Оптичните модули са произведени с прецизност

 

 

Кошмарът за подравняване, за който никой не ви предупреждава

 

Свързването на лазерна светлина в едно-модово влакно изисква точност на позициониране около ±0,5 микрометра. Половин микрон. За контекст човешкият косъм е с дебелина приблизително 70 микрометра.

Пропуснете тази толерантност и вашите резервоари за ефективност на свързване. Загубата на ефективност означава по-високи токове на задвижване за компенсиране, което генерира топлина, което измества дължината на вълната, което влошава съотношението сигнал-към-шум по начини, които каскадно преминават през целия бюджет на връзката. Теоретичните уравнения за свързване изглеждат чисти в учебниците. Реалността включва шест-етапа на подравняване на осите,-наблюдение на мощността в реално време и процеси на втвърдяване на лепилото, които въвеждат свои собствени позиционни измествания.

Гледах как техник прекарва цял следобед през 2021 г. в преследване на вмъкната загуба от 2 dB на нещо, което трябваше да бъде рутинно сглобяване на TOSA. Оказа се, че сферичната леща се е завъртяла леко по време на UV втвърдяване - може би три градуса - достатъчно, за да насочи лъча точно към сърцевината на влакното. Три степени. Това е този бизнес.

 

Активно срещу пасивно подравняване

 

Индустрията спори за това в продължение на двадесет години и все още не го е уредила напълно.

Активното подравняване означава включване на лазера по време на сглобяване, наблюдение на свързаната оптична мощност и регулиране на позицията итеративно, докато не уцелите целта си. Работи. Освен това е бавен, скъп и не се мащабира елегантно, когато се опитвате да доставяте милиони приемо-предаватели на месец.

Пасивното подравняване разчита на механични характеристики - гравирани силиконови v-жлебове, литографски дефинирани монтажни опори, обръщане-само{3}}подравняване на запояване на чипове - за позициониране на компоненти, без да се включва нищо. Когато работи, пропускателната способност се подобрява драстично. Когато толерансите се подредят неблагоприятно, получавате проблеми с производителността, които се проявяват като мистериозни партиди модули с недостатъчна производителност, които преминават електрически тестове, но не отговарят на оптичните спецификации.

Хибридните подходи, които набират популярност, сега използват пасивно подравняване, за да достигнат до няколко микрона, след което активна фина{0}}настройка за окончателното оптимизиране. Повече стъпки на процеса, но икономиката работи за продукти с висока-производителност, при които клиентите всъщност се интересуват от маржа на връзката.

Силициевата фотоника промени някои предположения тук. Когато вашите вълноводи са литографски дефинирани върху силиконова пластина и вашите лазери са свързани с флип-чип или хетерогенно интегрирани, проблемът с подравняването частично се трансформира в проблем при производството на полупроводници. Различен набор от умения. Различни режими на отказ.

 

 

Проблемът с-предизвиканото изкривяване на центровката

 

Лазерното заваряване остава предпочитан метод за свързване на влакна-към-пакети в херметични модули. Заварката е здрава, бърза и не отделя газ като някои лепила. Проблемът е какво се случва, когато заваръчната вана се охлади.

Термичното свиване дърпа модула на влакнеста втулка в посоки, които зависят от геометрията на заваръчния шев, свойствата на материала и - това е разочароващата част - специфичната последователност, в която правите множество заварки. Изместването след-заварката може да надхвърли няколко микрометра, ако не сте внимателни. Вашият идеално подравнен комплект става неправилно подравнен в момента, в който приключите с присъединяването му.

Съществуват стратегии за компенсация. Някои производители умишлено изместват подравняването си преди-за заваряване, за да отчетат предвиденото изместване. Други използват параметри за заваряване с ниско{3}}свиване и приемат по-дълги времена на цикъла. Няколко са разработили-системи за наблюдение в реално време, които измерват преместването по време на заваряване и прилагат коригиращи настройки, преди съединението да се втвърди напълно.

Нито един от тези подходи не е безупречен. Всеки нов дизайн на опаковката изисква пре-характеризиране на поведението на смяната.

 

Реалности в чистите стаи

 

Оптичните модули се сглобяват в чисти стаи, вариращи от ISO клас 7 до ISO клас 5 за най-чувствителните-за замърсяване операции. Числата звучат впечатляващо, докато не разберете, че един човек, който седи неподвижно, генерира приблизително 100 000 частици в минута при праг на размер от 0,3 микрона.

Частица върху края на влакното създава локализирана гореща точка, когато е осветена от високо{0}}мощна лазерна светлина. С течение на времето това място карбонизира органичните замърсители в постоянен абсорбиращ дефект, който прогресивно влошава производителността. Този режим на повреда накара цели продуктови линии да внедрят 100% проверка на челната повърхност преди окончателното сглобяване.

Стандартните контролери за чисти помещения се справят сравнително добре с частиците във въздуха. Молекулярното замърсяване е по-подъл. Летливите органични съединения от лепила, почистващи разтворители, дори отделящи газове пластмаси могат да отлагат невидими филми върху оптичните повърхности. Тези филми са особено вредни за DUV приложения, но причиняват проблеми при различни дължини на вълните.

AMC-контролирани чисти стаи - контролирано молекулярно замърсяване във въздуха - представляват текущото ниво на техниката за високо-надежден оптичен монтаж. Филтриращите системи са скъпи. Оборудването за наблюдение е скъпо. Списъците с ограничени материали създават главоболия по веригата за доставки.

струва ли си Зависи от това дали доставяте обикновени SFP или компоненти за-компонентни системи.

 

 

Температурната компенсация отнема повече време, отколкото някой си е предвидил

 

Изходната мощност на лазерния диод и дължината на вълната се променят с температурата. Типичният DFB лазер се отклонява с приблизително 0,1 nm/градус по дължина на вълната и изисква регулиране на тока на отклонение, за да се поддържа постоянна оптична мощност в работния температурен диапазон.

Температурната компенсация включва характеризиране на всеки модул в множество температурни точки - често на стъпки от 5 градуса или 10 градуса от -40 градуса до +85 градуса за промишлени-клас продукти – и програмиране на корекционни коефициенти в MCU на модула. Коефициентите коригират тока на отклонение и понякога амплитудата на модулацията като функция на измерената температура на корпуса.

Това звучи просто, докато не осъзнаете, че всеки модул се държи малко по-различно поради производствени вариации в самия лазер, термичния път от прехода до термистора и допустимите отклонения на компонентите в схемата на драйвера. Масово{1}}произвежданите потребителски-модули използват общи компенсационни таблици и приемат произтичащия разход на производителност. Модулите с висока-производителност получават индивидуализирана характеристика.

Инженер, когото познавам, прекара четири месеца в оптимизиране на алгоритъма за температурна компенсация за нова модулна платформа 400G. Четири месеца върху това, което повечето хора биха отхвърлили като стъпка за калибриране.

 

Разграничението TOSA-ROSA има по-малко значение, отколкото преди

 

Традиционните оптични приемо-предавателни архитектури разделят предавателната функция (TOSA - предавател оптичен подвъзел) от функцията за приемане (ROSA - приемен оптичен подвъзел). Всеки подвъзел се опакова самостоятелно, тества се, след което се интегрира в печатната платка на модула.

Това имаше смисъл, когато оптичните модули използваха дискретни TO-пакети с прости едно-канален дизайн. По-високо{3}}скоростните много-канални модули все повече интегрират функциите за предаване и приемане заедно или елиминират изцяло традиционното опаковане на OSA чрез подходи на чип-на{-платката, при които голите матрици се монтират директно към субстрата на печатната платка.

COB опаковката намалява броя на оптичните интерфейси - всеки интерфейс е потенциална точка на загуба -, но изисква по-чисти производствени среди и по-сложно оборудване за сглобяване. Тенденцията е ясна, дори ако преходът не е завършен.

BiDi приемо-предавателите допълнително усложняват картината, като използват мултиплексиране-с разделяне на дължината на вълната за предаване и приемане по едно влакно. BOSA, комбиниращ функциите TOSA и ROSA с интегрирани WDM филтри, изисква още по-строги толеранси за подравняване, тъй като и двата оптични пътя трябва да попаднат в едно и също влакнесто ядро.

 

What burn-in всъщност тества

 

Модулите претърпяват високо{0}}температурно стареене преди изпращане - обикновено от 24 до 168 часа при повишени температури на корпуса около 70-100 градуса, докато работят при нормални условия на отклонение.

Целта не е да се симулират години работа на място. Това е да ускори провала на детската смъртност. Известен процент от компонентите съдържат латентни дефекти - слаби жични връзки, маргинални запоени съединения, леко влошени лазерни фасети -, които няма да се проявят при нормални условия, но бързо се повреждат при ускорено натоварване. По-добре да ги намерите по време на производството, отколкото в мрежата на клиента.

Burn{0}}in улавя истински проблеми. Всяка производствена линия има истории за улавяне на партида с лоши компоненти чрез изгаряне-в повреда, преди тези единици да бъдат изпратени. Контрааргументът е, че изгарянето-потребява място в стелажа, енергия и време за цикъл, което пряко влияе върху производствените разходи. Стандартните модули често намаляват-продължителността на изгарянето или го пропускат изцяло, като приемат по-високи проценти на повреда като разходи-за-извършване-бизнес изчисления.

Температурните циклични тестове служат за различна цел - разкривайки дефекти на сглобяване, а не дефекти на компоненти. Повтарящите се топлинни отклонения натоварват спойките, адхезивните връзки и механичните интерфейси. Пукнатините се разпространяват. Умора на интерфейсите. Всичко, което е било маргинално, става провалено.

 

 

Защо вашият модул може да не работи в суич на някой друг

 

Проблемите с кодирането на EEPROM причиняват повече оплаквания, отколкото повечето доставчици искат да признаят.

Оптичните модули съдържат малки чипове с памет, които съхраняват идентификационни данни, коефициенти за калибриране и параметри за диагностичен мониторинг в стандартизирани формати, определени от спецификациите на SFF комитета. Хост системата чете тези данни, за да разпознае модула, да зададе подходящи работни параметри и да наблюдава здравето по време на работа.

Различните производители на комутатори и рутери тълкуват тези спецификации с различна степен на строгост. Модул, който работи перфектно в оборудването на един доставчик, може да бъде отхвърлен от друг поради разлика в изчислението на контролната сума, неочаквана стойност в „резервирано“ поле или прилагане на патентован -ID на доставчика.

Пазарът-на приемо-предаватели на трети страни съществува до голяма степен поради тези предизвикателства за оперативна съвместимост. Компаниите са специализирани в обратен-инженеринг на специфичните изисквания за EEPROM за основни доставчици на оборудване и модули, съвместими с програмиране. Техническият термин е „кодиране“. Практическата реалност включва обширни тестове за съвместимост спрямо действително оборудване от Cisco, Juniper, Arista и десетки други.

 

Херметичност срещу цена

 

Херметичните опаковки - метални корпуси със стъклени-към-метални уплътнения и заварени капаци - осигуряват златния стандарт за дългосрочна-надеждност. Без проникване на влага. Няма проблеми с отделянето на газове. Предсказуем двадесет-годишен живот в тежки условия.

Освен това струва значително повече от-нехерметичните алтернативи.

Повечето оптични модули на центрове за данни използват не-херметична опаковка с различна степен на защита на околната среда. Епоксидни уплътнения, конформни покрития, селективни поглъщащи материали за абсорбиране на влага, която прониква. Тези подходи работят адекватно за климат-контролирани среди с относително кратки цикли на подмяна.

Оборудването за телекомуникационни оператори и авиокосмическите приложения обикновено все още изискват пълна херметична опаковка. Режимите на повреда от корозия или замърсяване,-предизвикана от влага, отнемат години, за да се проявят, точно поради което са неприемливи в инфраструктура, която трябва да работи без надзор в продължение на десетилетия.

Хората, занимаващи се с тънкослоен модулатор на литиев ниобат, научиха това по трудния начин. Ранните устройства с неадекватно херметично запечатване показаха мистериозно влошаване на производителността при внедряване на място. Оказа се, че водните пари причиняват DC дрейф в електродните структури.

 

Добивът е всичко

 

Дизайн на модул, който отговаря на всички спецификации за производителност, но дава само 60% добри единици, ще загуби пари. Малко по-лош дизайн, който дава 95% може да бъде печеливш. Този компромис води до повече инженерни решения, отколкото техническата елегантност някога ще направи.

Загубата на добив се натрупва мултипликативно през стъпките на процеса. Ако вашата лазерна матрица дава производителност 98%, вашето свързване с проводник дава 97%, вашето свързване на влакна дава 95%, а вашето изгаряне-в оцеляването е 99%, вашият кумулативен добив е 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Звучи добре, докато не си спомните, че тези числа са оптимистични и реалните процеси имат повече стъпки.

Неумолимият натиск върху добива обяснява защо контролът на процесите се третира с религиозен плам в оптичното производство. Статистически контролни карти на процесите. Проверка на входящия материал. Протоколи за квалификация на оборудването. Сертифициране на оператор. Всичко, което намалява вариациите, намалява загубата на добив.

Това също така обяснява защо инженерите-производители се притесняват от промени в дизайна. Всяка модификация потенциално нулира кривата ви на обучение.

 

Интерфейсът на конектора, който вероятно пренебрегвате

 

Механичният интерфейс, където влакното се включва в модула, има повече значение, отколкото предполага привидната му простота.

LC и MPO конекторите трябва да постигат физически контакт между полирани краища на влакна - или прецизно контролирани въздушни междини за конструкции с физически контакт под ъгъл -, като същевременно поддържат подравняване в рамките на толеранси, които запазват ефективността на свързване. Корпусът на съединителя, гнездото на модула и геометрията на свързване допринасят.

Износването от многократно поставяне влошава качеството на конекторите с течение на времето. Спецификациите на MSA определят минималните изисквания за издръжливост, но действителната производителност варира в зависимост от нивата на замърсяване, техниката на вмъкване и качеството на производство както на съединителя, така и на гнездото.

Виждал съм отстраняване на проблеми с връзките с часове, преди някой най-накрая да почисти LC конектора и проблемът да изчезне.

 

Какво всъщност се доставя в сравнение с това, което показват конференциите

 

Докладите от конференцията демонстрират 1,6 Tbps модули с екзотични кохерентни модулационни формати и съ-опакована фотонна интеграция. Реалните обеми на доставки остават доминирани от 100G и 400G щепселни трансивъри, използващи сравнително конвенционални архитектури.

Разликата между демонстрацията и внедряването обхваща приблизително пет години за повечето технологии. Силиконовата фотоника отне още повече време. Първите резултати от изследвания се появиха в началото на 2000-те; значителен търговски обем не пристигна до средата на 2010 г.

Това не е песимизъм -, а произвежда реалност. Преминаването от работещи прототипи към надеждно масово производство изисква решаване на проблеми с добива, квалифициране на доставчици, изграждане на тестова инфраструктура и установяване на данни за надеждност на място. Всяка стъпка отнема време.

Оптичните модули 800G се увеличават сега. 1.6Т ще последват. Основните технологии съществуват. Производственият капацитет е това, което отнема години, за да узрее.

Модулът, който внедрите във вашата мрежа през следващото тримесечие, вероятно е влязъл в разработка преди четири години и разчита на фундаментални компонентни технологии, доказани десетилетие преди това. Авангардните-научни изследвания в крайна сметка се превръщат в скучно производствено инженерство, което точно трябва да работи.