Moduły optyczne są produkowane z precyzją

 

 

Koszmar wyrównania, o którym nikt Cię nie ostrzega

 

Sprzęganie światła lasera w włóknie jednomodowym- wymaga dokładności pozycjonowania około ±0,5 mikrometra. Pół mikrona. Dla porównania, ludzki włos ma grubość około 70 mikrometrów.

Tęsknię za tą tolerancją i zbiornikami o wydajności sprzęgania. Spadek wydajności oznacza kompensację wyższych prądów sterujących, co generuje ciepło, co powoduje przesunięcie długości fali, co pogarsza stosunek sygnału-do-szumu w sposób kaskadowy obejmujący cały budżet łącza. Teoretyczne równania sprzęgania wyglądają czysto w podręcznikach. Rzeczywistość obejmuje sześć-etapów ustawiania osi,-monitorowanie mocy w czasie rzeczywistym i procesy utwardzania kleju, które wprowadzają własne zmiany położenia.

Obserwowałem, jak technik spędził całe popołudnie w 2021 r., goniąc za tłumieniem wtrąceniowym na poziomie 2 dB w czymś, co powinno być rutynowym montażem TOSA. Okazało się, że soczewka kulkowa obróciła się nieznacznie podczas utwardzania promieniami UV o - może trzy stopnie - na tyle, aby skierować wiązkę tuż poza rdzeń światłowodu. Trzy stopnie. Na tym polega ten biznes.

 

Dopasowanie aktywne i pasywne

 

Branża spierała się na ten temat od dwudziestu lat i nadal nie rozstrzygnęła tej kwestii w pełni.

Aktywne wyrównanie oznacza włączenie lasera podczas montażu, monitorowanie połączonej mocy optycznej i iteracyjne dostosowywanie pozycji, aż trafisz w cel. To działa. Jest także powolny, kosztowny i nie skaluje się prawidłowo, gdy próbujesz wysyłać miliony transceiverów miesięcznie.

Pasywne wyrównanie opiera się na właściwościach mechanicznych - wytrawionych silikonowych rowkach-, litograficznie zdefiniowanych cokołach montażowych,-samodzielnym-układzie lutowniczym typu flip-chip-, umożliwiającym ustawienie komponentów bez włączania czegokolwiek. Kiedy to zadziała, przepustowość znacznie się poprawia. Gdy tolerancje układają się niekorzystnie, pojawiają się problemy z wydajnością, które objawiają się tajemniczymi partiami modułów o słabszej wydajności, które przechodzą testy elektryczne, ale nie spełniają wymagań optycznych.

Coraz popularniejsze stają się podejścia hybrydowe, które wykorzystują obecnie pasywne wyrównanie w celu uzyskania dokładności do kilku mikronów, a następnie aktywne-dostrajanie precyzyjne w celu ostatecznej optymalizacji. Więcej etapów procesu, ale ekonomia sprawdza się w przypadku-produktów o wysokiej wydajności, w przypadku których klientom faktycznie zależy na marży łącza.

Fotonika krzemowa zmieniła tutaj pewne założenia. Kiedy falowody są litograficznie zdefiniowane na płytce krzemowej, a lasery są-z chipem typu flip-chip lub heterogenicznie zintegrowane, problem z wyrównaniem częściowo przekształca się w problem związany z produkcją półprzewodników. Inny zestaw umiejętności. Różne tryby awarii.

 

 

Problem zniekształcenia współosiowości wywołany-spawaniem

 

Spawanie laserowe pozostaje preferowaną metodą łączenia włókien-z-mocowaniami opakowań w modułach hermetycznych. Spoina jest mocna, szybka i nie odgazowuje jak niektóre kleje. Problem polega na tym, co dzieje się, gdy jeziorko spawalnicze ochładza się.

Skurcz termiczny rozciąga zespół tulejek światłowodowych w kierunkach zależnych od geometrii spoiny, właściwości materiału i - to jest frustrująca część - specyficzna kolejność wykonywania wielu spoin. Jeśli nie zachowasz ostrożności, przesunięcie po-spawaniu może przekroczyć kilka mikrometrów. Twój idealnie wyrównany zespół staje się przesunięty w momencie zakończenia jego łączenia.

Istnieją strategie kompensacyjne. Niektórzy producenci celowo przesunęli swoje ustawienie-przed spawaniem, aby uwzględnić przewidywane przesunięcie. Inni stosują parametry spawania o niskim-skurczu i akceptują dłuższe czasy cykli. Kilka z nich opracowało systemy monitorowania-w czasie rzeczywistym, które mierzą przesunięcie podczas spawania i wprowadzają korekty, zanim złącze całkowicie się zestali.

Żadne z tych podejść nie jest niezawodne. Każdy nowy projekt opakowania wymaga-ponownego scharakteryzowania zachowania zmiany.

 

Realia pomieszczeń czystych

 

Moduły optyczne są montowane w pomieszczeniach czystych od klasy ISO 7 do klasy ISO 5 w przypadku operacji- najbardziej wrażliwych na zanieczyszczenia. Liczby brzmią imponująco, dopóki nie zorientujesz się, że pojedynczy człowiek siedzący w bezruchu generuje około 100 000 cząstek na minutę o progu wielkości 0,3 mikrona.

Cząstka na powierzchni końcowej włókna tworzy lokalny gorący punkt po oświetleniu-światłem lasera o dużej mocy. Z biegiem czasu miejsce to powoduje zwęglenie zanieczyszczeń organicznych, tworząc trwały defekt pochłaniający, który stopniowo pogarsza wydajność. Ten tryb awarii zmusił całe linie produktów do wdrożenia 100% kontroli powierzchni czołowej przed ostatecznym montażem.

Standardowe elementy sterujące do pomieszczeń czystych dość dobrze radzą sobie z cząsteczkami unoszącymi się w powietrzu. Zanieczyszczenie molekularne jest bardziej podstępne. Lotne związki organiczne z klejów, rozpuszczalników czyszczących, a nawet odgazowujących tworzyw sztucznych mogą powodować osadzanie się niewidocznych warstw na powierzchniach optycznych. Folie te są szczególnie szkodliwe w zastosowaniach DUV, ale powodują problemy w przypadku różnych długości fal.

Pomieszczenia czyste kontrolowane przez AMC - kontrolowane zanieczyszczenia molekularne w powietrzu - reprezentują aktualny stan wiedzy w zakresie-niezawodności montażu optycznego. Systemy filtracyjne są drogie. Sprzęt monitorujący jest drogi. Ograniczone listy materiałów powodują problemy w łańcuchu dostaw.

Warto? Zależy od tego, czy wysyłasz standardowe moduły SFP, czy komponenty do systemów-kwalifikujących się do przestrzeni kosmicznej.

 

 

Kompensacja temperatury zajmuje więcej czasu, niż ktokolwiek zakłada

 

Moc wyjściowa diody laserowej i długość fali zmieniają się wraz z temperaturą. Typowy laser DFB dryfuje w przybliżeniu 0,1 nm/stopień długości fali i wymaga regulacji prądu polaryzacji, aby utrzymać stałą moc optyczną w całym zakresie temperatur roboczych.

Kompensacja temperatury obejmuje charakterystykę każdego modułu w wielu punktach temperaturowych, - często w przyrostach co 5 stopni lub 10 stopni od -40 stopni do +85 stopni w przypadku produktów-klasy przemysłowej, a także zaprogramowanie współczynników korekcyjnych w MCU modułu. Współczynniki dostosowują prąd polaryzacji i czasami amplitudę modulacji jako funkcję zmierzonej temperatury obudowy.

Brzmi to prosto, dopóki nie uświadomisz sobie, że każdy moduł zachowuje się nieco inaczej ze względu na różnice produkcyjne w samym laserze, ścieżkę termiczną od złącza do termistora oraz tolerancje komponentów w obwodzie sterownika. Moduły-produkowane masowo-klasy konsumenckiej korzystają z ogólnych tabel wynagrodzeń i akceptują wynikający z nich rozkład wydajności. Moduły o wysokiej-wydajności mają indywidualną charakterystykę.

Znany mi inżynier spędził cztery miesiące na optymalizacji algorytmu kompensacji temperatury dla nowej platformy modułowej 400G. Cztery miesiące, co większość ludzi odrzuciłaby jako etap kalibracji.

 

Wyróżnienie TOSA-ROSA ma mniejsze znaczenie niż kiedyś

 

Tradycyjne architektury optycznych transceiverów oddzielają funkcję nadawania (podzespół optyczny nadajnika TOSA -) od funkcji odbioru (podzespół optyczny odbiornika ROSA -). Każdy podzespół jest pakowany niezależnie, testowany, a następnie integrowany z płytką PCB modułu.

Miało to sens, gdy moduły optyczne korzystały z dyskretnych pakietów TO-o prostych konstrukcjach jedno-kanałowych. Moduły wielokanałowe o wyższej-szybkości-w coraz większym stopniu integrują ze sobą funkcje nadawania i odbioru lub całkowicie eliminują tradycyjne opakowania OSA dzięki podejściu opartemu na chipie-on-, w którym gołe matryce montuje się bezpośrednio na podłożu PCB.

Opakowanie COB zmniejsza liczbę interfejsów optycznych - każdy interfejs to potencjalny punkt straty -, ale wymaga czystszych środowisk produkcyjnych i bardziej wyrafinowanego sprzętu montażowego. Tendencja jest wyraźna, nawet jeśli przejście nie jest zakończone.

Transceivery BiDi jeszcze bardziej komplikują obraz, wykorzystując multipleksowanie z podziałem- długości fali do transmisji i odbioru w pojedynczym włóknie. BOSA łącząca funkcje TOSA i ROSA ze zintegrowanymi filtrami WDM wymaga jeszcze węższych tolerancji wyrównania, ponieważ obie ścieżki optyczne muszą trafiać w ten sam rdzeń światłowodu.

 

Co pali się-w rzeczywistych testach

 

Moduły poddawane są-szarzeniu w wysokiej temperaturze przed wysyłką-, zwykle przez 24 do 168 godzin w podwyższonej temperaturze obudowy wynoszącej około 70–100 stopni podczas pracy w normalnych warunkach polaryzacji.

Celem nie jest symulowanie lat pracy w terenie. Ma to na celu przyspieszenie niepowodzeń w zakresie śmiertelności noworodków. Pewien procent komponentów zawiera wady ukryte - słabe połączenia przewodów, marginalne połączenia lutowane, lekko zniszczone powierzchnie laserowe -, które nie ujawniają się w normalnych warunkach, ale szybko ulegają uszkodzeniu pod wpływem przyspieszonego naprężenia. Lepiej je znaleźć na etapie produkcji niż w sieci klienta.

Wypalenie-wychwytuje prawdziwe problemy. Na każdej linii produkcyjnej są historie o wyłapywaniu partii wadliwych komponentów w wyniku spalenia-awarii przed wysyłką jednostek. Kontrargumentem jest to, że wypalanie-pochłania miejsce w szafie, energię i czas cyklu, co bezpośrednio wpływa na koszty produkcji. Moduły towarowe często skracają-czas wypalania lub całkowicie go pomijają, akceptując wyższe wskaźniki awaryjności pola jako koszt-wykonania-kalkulacji biznesowej.

Testy cyklicznych zmian temperatury służą innemu celowi, - ujawniając defekty zespołu, a nie defekty komponentów. Powtarzające się skoki temperatury powodują obciążenie połączeń lutowanych, połączeń klejowych i połączeń mechanicznych. Pęknięcia rozprzestrzeniają się. Zmęczenie interfejsów. Wszystko, co było marginalne, staje się porażką.

 

 

Dlaczego Twój moduł może nie działać w przełączniku innej osoby

 

Problemy z kodowaniem EEPROM powodują więcej skarg, niż większość dostawców chce przyznać.

Moduły optyczne zawierają małe chipy pamięci, które przechowują dane identyfikacyjne, współczynniki kalibracji i parametry monitorowania diagnostycznego w standardowych formatach określonych przez specyfikacje komitetu SFF. System hosta odczytuje te dane w celu rozpoznania modułu, ustawienia odpowiednich parametrów pracy i monitorowania stanu podczas pracy.

Różni producenci przełączników i routerów interpretują te specyfikacje z różnym stopniem rygorystyczności. Moduł, który doskonale sprawdza się na sprzęcie jednego dostawcy, może zostać odrzucony przez innego producenta z powodu różnicy w obliczeniu sumy kontrolnej, nieoczekiwanej wartości w „zarezerwowanym” polu lub wymuszenia-identyfikatora zastrzeżonego dostawcy.

Rynek urządzeń nadawczo-odbiorczych innych firm-istnieje głównie z powodu wyzwań związanych z interoperacyjnością. Firmy specjalizują się w-inżynierii wstecznej specyficznych wymagań EEPROM dla głównych dostawców sprzętu i programowaniu kompatybilnych modułów. Termin techniczny to „kodowanie”. Praktyczna rzeczywistość obejmuje szeroko zakrojone testy zgodności z rzeczywistym sprzętem firm Cisco, Juniper, Arista i dziesiątek innych.

 

Hermetyczność kontra koszt

 

Hermetyczne opakowania - metalowe obudowy ze szkłem-na-uszczelkach metalowych i spawanymi pokrywami - zapewniają złoty standard-długoterminowej niezawodności. Brak wnikania wilgoci. Żadnych problemów z odgazowaniem. Przewidywalny okres-lat w trudnych warunkach.

Kosztuje też znacznie więcej niż-niehermetyczne alternatywy.

Większość modułów optycznych do centrów danych wykorzystuje-niehermetyczne opakowania o różnym stopniu ochrony środowiska. Uszczelnienia epoksydowe, powłoki konformalne, selektywne materiały pochłaniające wilgoć, która przenika. Podejścia te sprawdzają się odpowiednio w-środowiskach o kontrolowanym klimacie i stosunkowo krótkich cyklach wymiany.

Sprzęt operatorów telekomunikacyjnych i zastosowania lotnicze na ogół nadal wymagają całkowicie hermetycznego opakowania. Awarie wynikające z korozji lub zanieczyszczeń wywołanej{{1} wilgocią lub zanieczyszczeniem ujawniają się po latach i właśnie dlatego są niedopuszczalne w infrastrukturze, która musi działać bez nadzoru przez dziesięciolecia.

Ludzie zajmujący się cienkowarstwowymi modulatorami niobianu litu- przekonali się o tym na własnej skórze. Wczesne urządzenia z niewystarczająco hermetycznym uszczelnieniem wykazywały tajemniczy spadek wydajności podczas zastosowań w terenie. Okazało się, że para wodna powoduje dryf prądu stałego w strukturach elektrod.

 

Wydajność jest wszystkim

 

Projekt modułu, który spełnia wszystkie specyfikacje wydajności, ale daje tylko 60% dobrych jednostek, przyniesie straty pieniędzy. Nieco gorszy projekt dający 95% może być opłacalny. Ten kompromis wpływa na więcej decyzji inżynieryjnych, niż kiedykolwiek będzie to możliwe w przypadku technicznej elegancji.

Strata wydajności kumuluje się multiplikatywnie na poszczególnych etapach procesu. Jeśli mocowanie matrycy laserowej daje 98%, łączenie przewodów daje 97%, sprzęganie włókien daje 95%, a spalanie-przeżycia wynosi 99%, skumulowana wydajność wynosi 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Brzmi nieźle, dopóki nie przypomnisz sobie, że te liczby są optymistyczne, a rzeczywiste procesy składają się z większej liczby etapów.

Nieustanna presja na wydajność wyjaśnia, dlaczego w produkcji optycznej kontrola procesu jest traktowana z religijnym zapałem. Statystyczne wykresy kontroli procesu. Kontrola przychodzącego materiału. Protokoły kwalifikacji sprzętu. Certyfikacja operatora. Wszystko, co zmniejsza zmienność, zmniejsza utratę plonów.

Wyjaśnia także, dlaczego inżynierowie produkcji denerwują się zmianami projektowymi. Każda modyfikacja potencjalnie resetuje krzywą uczenia się plonów.

 

Interfejs złącza, który prawdopodobnie ignorujesz

 

Mechaniczny interfejs, w którym do modułu podłącza się światłowód, ma większe znaczenie, niż sugeruje jego pozorna prostota.

Złącza LC i MPO muszą zapewniać fizyczny kontakt pomiędzy polerowanymi końcami włókien - lub precyzyjnie kontrolowanymi szczelinami powietrznymi w przypadku konstrukcji styków fizycznych pod kątem -, zachowując jednocześnie wyrównanie w granicach tolerancji, które zapewniają skuteczność sprzęgania. Obudowa złącza, gniazdo w module i pasująca geometria przyczyniają się do tego.

Zużycie spowodowane wielokrotnym wkładaniem z biegiem czasu powoduje degradację złączy. Specyfikacje MSA definiują minimalne wymagania dotyczące trwałości, ale rzeczywista wydajność różni się w zależności od poziomu zanieczyszczenia, techniki podłączania i jakości produkcji zarówno złącza, jak i gniazda.

Przez wiele godzin widziałem problemy z łączami, zanim ktoś w końcu wyczyścił złącze LC i problem zniknął.

 

Czym właściwie jest wysyłka w porównaniu z tym, co pokazują konferencje

 

W materiałach konferencyjnych przedstawiono moduły o przepustowości 1,6 Tb/s z egzotycznymi formatami spójnej modulacji i-integracją fotoniczną w pakiecie. Rzeczywista wielkość dostaw jest nadal zdominowana przez wtykowe transceivery 100G i 400G wykorzystujące stosunkowo konwencjonalne architektury.

W przypadku większości technologii przerwa między demonstracją a wdrożeniem wynosi około pięciu lat. Fotonika krzemowa trwała jeszcze dłużej. Pierwsze wyniki badań pojawiły się na początku XXI wieku; znaczący wolumen komercyjny pojawił się dopiero w połowie 2010 roku.

To nie pesymizm - to kreowana rzeczywistość. Przejście od działających prototypów do niezawodnej produkcji masowej wymaga rozwiązania problemów z wydajnością, kwalifikacji dostawców, zbudowania infrastruktury testowej i ustalenia danych dotyczących niezawodności w terenie. Każdy krok wymaga czasu.

Moduły optyczne 800G cieszą się obecnie coraz większym zainteresowaniem.. 1.6Pójdzie w ich ślady. Istnieją podstawowe technologie. Zdolność produkcyjna to coś, co dojrzewa latami.

Moduł, który wdrożysz w swojej sieci w następnym kwartale, prawdopodobnie wszedł w fazę rozwoju cztery lata temu i opiera się na podstawowych technologiach komponentów sprawdzonych dziesięć lat wcześniej. Najnowocześniejsze badania-w końcu stają się nudną inżynierią produkcji i dokładnie tak powinny działać.