Optiset moduulit valmistetaan tarkasti

 

 

Kohdistuspainajainen, josta kukaan ei varoita sinua

 

Laservalon kytkeminen yksimuotokuituun{0}} vaatii noin ±0,5 mikrometrin paikannustarkkuuden. Puoli mikronia. Asiayhteydessä ihmisen hius on noin 70 mikrometriä paksu.

Kaipaat tätä toleranssia ja kytkentätehosäiliöitäsi. Tehokkuushäviö tarkoittaa suurempia ohjausvirtoja kompensoimiseksi, mikä tuottaa lämpöä, joka siirtää aallonpituutta, mikä heikentää signaalin---kohinasuhdettasi tavalla, joka kaskadoi läpi koko linkkibudjetin. Teoreettiset kytkentäyhtälöt näyttävät siisteiltä oppikirjoissa. Todellisuus sisältää kuusi-akselin kohdistusvaihetta, reaaliaikaista-tehon seurantaa ja liimakovetusprosesseja, jotka tuovat omat sijaintisiirtymisensä.

Katselin, kuinka teknikko vietti koko iltapäivän vuonna 2021 jahtaamassa 2 dB:n lisäyshäviötä TOSA-kokoonpanossa, jonka olisi pitänyt olla rutiini. Paljastui, että pallolinssi oli pyörinyt hieman UV-kovettamisen aikana - ehkä kolme astetta - tarpeeksi ohjaamaan säteen aivan pois kuituytimen. Kolme astetta. Sitä tämä bisnes on.

 

Aktiivinen vs. passiivinen kohdistus

 

Teollisuus on väitellyt tästä kahdenkymmenen vuoden ajan, eikä se ole vieläkään täysin ratkaissut sitä.

Aktiivinen kohdistus tarkoittaa laserin käynnistämistä asennuksen aikana, kytketyn optisen tehon tarkkailua ja asennon säätämistä iteratiivisesti, kunnes osut kohteeseen. Se toimii. Se on myös hidas, kallis, eikä se skaalaudu kauniisti, kun yrität lähettää miljoonia lähetin-vastaanottimia kuukaudessa.

Passiivinen kohdistus perustuu mekaanisiin ominaisuuksiin - etsattu silikoni v-urit, litografisesti määritellyt asennusjalustat, flip-chip juotos itse-kohdistus - komponenttien sijoittamiseksi ilman, että mitään kytketään päälle. Kun se toimii, suorituskyky paranee dramaattisesti. Kun toleranssit pinoutuvat epäsuotuisasti, syntyy tuottoongelmia, jotka ilmenevät salaperäisinä erinä huonosti toimivia moduuleita, jotka läpäisevät sähkötestit, mutta eivät optiset tiedot.

Hybridilähestymistavat pidon saavuttamiseksi käyttävät nyt passiivista kohdistusta päästäkseen muutaman mikronin sisällä ja sitten aktiivista hienosäätöä lopullista optimointia varten. Enemmän prosessivaiheita, mutta taloudellisuus toimii tehokkaissa-tuotteissa, joissa asiakkaat todella välittävät linkin marginaalista.

Piifotoniikka muutti joitain oletuksia tässä. Kun aaltoputket on määritelty litografisesti piikiekkoon ja laserit ovat flip-sirusidottuja tai heterogeenisesti integroituja, kohdistusongelma muuttuu osittain puolijohteiden valmistusongelmaksi. Erilainen taitosarja. Erilaiset vikatilat.

 

 

Hitsauksen-aiheuttama kohdistusvääristymäongelma

 

Laserhitsaus on edelleen ensisijainen liitosmenetelmä kuitu-to-pakkausliitoksille hermeettisissä moduuleissa. Hitsaus on vahvaa, nopeaa eikä kaasua kuten jotkin liimat. Ongelmana on se, mitä tapahtuu, kun hitsausallas jäähtyy.

Lämpösupistus vetää kuituholkkikokoonpanoa suuntiin, jotka riippuvat hitsin geometriasta, materiaalin ominaisuuksista, ja - tämä on turhauttava osa - tietty sekvenssi, jossa teet useita hitsejä. Jälki-hitsauksen siirtymä voi ylittää useita mikrometrejä, jos et ole varovainen. Täysin kohdistettu kokoonpanosi kohdistuu väärin, kun lopetat sen liittämisen.

Korvausstrategioita on olemassa. Jotkut valmistajat kompensoivat tarkoituksella esi-hitsauksen kohdistusta ennakoidun siirtymän huomioon ottamiseksi. Toiset käyttävät alhaisia-kutistuvia hitsausparametreja ja hyväksyvät pidemmät jaksoajat. Jotkut ovat kehittäneet reaaliaikaisia-seurantajärjestelmiä, jotka mittaavat siirtymää hitsauksen aikana ja tekevät korjaavia säätöjä ennen kuin liitos jähmettyy kokonaan.

Mikään näistä lähestymistavoista ei ole idioottivarma. Jokainen uusi pakettimuotoilu edellyttää{1}}muutoskäyttäytymisen uudelleenkuvaamista.

 

Puhdastilojen realiteetit

 

Optiset moduulit kootaan puhdastiloihin ISO-luokasta 7 aina ISO-luokkaan 5 asti kaikkein kontaminaatioherkimpien toimintojen vuoksi. Luvut kuulostavat vaikuttavilta, kunnes huomaat, että yksittäinen liikkumattomana istuva ihminen tuottaa noin 100 000 hiukkasta minuutissa 0,3 mikronin koon kynnyksellä.

Kuitujen päätypinnassa oleva hiukkanen luo paikallisen kuuman pisteen, kun se valaistaan ​​tehokkaalla-laservalolla. Ajan myötä tämä piste hiilyttää orgaaniset epäpuhtaudet pysyväksi imukykyiseksi viaksi, joka heikentää asteittain suorituskykyä. Tämä vikatila sai kokonaiset tuotelinjat toteuttamaan 100 %:n päätypinnan tarkastuksen ennen lopullista kokoonpanoa.

Puhdastilojen vakiosäätimet käsittelevät ilmassa olevia hiukkasia kohtuullisen hyvin. Molekyylikontaminaatio on sneakier. Haihtuvat orgaaniset yhdisteet liimoista, puhdistusliuottimista ja jopa kaasuista poistuvista muoveista voivat muodostaa näkymättömiä kalvoja optisille pinnoille. Nämä kalvot ovat erityisen haitallisia DUV-sovelluksissa, mutta aiheuttavat ongelmia aallonpituuksilla.

AMC-ohjatut puhdastilat - ilman molekyylikontaminaation hallinnassa - edustavat korkean-luotettavuuden optisen kokoonpanon nykytasoa. Suodatusjärjestelmät ovat kalliita. Valvontalaitteet ovat kalliita. Rajoitetut materiaalilistat aiheuttavat toimitusketjun päänsärkyä.

Kannattaako? Riippuu siitä, toimitatko SFP:itä vai osia avaruushyväksyttyihin{0}}järjestelmiin.

 

 

Lämpötilan kompensointi kestää kauemmin kuin kukaan budjetoi

 

Laserdiodin lähtöteho ja aallonpituus muuttuvat lämpötilan mukaan. Tyypillinen DFB-laser ajautuu noin 0,1 nm/aste aallonpituudella ja vaatii bias-virran säädön säilyttääkseen vakion optisen tehon koko käyttölämpötila-alueella.

Lämpötilan kompensointiin kuuluu kunkin moduulin karakterisointi useissa lämpötilapisteissä - usein 5 asteen tai 10 asteen välein -40 asteesta +85 asteeseen teollisuus-laatuisille tuotteille - ja korjauskertoimien ohjelmointi moduulin MCU:hun. Kertoimet säätävät bias-virtaa ja joskus modulaatioamplitudia mitatun kotelon lämpötilan funktiona.

Tämä kuulostaa yksinkertaiselta, kunnes huomaat, että jokainen moduuli käyttäytyy hieman eri tavalla itse laserin valmistusvaihteluista, liitoksesta termistoriin kulkevasta lämpöreitistä ja ohjainpiirien komponenttien toleransseista johtuen. Massatuotetut-kuluttaja-luokkamoduulit käyttävät yleisiä kompensaatiotaulukoita ja hyväksyvät tuloksena saatavan suorituskyvyn erotuksen. Tehokkaat-moduulit saavat yksilöllisen luonnehdinnan.

Eräs tuntemani insinööri vietti neljä kuukautta optimoimaan lämpötilan kompensointialgoritmia uudelle 400G-moduulialustalle. Neljä kuukautta siitä, mitä useimmat ihmiset hylkäävät kalibrointivaiheena.

 

TOSA{0}}ROSA-erotuksella on vähemmän merkitystä kuin ennen

 

Perinteiset optiset lähetin-vastaanotinarkkitehtuurit erottavat lähetystoiminnon (TOSA - lähettimen optinen osakokoonpano) vastaanottotoiminnosta (ROSA - vastaanottimen optinen osakokoonpano). Jokainen osakokoonpano pakataan erikseen, testataan ja integroidaan sitten moduulin piirilevyyn.

Tämä oli järkevää, kun optiset moduulit käyttivät erillisiä TO-can-paketteja, joissa oli yksinkertainen yksikanavainen-rakenne. Nopeammat-moni-kanavamoduulit integroivat lähetys- ja vastaanottotoiminnot yhä enemmän yhteen tai poistavat perinteiset OSA-pakkaukset kokonaan piirilevyn -on-lähestymistapojen avulla, joissa paljaat muotit kiinnitetään suoraan PCB-substraattiin.

COB-pakkaus vähentää optisten liitäntöjen määrää - jokainen liitäntä on mahdollinen häviöpiste -, mutta vaatii puhtaampia valmistusympäristöjä ja kehittyneempiä kokoonpanolaitteita. Suuntaus on selvä, vaikka siirtymä ei olisikaan valmis.

BiDi-lähetin-vastaanottimet vaikeuttavat kuvaa entisestään käyttämällä aallonpituus{0}}jakomultipleksointia lähettämään ja vastaanottamaan yhden kuidun kautta. BOSA, joka yhdistää TOSA- ja ROSA-toiminnot integroituihin WDM-suodattimiin, vaatii vielä tiukemmat kohdistustoleranssit, koska molempien optisten polkujen on osuttava samaan kuituytimen.

 

Mikä todella palaa{0}}testeissä

 

Moduulit vanhenevat korkeassa-lämpötilassa ennen toimitusta - tyypillisesti 24–168 tuntia kohonneissa kotelon lämpötiloissa, noin 70–100 astetta, kun ne toimivat normaaleissa jännitysolosuhteissa.

Tavoitteena ei ole simuloida vuosien kenttätoimintaa. Sen tarkoituksena on saada aikaan imeväiskuolleisuuden epäonnistumisia. Jotkut prosenttiosuudet komponenteista sisältävät piileviä vikoja - heikot lankasidokset, marginaaliset juotosliitokset, hieman huonontuneet laserpinnat -, jotka eivät ilmene normaaleissa olosuhteissa, mutta epäonnistuvat nopeasti kiihtyvässä jännityksessä. Parempi löytää nämä valmistuksen aikana kuin asiakkaan verkosta.

Burn{0}}saappaa todellisia ongelmia. Jokaisella tuotantolinjalla on tarinoita huonon komponenttierän saamisesta kiinni palamisesta-vioista ennen yksiköiden toimitusta. Vasta-argumentti on, että palaminen- kuluttaa telinetilaa, energiaa ja sykliaikaa, mikä vaikuttaa suoraan valmistuskustannuksiin. Hyödykemoduulit lyhentävät usein palamisen-kestoa tai ohittavat sen kokonaan, ja hyväksyvät korkeammat kenttävikojen määrät-liiketoiminnallisten laskelmien suorittamisen-kustannuksina.

Lämpötilavaihtelutesteillä on eri tarkoitus - paljastaa kokoonpanovirheitä komponenttivirheiden sijaan. Toistuvat lämpöpoikkeamat rasittavat juotosliitoksia, liimaliitoksia ja mekaanisia rajapintoja. Halkeamat leviävät. Liitäntöjen väsyminen. Mikä tahansa oli marginaalista, epäonnistuu.

 

 

Miksi moduulisi ei ehkä toimi jonkun muun kytkimessä

 

EEPROM-koodausongelmat aiheuttavat enemmän valituksia kuin useimmat toimittajat haluavat myöntää.

Optiset moduulit sisältävät pieniä muistisiruja, jotka tallentavat tunnistustiedot, kalibrointikertoimet ja diagnostiset valvontaparametrit standardoiduissa muodoissa, jotka on määritelty SFF-komitean spesifikaatioissa. Isäntäjärjestelmä lukee nämä tiedot tunnistaakseen moduulin, asettaakseen asianmukaiset toimintaparametrit ja valvoakseen toimintaa käytön aikana.

Eri kytkimien ja reitittimien valmistajat tulkitsevat näitä eritelmiä vaihtelevalla tarkkuudella. Toisen toimittaja saattaa hylätä moduulin, joka toimii täydellisesti yhden toimittajan laitteissa, koska tarkistussumman laskennassa on eroa, odottamaton arvo "varatussa" kentässä tai oma toimittajan -tunnuksen pakottaminen.

Kolmannen osapuolen{0}}lähetin-vastaanotinmarkkinat ovat olemassa suurelta osin näiden yhteentoimivuushaasteiden vuoksi. Yritykset ovat erikoistuneet palauttamaan-EEPROM-vaatimukset tärkeimmille laitevalmistajille ja ohjelmointiyhteensopiville moduuleille. Tekninen termi on "koodaus". Käytännön todellisuuteen kuuluu laaja yhteensopivuustestaus Ciscon, Juniperin, Aristan ja kymmenien muiden laitteiden kanssa.

 

Hermeettisyys vs. kustannukset

 

Hermeettiset pakkaukset - metallikotelot, joissa on lasi---metallitiivisteet ja hitsatut kannet - tarjoavat kultaisen standardin pitkäaikaiselle-luotettavuudelle. Ei kosteuden sisäänpääsyä. Ei kaasunpoistoongelmia. Ennustettavat 20-vuotta käyttöikää ankarissa olosuhteissa.

Se maksaa myös huomattavasti enemmän kuin ei-{0}}hermeettiset vaihtoehdot.

Useimmat palvelinkeskusten optiset moduulit käyttävät ei--hermeettisiä pakkauksia, joiden ympäristönsuojeluaste vaihtelee. Epoksitiivisteet, mukautuvat pinnoitteet, selektiiviset sitojamateriaalit imemään kosteutta, joka tunkeutuu sisään. Nämä lähestymistavat toimivat riittävästi ilmastosäädellyissä-ympäristöissä suhteellisen lyhyillä vaihtojaksoilla.

Tietoliikenneoperaattorilaitteet ja ilmailusovellukset vaativat yleensä edelleen täysin hermeettisen pakkauksen. Kosteuden{1}}aiheuttaman korroosion tai saastumisen aiheuttamien vikatilojen ilmeneminen kestää vuosia, minkä vuoksi niitä ei voida hyväksyä infrastruktuurissa, jonka on toimittava ilman valvontaa vuosikymmeniä.

Ohut{0}}litiumniobaattimodulaattorin ihmiset oppivat tämän kantapään kautta. Varhaiset laitteet, joissa oli riittämätön hermeettinen tiivistys, osoittivat mystistä suorituskyvyn heikkenemistä kenttäkäytössä. Kävi ilmi, että vesihöyry aiheutti tasavirtaa elektrodirakenteissa.

 

Tuotto on kaikki kaikessa

 

Moduulirakenne, joka täyttää kaikki suorituskykyvaatimukset, mutta tuottaa vain 60 % hyviä yksiköitä, menettää rahaa. Hieman huonompi malli, joka tuottaa 95 %, saattaa olla kannattavaa. Tämä kompromissi saa aikaan enemmän teknisiä päätöksiä kuin tekninen eleganssi koskaan.

Tuottohäviö kertyy moninkertaisesti prosessivaiheissa. Jos lasersuuttimesi tuotto on 98 %, lankaliitoksen tuotto on 97 %, kuituliitoksen tuotto on 95 % ja palamis- on 99 %, kumulatiivinen tuotto on 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Kuulostaa hyvältä, kunnes muistat, että luvut ovat optimistisia ja todellisissa prosesseissa on enemmän vaiheita.

Säälimätön tuottopaine selittää, miksi prosessinhallintaa kohdellaan uskonnollisella kiihkolla optisessa valmistuksessa. Tilastolliset prosessinohjauskaaviot. Saapuvan materiaalin tarkastus. Laitteiden kelpuutusprotokollat. Operaattorin sertifiointi. Kaikki, mikä vähentää vaihtelua, vähentää sadon menetystä.

Se selittää myös, miksi valmistusinsinöörit ovat hermostuneita suunnittelumuutoksista. Jokainen muutos mahdollisesti nollaa tuottooppimiskäyräsi.

 

Liitinliittymä, jonka luultavasti ohitat

 

Mekaanisella rajapinnalla, jossa kuitu kytketään moduuliin, on enemmän merkitystä kuin sen näennäinen yksinkertaisuus antaa ymmärtää.

LC- ja MPO-liittimillä on saavutettava fyysinen kosketus kiillotettujen kuitujen päätypintojen välillä - tai tarkasti säädetyt ilmaraot kulmassa olevien fyysisten koskettimien - välillä samalla, kun kohdistus säilytetään toleransseissa, jotka säilyttävät kytkennän tehokkuuden. Liittimen kotelo, moduulin liitin ja liitäntägeometria ovat kaikki mukana.

Toistuvista asetuksista aiheutuva kuluminen heikentää liittimiä ajan myötä. MSA:n tekniset tiedot määrittelevät vähimmäiskestävyysvaatimukset, mutta todellinen suorituskyky vaihtelee kontaminaatiotason, asennustekniikan ja sekä liittimen että pistorasian valmistuslaadun mukaan.

Olen nähnyt linkkien vianmäärityksen tuntikausia ennen kuin joku vihdoin puhdisti LC-liittimen ja ongelma hävisi.

 

Mitä todella on toimitus verrattuna siihen, mitä konferensseissa näytetään

 

Konferenssipapereissa esitellään 1,6 Tbps:n moduuleja, joissa on eksoottisia koherentteja modulaatiomuotoja ja yhteispa-pakattu fotoniintegraatio. Todellisia toimitusmääriä hallitsevat edelleen 100G ja 400G kytkettävät lähetin-vastaanottimet, jotka käyttävät suhteellisen tavanomaisia ​​arkkitehtuureja.

Demonstroinnin ja käyttöönoton välinen ero on useimmissa teknologioissa noin viisi vuotta. Piifotoniikka kesti vielä kauemmin. Ensimmäiset tutkimustulokset ilmestyivät 2000-luvun alussa; merkityksellinen kaupallinen volyymi saapui vasta 2010-luvun puolivälissä.

Tämä ei ole pessimismiä - se on todellisuuden valmistamista. Siirtyminen toimivista prototyypeistä luotettavaan massatuotantoon edellyttää tuottoongelmien ratkaisemista, toimittajien hyväksymistä, testiinfrastruktuurin rakentamista ja kenttäluotettavuustietojen keräämistä. Jokainen askel vie aikaa.

800G optiset moduulit nousevat nyt. 1.6T seuraa. Taustalla olevat tekniikat ovat olemassa. Valmistuskyky on se, mikä kestää vuosia kypsyä.

Moduuli, jonka otat käyttöön verkossasi seuraavalla vuosineljänneksellä, aloitettiin todennäköisesti kehitystyössä neljä vuotta sitten, ja se perustuu peruskomponenttiteknologioihin, jotka on todistettu vuosikymmentä ennen sitä. Huippuluokan-tutkimuksesta tulee lopulta tylsää tuotantotekniikkaa, ja juuri niin sen pitäisi toimia.