Optički moduli se proizvode sa preciznošću

 

 

Noćna mora poravnanja na koju vas niko ne upozorava

 

Spajanje laserske svjetlosti u jedno-modno vlakno zahtijeva tačnost pozicioniranja oko ±0,5 mikrometara. Pola mikrona. Za kontekst, ljudska kosa je debela otprilike 70 mikrometara.

Nedostaje vam ta tolerancija i vaši spremnici za efikasnost spojke. Gubitak efikasnosti znači veće pogonske struje za kompenzaciju, što stvara toplinu, što pomiče talasnu dužinu, što degradira vaš omjer signala-prema-šumu na načine koji kaskadiraju kroz cijeli budžet veze. Teorijske jednačine spajanja izgledaju čisto u udžbenicima. Stvarnost uključuje šest-faza poravnanja osi, praćenje snage-u stvarnom vremenu i procese očvršćavanja ljepila koji uvode vlastite pozicijske pomake.

Gledao sam tehničara kako cijelo popodne 2021. godine juri za gubitkom umetanja od 2 dB na onome što je trebalo biti rutinski TOSA sklop. Ispostavilo se da se kuglično sočivo lagano rotiralo tokom UV očvršćavanja - možda tri stepena - dovoljno da usmjeri snop direktno od jezgre vlakna. Tri stepena. To je ono što je ovaj posao.

 

Aktivno naspram pasivnog poravnanja

 

Industrija se oko toga raspravlja već dvadeset godina i još uvijek to nije u potpunosti riješila.

Aktivno poravnanje znači napajanje lasera tokom montaže, praćenje spojene optičke snage i iterativno podešavanje položaja dok ne pogodite cilj. Radi. Takođe je spor, skup i ne povećava se graciozno kada pokušavate da pošaljete milione primopredajnika mesečno.

Pasivno poravnanje se oslanja na mehaničke karakteristike - urezane silikonske v-žljebove, litografski definirane montažne postolje, preokrenuto-samoporavnavanje sa lemljenjem čipa- - za postavljanje komponenti bez uključivanja bilo čega. Kada radi, propusnost se dramatično poboljšava. Kada se tolerancije slažu nepovoljno, dobijate probleme sa prinosom koji se manifestuju kao misteriozne serije modula sa lošim performansama koji prolaze električne testove, ali ne zadovoljavaju optičke specifikacije.

Hibridni pristupi koji dobijaju na snazi ​​sada koriste pasivno poravnanje kako bi se približili nekoliko mikrona, a zatim aktivno fino{0}}podešavanje za konačnu optimizaciju. Više koraka procesa, ali ekonomija funkcionira za proizvode visokih{2}}performansi gdje je klijentima zapravo stalo do marže veze.

Silicijumska fotonika je ovdje promijenila neke pretpostavke. Kada su vaši talasovodi litografski definisani na silikonskoj pločici i vaši laseri su povezani sa flip-čipom ili heterogeno integrisani, problem poravnanja se delimično transformiše u problem proizvodnje poluprovodnika. Različiti skup vještina. Različiti načini kvara.

 

 

Problem izobličenja poravnanja izazvan zavarivanjem{0}}

 

Lasersko zavarivanje ostaje poželjna metoda spajanja vlakana-na-priključke u hermetičkim modulima. Zavar je jak, brz i ne ispušta gas kao neki lepkovi. Problem je šta se dešava kada se zavareni bazen hladi.

Termička kontrakcija povlači sklop ferule vlakana u smjerovima koji zavise od geometrije zavara, svojstava materijala i - ovo je frustrirajući dio - specifičan slijed u kojem pravite više zavarenih spojeva. Pomak nakon -zavarivanja može premašiti nekoliko mikrometara ako niste pažljivi. Vaš savršeno poravnat sklop postaje neusklađen u trenutku kada završite sa spajanjem.

Strategije kompenzacije postoje. Neki proizvođači namjerno kompenzuju svoje poravnanje prije{1}}varenja kako bi uzeli u obzir predviđeni pomak. Drugi koriste parametre zavarivanja sa niskim-skupljanjem i prihvataju duža vremena ciklusa. Nekoliko ih je razvilo-sisteme za praćenje u realnom vremenu koji mjere pomak tokom zavarivanja i primjenjuju korektivna podešavanja prije nego što se spoj potpuno očvrsne.

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

 

Stvarnost čiste sobe

 

Optički moduli se sastavljaju u čistim prostorijama u rasponu od ISO klase 7 do ISO klase 5 za najosetljivije-operacije. Brojke zvuče impresivno dok ne shvatite da jedan čovjek koji nepomično sjedi generiše otprilike 100.000 čestica u minuti na pragu veličine od 0,3 mikrona.

Čestica na krajnjoj strani vlakna stvara lokaliziranu vruću tačku kada je osvijetljena laserskom svjetlošću velike{0}}obe. Vremenom, ta tačka karbonizira organske zagađivače u trajni apsorbirajući defekt koji progresivno degradira performanse. Ovaj način kvara doveo je čitave linije proizvoda do implementacije 100% inspekcije krajnjeg dijela prije konačnog sastavljanja.

Standardne kontrole čiste sobe razumno dobro upravljaju česticama u zraku. Molekularna kontaminacija je skrivenija. Hlapljiva organska jedinjenja iz ljepila, rastvarača za čišćenje, čak i plastike koja ispušta plin mogu nanijeti nevidljive filmove na optičke površine. Ovi filmovi su posebno štetni za DUV aplikacije, ali uzrokuju probleme u različitim valnim dužinama.

AMC-kontrolirane čiste sobe - kontrolirana molekularna kontaminacija u zraku - predstavljaju trenutno stanje tehnike za visoko-pouzdane optičke sklopove. Sistemi za filtriranje su skupi. Oprema za praćenje je skupa. Ograničene liste materijala stvaraju glavobolje u lancu snabdijevanja.

Vrijedi li? Zavisi od toga da li šaljete robne SFP-ove ili komponente za sisteme{0}}kvalifikovane za svemir.

 

 

Kompenzacija temperature traje duže nego što bilo ko planira

 

Izlazna snaga laserske diode i talasna dužina se pomeraju sa temperaturom. Tipičan DFB laser se pomera oko 0,1 nm/stepen u talasnoj dužini i zahteva podešavanje struje pristrasnosti da bi se održala konstantna optička snaga u opsegu radne temperature.

Temperaturna kompenzacija uključuje karakterizaciju svakog modula na više temperaturnih tačaka - često u koracima od 5 stepeni ili 10 stepeni od -40 stepeni do +85 stepeni za industrijske-proizvode - i programiranje koeficijenata korekcije u MCU modula. Koeficijenti prilagođavaju struju pristranosti 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 samog lasera, termalnog puta od spoja do termistora i tolerancija komponenti u strujnom kolu. Moduli za masovnu{1}}proizvodnju-korisničkih razreda koriste generičke kompenzacijske tablice i prihvataju rezultujuću širinu performansi. Moduli visokih{4}}modula dobijaju individualnu karakterizaciju.

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

 

Razlika TOSA-ROSA je manje bitna nego prije

 

Tradicionalne arhitekture optičkih primopredajnika odvajaju funkciju odašiljanja (optički podsklop predajnika TOSA -) od funkcije prijema (optički podsklop prijemnika ROSA -). Svaki podsklop se pakuje nezavisno, testira, zatim integriše u PCB modula.

Ovo je imalo smisla kada su optički moduli koristili diskretne TO-kanalne pakete sa jednostavnim jednokanalnim dizajnom. Veći-višekanalni- moduli sve više integriraju funkcije prijenosa i prijema zajedno, ili u potpunosti eliminišu tradicionalno OSA pakovanje putem pristupa čip-na-ploči gdje se gole matrice montiraju direktno na PCB podlogu.

COB pakovanje smanjuje broj optičkih interfejsa - svaki interfejs je potencijalna tačka gubitka -, ali zahteva čistije proizvodno okruženje i sofisticiraniju opremu za sklapanje. Trend je jasan, čak i ako tranzicija nije potpuna.

BiDi primopredajnici dodatno komplikuju sliku koristeći multipleksiranje po talasnim dužinama-za prijenos i prijem na jednom vlaknu. BOSA koja kombinuje funkcije TOSA i ROSA sa integrisanim WDM filterima zahteva još strože tolerancije poravnanja jer oba optička puta moraju da pogađaju istu jezgru vlakna.

 

Šta gori-u zapravo testovima

 

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

Cilj nije simulirati godine rada na terenu. To je za ubrzavanje neuspjeha u smrtnosti novorođenčadi. Neki postotak komponenti sadrži latentne defekte - slabe žičane veze, marginalne lemne spojeve, blago degradirane laserske fasete - koji se neće manifestirati u normalnim uvjetima, ali brzo propadaju pod ubrzanim stresom. Bolje ih je pronaći tokom proizvodnje nego u mreži kupaca.

Urezivanje-u hvata prave probleme. Svaka proizvodna linija ima priče o hvatanju loših komponenti kroz izgaranje-u kvarovima prije nego što su te jedinice isporučene. Protuargument je da sagorijevanje-troši prostor u stalak, energiju i vrijeme ciklusa što direktno utiče na troškove proizvodnje. Moduli robe često smanjuju trajanje-izgaranja ili ga u potpunosti preskaču, prihvatajući veće stope kvarova na terenu kao trošak-izvršavanja-poslovnih proračuna.

Testovi temperaturnih ciklusa služe drugoj svrsi - otkrivajući defekte sklopa, a ne defekte komponenti. Ponovljeni termički izleti opterećuju lemne spojeve, ljepljive veze i mehanička sučelja. Pukotine se šire. Zamor interfejsa. Sve što je bilo marginalno postaje propalo.

 

 

Zašto vaš modul možda ne radi u nekom drugom prekidaču

 

Problemi sa EEPROM kodiranjem uzrokuju više pritužbi na terenu nego što većina dobavljača želi da prizna.

Optički moduli sadrže male memorijske čipove koji pohranjuju identifikacijske podatke, koeficijente kalibracije i parametre dijagnostičkog praćenja u standardiziranim formatima definiranim specifikacijama SFF komiteta. Glavni sistem čita ove podatke kako bi prepoznao modul, postavio odgovarajuće radne parametre i pratio zdravlje tokom rada.

Različiti proizvođači prekidača i rutera tumače ove specifikacije s različitim stupnjevima strogosti. Modul koji savršeno radi u opremi jednog dobavljača može biti odbijen od strane drugog zbog razlike u izračunavanju kontrolne sume, neočekivane vrijednosti u "rezerviranom" polju ili provođenja vlasničkog{1}}ID-a dobavljača.

Tržište primopredajnika{0}}treće strane uglavnom postoji zbog ovih izazova interoperabilnosti. Kompanije su specijalizovane za obrnuti-inženjering specifičnih EEPROM zahtjeva za glavne dobavljače opreme i programiranje kompatibilnih modula. Tehnički izraz je "kodiranje". Praktična stvarnost uključuje opsežna testiranja kompatibilnosti u odnosu na stvarnu opremu Cisco, Juniper, Arista i desetine drugih.

 

Hermetičnost u odnosu na cijenu

 

Hermetičko pakovanje - metalnih kućišta sa-za{2}}metalnim zaptivkama i zavarenim poklopcima - predstavlja zlatni standard za dugoročnu-pouzdanost. Nema prodiranja vlage. Nema problema sa ispuštanjem gasova. Predvidljivi dvadeset-godišnji životni vijek u teškim okruženjima.

Također košta znatno više od ne-hermetičkih alternativa.

Većina optičkih modula centara podataka koristi ne-hermetičko pakovanje sa različitim stepenom zaštite životne sredine. Epoksidne brtve, konformni premazi, selektivni getter materijali za upijanje vlage koja prodire. Ovi pristupi funkcionišu adekvatno za okruženja{3}}kontrolisane klimom sa relativno kratkim ciklusima zamjene.

Oprema za telekomunikacione nosače i aplikacije u vazduhoplovstvu generalno i dalje zahtevaju potpuno hermetičko pakovanje. Načinima kvara zbog korozije-indukovane vlagom ili kontaminacije potrebno je godinama da se manifestiraju, upravo zbog čega su neprihvatljivi u infrastrukturi koja decenijama mora raditi bez nadzora.

Ljudi sa tankoslojnim litijum-niobatnim modulatorom{0}}to su naučili na teži način. Rani uređaji sa neadekvatnim hermetičkim zatvaranjem pokazali su misterioznu degradaciju performansi u primeni 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 lošiji dizajn koji daje 95% mogao bi biti profitabilan. Ovaj kompromis pokreće više inženjerskih odluka nego što će tehnička elegancija ikada.

Gubitak prinosa se multiplikativno akumulira kroz procesne korake. Ako vaša laserska matrica daje 98%, vaše spajanje žice daje 97%, vaše spajanje vlakana daje 95%, a vaše preživljavanje-izgaranja je 99%, vaš kumulativni prinos je 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Zvuči u redu dok se ne sjetite da su ti brojevi optimistični i stvarni procesi imaju više koraka.

Nemilosrdni pritisak na prinos objašnjava zašto se kontrola procesa u optičkoj proizvodnji tretira s religioznim žarom. Statistički kontrolni grafikoni procesa. Inspekcija ulaznog materijala. Protokoli za kvalifikaciju opreme. Sertifikacija operatera. Sve što smanjuje varijaciju smanjuje gubitak prinosa.

To također objašnjava zašto se proizvodni inženjeri trzaju zbog promjena dizajna. Svaka modifikacija potencijalno resetuje vašu krivu učenja prinosa.

 

Interfejs konektora koji verovatno ignorišete

 

Mehanički interfejs gde se vlakna spajaju u modul je važniji nego što njegova prividna jednostavnost sugeriše.

LC i MPO konektori moraju postići fizički kontakt između poliranih završnih površina vlakana - ili precizno kontroliranih zračnih raspora za dizajne fizičkog kontakta pod uglom - uz održavanje poravnanja unutar tolerancija koje čuvaju efikasnost spajanja. Kućište konektora, utičnica na modulu i geometrija spajanja doprinose.

Habanje usled ponovljenih umetanja degradira konektore tokom vremena. MSA specifikacije definiraju minimalne zahtjeve za izdržljivost, ali stvarne performanse variraju u zavisnosti od nivoa kontaminacije, tehnike umetanja i kvaliteta proizvodnje i konektora i utičnice.

Vidio sam probleme sa vezama satima prije nego što je neko konačno očistio LC konektor i problem je nestao.

 

Šta je zapravo otpremanje u odnosu na ono što pokazuju konferencije

 

Radovi sa konferencije demonstriraju module od 1,6 Tbps sa egzotičnim formatima koherentne modulacije i ko-upakovanom fotonskom integracijom. Stvarnim količinskim isporukama i dalje dominiraju primopredajnici od 100G i 400G koji se mogu priključiti koristeći relativno konvencionalne arhitekture.

Razmak između demonstracije i implementacije se proteže otprilike pet godina za većinu tehnologija. Silikonska fotonika trajala je još duže. Prvi rezultati istraživanja pojavili su se početkom 2000-ih; značajan komercijalni obim nije stigao do sredine 2010-ih.

Ovo nije pesimizam - to je proizvodna stvarnost. Prelazak sa radnih prototipa na pouzdanu masovnu proizvodnju zahtijeva rješavanje problema prinosa, kvalifikovanje dobavljača, izgradnju testne infrastrukture i uspostavljanje podataka o pouzdanosti na terenu. Za svaki korak je potrebno vrijeme.

800G optički moduli se sada povećavaju. 1.6T će uslijediti. Osnovne tehnologije postoje. Proizvodna sposobnost je ono za šta su potrebne godine da sazrije.

Modul koji ćete implementirati u svoju mrežu u sljedećem kvartalu vjerovatno je ušao u razvoj prije četiri godine i oslanja se na tehnologije osnovnih komponenti dokazane deceniju prije toga. Najsavremenija{1}}istraživanja na kraju postaju dosadni proizvodni inženjering, što je upravo način na koji bi trebalo da funkcioniše.