Os módulos ópticos são componentes-chave de transmissão em redes de comunicação e suas aplicações, tecnologias, tipos e terminologia são diversas. Pode ser confuso para quem é novo na área. Ao discutir módulos ópticos, do que estamos realmente falando?
Este artigo tem como objetivo aprofundar a terminologia altamente orientada para o mercado a partir de múltiplas perspectivas. A partir do início das demandas dos clientes, abrange progressivamente a aquisição de componentes, seleção de caminhos tecnológicos, determinação de processos de embalagem e, em última análise, todo o processo de fabricação de módulos ópticos. O objetivo é oferecer aos leitores uma compreensão geral mais clara dos módulos ópticos.
Este artigo descreve o processo de fabricação ponta a ponta de módulos ópticos, começando pelas demandas do cliente e passando pela seleção de materiais, design e produção. O artigo analisa sistematicamente vários termos, tecnologias e categorias no campo dos módulos ópticos. Ao mesmo tempo, também apresenta brevemente as tendências de desenvolvimento da indústria.
Usando o data center como exemplo, o requisito do cliente é uma distância de transmissão de 500 metros a uma velocidade de 100G, utilizando um QSFP28 interface, ao mesmo tempo que considera o custo geral do sistema. Este requisito conciso abrange todos os detalhes importantes no projeto e fabricação de módulos ópticos.
Seleção 1: Método de embalagem e rota de processo. Podemos escolher entre opções de embalagens herméticas como TO-CAN, BOX e borboleta, ou opções de embalagens não herméticas como COB, COC, etc.
Seleção 2:Tipos de módulo óptico. Os vários tipos, como VCSEL, DFB, EML ou sintonizável com largura de linha estreita, podem ser escolhidos.
Seleção 3: Rota de Design. Pode ser um design de canal único ou multicanal.
Seleção 4: Formato de modulação. Pode ser NZR, PAM4, Modulação Coerente (como QPSK, 16QAM, 64QAM, etc.)
Seleção 5: Desenvolvimento futuro. Considerando o aumento contínuo das taxas de dados, a terceirização de motores ópticos e tecnologias emergentes como a fotônica de silício.
Estas escolhas estão diretamente relacionadas com vários indicadores-chave de desempenho exigidos pelo produto e estão intimamente ligadas à fiabilidade global e ao custo do produto final. No competitivo campo dos módulos ópticos, é necessário encontrar o equilíbrio ideal entre uma combinação de parâmetros.
Isso envolve buscar aspectos de desempenho, como taxas de dados, formatos pequenos e longas distâncias de transmissão. Também envolve enfrentar os desafios de consumo de energia e gerenciamento térmico. Abordar as preocupações de gestão térmica pode, por sua vez, levantar considerações de custos. A gestão de custos, por sua vez, envolve riscos relacionados à estabilidade e confiabilidade, entre outros fatores.
Portanto, apesar da padronização de embalagens, aparência e interfaces elétricas, o projeto e a fabricação de módulos ópticos ainda exigem vasta experiência. Compreender os requisitos do cliente e encontrar um equilíbrio entre desempenho, consumo de energia, custo e confiabilidade são a essência da competitividade central de uma empresa no setor de módulos ópticos.
Neste processo desafiador, os projetistas precisam navegar por diversas considerações técnicas e comerciais, mantendo ao mesmo tempo o desempenho ideal. Eles precisam garantir que o produto permaneça competitivo no mercado com excelente desempenho.
Com base nas necessidades do cliente e nos ambientes externos, onde os chips de laser são suscetíveis à corrosão por vapor e às flutuações de temperatura que podem afetar significativamente o comprimento de onda, estamos considerando a adoção de uma solução de vedação hermética. Esta solução envolve vedar o chip do laser dentro de um invólucro de metal, preencher o invólucro com gás inerte e incluir uma janela selada para transmissão do laser. Dependendo de fatores como distância de transmissão, geração de calor do chip, requisitos de custo e número de canais, podemos escolher diferentes métodos de vedação hermética.
(1) Pacote TO-CAN
O diodo laser é colocado em um pequeno dissipador de calor (espalhador de calor) e conectado por meio de fios aos pinos elétricos. Posteriormente, uma tampa metálica é selada no diodo laser, incluindo uma janela selada para transmissão do laser. A embalagem TO-CAN oferece tamanho compacto e custo relativamente baixo, tornando-a adequada para aplicações no mercado de telecomunicações, como transmissão 10G/10G de 25 km em áreas como front-haul de estação base e banda larga doméstica.
No entanto, devido ao seu pequeno tamanho, pode não ser adequado para cenários de transmissão de alta potência, alta corrente e longa distância. Isso ocorre porque é um desafio incorporar dispositivos maiores de dissipação de calor em projetos tão compactos.
Depois de montado em um TO-CAN, ele fornece essencialmente a embalagem básica para o diodo laser. No entanto, o diâmetro do feixe de laser ainda pode ser diferente daquele da fibra óptica. Alinhamento e acoplamento adicionais com lentes e fibras ópticas são necessários para concentrar a maior parte da energia na fibra óptica.
Depois que todos os componentes estiverem totalmente embalados, ele se tornará um TOSA (Transmitter Optical Subassembly). Por outro lado, ao usar um chip receptor, ele é chamado de ROSA (Receiver Optical Subassembly). Coletivamente, eles são conhecidos como OSA (Subconjuntos Ópticos).
(2) Pacote Borboleta
Para atender aos requisitos de alta potência, uma solução de embalagem borboleta pode ser empregada. O diodo laser é montado em um dissipador de calor maior e um sistema de controle de temperatura TEC (Refrigerador Termoelétrico) também pode ser usado opcionalmente. Componentes ópticos, como lentes e isoladores, também estão alojados dentro do invólucro metálico.
(3) Pacote CAIXA:
O pacote BOX é uma forma especializada de embalagem borboleta projetada para atender aos requisitos multicanais. Dentro do pacote BOX, vários diodos laser estão integrados e são transmitidos através de uma única fibra óptica. Esse tipo de embalagem é adequado para aplicações que exigem maiores demandas de controle de temperatura, vedação hermética e confiabilidade. As questões multicanais serão discutidas com mais detalhes posteriormente, mas serão brevemente mencionadas aqui.
Como os módulos ópticos são amplamente utilizados no mercado, os data centers se equiparam com dispositivos de ar condicionado e monitoramento ambiental. Em comparação com o mercado de telecomunicações outdoor, os data centers oferecem um ambiente de trabalho mais otimizado. Este uso generalizado de módulos ópticos impôs maiores exigências ao controle de custos, levando ao surgimento gradual de tecnologias de embalagens não herméticas. Esta tecnologia continua a evoluir, com uma melhoria contínua na fiabilidade, e os seus cenários de aplicação também estão em expansão.
A embalagem não hermética, em termos simples, envolve fixar ou soldar diretamente chips ópticos em uma placa de circuito impresso (PCB) e usar materiais adesivos como resina epóxi para vedação básica. Esta abordagem reduz a necessidade de muitos componentes auxiliares, melhorando assim a relação custo-benefício e a integração.
A embalagem COB (Chip on Board) é de fato uma forma típica de embalagem não hermética. Na embalagem COB, componentes como chips de laser, conjuntos de laser e conjuntos de receptores são diretamente conectados ou colados em um substrato de PCB (placa de circuito impresso), obtendo uma forma compacta de embalagem. Esta abordagem elimina algumas medidas de proteção e dispositivos auxiliares, tornando-a uma escolha relativamente rentável.
Para módulos ópticos operando a 25 Gbps e abaixo, componentes de transceptores ópticos TO de canal único ou empacotados em borboleta são normalmente soldados em uma placa PCB. No entanto, para módulos ópticos de alta velocidade operando a 40 Gbps e acima, muitas vezes há necessidade de usar múltiplos canais em paralelo devido às limitações impostas pela velocidade do diodo laser. Por exemplo, 40 Gbps podem ser alcançados agregando quatro canais de 10 Gbps, e 100 Gbps podem ser alcançados combinando quatro canais de 25 Gbps.
Isto impõe maiores exigências às embalagens, incluindo design óptico paralelo, gerenciamento de interferência eletromagnética de alta velocidade, redução do tamanho físico e resolução de problemas de dissipação de calor, entre outros. A embalagem COB é uma solução adequada para atender a essas demandas. Ele permite a integração de chips TIA (amplificador de transimpedância) / LA (amplificador limitador), matrizes de laser e matrizes de receptores em um pacote compacto, permitindo a miniaturização do módulo.
Em resumo, a vedação hermética proporciona uma barreira protetora robusta construída com metal e vidro, tornando-a adequada para diversas condições ambientais. No entanto, as embalagens não herméticas, quando operam em ambientes de trabalho controlados, podem otimizar custos e, ao mesmo tempo, atender a requisitos específicos.
Ao selecionar chips ópticos, é necessário considerar vários fatores de forma abrangente, incluindo distância de transmissão, métodos de modulação e custo. Além disso, o estado da cadeia de abastecimento também é uma consideração importante porque certos produtos populares podem sofrer escassez, atrasos ou adiamentos de entrega durante as fases iniciais de produção.
A indústria de semicondutores opera com economias de escala significativas, e a maioria dos fabricantes de chips prioriza o fornecimento de grandes clientes, enquanto os fabricantes menores podem precisar procurar fornecedores ou soluções alternativas.
Devido às diferenças de demanda, pode haver variações significativas de preços na aquisição de chips entre empresas de módulos ópticos. Algumas empresas maiores com alta demanda podem garantir uma vantagem de preço 20-30% menor do que os fabricantes menores, tornando-se um fator competitivo crítico na indústria de módulos ópticos. Portanto, no processo de seleção e aquisição de chips, a cadeia de suprimentos e os fatores de preços também precisam ser cuidadosamente considerados.
Os chips VCSEL são uma escolha econômica com um ângulo de emissão maior, normalmente usados em conjunto com fibras multimodo. No entanto, a fibra multimodo tende a ser mais cara. Ao considerar o custo geral do sistema, ele é mais adequado para aplicações de classificação de distância, como alguns metros para AOC (Cabo Óptico Ativo) e aproximadamente 100 metros para módulos ópticos SR (Curto Alcance).
Os chips DFB (Feedback Distribuído) são processados com grades na parte superior do laser FP (Fabry-Perot) original para obter uma seleção de comprimento de onda mais precisa, melhorando assim a precisão do comprimento de onda de saída. Os chips DFB possuem um ângulo de emissão mais estreito, permitindo um acoplamento de caminho óptico mais eficiente. Como resultado, os chips DFB são mais comumente usados em aplicações de média e longa distância, como 500 metros ou 2 quilômetros, e oferecem uma opção de custo relativamente moderado.
Os chips EML (Laser Modulado por Eletroabsorção) são uma opção de maior custo, consistindo em um chip de laser (que pode ser DFB, DBR, etc.) e um modulador de eletroabsorção externo. Durante a operação, o chip laser permanece em um estado de emissão contínua e a saída do sinal do laser EML é controlada alternando o estado do chip de absorção. A vantagem de usar EML reside na operação estável do chip laser, resultando em um comprimento de onda emitido mais puro. Mesmo após a modulação pelo modulador externo e transmissão de longa distância, a qualidade do sinal permanece alta.
O EML é adequado para aplicações de transmissão de longa distância, como 10 quilômetros, 20 quilômetros, 40 quilômetros ou até distâncias mais longas. No entanto, devido à necessidade de um modulador de eletroabsorção externo e às exigências de qualidade mais elevadas associadas a aplicações de longa distância, o custo dos chips EML é relativamente mais elevado do que os chips DFB, em até 50% ou até mais, ao mesmo tempo. taxa de dados.
Na discussão anterior, mencionamos que a transmissão de longa distância encontra problemas de dispersão e, embora o EML (Laser Modulado por Eletroabsorção) possa resolver problemas relacionados ao chilrear, a faixa de comprimento de onda de emissão inerente do laser, conhecida como 'largura de linha', ainda persiste. Esse problema permanece proeminente em aplicações ODN (Rede de Distribuição Óptica) de ultra longa distância, como 80 km, 100 km ou até distâncias mais longas.
Por outro lado, para a transmissão em linhas troncais de ultra longa distância, a consideração do custo global do sistema é crucial. A instalação de uma quantidade substancial de fibra óptica de Pequim a Xangai acarreta despesas significativas. Portanto, a introdução de DWDM A tecnologia (Dense Wavelength Division Multiplexing), que permite a transmissão de sinais em diferentes comprimentos de onda em uma única fibra óptica, aumenta muito a capacidade de transmissão de uma única fibra e reduz o custo geral do sistema para linhas troncais de longa distância. Atender a esses requisitos duplos exige o uso de lasers sintonizáveis de largura de linha estreita.
A estrutura de um laser de largura de linha estreita ajustável é complexa e existem várias abordagens para alcançá-la, incluindo controle de corrente, controle de temperatura, controle mecânico e muito mais. Tomando como exemplo a abordagem de controle mecânico de cavidade externa, uma estrutura de grade é adicionada fora do laser comum e o comprimento de onda de saída é ajustado por meio de controle mecânico para obter um controle de comprimento de onda mais preciso.
Historicamente, os lasers sintonizáveis encontraram aplicações limitadas, mas com a potencial introdução da tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) no front-haul 5G, alguns fabricantes estão explorando as possibilidades de uso de lasers sintonizáveis. A procura futura por estas tecnologias poderá sofrer alterações significativas.
Neste sentido, a Ascent Optics oferece a SFP+/XFP 10G DWDM ajustável Módulo transceptor óptico de 80 km para atender aos requisitos atuais de aplicações WDM front-haul 5G. Abaixo está o diagrama esquemático do princípio do módulo.
Concluindo, a seleção do chip óptico apropriado é crucial com base nas diferentes distâncias de transmissão, métodos de modulação e requisitos especiais. Os VCSELs são adequados para distâncias curtas de baixo custo, os lasers DFB são adequados para distâncias médias, os EMLs são adequados para distâncias médias a longas e necessidades especiais de modulação, enquanto os lasers de largura de linha estreita sintonizáveis são adequados para distâncias ultralongas e aplicações especiais.
No processo de design do módulo óptico, já escolhemos uma forma de embalagem apropriada com base no ambiente operacional e selecionamos o tipo de laser adequado de acordo com a distância de transmissão e os requisitos de desempenho. A seguir, precisamos escolher o número de canais e o método de modulação com base na taxa de transmissão.
No processo de design, devemos navegar por um delicado equilíbrio entre várias métricas importantes, incluindo o grau do chip (desempenho e custo), o número de canais (miniaturização, dissipação de calor, complexidade do pacote) e o método de modulação (custo do chip, confiabilidade, complexidade do design). . Ao realizar avaliações abrangentes e compensações nesses aspectos, determinaremos, em última análise, a solução ideal de design de módulo óptico.
A solução mais simples. Um módulo óptico contendo um laser e um receptor para transmissão de canal único.
Por exemplo, um chip 10G pode ser usado com modulação NRZ para criar um módulo óptico 10G. Ou um chip 10G pode ser usado com modulação de sobreamostragem para criar um módulo óptico de correção direta de erros (FEC) de 25G. E um chip 50G pode ser usado com PAM4 modulação para criar um módulo óptico de data center 100G DR1. Este tipo de design é adequado para requisitos de canal único.
À medida que aumenta a demanda dos clientes por largura de banda, o design multicanal se torna uma das soluções. Neste projeto, lasers e receptores multicanais são combinados para atingir taxas de transmissão mais altas. No entanto, o design multicanal enfrenta o desafio de como transmitir dados através de fibras ópticas de forma eficaz.
Cada laser está diretamente conectado a uma única fibra óptica para transmissão. Este projeto é simples, requer menos componentes e tem custos relativamente mais baixos. No entanto, ao lidar com distâncias de transmissão mais longas, a abordagem de múltiplas fibras pode exercer uma pressão de custos significativa devido ao custo cumulativo de cada fibra óptica. Esta abordagem é adequada para cenários de média a curta distância.
Para reduzir a quantidade de fibra óptica utilizada, uma solução de fibra única pode ser empregada. Esta abordagem utiliza o princípio de Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda Grosso (CWDM), combinando sinais de quatro lasers diferentes em uma única fibra óptica para transmissão e separando sinais de diferentes comprimentos de onda na extremidade receptora para detecção. As duas principais rotas tecnológicas para conseguir isso são a filtragem TFF (Thin Film Filter) e os dispositivos AWG (Arrayed Waveguide Grating).
Filtros TFF (Filtro de Filme Fino):
Esta abordagem envolve o uso de filtros para separar o comprimento de onda de diferentes lasers antes que eles entrem na fibra óptica. Este método tem sensibilidade à temperatura relativamente baixa, mas está associado a maior complexidade de projeto e produção.
Dispositivos AWG (grade de guia de ondas dispostas):
Os comprimentos de onda são combinados e separados usando chips AWG. Embora este método tenha uma sensibilidade à temperatura relativamente maior, está associado a um projeto relativamente mais simples.
Cada uma dessas duas subsoluções tem suas características. Os dispositivos AWG são relativamente sensíveis à temperatura e exigem capacidades de controle de temperatura mais altas, resultando em custos relativamente mais elevados (sob rendimento e volumes de produção semelhantes). No entanto, as fases de design e produção são relativamente mais simples para dispositivos AWG.
Por outro lado, a solução TFF é menos sensível à temperatura, mas envolve maior dificuldade no projeto e fabricação do dispositivo, exigindo habilidades avançadas em áreas como projeto, revestimento e alinhamento de acoplamento.
Ao selecionar o formato de modulação apropriado, é importante considerar os prós e os contras das diferentes abordagens e realizar uma comparação detalhada. Aqui estão vários formatos de modulação comuns e suas características:
A modulação NRZ é um método tradicional de modulação de módulo óptico e seu princípio é relativamente simples. Na modulação NRZ, a potência óptica alta/baixa emitida pelo laser corresponde aos sinais binários 1 e 0, respectivamente. Este método de modulação é fácil de entender, mas pode ter limitações para transmissão de dados em alta velocidade.
Os componentes necessários do chip são relativamente simples, normalmente incluindo um chip driver, amplificadores (TIA, LA), circuito de recuperação de clock (CDR) e um chip de controle (MCU ou ASIC). A modulação NRZ é adequada para alguns cenários de transmissão de dados de curta e média distância, como conexões dentro de data centers.
Para alcançar taxas de transmissão de dados mais altas, foi introduzida a tecnologia de modulação PAM4. A modulação PAM4 divide a potência do sinal óptico em quatro limites diferentes, correspondendo aos estados do sinal binário 00, 01, 10 e 11. Ao empregar um esquema de nível de potência mais denso, o PAM4 pode transmitir mais dados no mesmo período de tempo, aumentando assim o velocidade de transmissão.
Devido ao controle preciso de potência e aos limites de detecção mais estreitos exigidos pela modulação PAM4, normalmente é necessário o uso de um diodo laser de cavidade externa (EML). Além dos componentes do chip necessários para a modulação NRZ, um chip Processador de Sinal Digital (DSP) também é necessário para o processamento de sinal, convertendo sinais digitais em sinais analógicos.
O esquema de overclock é usado para reduzir custos usando chips de baixa velocidade para transmitir sinais de alta velocidade. Por exemplo, é possível usar um chip óptico de 10 Gbps para transmitir um sinal de 25 Gbps. No entanto, esta abordagem pode levar a uma diminuição na qualidade do sinal porque os sinais com overclock podem encontrar problemas com reconhecimento de limite reduzido durante o processo de aumento de emissão do laser.
Atualmente, existem duas configurações comuns para módulos ópticos de 25G: módulos baseados em chips ópticos de 25G e overclock de chips ópticos de 10G. Em comparação com chips ópticos de overclock de 10G, os módulos baseados em chips ópticos de 25G oferecem maior confiabilidade e estabilidade, embora tenham requisitos de processo de produção mais rigorosos.
A modulação coerente é uma técnica de modulação especial que utiliza os parâmetros de fase e amplitude de um sinal. Oferece duas vantagens principais: Em primeiro lugar, pode transmitir mais dados dentro de um ciclo de sinal, semelhante à modulação PAM4. Em segundo lugar, alcança excelente imunidade a interferências através de técnicas como chaveamento de mudança de fase diferencial, tornando-o adequado para transmissão de distâncias ultralongas.
A tecnologia de modulação coerente oferece, de fato, vantagens únicas para transmissão de distâncias ultralongas. No entanto, em comparação com os métodos de modulação tradicionais, a sua implementação é mais complexa e requer dispositivos de modulação mais avançados e suporte de algoritmos.
Concluindo, a escolha do método de modulação precisa levar em consideração múltiplos fatores, incluindo requisitos de transmissão, características do chip óptico e custo. Além disso, devem ser consideradas a padronização dos fatores de forma e da interface para garantir a compatibilidade e a interoperabilidade dos módulos ópticos. Ao projetar módulos ópticos, é essencial encontrar um equilíbrio entre esses vários parâmetros e restrições para alcançar a solução de projeto ideal.
Através desta análise abrangente neste artigo, obtivemos uma compreensão aprofundada do design e das aplicações de módulos ópticos, abrangendo vários aspectos-chave e considerações técnicas da origem ao endpoint. Os módulos ópticos, como componente central no campo da comunicação moderna, desempenham um papel crucial em áreas como data centers e computação em nuvem. Demonstram também um potencial significativo em aplicações emergentes, como a comunicação 5G e a Internet das Coisas (IoT). Tendo como pano de fundo tanta diversidade e rápido desenvolvimento, podemos oferecer algumas perspectivas para o futuro dos módulos ópticos.
À medida que a tecnologia de comunicação continua a avançar, os módulos ópticos continuarão a evoluir em direção a velocidades mais altas, formatos menores e maior confiabilidade. De 10G, 25G a 100G e 400G, o aumento contínuo nas taxas de transmissão proporcionará maior largura de banda e capacidade de transmissão de dados. Além disso, com o advento da era 5G, a aplicação de módulos ópticos na comunicação sem fio continuará a crescer. Por exemplo, em módulos ópticos usados para fronthaul e conectividade de rede. Isto irá acelerar enormemente a velocidade e a inteligência da transmissão de dados.
Além disso, à medida que a importância da sustentabilidade continua a crescer, o design dos módulos ópticos também dará maior ênfase à eficiência energética e às considerações ambientais. No processo de design, consideraremos estratégias como redução do consumo de energia, melhoria da eficiência da dissipação de calor e utilização de materiais renováveis.
No futuro, com inovação e avanços tecnológicos contínuos, os módulos ópticos desempenharão um papel mais crítico na condução de avanços no campo da tecnologia da informação e comunicação. Seja em data centers, redes de comunicação ou aplicações emergentes, os módulos ópticos continuarão a evoluir. Eles visam proporcionar às pessoas conexões mais rápidas e confiáveis, tornando a transmissão de informações mais conveniente e eficiente.
Concluindo, os módulos ópticos, como um dos principais impulsionadores da tecnologia de comunicação, têm um futuro cheio de esperança e desafios. Esperamos testemunhar avanços mais inovadores neste campo, abrindo caminho para um futuro melhor na comunicação global.
