Modulele optice sunt fabricate cu precizie

 

 

Coșmarul de aliniere despre care nimeni nu te avertizează

 

Cuplarea luminii laser într-o fibră cu un singur{0}mod necesită o precizie de poziționare de aproximativ ±0,5 micrometri. O jumătate de micron. Pentru context, un păr uman are o grosime de aproximativ 70 de micrometri.

Pierdeți această toleranță și rezervoarele de eficiență de cuplare. Pierderea eficienței înseamnă curenți de antrenare mai mari pentru a compensa, ceea ce generează căldură, care modifică lungimea de undă, ceea ce degradează raportul semnal-la-zgomot în moduri care se extind în întregul buget al conexiunii. Ecuațiile teoretice de cuplare arată curat în manuale. Realitatea implică șase-etape de aliniere a axelor, monitorizarea puterii-în timp real și procese de întărire a adezivului care introduc propriile schimbări de poziție.

Am văzut un tehnician petrecând o după-amiază întreagă în 2021 urmărind o pierdere de inserție de 2 dB pe ceea ce ar fi trebuit să fie un ansamblu TOSA de rutină. S-a dovedit că lentila sferică s-a rotit ușor în timpul polimerizării UV - poate trei grade - suficient pentru a orienta fasciculul chiar în afara miezului fibrei. Trei grade. Asta este afacerea asta.

 

Alinierea activă versus pasivă

 

Industria a discutat despre acest lucru timp de douăzeci de ani și încă nu a rezolvat-o pe deplin.

Alinierea activă înseamnă pornirea laserului în timpul asamblarii, monitorizarea puterii optice cuplate și ajustarea iterativă a poziției până când atingeți ținta. Funcționează. Este, de asemenea, lent, costisitor și nu crește grațios atunci când încercați să expediați milioane de transceiver pe lună.

Alinierea pasivă se bazează pe caracteristici mecanice - siliciu gravat v-caneluri, piedestale de montare definite litografic, auto-aliniere - pentru a poziționa componentele fără a porni nimic. Când funcționează, debitul se îmbunătățește dramatic. Când toleranțele se stivuiesc nefavorabil, întâmpinați probleme de randament care se manifestă ca loturi misterioase de module cu performanțe slabe, care trec testele electrice, dar nu respectă specificațiile optice.

Abordările hibride care câștigă tracțiune folosesc acum alinierea pasivă pentru a ajunge în câțiva microni, apoi reglajul-fin activ pentru optimizarea finală. Mai mulți pași de proces, dar economia funcționează pentru produse de-performanță înaltă, în care clienților le pasă de fapt de marja de link.

Fotonica pe siliciu a schimbat unele ipoteze aici. Atunci când ghidurile dvs. de undă sunt definite litografic pe o placă de siliciu și laserele sunt legate de cip-flip{1}}sau integrate eterogen, problema de aliniere se transformă parțial într-o problemă de fabricare a semiconductorilor. Set de abilități diferit. Diferite moduri de eroare.

 

 

Problema de distorsiune a alinierii indusă de sudare-

 

Sudarea cu laser rămâne o metodă de îmbinare preferată pentru fibre-la-asamblarea atașamentelor în module ermetice. Sudura este puternică, rapidă și nu degajă gaze precum unii adezivi. Problema este ce se întâmplă pe măsură ce bazinul de sudură se răcește.

Contracția termică trage ansamblul virolă de fibre în direcții care depind de geometria sudurii, proprietățile materialului și - aceasta este partea frustrantă - secvența specifică în care efectuați mai multe suduri. Deplasarea post-sudură poate depăși câțiva micrometri dacă nu ești atent. Ansamblul dvs. perfect aliniat devine nealiniat în momentul în care terminați de alăturat.

Există strategii de compensare. Unii producători și-au compensat în mod intenționat alinierea pre-sudură pentru a ține cont de schimbarea estimată. Alții folosesc parametrii de sudură cu contracție redusă-și acceptă timpi de ciclu mai lungi. Câțiva au dezvoltat sisteme de monitorizare-în timp real care măsoară deplasarea în timpul sudării și aplică ajustări corective înainte ca îmbinarea să se solidifice complet.

Niciuna dintre aceste abordări nu este sigură. Fiecare nou design de pachet necesită re-caracterizarea comportamentului de schimbare.

 

Realitățile camerelor curate

 

Modulele optice sunt asamblate în sălile curate, de la ISO Clasa 7 până la ISO Clasa 5 pentru operațiunile-cel mai sensibile la contaminare. Cifrele sună impresionant până când îți dai seama că un singur om care stă nemișcat generează aproximativ 100.000 de particule pe minut la pragul de dimensiune de 0,3 microni.

O particulă de pe un capăt al fibrei creează un punct fierbinte localizat atunci când este iluminată de lumina laser de mare-putere. În timp, acel punct carbonizează contaminanții organici într-un defect de absorbție permanent care degradează progresiv performanța. Acest mod de defecțiune a determinat linii întregi de produse să implementeze inspecția finală 100% înainte de asamblarea finală.

Comenzile standard pentru camera curată gestionează destul de bine particulele din aer. Contaminarea moleculară este mai furioasă. Compușii organici volatili din adezivi, solvenți de curățare, chiar și materialele plastice care degazează pot depune filme invizibile pe suprafețele optice. Aceste filme sunt deosebit de dăunătoare pentru aplicațiile DUV, dar provoacă probleme la toate lungimile de undă.

Camerele curate AMC-controlate - contaminarea moleculară în aer controlată - reprezintă stadiul actual al tehnicii pentru asamblarea optică de-înaltă fiabilitate. Sistemele de filtrare sunt scumpe. Echipamentul de monitorizare este scump. Listele de materiale restricționate creează dureri de cap în lanțul de aprovizionare.

Merită? Depinde dacă expediați SFP-uri de mărfuri sau componente pentru sisteme calificate pentru spațiu-.

 

 

Compensarea temperaturii durează mai mult decât bugetul oricui

 

Puterea de ieșire a diodei laser și lungimea de undă se modifică ambele în funcție de temperatură. Un laser DFB tipic se deplasează cu aproximativ 0,1 nm/grad în lungime de undă și necesită ajustarea curentului de polarizare pentru a menține puterea optică constantă în intervalul de temperatură de funcționare.

Compensarea temperaturii implică caracterizarea fiecărui modul în mai multe puncte de temperatură - adesea în trepte de 5 grade sau 10 grade de la -40 de grade la +85 grade pentru produse industriale- - și programarea coeficienților de corecție în MCU a modulului. Coeficienții ajustează curentul de polarizare și uneori amplitudinea modulației în funcție de temperatura măsurată a carcasei.

Acest lucru sună simplu până când realizați că fiecare modul se comportă ușor diferit din cauza variațiilor de fabricație ale laserului în sine, a căii termice de la joncțiune la termistor și a toleranțelor componentelor din circuitul driverului. Modulele de grad-produse în masă pentru consumatori-utiliză tabele de compensare generice și acceptă diferența de performanță rezultată. Modulele-de înaltă performanță beneficiază de caracterizare individualizată.

Un inginer pe care îl cunosc a petrecut patru luni optimizând algoritmul de compensare a temperaturii pentru o nouă platformă de module 400G. Patru luni pe ceea ce majoritatea oamenilor ar respinge ca un pas de calibrare.

 

Distincția TOSA-ROSA contează mai puțin decât înainte

 

Arhitecturile tradiționale ale transceiver-ului optice separă funcția de transmisie (subansamblul optic al transmițătorului TOSA -) de funcția de recepție (subansamblul optic al receptorului ROSA -). Fiecare subansamblu este ambalat independent, testat, apoi integrat pe PCB-ul modulului.

Acest lucru a avut sens atunci când modulele optice foloseau pachete TO-can cu design simplu-canal. Modulele cu mai multe canale-viteze mai mari- integrează din ce în ce mai mult funcțiile de transmisie și recepție împreună sau elimină în întregime ambalajul OSA tradițional prin abordări cu cip-on-la bord unde matrițele goale se montează direct pe substratul PCB.

Ambalajul COB reduce numărul de interfețe optice - fiecare interfață este un potențial punct de pierdere - dar necesită medii de producție mai curate și echipamente de asamblare mai sofisticate. Tendința este clară, chiar dacă tranziția nu este completă.

Emițătoarele BiDi complică și mai mult imaginea utilizând multiplexarea prin diviziune pe lungime de undă-pentru a transmite și a primi pe o singură fibră. BOSA care combină funcțiile TOSA și ROSA cu filtre WDM integrate necesită toleranțe de aliniere și mai strânse, deoarece ambele căi optice trebuie să lovească același miez de fibră.

 

Ceea ce arde-in testează de fapt

 

Modulele suferă-imbatranire la temperatură ridicată înainte de expediere -, de obicei, între 24 și 168 de ore, la temperaturi ridicate ale carcasei, în jur de 70-100 de grade, în timp ce funcționează în condiții normale de polarizare.

Scopul nu este de a simula ani de operare pe teren. Este pentru a precipita eșecul mortalității infantile. Unele procente de componente conțin defecte latente - legături slabe de sârmă, îmbinări de lipire marginale, fațete laser ușor degradate - care nu se vor manifesta în condiții normale, dar nu se vor manifesta rapid în condiții de stres accelerat. Mai bine să le găsiți în timpul producției decât în ​​rețeaua unui client.

Burn-capturile probleme reale. Fiecare linie de producție are povești despre prinderea unui lot de componente proaste prin ardere-în defecțiuni înainte ca acele unități să fie livrate. Contraargumentul este că arderea-consumă spațiu în rack, energie și durata ciclului, care afectează direct costul de producție. Modulele de mărfuri reduc adesea durata de ardere-sau o omit complet, acceptând rate mai mari de eșec în câmp ca cost-de-efectuarea-calculului de afaceri.

Testele ciclului de temperatură au un scop diferit -, dezvăluind defecte de asamblare, mai degrabă decât defectele componente. Excursii termice repetate tensionează îmbinările de lipit, legăturile adezive și interfețele mecanice. Crăpăturile se propagă. Oboseala interfețelor. Orice a fost marginal devine eșuat.

 

 

De ce modulul tău ar putea să nu funcționeze în comutatorul altcuiva

 

Problemele de codare EEPROM provoacă mai multe plângeri pe teren decât doresc să admită majoritatea furnizorilor.

Modulele optice conțin cipuri de memorie mici care stochează date de identificare, coeficienți de calibrare și parametri de monitorizare a diagnosticului în formate standardizate definite de specificațiile comitetului SFF. Sistemul gazdă citește aceste date pentru a recunoaște modulul, pentru a seta parametrii de funcționare corespunzători și pentru a monitoriza starea de sănătate în timpul funcționării.

Diferiți producători de switch-uri și routere interpretează aceste specificații cu diferite grade de strictețe. Un modul care funcționează perfect într-un echipament al unui furnizor poate fi respins de altul din cauza unei diferențe de calcul a sumei de control, a unei valori neașteptate într-un câmp „rezervat” sau a aplicării ID-ului proprietar-de furnizor.

Piața de transceiver{0}}terță parte există în mare parte din cauza acestor provocări de interoperabilitate. Companiile sunt specializate în inginerie inversă-cerințelor specifice EEPROM pentru furnizorii majori de echipamente și module compatibile de programare. Termenul tehnic este „codificare”. Realitatea practică implică teste extinse de compatibilitate cu echipamentele reale de la Cisco, Juniper, Arista și zeci de altele.

 

Hermeticitate versus cost

 

Ambalajele ermetice - carcase metalice cu garnituri din sticlă-la-metal și capace sudate - oferă standardul de aur pentru fiabilitatea-pe termen lung. Nu pătrunde umezeală. Fără probleme de degazare. Durate de viață previzibile de douăzeci-ani în medii dure.

De asemenea, costă mult mai mult decât alternativele ne-ermetice.

Majoritatea modulelor optice ale centrelor de date folosesc ambalaje non-ermetice cu diferite grade de protecție a mediului. Etanșări epoxidice, acoperiri conforme, materiale getter selective pentru a absorbi umiditatea care pătrunde. Aceste abordări funcționează în mod adecvat pentru mediile-climatizate cu cicluri de înlocuire relativ scurte.

Echipamentele de transport de telecomunicații și aplicațiile aerospațiale, în general, necesită încă ambalaj ermetic complet. Modurile de defecțiune cauzate de coroziunea sau contaminarea indusă de umiditate-duse ani de zile să se manifeste, tocmai de aceea sunt inacceptabile în infrastructura care trebuie să funcționeze nesupravegheată de zeci de ani.

Oamenii cu modulatorul de niobat de litiu cu peliculă subțire au învățat acest lucru pe cale grea. Dispozitivele timpurii cu etanșare ermetică inadecvată au arătat o degradare misterioasă a performanței în implementările pe teren. S-a dovedit că vaporii de apă au cauzat o deriva DC în structurile electrozilor.

 

Randamentul este totul

 

Un design de modul care atinge toate specificațiile de performanță, dar care oferă doar 60% unități bune va pierde bani. Un design ușor inferior, cu un randament de 95%, ar putea fi profitabil. Acest compromis conduce la mai multe decizii de inginerie decât o va face vreodată eleganța tehnică.

Pierderea de randament se acumulează multiplicativ în etapele procesului. Dacă atașarea matriței dvs. laser are randamente de 98%, legarea firului dvs. are randament de 97%, cuplarea de fibre are randament de 95% și arderea-în supraviețuire este de 99%, randamentul dvs. cumulat este de 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Sună în regulă până când îți amintești că acele numere sunt optimiste și procesele reale au mai mulți pași.

Presiunea necruțătoare asupra randamentului explică de ce controlul procesului este tratat cu fervoare religioasă în producția optică. Diagrame de control statistic al procesului. Inspecția materialului primit. Protocoale de calificare a echipamentelor. Certificare de operator. Orice reducere a variației reduce pierderea de randament.

De asemenea, explică de ce inginerii de producție sunt agitați cu privire la schimbările de proiectare. Fiecare modificare poate resetează curba de învățare a randamentului.

 

Interfața conectorului pe care probabil o ignorați

 

Interfața mecanică în care fibra se conectează la modul contează mai mult decât sugerează simplitatea sa aparentă.

Conectorii LC și MPO trebuie să realizeze un contact fizic între suprafețele terminale ale fibrei lustruite - sau goluri de aer controlate cu precizie pentru modelele de contact fizic unghiular -, menținând în același timp alinierea în limitele toleranțelor care păstrează eficiența cuplajului. Carcasa conectorului, recipientul de pe modul și geometria de împerechere contribuie.

Uzura de la inserțiile repetate degradează conectorii în timp. Specificațiile MSA definesc cerințele minime de durabilitate, dar performanța reală variază în funcție de nivelurile de contaminare, tehnica de inserare și calitatea de fabricație atât a conectorului, cât și a recipientului.

Am văzut legături depanate ore întregi înainte ca cineva să curețe în sfârșit conectorul LC și problema să dispară.

 

Ce se livrează de fapt față de ceea ce arată conferințele

 

Lucrările conferinței demonstrează module de 1,6 Tbps cu formate de modulație coerente exotice și integrare fotonică co-ambalată. Livrările efective în volum rămân dominate de transceiver-uri conectabile 100G și 400G care utilizează arhitecturi relativ convenționale.

Diferența dintre demonstrație și implementare se întinde pe aproximativ cinci ani pentru majoritatea tehnologiilor. Fotonica pe siliciu a durat și mai mult. Primele rezultate ale cercetării au apărut la începutul anilor 2000; volumul comercial semnificativ nu a ajuns decât la mijlocul anilor 2010.

Acesta nu este pesimism - este realitatea producătoare. Trecerea de la prototipuri de lucru la producția de masă fiabilă necesită rezolvarea problemelor de randament, calificarea furnizorilor, construirea infrastructurii de testare și stabilirea datelor de fiabilitate pe teren. Fiecare pas necesită timp.

Modulele optice 800G cresc acum. 1.6V va urma. Tehnologiile de bază există. Capacitatea de producție este ceea ce durează ani pentru a se maturiza.

Modulul pe care îl implementați în rețeaua dvs. în trimestrul următor a intrat probabil în dezvoltare acum patru ani și se bazează pe tehnologii de componente fundamentale dovedite cu un deceniu înainte. Cercetarea de ultimă oră-devine în cele din urmă o inginerie de producție plictisitoare, care este exact cum ar trebui să funcționeze.