Оптические модули являются ключевыми компонентами передачи в сетях связи, и их приложения, технологии, типы и терминология разнообразны. Это может сбить с толку новичков в этой области. При обсуждении оптические модули, о чем мы вообще говорим?
Цель этой статьи — углубиться в терминологию, ориентированную на рынок, с разных точек зрения. Начиная с момента возникновения требований клиентов, он постепенно охватывает закупку компонентов, выбор технологических путей, определение процессов упаковки и, в конечном итоге, полный процесс производства оптических модулей. Это сделано для того, чтобы дать читателям более четкое общее представление об оптических модулях.
В этой статье описывается сквозной процесс производства оптических модулей, начиная с требований клиентов и заканчивая выбором материала, проектированием и производством. В статье систематически анализируются многочисленные термины, технологии и категории в области оптических модулей. В то же время он также кратко представляет тенденции развития отрасли.
На примере центра обработки данных требования клиента — это расстояние передачи 500 метров со скоростью 100G с использованием QSFP28 интерфейс, а также учитывая общую стоимость системы. Это краткое требование охватывает каждую ключевую деталь проектирования и производства оптических модулей.
Выбор 1: Метод упаковки и технологический маршрут. Мы можем выбирать между вариантами герметичной упаковки, такими как TO-CAN, BOX и «бабочка», или негерметичными вариантами упаковки, такими как COB, COC и т. д.
Выбор 2: Типы оптических модулей. Можно выбрать различные типы, такие как VCSEL, DFB, EML или настраиваемую узкую ширину линии.
Выбор 3: Проектирование маршрута. Это может быть одноканальная или многоканальная конструкция.
Выбор 4: Формат модуляции. Это может быть NZR, PAM4, когерентная модуляция (например, QPSK, 16QAM, 64QAM и т. д.).
Выбор 5: Будущее развитие. Учитывая постоянно растущую скорость передачи данных, аутсорсинг оптических двигателей и новые технологии, такие как кремниевая фотоника.
Этот выбор напрямую связан с несколькими ключевыми показателями производительности, необходимыми для продукта, и тесно связан с общей надежностью и стоимостью конечного продукта. В конкурентной сфере оптических модулей необходимо найти оптимальный баланс сочетания параметров.
Это включает в себя учет таких аспектов производительности, как скорость передачи данных, малый форм-фактор и большие расстояния передачи. Это также влечет за собой решение проблем энергопотребления и управления температурным режимом. Решение проблем управления температурным режимом, в свою очередь, может привести к увеличению затрат. Управление затратами, в свою очередь, включает в себя, среди прочих факторов, риски, связанные со стабильностью и надежностью.
Поэтому, несмотря на стандартизацию упаковки, внешнего вида и электрических интерфейсов, проектирование и производство оптических модулей по-прежнему требует большого опыта. Понимание требований клиентов и достижение баланса между производительностью, энергопотреблением, стоимостью и надежностью являются сутью основной конкурентоспособности компании в индустрии оптических модулей.
В этом сложном процессе дизайнерам необходимо учитывать различные технические и бизнес-соображения, сохраняя при этом оптимальную производительность. Им необходимо обеспечить, чтобы продукт оставался конкурентоспособным на рынке и обладал выдающимися характеристиками.
Учитывая требования клиентов и условия внешней среды, где лазерные чипы подвержены паровой коррозии и колебаниям температуры, которые могут существенно влиять на длину волны, мы рассматриваем возможность применения решения по герметичной герметизации. Это решение включает в себя герметизацию лазерного чипа в металлическом корпусе, заполнение корпуса инертным газом и наличие герметичного окна для передачи лазера. В зависимости от таких факторов, как расстояние передачи, выделение тепла чипом, требования к стоимости и количество каналов, мы можем выбрать различные методы герметизации.
(1) Пакет TO-CAN
Лазерный диод размещается на небольшом радиаторе (теплораспределителе) и соединяется проводными соединениями с электрическими контактами. Затем к лазерному диоду герметизируют металлический колпачок, включающий герметичное окно для передачи лазера. Корпус TO-CAN имеет компактный размер и относительно низкую стоимость, что делает его пригодным для применения на телекоммуникационном рынке, например, для передачи данных 10G/10G на расстояние 25 км в таких областях, как передняя связь базовых станций и домашняя широкополосная связь.
Однако из-за своего небольшого размера он может не подходить для сценариев передачи высокой мощности, сильного тока и на большие расстояния. Это связано с тем, что в такие компактные конструкции сложно включить более крупные устройства рассеивания тепла.
После сборки в TO-CAN он, по сути, представляет собой базовую упаковку для лазерного диода. Однако диаметр лазерного луча все равно может отличаться от диаметра оптического волокна. Дальнейшее выравнивание и соединение с линзами и оптическими волокнами необходимы для фокусировки большей части энергии в оптическом волокне.
После того, как все компоненты полностью упакованы, он становится TOSA (оптический узел передатчика). С другой стороны, при использовании чипа приемника он называется ROSA (оптический узел приемника). В совокупности они известны как OSA (оптические узлы).
(2) Пакет «Бабочка»
Для удовлетворения требований высокой мощности можно использовать упаковочное решение типа «бабочка». Лазерный диод установлен на радиаторе большего размера, также дополнительно можно использовать систему контроля температуры TEC (термоэлектрический охладитель). Оптические компоненты, такие как линзы и изоляторы, также размещены внутри металлического корпуса.
(3) КОРОБКА:
Упаковка BOX — это специализированная упаковка-бабочка, предназначенная для удовлетворения многоканальных требований. Внутри корпуса BOX интегрировано несколько лазерных диодов, передача данных осуществляется по одному оптическому волокну. Этот тип упаковки подходит для применений, к которым предъявляются повышенные требования к контролю температуры, герметизации и надежности. Более подробно вопросы многоканальности будут обсуждаться позже, а здесь они кратко упомянуты.
Поскольку оптические модули широко используются на рынке, центры обработки данных оборудуются устройствами кондиционирования и мониторинга окружающей среды. По сравнению с рынком наружной телекоммуникации центры обработки данных предлагают более оптимизированную рабочую среду. Широкое использование оптических модулей предъявляет более высокие требования к контролю затрат, что приводит к постепенному появлению технологий негерметичной упаковки. Эта технология продолжает развиваться, ее надежность постоянно повышается, а сценарии ее применения также расширяются.
Проще говоря, негерметичная упаковка предполагает непосредственное прикрепление или пайку оптических чипов к печатной плате (PCB) и использование клейких материалов, таких как эпоксидная смола, для базовой герметизации. Такой подход снижает потребность во многих вспомогательных компонентах, тем самым повышая экономическую эффективность и интеграцию.
Упаковка COB (Chip on Board) действительно является типичной формой негерметичной упаковки. В упаковке COB такие компоненты, как лазерные чипы, лазерные матрицы и матрицы приемников, непосредственно прикрепляются или приклеиваются к подложке печатной платы (печатной платы), что обеспечивает компактную форму упаковки. Этот подход исключает некоторые защитные меры и вспомогательные устройства, что делает его относительно экономичным выбором.
Для оптических модулей, работающих на скорости 25 Гбит/с и ниже, одноканальные компоненты оптических приемопередатчиков TO или в корпусе «бабочка» обычно припаиваются к печатной плате. Однако для высокоскоростных оптических модулей, работающих со скоростью 40 Гбит/с и выше, часто возникает необходимость использовать несколько каналов параллельно из-за ограничений, налагаемых скоростью лазерного диода. Например, скорость 40 Гбит/с может быть достигнута путем объединения четырех каналов по 10 Гбит/с, а скорость 100 Гбит/с может быть реализована путем объединения четырех каналов по 25 Гбит/с.
Это предъявляет более высокие требования к упаковке, включая, среди прочего, параллельную оптическую конструкцию, управление высокоскоростными электромагнитными помехами, уменьшение физического размера и решение проблем рассеивания тепла. Упаковка COB — это решение, хорошо отвечающее этим требованиям. Он позволяет интегрировать микросхемы TIA (трансимпедансный усилитель)/LA (ограничивающий усилитель), лазерные матрицы и приемные матрицы в компактный корпус, что позволяет миниатюризировать модуль.
Таким образом, герметизация обеспечивает надежный защитный барьер из металла и стекла, что делает его пригодным для различных условий окружающей среды. Однако негерметичная упаковка при работе в контролируемых рабочих средах может оптимизировать затраты, одновременно отвечая конкретным требованиям.
При выборе оптических чипов необходимо всесторонне учитывать множество факторов, включая расстояние передачи, методы модуляции и стоимость. Кроме того, состояние цепочки поставок также является важным фактором, поскольку некоторые популярные продукты могут испытывать дефицит, задержки или отсрочку доставки на ранних этапах производства.
Полупроводниковая промышленность работает со значительной экономией за счет масштаба, и большинство производителей микросхем отдают приоритет поставкам крупным клиентам, в то время как более мелким производителям, возможно, придется искать альтернативных поставщиков или решения.
Из-за различий в спросе при покупке чипов среди компаний-производителей оптических модулей могут наблюдаться значительные различия в ценах. Некоторые более крупные компании с высоким спросом могут обеспечить себе ценовое преимущество на 20-30% ниже, чем у более мелких производителей, что делает это решающим конкурентным фактором в индустрии оптических модулей. Поэтому в процессе выбора и закупки чипов также необходимо тщательно учитывать факторы цепочки поставок и ценообразования.
Чипы VCSEL являются экономичным выбором с большим углом излучения, обычно используемым в сочетании с многомодовыми волокнами. Однако многомодовое волокно имеет тенденцию быть более дорогим. Учитывая общую стоимость системы, она больше подходит для приложений с сортировкой на расстоянии, например, несколько метров для AOC (активный оптический кабель) и примерно 100 метров для оптических модулей SR (короткого действия).
Чипы DFB (распределенная обратная связь) обрабатываются решетками поверх оригинального лазера FP (Фабри-Перо) для достижения более точного выбора длины волны, тем самым улучшая точность выходной длины волны. Чипы DFB имеют более узкий угол излучения, что обеспечивает более эффективное соединение оптических путей. В результате чипы DFB чаще используются в приложениях на средние и большие расстояния, например, 500 метров или 2 километра, и они предлагают относительно умеренную стоимость.
Чипы EML (электроабсорбционно-модулированный лазер) представляют собой более дорогой вариант, состоящий из лазерного чипа (который может быть DFB, DBR и т. д.) и внешнего модулятора электроабсорбции. Во время работы лазерный чип остается в состоянии непрерывного излучения, а выходной сигнал EML-лазера контролируется путем переключения состояния поглощающего чипа. Преимущество использования EML заключается в стабильной работе лазерного чипа, что приводит к более чистой излучаемой длине волны. Даже после модуляции внешним модулятором и передачи на большие расстояния качество сигнала остается высоким.
EML подходит для передачи данных на большие расстояния, например, на 10 километров, 20 километров, 40 километров или даже на большие расстояния. Однако из-за требований к внешнему электроабсорбционному модулятору и более высоких требований к качеству, связанных с приложениями на большие расстояния, стоимость чипов EML относительно выше, чем чипов DFB, на целых 50% или даже более, при этом скорость передачи данных.
В предыдущем обсуждении мы упоминали, что передача на большие расстояния сталкивается с проблемами дисперсии, и хотя EML (лазер с электроабсорбционной модуляцией) может решить проблемы, связанные с чирпированием, собственный диапазон длин волн излучения лазера, известный как «ширина линии», по-прежнему сохраняется. Эта проблема остается заметной в приложениях ODN (оптической распределительной сети) на сверхдальние расстояния, например, на 80 км, 100 км или даже на большие расстояния.
С другой стороны, для передачи по магистральным линиям на сверхдальние расстояния решающее значение имеет учет общей стоимости системы. Прокладка значительного количества оптоволокна от Пекина до Шанхая требует значительных затрат. Поэтому введение DWDM Технология (плотное мультиплексирование с разделением по длине волны), которая обеспечивает передачу сигналов на разных длинах волн по одному оптическому волокну, значительно увеличивает пропускную способность одного волокна и снижает общую стоимость системы для магистральных линий дальней связи. Удовлетворение этих двойных требований требует использования перестраиваемых лазеров с узкой шириной линии.
Структура перестраиваемого лазера с узкой шириной линии сложна, и существуют различные подходы к ее достижению, включая контроль тока, контроль температуры, механическое управление и многое другое. Если взять в качестве примера подход к механическому управлению внешним резонатором, то за пределами обычного лазера добавляется решетчатая структура, а выходная длина волны регулируется с помощью механического управления для достижения более точного управления длиной волны.
Перестраиваемые лазеры исторически находили ограниченное применение, но с потенциальным внедрением технологии мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) в сетях 5G некоторые производители изучают возможности использования перестраиваемых лазеров. Будущий спрос на эти технологии может претерпеть значительные изменения.
В связи с этим компания Ascent Optics предлагает Настраиваемый SFP+/XFP 10G DWDM Модуль оптического приемопередатчика на 80 км, отвечающий текущим требованиям приложений WDM на передовой линии 5G. Ниже представлена принципиальная схема принципа работы модуля.
В заключение, выбор подходящего оптического чипа имеет решающее значение с учетом различных расстояний передачи, методов модуляции и особых требований. VCSEL подходят для недорогих коротких расстояний, лазеры DFB подходят для средних расстояний, EML подходят для средних и больших расстояний и особых потребностей в модуляции, а перестраиваемые лазеры с узкой шириной линии подходят для сверхдальних расстояний и специальных применений.
В процессе проектирования оптического модуля мы уже выбрали подходящую форму упаковки в зависимости от рабочей среды и выбрали подходящий тип лазера в соответствии с расстоянием передачи и требованиями к производительности. Далее нам нужно выбрать количество каналов и метод модуляции исходя из скорости передачи.
В процессе проектирования мы должны найти тонкий баланс между несколькими ключевыми показателями, включая класс чипа (производительность и стоимость), количество каналов (миниатюризация, рассеивание тепла, сложность упаковки) и метод модуляции (стоимость чипа, надежность, сложность конструкции). . Проведя всесторонние оценки и компромиссные решения в этих аспектах, мы в конечном итоге определим оптимальное решение для конструкции оптического модуля.
Самое простое решение. Оптический модуль, содержащий один лазер и один приемник для одноканальной передачи.
Например, чип 10G можно использовать с модуляцией NRZ для создания оптического модуля 10G. Или можно использовать чип 10G с модуляцией передискретизации для создания оптического модуля с прямой коррекцией ошибок (FEC) 25G. И чип 50G можно использовать с PAM4 модуляция для создания оптического модуля центра обработки данных 100G DR1. Этот тип конструкции подходит для одноканальных требований.
Поскольку потребности клиентов в увеличении пропускной способности, многоканальная конструкция становится одним из решений. В этой конструкции многоканальные лазеры и приемники объединены для достижения более высоких скоростей передачи. Однако при многоканальном проектировании возникает проблема эффективной передачи данных по оптическим волокнам.
Каждый лазер напрямую подключен к одному оптическому волокну для передачи. Эта конструкция проста, требует меньшего количества компонентов и имеет относительно низкую стоимость. Однако при передаче на большие расстояния многоволоконный подход может оказать значительное ценовое давление из-за совокупной стоимости каждого оптического волокна. Этот подход подходит для сценариев на средних и коротких расстояниях.
Чтобы уменьшить количество используемого оптического волокна, можно использовать одноволоконное решение. Этот подход использует принцип грубого мультиплексирования с разделением по длине волны (CWDM), объединяя сигналы от четырех разных лазеров в одно оптическое волокно для передачи и разделяя сигналы различной длины волны на приемном конце для обнаружения. Двумя основными технологическими путями достижения этой цели являются фильтрация TFF (тонкопленочный фильтр) и устройства AWG (массивная волноводная решетка).
Фильтры TFF (тонкопленочный фильтр):
Этот подход предполагает использование фильтров для разделения длин волн разных лазеров до того, как они попадут в оптическое волокно. Этот метод имеет относительно низкую температурную чувствительность, но связан с большей сложностью конструкции и производства.
Устройства AWG (массивная волноводная решетка):
Длины волн объединяются и разделяются с помощью чипов AWG. Хотя этот метод имеет относительно более высокую температурную чувствительность, он связан с относительно более простой конструкцией.
Каждое из этих двух подрешений имеет свои характеристики. Устройства AWG относительно чувствительны к температуре и требуют более высоких возможностей контроля температуры, что приводит к относительно более высоким затратам (при аналогичных объемах производства и производительности). Однако этапы проектирования и производства устройств AWG относительно проще.
С другой стороны, решение TFF менее чувствительно к температуре, но оно сопряжено с большими трудностями при проектировании и производстве устройств, требуя продвинутых навыков в таких областях, как проектирование, покрытие и выравнивание муфт.
При выборе подходящего формата модуляции важно рассмотреть плюсы и минусы разных подходов и провести детальное сравнение. Вот несколько распространенных форматов модуляции и их характеристики:
NRZ-модуляция — это традиционный метод модуляции оптических модулей, принцип которого относительно прост. При NRZ-модуляции высокая/низкая оптическая мощность, излучаемая лазером, соответствует двоичным сигналам 1 и 0 соответственно. Этот метод модуляции прост для понимания, но может иметь ограничения для высокоскоростной передачи данных.
Требуемые компоненты микросхемы относительно просты и обычно включают микросхему драйвера, усилители (TIA, LA), схему восстановления тактовой частоты (CDR) и микросхему управления (MCU или ASIC). Модуляция NRZ подходит для некоторых сценариев передачи данных на короткие и средние расстояния, например, для соединений внутри центров обработки данных.
Для достижения более высоких скоростей передачи данных была внедрена технология модуляции PAM4. Модуляция PAM4 делит мощность оптического сигнала на четыре различных порога, соответствующих состояниям двоичного сигнала 00, 01, 10 и 11. Используя более плотную схему уровней мощности, PAM4 может передавать больше данных за тот же промежуток времени, тем самым увеличивая скорость передачи.
Из-за точного управления мощностью и более узких порогов обнаружения, необходимых для модуляции PAM4, обычно требуется использование лазерного диода с внешним резонатором (EML). В дополнение к компонентам микросхемы, необходимым для модуляции NRZ, также необходим процессор цифровых сигналов (DSP) для обработки сигналов, преобразующий цифровые сигналы в аналоговые сигналы.
Схема разгона используется для снижения затрат за счет использования низкоскоростных чипов для передачи высокоскоростных сигналов. Например, можно использовать оптический чип 10 Гбит/с для передачи сигнала 25 Гбит/с. Однако этот подход может привести к снижению качества сигнала, поскольку разогнанные сигналы могут столкнуться с проблемами, связанными с уменьшением порогового распознавания во время процесса увеличения излучения лазера.
В настоящее время существуют две распространенные конфигурации оптических модулей 25G: модули на базе оптических чипов 25G и разгон оптических чипов 10G. По сравнению с оптическими чипами 10G для разгона, модули на базе оптических чипов 25G обеспечивают более высокую надежность и стабильность, хотя к ним предъявляются более строгие требования к производственному процессу.
Когерентная модуляция — это особый метод модуляции, в котором используются как фазовые, так и амплитудные параметры сигнала. Он предлагает два основных преимущества: во-первых, он может передавать больше данных за один цикл сигнала, аналогично модуляции PAM4. Во-вторых, он обеспечивает превосходную помехоустойчивость благодаря таким методам, как дифференциальная фазовая манипуляция, что делает его пригодным для передачи на сверхдальние расстояния.
Технология когерентной модуляции действительно предлагает уникальные преимущества для передачи на сверхдальние расстояния. Однако по сравнению с традиционными методами модуляции его реализация более сложна и требует более совершенных устройств модуляции и поддержки алгоритмов.
В заключение, выбор метода модуляции должен учитывать множество факторов, включая требования к передаче, характеристики оптического чипа и стоимость. Кроме того, следует уделить внимание стандартизации форм-факторов и интерфейса для обеспечения совместимости и взаимодействия оптических модулей. При проектировании оптических модулей важно найти баланс между этими различными параметрами и ограничениями для достижения оптимального конструктивного решения.
Благодаря комплексному анализу, проведенному в этой статье, мы получили глубокое понимание конструкции и применения оптических модулей, охватывая множество ключевых аспектов и технических соображений от источника до конечной точки. Оптические модули, как основной компонент в современной области связи, играют решающую роль в таких областях, как центры обработки данных и облачные вычисления. Они также демонстрируют значительный потенциал в новых приложениях, таких как связь 5G и Интернет вещей (IoT). На фоне такого разнообразия и быстрого развития мы можем предложить некоторые перспективы будущего оптических модулей.
По мере развития коммуникационных технологий оптические модули будут продолжать развиваться в направлении более высоких скоростей, меньших форм-факторов и большей надежности. Постоянное увеличение скорости передачи данных от 10G, 25G до 100G и 400G обеспечит большую пропускную способность и емкость для передачи данных. Кроме того, с наступлением эры 5G применение оптических модулей в беспроводной связи будет продолжать расти. Например, в оптических модулях, используемых для переднего соединения и сетевого подключения. Это значительно ускорит скорость и интеллектуальность передачи данных.
Кроме того, поскольку важность устойчивого развития продолжает расти, при проектировании оптических модулей также будет уделяться больше внимания энергоэффективности и экологическим соображениям. В процессе проектирования мы будем рассматривать такие стратегии, как снижение энергопотребления, повышение эффективности рассеивания тепла и использование возобновляемых материалов.
В будущем, благодаря постоянным технологическим инновациям и прорывам, оптические модули будут играть более важную роль в продвижении достижений в области информационных и коммуникационных технологий. Будь то центры обработки данных, сети связи или новые приложения, оптические модули будут продолжать развиваться. Они стремятся предоставить людям более быстрые и надежные соединения, делая передачу информации более удобной и эффективной.
В заключение, оптические модули, как один из ключевых факторов развития коммуникационных технологий, имеют будущее, полное надежд и проблем. Мы с нетерпением ждем возможности стать свидетелями новых инновационных прорывов в этой области, которые проложат путь к светлому будущему в глобальной коммуникации.
