує зв’язок і знижує вартість, але модальна дисперсія обмежує відстань - різні режими рухаються з дещо різними швидкостями, спричиняючи поширення імпульсу. Оптоволокно OM3 підтримує швидкість від 10 Гбіт/с до 300 метрів, тоді як OM4 розширює це значення до 400 метрів, а OM5 додатково оптимізує для паралельної передачі.

Одномодові-волоконні системи (1310 нм і 1550 нм)

Для передачі-на великі відстані потрібне одномодове-волокно зі значно меншою серцевиною (9 мікрон), яке обмежує світло в одному режимі поширення. Це усуває модальну дисперсію, дозволяючи значно більші відстані. Довжина хвилі 1310 нм знаходиться у вікні низької-дисперсії стандартного одномодового-волокна, тоді як 1550 нм займає найнижче вікно ослаблення (приблизно 0,2 дБ/км порівняно з 0,35 дБ/км на 1310 нм).

Для прольотів понад 80 км компенсація дисперсії стає необхідною навіть при 1550 нм. Розширені конструкції трансиверів використовують зовнішню модуляцію, а іноді й регульовані лазери для точного керування оптичним спектром.

Точність довжини хвилі DWDM

Трансивери зі щільним мультиплексуванням по довжині хвилі (DWDM) генерують світло на дуже специфічних довжинах хвиль, визначених сіткою ITU-T, зазвичай на відстані 50 ГГц або 100 ГГц (що відповідає приблизно 0,4 нм або 0,8 нм поблизу 1550 нм). Сам по собі лазер DFB недостатньо стабільний для DWDM - ці трансивери включають контроль температури з точністю до ±0,1 градуса або краще, підтримуючи точність довжини хвилі в межах ±0,02 нм у робочому діапазоні температур.

 

Форм-фактори та еволюція

 

Фізична упаковка трансиверів розвинулася, щоб забезпечити більш високі швидкості, зберігаючи або зменшуючи розмір.

SFP і SFP+ (до 16 Гбіт/с)

Стандарт SFP (SFP) з’явився на початку 2000-х років, пропонуючи компактну конструкцію з можливістю гарячої-заміни приблизно вдвічі меншу за попередні модулі GBIC. SFP обробляє 1 Гбіт/с, а SFP+ розширив електричний інтерфейс до 10 Гбіт/с. Ці модулі мають розміри 13,4 мм × 8,5 мм × 56 мм, достатньо малі, щоб комутатори могли розмістити 48 портів в одній стійці.

QSFP28 і QSFP-DD (100-400 Гбіт/с)

Формат Quad SFP (QSFP) об’єднує чотири канали в один модуль. QSFP28 використовує чотири смуги 25 Гбіт/с (часто з NRZ) для досягнення загальної швидкості 100 Гбіт/с. QSFP-DD (Double Density) подвоює це завдяки восьми смугам, досягаючи 400 Гбіт/с за допомогою сигналізації PAM4 зі швидкістю 50 Гбіт/с на смугу. Конструкція DD зберігає ту саму ширину, що й QSFP28, але використовує вищий роз’єм із додатковими електричними контактами.

OSFP і майбутні формати

Оскільки галузь просувається до 800 Гбіт/с і 1,6 Тбіт/с, формат Octal SFP (OSFP) забезпечує вісім смуг із кращим тепловим дизайном, ніж QSFP-DD, критично, коли модулі розсіюють 12-15 Вт. Деякі постачальники розробили QSFP112 для 400 Гбіт/с на чотирьох смугах 100 Гбіт/с, хоча стандартизація формату залишається спірною на цих швидкостях.

Кожен форм-фактор визначає не лише фізичні розміри, але й електричні характеристики, температурні обмеження та протоколи інтерфейсу керування, забезпечуючи взаємодію між постачальниками.

 

Бюджети потужності та дизайн посилань

 

Успішне розгортання трансиверів AOI вимагає розуміння бюджету потужності - арифметики посилень і втрат сигналу в каналі зв’язку.

Вихідна потужність трансивера зазвичай коливається від -2 дБм (0,63 мВт) для модулів малого-досяжності до +4 дБм (2,5 мВт) для-модулів із розширеним радіусом дії. Чутливість приймача може становити -14 дБм для додатків ER 10 Гбіт/с або -25 дБм для високочутливих приймачів на великі відстані. Різниця між цими значеннями – це ваш бюджет потужності.

Затухання у волокні споживає більшу частину цього бюджету - 0.3 дБ/км на 1310 нм або 0,2 дБ/км на 1550 нм для стандартного одномодового-волокна. Втрати в роз’ємах додають 0,3-0,5 дБ кожен, втрати в з’єднанні – 0,05-0,1 дБ, і ви повинні включити 3-6 дБ системного запасу на старіння, ремонт з’єднань і несподівані втрати.

Для 40-кілометрового з’єднання на 1310 нм: 0,3 дБ/км × 40 км=12 дБ втрати волокна, плюс чотири з’єднувачі (2 дБ), одне з’єднання середнього-прольоту (0,1 дБ) і запас 3 дБ=17.1 дБ загальні втрати на шляху. Якщо ваш передавач видає 0 дБм, а приймачу потрібно -18 дБм, у вас є доступний бюджет у 18 дБ – ледь достатньо.

Ця арифметика пояснює, чому системи-далеких перевезень використовують передавачі 1550 нм (менше затухання) і високу-потужність, часто з оптичними підсилювачами для відстаней понад 80 км.

 

Новітні технології та майбутні напрямки

 

Індустрія трансиверів AOI продовжує стрімко розвиватися завдяки вимогам гіпермасштабованих центрів обробки даних і розвитку телекомунікацій.

Інтеграція кремнієвої фотоніки обіцяє знизити виробничі витрати за рахунок використання інфраструктури виробництва напівпровідників. Замість окремих вузлів TOSA та ROSA кремнієві фотонні трансивери інтегрують лазерні джерела, модулятори та детектори на кремнієвих чіпах, хоча напівпровідникові матеріали III-V все ще забезпечують найкращу продуктивність лазера, що вимагає гібридних підходів до інтеграції.

З-пакована оптика (CPO) переміщує трансивери з лицьової панелі безпосередньо на кремнієві корпуси комутатора, зменшуючи енергоспоживання та затримку, одночасно значно збільшуючи щільність портів комутатора. Ранні демонстрації CPO досягли 51,2 Тбіт/с на комутатор ASIC за рахунок усунення обмежень електричної потужності SerDes і відстані.

Лінійна{0}}роз’ємна оптика (LPO) спрощує електричний інтерфейс, видаляючи схеми повторного синхронізації, передаючи сигнали безпосередньо між хостом і оптикою за допомогою лінійних драйверів. Це зменшує споживання електроенергії на 40-50% порівняно з модулями зі зміненим таймером, хоча це вимагає більш якісних конструкцій друкованих плат і накладає обмеження на охоплення.

Лазери на квантових точках обіцяють-нечутливу до температури роботу без термоелектричних охолоджувачів, зменшуючи потужність модуля та вартість. Ранні версії демонструють стабільну роботу від -40 градусів до +95 градусів з мінімальним зсувом довжини хвилі.

 

Часті запитання

 

Яка різниця між трансиверами AOI та іншими брендами?

AOI (Applied Optoelectronics Inc.) виробляє оптичні трансивери та компоненти, але основні принципи роботи ідентичні для всіх постачальників. Фізичний механізм фотоелектричного перетворення не змінюється залежно від виробника. Бренди розрізняються за якістю виготовлення, специфікаціями температурного діапазону, енергоефективністю та рейтингами надійності. Угоди з кількома-джерелами (MSA) гарантують, що сумісні трансивери від різних постачальників взаємозамінно працюють в одному слоті обладнання.

Ви бачите світло, що виходить від оптоволоконного трансивера?

Ні - більшість трансиверів працюють на інфрачервоних довжинах хвиль (850 нм, 1310 нм або 1550 нм), невидимих ​​для людського ока. Навіть світло VCSEL 850 нм у кращому випадку виглядає слабко-червоним. Ніколи не дивіться прямо в активне оптоволокно або порт трансивера; в той час як рівні потужності низькі (зазвичай 1-3 міліват), промінь дуже колімований і сфокусований, здатний викликати постійне пошкодження сітківки. З цієї причини існують правила лазерної безпеки класу 1M.

Чому деякі трансивери мають два волокна, а інші використовують одне?

Традиційні трансивери використовують два волокна - одне для передачі, одне для прийому -, що працюють на одній довжині хвилі в протилежних напрямках. Двонаправлені трансивери (BiDi) використовують одне волокно з фільтром WDM, який розділяє дві різні довжини хвилі: одну для висхідного потоку, одну для низхідного потоку. Конструкції BiDi заощаджують оптоволокно, але коштують трохи дорожче через компоненти WDM. Системи CWDM і DWDM мультиплексують багато довжин хвиль на одну пару волокон за допомогою зовнішніх мультиплексорів.

Як довго зазвичай служать оптичні трансивери?

Лазерна деградація є основним обмежувачем терміну служби. Більшість трансиверів вказують від 100 000 до 200 000 годин середній час між відмовами (MTBF) при робочій температурі 25 градусів. На практиці модулі часто працюють 5-10 років до виходу з ладу, причому вищі температури прискорюють старіння. Схеми автоматичного керування потужністю компенсують поступове погіршення якості лазера шляхом збільшення струму приводу, але врешті-решт досягають максимального струму і більше не можуть підтримувати задану вихідну потужність. Правильне охолодження значно подовжує термін служби трансивера.

 

Основні технічні характеристики для розуміння

 

При виборі трансиверів кілька характеристик безпосередньо впливають на продуктивність:

Технічні характеристики передавача:Вихідна потужність (дБм), спектральна ширина (нм), коефіцієнт екстинкції (дБ) і коефіцієнт придушення бокової-моди (дБ для лазерів DFB) визначають якість сигналу та охоплення. Допуск центральної довжини хвилі стає критичним для програм DWDM.

Характеристики ресивера:Чутливість (дБм) визначає мінімальну оптичну потужність, необхідну для заданої частоти бітових помилок (зазвичай 10^-12). Потужність насичення вказує на максимальну вхідну потужність до пошкодження або надмірних спотворень. Специфікація оптичних зворотних втрат має значення для запобігання відбиттям, які дестабілізують лазери.

Електричний інтерфейс:Специфікації диференціального опору (зазвичай 100 Ом), коливання вихідної напруги та тремтіння мають відповідати вимогам до основного обладнання. SFP використовує сигналізацію LVPECL, QSFP28 використовує NRZ зі швидкістю 25,78 Гбіт/с, а QSFP-DD зазвичай реалізує PAM4 зі швидкістю 53,125 Гбод.

Оцінки навколишнього середовища:Комерційна температура (від 0 градусів до 70 градусів), розширена температура (-від 5 градусів до 85 градусів) і промислова температура (-від 40 градусів до 85 градусів) вказують на те, яке керування температурою вимагає модуль. Розсіювана потужність у ватах впливає на вимоги до охолодження - модулі QSFP-DD можуть перевищувати 12 Вт.

Цифрова діагностика:Пороги тривоги та попередження для температури, напруги, струму зміщення, потужності TX і потужності RX дозволяють здійснювати проактивний моніторинг. Технічні характеристики точності (зазвичай ±3 дБ для оптичної потужності) мають значення під час усунення несправностей маргінальних каналів.

Розуміння цих параметрів дозволяє обґрунтовано вибирати трансивер і ефективно виправляти несправності, коли зв’язки не працюють або виходять з ладу.