Optické moduly jsou vyráběny s přesností

 

 

Noční můra zarovnání vás nikdo nevaruje

 

Spojení laserového světla do jednoho-vlákna vyžaduje přesnost polohování kolem ±0,5 mikrometru. Půl mikronu. Pro kontext, lidský vlas má tloušťku zhruba 70 mikrometrů.

Chybí tato tolerance a účinnost vašich nádrží. Ztráta účinnosti znamená vyšší hnací proudy, které je třeba kompenzovat, což generuje teplo, které posouvá vlnovou délku, což snižuje poměr signálu-k{2}}šumu způsoby, které kaskádovitě procházejí celým rozpočtem propojení. Teoretické spojovací rovnice vypadají v učebnicích čistě. Realita zahrnuje šest -stupňů vyrovnání os,-monitorování výkonu v reálném čase a procesy vytvrzování lepidla, které zavádějí vlastní poziční posuny.

Sledoval jsem, jak technik strávil celé odpoledne v roce 2021 honbou za vložným útlumem 2 dB na tom, co by mělo být rutinní montáží TOSA. Ukázalo se, že kuličková čočka se během UV vytvrzování mírně pootočila o - možná o tři stupně - dost na to, aby nasměrovala paprsek těsně mimo jádro vlákna. Tři stupně. To je ten byznys.

 

Aktivní versus pasivní zarovnání

 

Průmysl se o tom dohaduje dvacet let a stále to úplně nevyřešilo.

Aktivní zarovnání znamená zapnutí laseru během montáže, sledování spojeného optického výkonu a opakované nastavování polohy, dokud nezasáhnete cíl. Funguje to. Je také pomalý, drahý a neškáluje se elegantně, když se snažíte dodávat miliony transceiverů měsíčně.

Pasivní vyrovnání se opírá o mechanické prvky - leptané silikonové v-drážky, litograficky definované montážní podstavce, překlápěcí-samopájené-zarovnání - součástí, aniž by bylo nutné cokoliv zapínat. Když to funguje, propustnost se dramaticky zlepšuje. Když se tolerance nahromadí nepříznivě, objeví se problémy s výtěžností, které se projeví jako záhadné dávky nedostatečně výkonných modulů, které projdou elektrickými testy, ale nevyhoví optickým specifikacím.

Hybridní přístupy, které získávají trakci, nyní využívají pasivní zarovnání, aby se dostaly na několik mikronů, a poté aktivní jemné{0}}ladění pro konečnou optimalizaci. Více procesních kroků, ale ekonomika funguje u vysoce-výkonných produktů, kde zákazníkům skutečně záleží na marži odkazů.

Silikonová fotonika zde změnila některé předpoklady. Když jsou vaše vlnovody litograficky definovány na křemíkovém plátku a vaše lasery jsou lepeny pomocí flip{1}}čipu nebo heterogenně integrovány, problém se zarovnáním se částečně promění v problém výroby polovodičů. Různé sady dovedností. Různé režimy selhání.

 

 

Problém s deformací zarovnání způsobilo svařování-

 

Laserové svařování zůstává preferovanou metodou spojování vláken-k{1}}balení příloh v hermetických modulech. Svar je pevný, rychlý a neuniká z něj plyny jako u některých lepidel. Problém je v tom, co se stane, když se svarová lázeň ochladí.

Tepelné smrštění táhne sestavu objímky vláken ve směrech, které závisí na geometrii svaru, vlastnostech materiálu a - to je frustrující část - specifické sekvence, ve které provádíte více svarů. Pokud si nedáte pozor, posun po svaru může přesáhnout několik mikrometrů. Vaše dokonale zarovnaná sestava se vychýlí v okamžiku, kdy ji dokončíte.

Existují kompenzační strategie. Někteří výrobci záměrně kompenzují své před{1}}zarovnání svarů, aby zohlednili předpokládaný posun. Jiné používají parametry svařování s nízkým-stažením a akceptují delší doby cyklu. Několik z nich vyvinulo-monitorovací systémy v reálném čase, které měří posun během svařování a uplatňují korekční úpravy, než spoj zcela ztuhne.

Žádný z těchto přístupů není spolehlivý. Každý nový návrh balíčku vyžaduje pře-charakterizaci chování při řazení.

 

Realita čistých prostor

 

Optické moduly se montují v čistých prostorech od třídy ISO 7 až po třídu ISO 5 pro operace, které jsou nejcitlivější na kontaminaci-. Čísla zní působivě, dokud si neuvědomíte, že jediný člověk sedící bez hnutí generuje zhruba 100 000 částic za minutu při prahu velikosti 0,3 mikronu.

Částice na konci vlákna vytváří lokalizované horké místo, když je osvětleno-výkonným laserovým světlem. V průběhu času toto místo karbonizuje organické kontaminanty do trvalého absorpčního defektu, který postupně snižuje výkon. Tento poruchový režim vedl celé produktové řady k implementaci 100% kontroly koncových ploch před konečnou montáží.

Standardní ovládací prvky čistých prostor zvládají poměrně dobře částice ve vzduchu. Molekulární kontaminace je záludnější. Těkavé organické sloučeniny z lepidel, čisticích rozpouštědel a dokonce i odplynujících plastů mohou na optických površích ukládat neviditelné filmy. Tyto fólie jsou zvláště škodlivé pro aplikace DUV, ale způsobují problémy napříč vlnovými délkami.

AMC-kontrolované čisté prostory - molekulární kontaminace přenášená vzduchem kontrolovaná - představují současný stav techniky pro vysoce-spolehlivé optické sestavy. Filtrační systémy jsou drahé. Monitorovací zařízení je drahé. Seznamy omezeného materiálu způsobují problémy s dodavatelským řetězcem.

Stojí to za to? Záleží na tom, zda posíláte komoditní SFP nebo komponenty pro vesmírné-systémy.

 

 

Teplotní kompenzace trvá déle, než kdokoli plánuje

 

Výstupní výkon laserové diody a vlnová délka se mění s teplotou. Typický DFB laser driftuje zhruba o 0,1 nm/stupeň ve vlnové délce a vyžaduje úpravu zkreslení proudu pro udržení konstantního optického výkonu v celém rozsahu provozních teplot.

Teplotní kompenzace zahrnuje charakterizaci každého modulu ve více teplotních bodech - často v krocích po 5 nebo 10 stupních od -40 stupňů do +85 stupňů pro průmyslové-výrobky – a programování korekčních koeficientů do MCU modulu. Koeficienty upravují zkreslení proudu a někdy i amplitudu modulace jako funkci naměřené teploty pouzdra.

To zní přímočaře, dokud si neuvědomíte, že se každý modul chová mírně odlišně kvůli výrobním odchylkám v samotném laseru, tepelné cestě od spoje k termistoru a tolerancím součástek v obvodech ovladače. Hromadně-vyráběné spotřebitelské-moduly používají obecné kompenzační tabulky a akceptují výsledné rozložení výkonu. Vysoce-výkonné moduly získávají individualizovanou charakteristiku.

Technik, kterého znám, strávil čtyři měsíce optimalizací algoritmu teplotní kompenzace pro novou modulovou platformu 400G. Čtyři měsíce na to, co by většina lidí odmítla jako kalibrační krok.

 

Na rozlišení TOSA-ROSA záleží méně než dříve

 

Tradiční architektury optických transceiverů oddělují vysílací funkci (TOSA - optická podsestava vysílače) od přijímací funkce (ROSA - optická podsestava přijímače). Každá podsestava je samostatně zabalena, testována a poté integrována do desky plošných spojů modulu.

To dávalo smysl, když optické moduly používaly diskrétní TO-balíčky plechovek s jednoduchým jednokanálovým designem. Vyšší-rychlostní-kanálové moduly stále více integrují vysílací a přijímací funkce dohromady, nebo zcela eliminují tradiční balení OSA pomocí čipů-na-desce, kdy se holé matrice montují přímo na substrát PCB.

Balení COB snižuje počet optických rozhraní - každé rozhraní představuje potenciální ztrátový bod -, ale vyžaduje čistší výrobní prostředí a sofistikovanější montážní vybavení. Trend je jasný, i když přechod není dokončen.

BiDi transceivery ještě více komplikují obraz tím, že využívají vlnové{0}}divizní multiplexování k vysílání a příjmu na jediném vláknu. BOSA kombinující funkce TOSA a ROSA s integrovanými filtry WDM vyžaduje ještě těsnější tolerance vyrovnání, protože obě optické cesty musí zasáhnout stejné jádro vlákna.

 

Co se ve skutečnosti testuje-

 

Moduly podléhají před odesláním vysokoteplotnímu{0}}stárnutí - obvykle 24 až 168 hodin při zvýšených teplotách pouzdra kolem 70-100 stupňů při provozu za normálních podmínek předpětí.

Cílem není simulovat roky provozu v terénu. Je to pro urychlení selhání kojenecké úmrtnosti. Určité procento součástí obsahuje latentní defekty - slabé drátěné spoje, okrajové pájené spoje, mírně degradované laserové plošky -, které se za normálních podmínek neprojeví, ale při zrychleném namáhání rychle selžou. Je lepší je najít při výrobě než v síti zákazníka.

Spálení-zachycuje skutečné problémy. Každá výrobní linka má historky o tom, jak zachytit špatnou šarži součástek při popálení-při poruchách, než byly tyto jednotky odeslány. Protiargumentem je, že zapálení-spotřebovává místo ve stojanu, energii a dobu cyklu, což má přímý dopad na výrobní náklady. Komoditní moduly často zkracují dobu trvání-vypalování nebo je zcela vynechávají, přičemž akceptují vyšší míru selhání pole jako náklady-za-provádění-obchodního výpočtu.

Teplotní cyklické testy slouží k jinému účelu - a odhalují vady sestavy než vady součástí. Opakované tepelné výkyvy namáhají pájené spoje, adhezivní spoje a mechanická rozhraní. Trhliny se šíří. Únava rozhraní. Cokoli bylo marginální, stalo se neúspěšným.

 

 

Proč váš modul nemusí fungovat v přepínači někoho jiného

 

Problémy s kódováním EEPROM způsobují více stížností, než si většina prodejců chce připustit.

Optické moduly obsahují malé paměťové čipy, které ukládají identifikační data, kalibrační koeficienty a diagnostické monitorovací parametry ve standardizovaných formátech definovaných specifikacemi komise SFF. Hostitelský systém čte tato data, aby rozpoznal modul, nastavil vhodné provozní parametry a monitoroval stav během provozu.

Různí výrobci přepínačů a směrovačů interpretují tyto specifikace s různou mírou přísnosti. Modul, který perfektně funguje v zařízení jednoho dodavatele, může být jiným odmítnut kvůli rozdílu ve výpočtu kontrolního součtu, neočekávané hodnotě v poli „rezervováno“ nebo proprietárnímu vynucení-ID dodavatele.

Trh s transceivery třetích stran{0} existuje z velké části kvůli těmto problémům s interoperabilitou. Společnosti se specializují na reverzní{2}}inženýrství specifických požadavků EEPROM pro hlavní dodavatele zařízení a programování kompatibilních modulů. Technický termín je „kódování“. Praktická realita zahrnuje rozsáhlé testování kompatibility se skutečnými zařízeními od společností Cisco, Juniper, Arista a desítek dalších.

 

Hermetičnost versus cena

 

Hermetické obaly - kovová pouzdra se skleněným-k-kovovým těsněním a svařovanými víčky - poskytují zlatý standard dlouhodobé-spolehlivosti. Žádná vlhkost. Žádné problémy s odplyněním. Předvídatelná dvaceti{8}letá životnost v drsném prostředí.

Stojí také výrazně více než-nehermetické alternativy.

Většina optických modulů datových center používá ne-hermetické balení s různým stupněm ochrany životního prostředí. Epoxidová těsnění, konformní nátěry, selektivní getrové materiály pro absorbování vlhkosti, která proniká. Tyto přístupy adekvátně fungují pro klima-řízená prostředí s relativně krátkými cykly výměny.

Zařízení telekomunikačních nosičů a letecké aplikace obecně stále vyžadují plně hermetické balení. Způsoby selhání způsobené korozí nebo kontaminací způsobenou vlhkostí- trvají roky, než se projeví, což je přesně důvod, proč jsou nepřijatelné v infrastruktuře, která musí fungovat bez dozoru po celá desetiletí.

Lidé s tenkým-lithium-niobátovým modulátorem se to naučili tvrdě. Dřívější zařízení s nedostatečným hermetickým těsněním vykazovala záhadnou degradaci výkonu při nasazení v terénu. Ukázalo se, že vodní pára způsobuje DC drift v elektrodových strukturách.

 

Výnos je všechno

 

Návrh modulu, který splňuje všechny výkonové specifikace, ale poskytuje pouze 60 % dobrých jednotek, přijde o peníze. Mírně horší design s výnosem 95 % by mohl být ziskový. Tento kompromis řídí více technických rozhodnutí, než kdy technická elegance bude.

Ztráta výnosu se multiplikativně kumuluje napříč procesními kroky. Pokud je výnos vašeho laserového nástavce 98 %, spojení drátů 97 %, spojení vláken 95 % a vaše spálení-přežití je 99 %, váš kumulativní výnos je 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89 %. Zní to dobře, dokud si nepamatujete, že tato čísla jsou optimistická a skutečné procesy mají více kroků.

Neutuchající tlak na výtěžnost vysvětluje, proč se s řízením procesů ve výrobě optiky zachází s náboženským zápalem. Statistické grafy řízení procesů. Vstupní kontrola materiálu. Kvalifikační protokoly zařízení. Certifikace provozovatele. Cokoli, co snižuje variace, snižuje ztrátu výnosu.

Vysvětluje také, proč se výrobní inženýři trápí při změnách designu. Každá úprava potenciálně resetuje vaši křivku učení výnosu.

 

Rozhraní konektoru pravděpodobně ignorujete

 

Na mechanickém rozhraní, kde se vlákno zapojuje do modulu, záleží více, než naznačuje jeho zdánlivá jednoduchost.

Konektory LC a MPO musí dosahovat fyzického kontaktu mezi leštěnými koncovými plochami vláken - nebo přesně řízených vzduchových mezer u konstrukcí se šikmým fyzickým kontaktem - při zachování zarovnání v rámci tolerancí, které zachovají účinnost spojení. Pouzdro konektoru, zásuvka na modulu a protilehlá geometrie přispívají.

Opotřebení způsobené opakovaným zasouváním časem znehodnocuje konektory. Specifikace MSA definují požadavky na minimální trvanlivost, ale skutečný výkon se liší v závislosti na úrovních znečištění, technice vkládání a kvalitě výroby konektoru i zásuvky.

Viděl jsem problémy s odkazy několik hodin, než někdo konečně vyčistil LC konektor a problém zmizel.

 

Co je to vlastně doprava versus to, co ukazují konference

 

Konferenční příspěvky demonstrují moduly 1,6 Tb/s s exotickými koherentními modulačními formáty a -současnou fotonickou integrací. Skutečné objemy zásilek nadále dominují 100G a 400G zásuvné transceivery využívající relativně konvenční architektury.

Mezera mezi demonstrací a nasazením trvá u většiny technologií zhruba pět let. Křemíková fotonika trvala ještě déle. První výsledky výzkumu se objevily na počátku 21. století; smysluplný komerční objem přišel až v polovině roku 2010.

To není pesimismus -, to je výrobní realita. Přechod od funkčních prototypů ke spolehlivé hromadné výrobě vyžaduje vyřešení problémů s výnosem, kvalifikaci dodavatelů, vybudování testovací infrastruktury a stanovení provozních údajů o spolehlivosti. Každý krok vyžaduje čas.

Optické moduly 800G jsou nyní na vzestupu. 1.6T bude následovat. Základní technologie existují. Výrobní kapacita je to, co trvá roky, než zraje.

Modul, který nasadíte do své sítě v příštím čtvrtletí, pravděpodobně vstoupil do vývoje před čtyřmi lety a spoléhá se na technologie základních komponent ověřené deset let před tím. Špičkový-výzkum se nakonec stane nudným výrobním inženýrstvím, přesně tak by to mělo fungovat.