Modul Optik Diproduksi dengan Presisi

 

 

Mimpi buruk penyelarasan yang tidak diperingatkan oleh siapa pun kepada Anda

 

Menggabungkan sinar laser ke dalam serat-mode tunggal memerlukan akurasi posisi sekitar ±0,5 mikrometer. Setengah mikron. Sebagai konteksnya, rambut manusia memiliki tebal sekitar 70 mikrometer.

Lewatkan toleransi itu dan tangki efisiensi kopling Anda. Hilangnya efisiensi berarti arus penggerak yang lebih tinggi sebagai kompensasi, yang menghasilkan panas, yang menggeser panjang gelombang, yang menurunkan rasio sinyal-terhadap-noise dengan cara yang mengalir ke seluruh anggaran tautan. Persamaan kopling teoretis terlihat jelas di buku teks. Kenyataannya melibatkan enam-tahap penyelarasan sumbu,-pemantauan daya real-time, dan proses pengawetan perekat yang menyebabkan pergeseran posisinya sendiri.

Saya menyaksikan seorang teknisi menghabiskan sepanjang sore di tahun 2021 mengejar kerugian penyisipan sebesar 2 dB pada apa yang seharusnya menjadi perakitan TOSA rutin. Ternyata lensa bola telah berputar sedikit selama perawatan UV - mungkin cukup tiga derajat - untuk mengarahkan sinar keluar dari inti serat. Tiga derajat. Itulah bisnis ini.

 

Penyelarasan aktif versus pasif

 

Industri ini telah memperdebatkan hal ini selama dua puluh tahun dan masih belum sepenuhnya menyelesaikannya.

Penyelarasan aktif berarti menyalakan laser selama perakitan, memantau daya optik yang digabungkan, dan menyesuaikan posisi secara berulang hingga Anda mencapai target. Ini berhasil. Ini juga lambat, mahal, dan tidak dapat diskalakan dengan baik ketika Anda mencoba mengirimkan jutaan transceiver per bulan.

Penyelarasan pasif bergantung pada fitur mekanis - alur v-silikon yang terukir, alas pemasangan yang ditentukan secara litograf, penyolderan mandiri chip-flip-penyelarasan - untuk memosisikan komponen tanpa menyalakan apa pun. Ketika berhasil, throughput meningkat secara dramatis. Ketika toleransi menumpuk secara tidak baik, Anda akan mendapatkan masalah hasil yang bermanifestasi sebagai kumpulan misterius modul berperforma buruk yang lulus uji kelistrikan tetapi gagal dalam spesifikasi optik.

Pendekatan hibrid yang mendapatkan daya tarik sekarang menggunakan penyelarasan pasif untuk mencapai beberapa mikron, kemudian penyesuaian aktif-untuk pengoptimalan akhir. Lebih banyak langkah proses, namun keekonomiannya berfungsi untuk-produk berperforma tinggi di mana pelanggan benar-benar peduli dengan margin tautan.

Fotonik silikon mengubah beberapa asumsi di sini. Ketika pandu gelombang Anda ditentukan secara litograf pada wafer silikon dan laser Anda terikat pada chip-atau terintegrasi secara heterogen, masalah penyelarasan sebagian berubah menjadi masalah manufaktur semikonduktor. Keahlian yang berbeda. Mode kegagalan yang berbeda.

 

 

Pengelasan-mengakibatkan masalah distorsi penyelarasan

 

Pengelasan laser tetap menjadi metode penyambungan pilihan untuk sambungan serat-ke-kemasan dalam modul kedap udara. Lasannya kuat, cepat, dan tidak mengeluarkan gas seperti perekat lainnya. Masalahnya adalah apa yang terjadi ketika kolam las mendingin.

Kontraksi termal menarik rakitan ferrule serat ke arah yang bergantung pada geometri las, sifat material, dan - ini adalah bagian yang membuat frustrasi - urutan spesifik saat Anda membuat beberapa pengelasan. Pergeseran-pasca pengelasan dapat melebihi beberapa mikrometer jika Anda tidak hati-hati. Rakitan Anda yang selaras sempurna menjadi tidak selaras saat Anda selesai menyatukannya.

Ada strategi kompensasi. Beberapa produsen sengaja mengimbangi keselarasan pra-pengelasan mereka untuk memperhitungkan prediksi pergeseran. Lainnya menggunakan parameter las dengan penyusutan rendah dan menerima waktu siklus yang lebih lama. Beberapa diantaranya telah mengembangkan sistem pemantauan-waktu nyata yang mengukur pergeseran selama pengelasan dan menerapkan penyesuaian korektif sebelum sambungan mengeras sepenuhnya.

Tak satu pun dari pendekatan ini yang mudah dilakukan. Setiap desain paket baru memerlukan-karakterisasi ulang perilaku shift.

 

Realitas ruang bersih

 

Modul optik dirakit di ruang bersih mulai dari ISO Kelas 7 hingga ISO Kelas 5 untuk operasi yang paling sensitif-kontaminasi. Angka-angka tersebut terdengar mengesankan sampai Anda menyadari bahwa seorang manusia yang duduk diam menghasilkan sekitar 100.000 partikel per menit pada ambang batas ukuran 0,3 mikron.

Partikel pada permukaan ujung serat menciptakan titik panas lokal ketika disinari oleh-sinar laser berdaya tinggi. Seiring waktu, titik tersebut mengkarbonisasi kontaminan organik menjadi cacat penyerap permanen yang semakin menurunkan kinerja. Mode kegagalan ini mendorong seluruh lini produk untuk menerapkan inspeksi permukaan akhir 100% sebelum perakitan akhir.

Kontrol ruang bersih standar menangani partikel di udara dengan cukup baik. Kontaminasi molekuler lebih licik. Senyawa organik yang mudah menguap dari perekat, pelarut pembersih, bahkan plastik yang mengeluarkan gas dapat mengendapkan lapisan tipis yang tidak terlihat pada permukaan optik. Film-film ini sangat merusak untuk aplikasi DUV tetapi menyebabkan masalah pada seluruh panjang gelombang.

AMC-ruang bersih terkontrol - kontaminasi molekuler di udara terkontrol - mewakili teknologi canggih terkini untuk-perakitan optik dengan keandalan tinggi. Sistem filtrasi mahal. Peralatan pemantauannya mahal. Daftar material yang terbatas membuat rantai pasokan menjadi pusing.

Sepadan? Tergantung pada apakah Anda mengirimkan SFP komoditas atau komponen untuk-sistem yang memenuhi syarat ruang.

 

 

Kompensasi suhu membutuhkan waktu lebih lama dari anggaran siapa pun

 

Daya keluaran dioda laser dan panjang gelombang keduanya berubah seiring suhu. Laser DFB tipikal memiliki panjang gelombang sekitar 0,1 nm/derajat dan memerlukan penyesuaian arus bias untuk mempertahankan daya optik konstan di seluruh rentang suhu pengoperasian.

Kompensasi suhu melibatkan karakterisasi setiap modul pada beberapa titik suhu - sering kali dalam kenaikan 5 derajat atau 10 derajat dari -40 derajat hingga +85 derajat untuk produk kelas industri - dan memprogram koefisien koreksi ke dalam MCU modul. Koefisien menyesuaikan arus bias dan terkadang amplitudo modulasi sebagai fungsi dari suhu kasus yang diukur.

Ini kedengarannya mudah sampai Anda menyadari bahwa setiap modul berperilaku sedikit berbeda karena variasi produksi pada laser itu sendiri, jalur termal dari sambungan ke termistor, dan toleransi komponen dalam sirkuit driver. Modul-yang diproduksi secara massal-tingkat konsumen menggunakan tabel kompensasi umum dan menerima penyebaran kinerja yang dihasilkan. Modul-berperforma tinggi mendapatkan karakterisasi individual.

Seorang insinyur yang saya kenal menghabiskan empat bulan untuk mengoptimalkan algoritma kompensasi suhu untuk platform modul 400G yang baru. Empat bulan yang dianggap sebagai langkah kalibrasi oleh kebanyakan orang.

 

Perbedaan TOSA-ROSA tidak lagi penting dibandingkan sebelumnya

 

Arsitektur transceiver optik tradisional memisahkan fungsi transmisi (TOSA - subassembly optik pemancar) dari fungsi penerimaan (ROSA - subassembly optik penerima). Setiap sub-rakitan dikemas secara independen, diuji, kemudian diintegrasikan ke dalam modul PCB.

Hal ini masuk akal ketika modul optik menggunakan paket TO-kaleng terpisah dengan desain saluran-tunggal yang sederhana. Modul-multi-saluran berkecepatan lebih tinggi semakin mengintegrasikan fungsi pengiriman dan penerimaan secara bersamaan, atau sepenuhnya menghilangkan pengemasan OSA tradisional melalui pendekatan chip-on-board di mana cetakan kosong dipasang langsung ke substrat PCB.

Pengemasan COB mengurangi jumlah antarmuka optik - setiap antarmuka berpotensi menjadi titik kerugian - namun menuntut lingkungan manufaktur yang lebih bersih dan peralatan perakitan yang lebih canggih. Trennya jelas, meskipun transisinya belum selesai.

Transceiver BiDi semakin memperumit gambarannya dengan menggunakan-penggandaan pembagian panjang gelombang untuk mengirim dan menerima pada satu serat. BOSA yang menggabungkan fungsi TOSA dan ROSA dengan filter WDM terintegrasi memerlukan toleransi penyelarasan yang lebih ketat karena kedua jalur optik harus mengenai inti serat yang sama.

 

Apa yang terbakar-sebenarnya adalah pengujian

 

Modul mengalami-penuaan suhu tinggi sebelum pengiriman - biasanya 24 hingga 168 jam pada suhu casing tinggi sekitar 70-100 derajat saat beroperasi pada kondisi bias normal.

Tujuannya bukan untuk mensimulasikan operasi lapangan selama bertahun-tahun. Hal ini untuk mempercepat kegagalan kematian bayi. Beberapa persentase komponen mengandung cacat laten - ikatan kawat yang lemah, sambungan solder marginal, aspek laser yang sedikit terdegradasi - yang tidak akan terlihat pada kondisi normal namun cepat rusak pada tekanan yang dipercepat. Lebih baik menemukannya selama produksi daripada di jaringan pelanggan.

Burn-in menangkap masalah nyata. Setiap lini produksi memiliki cerita tentang menemukan banyak komponen buruk melalui kegagalan pembakaran sebelum unit tersebut dikirim. Argumen tandingannya adalah bahwa pembakaran-in menghabiskan ruang rak, energi, dan waktu siklus yang berdampak langsung pada biaya produksi. Modul komoditas sering kali mengurangi durasi-pembakaran atau melewatkannya sama sekali, sehingga menerima tingkat kegagalan lapangan yang lebih tinggi sebagai perhitungan-biaya-melakukan-bisnis.

Uji perputaran suhu memiliki tujuan berbeda - untuk mengungkap cacat perakitan dibandingkan cacat komponen. Ekskursi termal yang berulang menekankan sambungan solder, ikatan perekat, dan antarmuka mekanis. Retakan menyebar. Kelelahan antarmuka. Apapun yang marginal menjadi gagal.

 

 

Mengapa modul Anda mungkin tidak berfungsi di saklar orang lain

 

Masalah pengkodean EEPROM menyebabkan lebih banyak keluhan di lapangan daripada yang diakui sebagian besar vendor.

Modul optik berisi chip memori kecil yang menyimpan data identifikasi, koefisien kalibrasi, dan parameter pemantauan diagnostik dalam format standar yang ditentukan oleh spesifikasi komite SFF. Sistem host membaca data ini untuk mengenali modul, mengatur parameter pengoperasian yang sesuai, dan memantau kesehatan selama pengoperasian.

Produsen switch dan router yang berbeda menafsirkan spesifikasi ini dengan tingkat ketelitian yang berbeda-beda. Modul yang berfungsi sempurna di peralatan satu vendor mungkin ditolak oleh peralatan vendor lain karena perbedaan perhitungan checksum, nilai yang tidak terduga di bidang "yang dicadangkan", atau penerapan ID-vendor kepemilikan.

Pasar transceiver{0}}pihak ketiga ada sebagian besar karena tantangan interoperabilitas ini. Perusahaan berspesialisasi dalam-merekayasa balik persyaratan EEPROM khusus untuk vendor peralatan besar dan modul yang kompatibel dengan pemrograman. Istilah teknisnya adalah "pengkodean". Kenyataan praktisnya melibatkan pengujian kompatibilitas ekstensif terhadap peralatan aktual dari Cisco, Juniper, Arista, dan puluhan lainnya.

 

Hermetisitas versus biaya

 

Kemasan kedap udara - wadah logam dengan segel kaca-hingga-logam dan penutup yang dilas - memberikan standar emas untuk-keandalan jangka panjang. Tidak ada masuknya uap air. Tidak ada masalah pelepasan gas. Masa pakai dua puluh-tahun yang dapat diprediksi di lingkungan yang keras.

Biayanya juga jauh lebih mahal dibandingkan-alternatif yang tidak kedap udara.

Sebagian besar modul optik pusat data menggunakan kemasan non-hermetis dengan tingkat perlindungan lingkungan yang berbeda-beda. Segel epoksi, pelapis konformal, bahan pengambil selektif untuk menyerap kelembapan yang menembus. Pendekatan ini cukup efektif untuk lingkungan-yang dikontrol iklim dengan siklus penggantian yang relatif singkat.

Peralatan pembawa telekomunikasi dan aplikasi dirgantara umumnya masih memerlukan kemasan kedap udara penuh. Mode kegagalan akibat korosi atau kontaminasi yang disebabkan oleh kelembaban-membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk terwujud, itulah sebabnya hal ini tidak dapat diterima dalam infrastruktur yang harus beroperasi tanpa pengawasan selama beberapa dekade.

Orang-orang-modulator litium niobate film tipis mempelajari hal ini dengan susah payah. Perangkat awal dengan penyegelan kedap udara yang tidak memadai menunjukkan penurunan kinerja yang misterius dalam penerapan di lapangan. Ternyata uap air menyebabkan arus DC pada struktur elektroda.

 

Hasil adalah segalanya

 

Desain modul yang memenuhi semua spesifikasi kinerja tetapi hanya menghasilkan 60% unit bagus akan merugi. Desain yang sedikit lebih rendah menghasilkan 95% mungkin menguntungkan. Pengorbanan ini mendorong lebih banyak keputusan teknis daripada keanggunan teknis.

Kehilangan hasil terakumulasi secara berlipat ganda di seluruh tahapan proses. Jika sambungan cetakan laser Anda menghasilkan 98%, ikatan kawat Anda menghasilkan 97%, kopling serat Anda menghasilkan 95%, dan kelangsungan hidup Anda adalah 99%, hasil kumulatif Anda adalah 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Kedengarannya oke sampai Anda mengingat angka-angka tersebut optimis dan proses nyata memiliki lebih banyak langkah.

Tekanan yang tiada henti terhadap hasil menjelaskan mengapa pengendalian proses diperlakukan dengan semangat keagamaan dalam manufaktur optik. Bagan kendali proses statistik. Pemeriksaan material masuk. Protokol kualifikasi peralatan. Sertifikasi operator. Apa pun yang mengurangi variasi akan mengurangi kehilangan hasil.

Hal ini juga menjelaskan mengapa insinyur manufaktur merasa gelisah dengan perubahan desain. Setiap modifikasi berpotensi menyetel ulang kurva pembelajaran hasil Anda.

 

Antarmuka konektor yang mungkin Anda abaikan

 

Antarmuka mekanis tempat serat dihubungkan ke modul lebih penting daripada kesederhanaannya.

Konektor LC dan MPO harus mencapai kontak fisik antara permukaan ujung serat yang dipoles - atau celah udara yang dikontrol secara tepat untuk desain kontak fisik bersudut - sambil menjaga kesejajaran dalam toleransi yang menjaga efisiensi penggandengan. Rumah konektor, wadah pada modul, dan geometri perkawinan semuanya berkontribusi.

Keausan akibat penyisipan berulang kali akan menurunkan kualitas konektor seiring berjalannya waktu. Spesifikasi MSA menentukan persyaratan ketahanan minimum, namun kinerja sebenarnya bervariasi berdasarkan tingkat kontaminasi, teknik penyisipan, dan kualitas pembuatan konektor dan stopkontak.

Saya telah melihat pemecahan masalah tautan selama berjam-jam sebelum seseorang akhirnya membersihkan konektor LC dan masalahnya hilang.

 

Apa yang sebenarnya disampaikan versus apa yang ditampilkan dalam konferensi

 

Makalah konferensi mendemonstrasikan modul 1,6 Tbps dengan format modulasi koheren yang eksotis dan integrasi fotonik yang dikemas bersama. Pengiriman volume sebenarnya masih didominasi oleh transceiver pluggable 100G dan 400G yang menggunakan arsitektur yang relatif konvensional.

Kesenjangan antara demonstrasi dan penerapan berkisar sekitar lima tahun untuk sebagian besar teknologi. Fotonik silikon membutuhkan waktu lebih lama. Hasil penelitian pertama kali muncul pada awal tahun 2000-an; volume komersial yang berarti baru tercapai pada pertengahan tahun 2010-an.

Ini bukan pesimisme - ini adalah realitas yang dibuat-buat. Beralih dari prototipe yang berfungsi ke produksi massal yang andal memerlukan penyelesaian masalah hasil, kualifikasi pemasok, pembangunan infrastruktur pengujian, dan penetapan data keandalan lapangan. Setiap langkah membutuhkan waktu.

Modul optik 800G kini semakin canggih. 1.6T akan menyusul. Teknologi yang mendasarinya ada. Kemampuan manufaktur membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk matang.

Modul yang Anda terapkan di jaringan Anda pada kuartal berikutnya mungkin mulai dikembangkan empat tahun lalu dan bergantung pada teknologi komponen dasar yang telah terbukti satu dekade sebelumnya. Penelitian-yang mutakhir pada akhirnya menjadi rekayasa produksi yang membosankan, dan memang itulah yang seharusnya dilakukan.