Оптичні модулі виготовляються з точністю

 

 

Кошмар вирівнювання, про який вас ніхто не попереджає

 

Для з’єднання лазерного світла в одномодове-волокно потрібна точність позиціонування приблизно ±0,5 мікрометра. Півмікрона. Для контексту, людська волосина має товщину приблизно 70 мікрометрів.

Сумуйте за толерантністю та вашими баками ефективності зчеплення. Втрата ефективності означає вищі струми приводу для компенсації, що генерує тепло, що зміщує довжину хвилі, що погіршує ваше співвідношення-до-шуму таким чином, що каскадно розподіляється по всьому бюджету зв’язку. Теоретичні рівняння зв’язку виглядають чистими в підручниках. Реальність передбачає шість-етапів вирівнювання осі,-моніторинг потужності в реальному часі та процеси затвердіння клею, які вносять власні позиційні зсуви.

Я спостерігав, як технік витратив цілий день у 2021 році, шукаючи внесені втрати 2 дБ на тому, що мало бути звичайним монтажем TOSA. Виявилося, що кулькова лінза злегка повернулася під час УФ-затвердіння -, можливо, на три градуси - достатньо, щоб направити промінь прямо від серцевини волокна. Три ступені. Ось що таке цей бізнес.

 

Активне проти пасивного вирівнювання

 

У промисловості сперечалися про це протягом двадцяти років і досі не врегулювали це питання повністю.

Активне вирівнювання означає ввімкнення живлення лазера під час складання, моніторинг пов’язаної оптичної потужності та коригування положення ітеративно, доки ви не влучите в ціль. Це працює. Це також повільно, дорого та не витончено масштабується, коли ви намагаєтеся постачати мільйони трансиверів на місяць.

Пасивне вирівнювання ґрунтується на механічних функціях - вигравіруваних кремнієвих v-канавок, літографічно визначених монтажних п’єдесталів, перевертання-само{3}}вирівнювання пайки мікросхем - для позиціонування компонентів, не вмикаючи нічого. Коли це працює, пропускна здатність значно покращується. Коли допуски складаються несприятливо, виникають проблеми з продуктивністю, які проявляються у вигляді таємничих партій модулів із недостатньою продуктивністю, які проходять електричні випробування, але не відповідають оптичним характеристикам.

У гібридних підходах, які набирають популярності, тепер використовується пасивне вирівнювання, щоб досягти кількох мікрон, а потім активне тонке-налаштування для остаточної оптимізації. Більше етапів процесу, але економічні показники працюють для високо-продуктивних продуктів, де клієнтам дійсно важлива маржа посилань.

Кремнієва фотоніка змінила деякі припущення. Коли ваші хвилеводи літографічно визначені на кремнієвій пластині, а ваші лазери з’єднані з фліп-чипом або гетерогенно інтегровані, проблема вирівнювання частково перетворюється на проблему виробництва напівпровідників. Різні навички. Різні режими відмови.

 

 

Проблема спотворення вирівнювання-, спричинена зварюванням

 

Лазерне зварювання залишається кращим способом з’єднання волокон-до-пакетів у герметичних модулях. Зварний шов міцний, швидкий і не виділяє газів, як деякі клеї. Проблема полягає в тому, що відбувається, коли зварювальна ванна охолоджується.

Теплове стиснення тягне волоконний наконечник у напрямках, які залежать від геометрії зварного шва, властивостей матеріалу та - це розчаровує частина - конкретна послідовність, у якій ви виконуєте кілька зварних швів. Зміщення після-зварювання може перевищувати кілька мікрометрів, якщо ви не будете обережні. Ваша ідеально вирівняна збірка стає невирівняною, коли ви завершуєте її з’єднання.

Існують стратегії компенсації. Деякі виробники навмисно зміщують перед-вирівнювання зварювання, щоб врахувати прогнозований зсув. Інші використовують параметри зварного шва з низькою{3}}усадкою та визнають довший час циклу. Декілька розробили системи-моніторингу в режимі реального часу, які вимірюють зміщення під час зварювання та застосовують коригування до того, як з’єднання повністю затвердіє.

Жоден із цих підходів не є надійним. Кожна нова конструкція упаковки потребує-повторної характеристики поведінки зсуву.

 

Реалії чистих приміщень

 

Оптичні модулі збираються в чистих приміщеннях від класу ISO 7 до класу ISO 5 для найбільш чутливих-забруднень операцій. Цифри звучать вражаюче, поки ви не зрозумієте, що одна людина, яка сидить нерухомо, генерує приблизно 100 000 частинок за хвилину з пороговим значенням розміру 0,3 мікрона.

Частинка на торці волокна створює локальну гарячу точку під час освітлення високо-потужним лазерним світлом. З часом ця пляма карбонізує органічні забруднення в постійний поглинаючий дефект, який поступово погіршує продуктивність. Цей режим несправності спонукав усі лінійки продуктів до впровадження 100% перевірки торцевої поверхні перед остаточним складанням.

Стандартні засоби контролю чистих приміщень досить добре справляються з частинками в повітрі. Молекулярне забруднення більш підступне. Летючі органічні сполуки з клеїв, очисних розчинників і навіть пластмас, що виділяють гази, можуть утворювати невидимі плівки на оптичних поверхнях. Ці плівки особливо шкідливі для застосувань DUV, але викликають проблеми на різних довжинах хвиль.

AMC-контрольовані чисті приміщення - контроль молекулярного забруднення повітря - представляють сучасний рівень техніки для високо-надійної оптичної збірки. Системи фільтрації дорогі. Обладнання для моніторингу дороге. Списки заборонених матеріалів створюють головний біль у ланцюзі поставок.

Варто того? Залежить від того, чи постачаєте ви стандартні SFP чи компоненти для-придатних для космосу систем.

 

 

Температурна компенсація займає більше часу, ніж будь-хто планує

 

Вихідна потужність і довжина хвилі лазерного діода змінюються з температурою. Типовий лазер DFB дрейфує довжину хвилі приблизно на 0,1 нм/градус і потребує регулювання струму зміщення для підтримки постійної оптичної потужності в діапазоні робочих температур.

Температурна компенсація передбачає визначення характеристик кожного модуля в кількох температурних точках - часто з кроком 5 градусів або 10 градусів від -40 градусів до +85 градусів для промислових- продуктів — і програмування коригувальних коефіцієнтів у MCU модуля. Коефіцієнти регулюють струм зміщення та іноді амплітуду модуляції як функцію виміряної температури корпусу.

Це звучить просто, доки ви не зрозумієте, що кожен модуль поводиться дещо по-різному через виробничі варіації самого лазера, тепловий шлях від переходу до термістора та допуски компонентів у схемі драйвера. Масово{1}}вироблені споживчі-модулі використовують загальні таблиці компенсації та приймають результуючий розкид продуктивності. Високопродуктивні-модулі отримують індивідуальні характеристики.

Один мій знайомий інженер витратив чотири місяці на оптимізацію алгоритму температурної компенсації для нової модульної платформи 400G. Чотири місяці на те, що більшість людей відкинули б як крок калібрування.

 

Розрізнення TOSA-ROSA має менше значення, ніж раніше

 

Традиційні архітектури оптичних приймачів-передавачів відокремлюють функцію передачі (оптичний вузол передавача TOSA -) від функції прийому (оптичний вузол приймача ROSA -). Кожен вузол упаковується окремо, перевіряється, а потім інтегрується на друковану плату модуля.

Це мало сенс, коли оптичні модулі використовували дискретні пакети TO-can із простими одно-канальними конструкціями. Високошвидкісні багато-канальні модулі дедалі більше об’єднують функції передачі та прийому або повністю усувають традиційне пакування OSA завдяки підходам-на-платі, коли голі плашки монтуються безпосередньо на підкладку друкованої плати.

Упаковка COB зменшує кількість оптичних інтерфейсів - кожен інтерфейс є потенційною точкою втрати -, але вимагає чистіших виробничих середовищ і більш складного монтажного обладнання. Тенденція очевидна, навіть якщо перехід не завершено.

Трансивери BiDi ще більше ускладнюють картину, використовуючи мультиплексування-поділу довжини хвилі для передачі та прийому по одному волокну. BOSA, що поєднує функції TOSA та ROSA з інтегрованими фільтрами WDM, потребує ще жорсткіших допусків на вирівнювання, оскільки обидва оптичні шляхи мають проходити по одній серцевині волокна.

 

Що горить-насправді тестує

 

Модулі проходять високо{0}}температурне старіння перед відправленням - зазвичай від 24 до 168 годин при підвищеній температурі корпусу близько 70-100 градусів під час роботи в нормальних умовах зміщення.

Мета полягає не в тому, щоб імітувати роки експлуатації в полі. Це пришвидшення невдач у зниженні дитячої смертності. Деякий відсоток компонентів містить приховані дефекти - слабкі дротяні зв’язки, крайові паяні з’єднання, дещо погіршені лазерні грані -, які не проявляються за нормальних умов, але швидко виходять з ладу під час прискореного навантаження. Краще знайти їх під час виробництва, ніж у мережі клієнта.

Випалювати-вловлює реальні проблеми. На кожній виробничій лінії є історії про виявлення неякісної партії компонентів через згорання-збоїв ще до відправлення цих одиниць. Контраргумент полягає в тому, що спалювання-збирає місце в стелажі, енергію та час циклу, що безпосередньо впливає на вартість виробництва. Стандартні модулі часто скорочують-тривалість запису або повністю пропускають його, приймаючи вищі показники відмов у полі як витрати-на-виконання-бізнес-розрахунку.

Температурні циклічні випробування служать іншій меті - для виявлення дефектів збірки, а не дефектів компонентів. Повторні температурні екскурсії напружують паяні з’єднання, клейові з’єднання та механічні інтерфейси. Тріщини поширюються. Втома інтерфейсів. Все, що було маргінальним, стає невдалим.

 

 

Чому ваш модуль може не працювати в чужому комутаторі

 

Проблеми з кодуванням EEPROM викликають більше скарг, ніж більшість постачальників хочуть визнати.

Оптичні модулі містять невеликі мікросхеми пам’яті, які зберігають ідентифікаційні дані, коефіцієнти калібрування та діагностичні параметри моніторингу в стандартизованих форматах, визначених специфікаціями комітету SFF. Хост-система зчитує ці дані, щоб розпізнати модуль, встановити відповідні робочі параметри та контролювати працездатність під час роботи.

Різні виробники комутаторів і маршрутизаторів інтерпретують ці специфікації з різним ступенем строгості. Модуль, який ідеально працює в обладнанні одного постачальника, може бути відхилений іншим через різницю в обчисленні контрольної суми, неочікуване значення в «зарезервованому» полі або застосування власного-ідентифікатора постачальника.

Ринок приймально-передавачів-третіх сторін існує здебільшого через ці проблеми взаємодії. Компанії спеціалізуються на зворотній-проектуванні конкретних вимог EEPROM для основних постачальників обладнання та програмування сумісних модулів. Технічний термін — «кодування». Практична реальність передбачає широке тестування сумісності з реальним обладнанням від Cisco, Juniper, Arista та десятків інших.

 

Герметичність проти вартості

 

Герметичне пакування - металеві корпуси зі скляними--металевими ущільненнями та зварними кришками - забезпечують золотий стандарт довгострокової-надійності. Відсутність проникнення вологи. Відсутність проблем з виділенням газів. Передбачуваний двадцяти-річний термін служби в суворих умовах.

Це також коштує значно дорожче, ніж-негерметичні альтернативи.

Більшість оптичних модулів центрів обробки даних використовують не-герметичне пакування з різним ступенем захисту навколишнього середовища. Епоксидні ущільнювачі, конформні покриття, селективні геттерні матеріали для поглинання вологи, яка проникає. Ці підходи добре працюють для кліматичних-середовищ із відносно короткими циклами заміни.

Обладнання телекомунікаційних операторів і аерокосмічні програми, як правило, все ще потребують повної герметичної упаковки. Відмови через корозію або забруднення,-спричинені вологою, проявляються роками, саме тому вони неприйнятні в інфраструктурі, яка повинна працювати без нагляду протягом десятиліть.

Люди, які займаються тонкоплівковим літієво-ніобатним модулятором, зрозуміли це на важкому шляху. Ранні пристрої з недостатньою герметичністю демонстрували таємниче зниження продуктивності в польових умовах. Виявилося, що водяна пара спричиняє дрейф постійного струму в електродних структурах.

 

Урожайність - це все

 

Конструкція модуля, яка відповідає всім характеристикам продуктивності, але дає лише 60% хороших одиниць, втратить гроші. Трохи гірша конструкція, що приносить 95%, може бути прибутковою. Цей компроміс стимулює більше інженерних рішень, ніж будь-коли технічна елегантність.

Втрата врожаю накопичується багаторазово на етапах процесу. Якщо ваше лазерне з’єднання дає 98%, дротяне з’єднання – 97%, волоконне з’єднання – 95%, а виживання-в опіку – 99%, ваш сукупний вихід становить 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Звучить добре, поки ви не пам’ятаєте, що ці цифри оптимістичні, а реальні процеси мають більше кроків.

Невпинний тиск на продуктивність пояснює, чому в оптичному виробництві до управління процесом ставляться з релігійним запалом. Карти статистичного контролю процесу. Вхідна перевірка матеріалів. Протоколи кваліфікації обладнання. Атестація оператора. Все, що зменшує варіацію, зменшує втрати врожаю.

Це також пояснює, чому інженери-виробники соромляться змін дизайну. Кожна зміна потенційно скидає вашу криву навчання.

 

Інтерфейс конектора, який ви, напевно, ігноруєте

 

Механічний інтерфейс, через який оптоволокно підключається до модуля, має більше значення, ніж припускає його очевидна простота.

З’єднувачі LC і MPO мають забезпечувати фізичний контакт між полірованими торцями волокна - або точно контрольовані повітряні зазори для конструкцій фізичного контакту під кутом -, зберігаючи центрування в межах допусків, що зберігає ефективність з’єднання. Корпус роз’єму, гніздо на модулі та геометрія з’єднання – все це сприяє.

Знос через багаторазове вставлення з часом погіршує якість з’єднувачів. Специфікації MSA визначають мінімальні вимоги до довговічності, але фактична продуктивність залежить від рівня забруднення, техніки вставлення та якості виготовлення як з’єднувача, так і розетки.

Я бачив усунення несправностей зв’язків годинами, перш ніж хтось нарешті почистив роз’єм LC і проблема зникла.

 

Те, що насправді доставляється, порівняно з тим, що показують конференції

 

Доповіді на конференції демонструють модулі 1,6 Тбіт/с з екзотичними форматами когерентної модуляції та ко-упаковану фотонну інтеграцію. У фактичних обсягах поставок домінують трансивери 100G і 400G, які використовують відносно звичайну архітектуру.

Перерва між демонстрацією та розгортанням для більшості технологій становить приблизно п’ять років. Кремнієва фотоніка зайняла ще більше часу. Перші результати досліджень з'явилися на початку 2000-х років; Значний комерційний обсяг не з’явився до середини 2010-х років.

Це не песимізм - це вигадування реальності. Перехід від працюючих прототипів до надійного масового виробництва потребує вирішення проблем урожайності, кваліфікації постачальників, створення тестової інфраструктури та встановлення даних про надійність у полі. Кожен крок вимагає часу.

Оптичні модулі 800G зараз набирають обертів. 1.6Після цього буде. Базові технології існують. Виробничі можливості - це те, що потребує років для дозрівання.

Модуль, який ви розгорнете у своїй мережі наступного кварталу, ймовірно, розпочав розробку чотири роки тому та базується на фундаментальних технологіях компонентів, перевірених десятиліттям тому. Передові-дослідження з часом перетворюються на нудну технологію виробництва, саме так і має працювати.