Optički moduli proizvedeni su s preciznošću

 

 

Noćna mora poravnanja na koju vas nitko ne upozorava

 

Spajanje laserskog svjetla u jedno-modno vlakno zahtijeva točnost pozicioniranja od oko ±0,5 mikrometara. Pola mikrona. Konteksta radi, ljudska vlas je debela otprilike 70 mikrometara.

Nedostaju ta tolerancija i vaši spremnici učinkovitosti spajanja. Gubitak učinkovitosti znači veće pogonske struje za kompenzaciju, što generira toplinu, što pomiče valnu duljinu, što degradira vaš omjer signala-na-šum na načine koji kaskadno prolaze kroz cijeli proračun veze. Teorijske jednadžbe spajanja izgledaju čisto u udžbenicima. Stvarnost uključuje šest-faza poravnanja osi,-praćenje snage u stvarnom vremenu i procese stvrdnjavanja ljepila koji uvode vlastite pomake položaja.

Gledao sam tehničara kako provodi cijelo poslijepodne 2021. godine tražeći uneseni gubitak od 2 dB na nečemu što je trebao biti rutinski TOSA sklop. Ispostavilo se da se kuglasta leća lagano zarotirala tijekom UV stvrdnjavanja - možda tri stupnja - dovoljno da usmjeri zraku tik uz jezgru vlakna. Tri stupnja. To je ono što je ovaj posao.

 

Aktivno naspram pasivnog poravnanja

 

Industrija se o tome raspravlja već dvadeset godina i još uvijek nije u potpunosti riješila pitanje.

Aktivno poravnanje znači uključivanje lasera tijekom sastavljanja, praćenje spojene optičke snage i iterativno podešavanje položaja dok ne pogodite svoju metu. Djeluje. Također je spor, skup i ne prilagođava se elegantno kada pokušavate isporučiti milijune primopredajnika mjesečno.

Pasivno poravnanje oslanja se na mehaničke značajke - urezane silikonske v-utore, litografski definirana postolja za montiranje, flip-samo{3}}poravnavanje lemljenja čipa - za pozicioniranje komponenti bez uključivanja bilo čega. Kada radi, propusnost se dramatično poboljšava. Kada su tolerancije nepovoljne, imate probleme s prinosom koji se očituju kao tajanstvene serije modula slabih performansi koji prolaze električne testove, ali ne zadovoljavaju optičke specifikacije.

Hibridni pristupi koji postaju sve popularniji sada koriste pasivno poravnanje kako bi se približili nekoliko mikrona, a zatim aktivno fino-podešavanje za konačnu optimizaciju. Više koraka u procesu, ali ekonomija funkcionira za-proizvode visokih performansi kod kojih je korisnicima zapravo stalo do margine veze.

Silicijska fotonika ovdje je promijenila neke pretpostavke. Kada su vaši valovodi litografski definirani na silicijskoj pločici, a vaši laseri spojeni na flip-chip ili heterogeno integrirani, problem usklađivanja djelomično se pretvara u problem proizvodnje poluvodiča. Različiti skupovi vještina. Različiti načini kvarova.

 

 

Problem-iskrivljenja poravnanja uzrokovan zavarivanjem

 

Lasersko zavarivanje ostaje poželjna metoda spajanja vlakana-za-pričvršćenja paketa u hermetičkim modulima. Zavar je jak, brz i ne ispušta plin poput nekih ljepila. Problem je što se događa dok se bazen za zavarivanje hladi.

Toplinska kontrakcija povlači sklop vlaknaste čaure u smjerovima koji ovise o geometriji zavara, svojstvima materijala i - ovo je frustrirajući dio - određeni slijed u kojem pravite više zavara. Po-pomak nakon zavarivanja može premašiti nekoliko mikrometara ako niste pažljivi. Vaš savršeno poravnat sklop postaje neusklađen u trenutku kada završite sa spajanjem.

Postoje strategije kompenzacije. Neki proizvođači namjerno kompenziraju svoje poravnanje prije -zavarivanja kako bi uzeli u obzir predviđeni pomak. Drugi koriste parametre zavarivanja s niskim-skupljanjem i prihvaćaju duža vremena ciklusa. Nekoliko ih je razvilo-sustave praćenja u stvarnom vremenu koji mjere pomak tijekom zavarivanja i primjenjuju korektivne prilagodbe prije nego što spoj potpuno očvrsne.

Nijedan od ovih pristupa nije siguran. Svaki novi dizajn paketa zahtijeva ponovno -karakteriziranje ponašanja smjene.

 

Realnost čistih soba

 

Optički moduli sastavljaju se u čistim sobama u rasponu od ISO klase 7 do ISO klase 5 za operacije koje su-najosjetljivije na kontaminaciju. Brojke zvuče impresivno sve dok ne shvatite da jedan čovjek koji nepomično sjedi stvara otprilike 100 000 čestica u minuti na pragu veličine od 0,3 mikrona.

Čestica na kraju vlakna stvara lokaliziranu vruću točku kada se osvijetli -laserskim svjetlom velike snage. Tijekom vremena, to mjesto karbonizira organske kontaminante u trajni upijajući defekt koji progresivno smanjuje učinkovitost. Ovaj način neuspjeha natjerao je čitave proizvodne linije na implementaciju 100% inspekcije čeone površine prije završne montaže.

Standardne kontrole čistih prostorija razumno se dobro nose s česticama u zraku. Molekularna kontaminacija je skrivenija. Hlapljivi organski spojevi iz ljepila, otapala za čišćenje, čak i plastike koja ispušta plinove mogu ostaviti nevidljive filmove na optičkim površinama. Ovi filmovi su posebno štetni za DUV aplikacije, ali uzrokuju probleme na svim valnim duljinama.

AMC-kontrolirane čiste sobe - kontrolirana molekularna kontaminacija u zraku - predstavljaju trenutno stanje tehnike za visoko-pouzdani optički sklop. Sustavi filtracije su skupi. Oprema za nadzor je skupa. Popisi zabranjenih materijala stvaraju glavobolje opskrbnom lancu.

isplati li se Ovisi o tome isporučujete li standardne SFP-ove ili komponente za-sisteme prikladne za svemir.

 

 

Temperaturna kompenzacija traje dulje nego što itko planira

 

Izlazna snaga laserske diode i valna duljina mijenjaju se s temperaturom. Tipični DFB laser pomiče se otprilike 0,1 nm/stupnju u valnoj duljini i zahtijeva podešavanje prednaponske struje kako bi se održala konstantna optička snaga u cijelom rasponu radne temperature.

Temperaturna kompenzacija uključuje karakterizaciju svakog modula na više temperaturnih točaka - često u koracima od 5 ili 10 stupnjeva od -40 stupnjeva do +85 stupnjeva za industrijske- proizvode - i programiranje korekcijskih koeficijenata u MCU modula. Koeficijenti prilagođavaju struju prednapona i ponekad amplitudu modulacije kao funkciju izmjerene temperature kućišta.

Ovo zvuči jednostavno dok ne shvatite da se svaki modul ponaša malo drugačije zbog proizvodnih varijacija u samom laseru, toplinskom putu od spoja do termistora i tolerancijama komponenti u strujnom krugu pokretačkog programa. Masovno{1}}proizvedeni potrošački-moduli koriste generičke kompenzacijske tablice i prihvaćaju dobiveni raspon performansi. Moduli visokih-učinkovitosti dobivaju individualiziranu karakterizaciju.

Inženjer kojeg poznajem proveo je četiri mjeseca optimizirajući algoritam temperaturne kompenzacije za novu platformu modula 400G. Četiri mjeseca na onome što bi većina ljudi odbacila kao korak kalibracije.

 

TOSA-ROSA razlika manje je važna nego prije

 

Tradicionalne arhitekture optičkih primopredajnika odvajaju funkciju prijenosa (TOSA - optički podsklop odašiljača) od funkcije primanja (ROSA - optički podsklop prijemnika). Svaki podsklop se zasebno pakira, testira, zatim integrira u PCB modula.

To je imalo smisla kada optički moduli koriste diskretne TO-mogu pakete s jednostavnim jedno-kanalnim dizajnom. Brzi-više{4}}kanalni moduli sve više zajedno integriraju funkcije prijenosa i primanja ili potpuno eliminiraju tradicionalno OSA pakiranje putem pristupa čip--na ploči gdje se gole matrice montiraju izravno na PCB podlogu.

COB pakiranje smanjuje broj optičkih sučelja - svako je sučelje potencijalna točka gubitka -, ali zahtijeva čistija proizvodna okruženja i sofisticiraniju opremu za sastavljanje. Trend je jasan, čak i ako prijelaz nije dovršen.

BiDi primopredajnici dodatno kompliciraju sliku korištenjem multipleksiranja-podjele valnih duljina za prijenos i primanje na jednom vlaknu. BOSA koja kombinira funkcije TOSA i ROSA s integriranim WDM filtrima zahtijeva još strože tolerancije za poravnanje jer obje optičke staze moraju pogoditi istu jezgru vlakna.

 

What burn-in zapravo testira

 

Moduli se podvrgavaju visoko{0}}temperaturnom starenju prije otpreme - obično 24 do 168 sati na povišenim temperaturama kućišta oko 70-100 stupnjeva dok rade u normalnim uvjetima prednaprezanja.

Cilj nije simulirati godine rada na terenu. To je ubrzati neuspjehe u smrtnosti dojenčadi. Određeni postotak komponenti sadrži latentne nedostatke - slabe žičane veze, rubne lemljene spojeve, blago degradirane laserske aspekte - koji se neće očitovati u normalnim uvjetima, ali brzo otkazuju pod ubrzanim stresom. Bolje ih je pronaći tijekom proizvodnje nego u mreži kupaca.

Burn{0}}in hvata prave probleme. Svaka proizvodna linija ima priče o hvatanju loše serije komponenti kroz kvar-in kvarove prije nego što su te jedinice isporučene. Protuargument je da sagorijevanje-troši prostor u stalku, energiju i vrijeme ciklusa što izravno utječe na troškove proizvodnje. Robni moduli često smanjuju trajanje-spajanja ili ga u potpunosti preskaču, prihvaćajući veće stope kvarova na terenu kao trošak--izvršavanja-poslovnog izračuna.

Ispitivanje ciklusa temperature ima drugu svrhu - otkrivajući nedostatke sklopa, a ne nedostatke komponenti. Ponovljeni toplinski izleti opterećuju lemljene spojeve, ljepljive veze i mehanička sučelja. Pukotine se šire. Zamor sučelja. Što god je bilo marginalno postaje propalo.

 

 

Zašto vaš modul možda neće raditi u tuđem switchu

 

Problemi s kodiranjem EEPROM-a uzrokuju više pritužbi na terenu nego što većina dobavljača želi priznati.

Optički moduli sadrže male memorijske čipove koji pohranjuju identifikacijske podatke, kalibracijske koeficijente i parametre dijagnostičkog nadzora u standardiziranim formatima definiranim specifikacijama odbora SFF. Glavni sustav čita te podatke kako bi prepoznao modul, postavio odgovarajuće radne parametre i nadzirao ispravnost tijekom rada.

Različiti proizvođači preklopnika i usmjerivača tumače ove specifikacije s različitim stupnjevima strogosti. Modul koji savršeno radi u opremi jednog dobavljača može biti odbijen od strane drugog dobavljača zbog razlike u izračunu kontrolnog zbroja, neočekivane vrijednosti u "rezerviranom" polju ili vlasničke provedbe-ID-a dobavljača.

Tržište-primopredajnika treće strane postoji uglavnom zbog ovih izazova interoperabilnosti. Tvrtke su specijalizirane za obrnuto-inženjering specifičnih zahtjeva EEPROM-a za glavne dobavljače opreme i programiranje kompatibilnih modula. Tehnički izraz je "kodiranje". Praktična stvarnost uključuje opsežna testiranja kompatibilnosti sa stvarnom opremom Cisco, Juniper, Arista i desecima drugih.

 

Hermetičnost u odnosu na cijenu

 

Hermetičko pakiranje - metalno kućište sa staklenim-na-metalnim brtvama i zavarenim poklopcima - pruža zlatni standard za dugoročnu-pouzdanost. Nema prodora vlage. Nema problema s ispuštanjem plinova. Predvidljiv životni vijek od dvadeset- godina u teškim uvjetima.

Također košta znatno više od-nehermetičkih alternativa.

Većina optičkih modula podatkovnih centara koristi ne-hermetičko pakiranje s različitim stupnjevima zaštite okoliša. Epoksidne brtve, konformni premazi, selektivni materijali za upijanje vlage koja prodire. Ovi pristupi primjereno funkcioniraju za-klimatski kontrolirana okruženja s relativno kratkim ciklusima zamjene.

Telekomunikacijska oprema i aplikacije u zrakoplovstvu općenito još uvijek zahtijevaju potpuno hermetičko pakiranje. Načini kvarova zbog korozije-inducirane vlagom ili kontaminacije trebaju godine da se očituju, što je upravo razlog zašto su neprihvatljivi u infrastrukturi koja desetljećima mora raditi bez nadzora.

Ljudi koji se bave modulatorom litijevog niobata s tankim{0}}slojem naučili su to na teži način. Rani uređaji s neadekvatnim hermetičkim brtvljenjem pokazali su tajanstvenu degradaciju performansi pri postavljanju na terenu. Ispostavilo se da je vodena para uzrokovala DC drift u strukturama elektroda.

 

Prinos je sve

 

Dizajn modula koji zadovoljava sve specifikacije performansi, ali daje samo 60% dobrih jedinica, izgubit će novac. Malo inferiorni dizajn s prinosom od 95% mogao bi biti isplativ. Ovaj kompromis pokreće više inženjerskih odluka nego tehnička elegancija ikada.

Gubitak prinosa multiplikativno se akumulira kroz korake procesa. Ako vaša laserska matrica donosi 98%, vaše spajanje žicom daje 97%, vaše spajanje vlakana donosi 95%, a vaše opekline-preživljavanje je 99%, vaš kumulativni učinak je 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Zvuči u redu dok se ne sjetite da su te brojke optimistične i da stvarni procesi imaju više koraka.

Neumorni pritisak na iskorištenje objašnjava zašto se kontrola procesa u optičkoj proizvodnji tretira s vjerskim žarom. Statistički kontrolni dijagrami procesa. Inspekcija ulaznog materijala. Protokoli kvalifikacije opreme. Certifikacija operatera. Sve što smanjuje varijacije smanjuje gubitak prinosa.

Također objašnjava zašto se proizvodni inženjeri nerviraju zbog promjena dizajna. Svaka izmjena potencijalno resetira vašu krivulju učenja prinosa.

 

Sučelje konektora koje vjerojatno ignorirate

 

Mehaničko sučelje gdje se optička vlakna spajaju u modul važnije je nego što sugerira njegova prividna jednostavnost.

LC i MPO konektori moraju ostvariti fizički kontakt između uglačanih krajeva vlakana - ili precizno kontrolirane zračne raspore za konstrukcije fizičkog kontakta pod kutom - uz održavanje poravnanja unutar tolerancija koje čuvaju učinkovitost spajanja. Kućište konektora, utičnica na modulu i spojna geometrija doprinose.

Trošenje od ponovljenih umetanja degradira konektore tijekom vremena. MSA specifikacije definiraju minimalne zahtjeve trajnosti, ali stvarna izvedba varira ovisno o razinama kontaminacije, tehnici umetanja i kvaliteti proizvodnje konektora i spremnika.

Vidio sam kako se problemi s vezama rješavaju satima prije nego što je netko konačno očistio LC konektor i problem nestao.

 

Što se zapravo isporučuje u odnosu na ono što pokazuju konferencije

 

Konferencijski radovi demonstriraju module od 1,6 Tbps s egzotičnim formatima koherentne modulacije i ko-zapakiranom fotonskom integracijom. U stvarnoj količini isporuka i dalje dominiraju 100G i 400G priključni primopredajnici koji koriste relativno konvencionalne arhitekture.

Razmak između demonstracije i implementacije obuhvaća otprilike pet godina za većinu tehnologija. Silicijska fotonika trajala je čak i duže. Prvi rezultati istraživanja pojavili su se početkom 2000-ih; značajan komercijalni volumen nije stigao sve do sredine 2010-ih.

Ovo nije pesimizam - to je proizvodnja stvarnosti. Prelazak s radnih prototipova na pouzdanu masovnu proizvodnju zahtijeva rješavanje problema s prinosima, kvalificiranje dobavljača, izgradnju ispitne infrastrukture i utvrđivanje podataka o pouzdanosti na terenu. Svaki korak zahtijeva vrijeme.

800G optički moduli sada rastu. 1.6T će uslijediti. Postoje temeljne tehnologije. Proizvodna sposobnost je ono za što su potrebne godine da sazrije.

Modul koji ćete implementirati u svoju mrežu sljedećeg kvartala vjerojatno je ušao u razvoj prije četiri godine i oslanja se na tehnologije temeljnih komponenti dokazane desetljeće prije toga. Vrhunsko-istraživanje na kraju postaje dosadno proizvodno inženjerstvo, a to je upravo ono kako bi trebalo funkcionirati.