Šiuolaikinėje{0}}duomenims orientuotoje eroje, nuo 5G bazinių stočių iki duomenų centrų jungčių ir didelės-raiškos vaizdo perdavimo, visi informacijos greitkeliai priklauso nuo pagrindinio komponento: optinio siųstuvo.
Kaip optinio ryšio sistemos „pradžios taškas“, optinis siųstuvas yra atsakingas už elektros signalų pavertimą optiniais signalais ir jų sujungimą su optiniu pluoštu. Šiame straipsnyje nagrinėjami optinių siųstuvų techniniai principai, pagrindiniai komponentai, pagrindinės specifikacijos ir pramonės technologijų tendencijos 2024–2025 m.
1. Kas yra anOptinis siųstuvas?
Optinis siųstuvas yra elektro{0}}optinės konversijos įrenginys. Fiziniame lygmenyje jo darbo eigą galima apibendrinti trimis etapais:
Įvesties apdorojimas:Priima elektros signalus iš tinklo įrangos (pvz., jungiklių ir maršrutizatorių).
Electro{0}}optinė konversija:Modifikuoja šviesos šaltinį (lazerinį diodą arba šviesos diodą) per tvarkyklės grandinę, paversdamas 0/1 elektros signalo bitų šviesos impulsais, atspindinčiais įjungimo/išjungimo būsenas arba fazių pokyčius.
Sujungimo išvestis:Naudodamas objektyvus arba tiesioginio sujungimo būdus, efektyviai įleidžia šviesą į optinį skaidulą (vieno-režimo arba kelių-režimų).
Priklausomai nuo taikymo scenarijaus, siųstuvai paprastai yra supakuoti į prijungiamus optinius modulius (pvz., SFP, QSFP-DD, OSFP) arba kaip transliavimo-gradinio vaizdo optinių siųstuvų ir analoginių optinio pluošto perdavimo sistemų dalis.
2. Pagrindinių technologijos komponentų analizė
Didelio našumo{0}}optinis siųstuvas daugiausia susideda iš šių trijų dalių, kurios sudaro didelę techninių sunkumų ir išlaidų dalį:
2.1 Šviesos šaltinis: VCSEL, FP, DFB ir EML
Šviesos šaltinis nustato siųstuvo bangos ilgį, galią ir perdavimo atstumą.
VCSEL (vertikalusis{0}}ertmės paviršius-spinduliuojantis lazeris):Dominuoja trumpo-atstumo (100 metrų) kelių{2}}režimų programose, pvz., SR (trumpojo nuotolio) optiniuose moduliuose duomenų centruose. Privalumai: mažas energijos suvartojimas, maža kaina ir lengvas didelio masto-masyvo integravimas.
FP (Fabry{0}}Perot Laser):Naudojama ankstyvosiose{0}}pakopose nuo trumpo- iki-vidutinio nuotolio; šiuo metu laipsniškai atsisakoma didelio-kašumo taikomųjų programų, o tai yra DFB lazeriai.
DFB (paskirstytasis grįžtamojo ryšio lazeris):Vieno režimo{0}}perdavimo arkliukas. Jis pasiekia vieno išilginio režimo išvestį per įmontuotą-gardelę, todėl siauras spektrinis linijos plotis ir maža sklaidos bauda, tinkama metro tinkluose ir ilgų{5}}traukų magistralinėse linijose nuo 10 km iki 80 km.
EML (elektro{0}}absorbcijos moduliuotas lazeris):Šiuo metu pagrindinis pasirinkimas 400 G / 800 G didelės spartos{2}} magistraliniams tinklams. Jame yra integruotas lazeris su elektro-absorbcijos moduliatoriumi, kuris įveikia „čirpimo“ efektą, susijusį su tiesiogiai moduliuojamais lazeriais (DML), esant dideliems dažniams, ir palaiko vieno -bangos ilgio spartą, siekiančią 100 Gbps ir daugiau.
2.2 Vairuotojo grandinė
Lazeriniams diodams reikalinga stabili poslinkio srovė ir moduliacinė srovė. Didelės spartos{1}}siųstuvų tvarkyklės lustams reikalingas didelis tiesiškumas (ypač PAM4 moduliacijai) ir mažas energijos suvartojimas. Sparčiai padidėjus iki 112 Gbps ir net 224 Gbps, tvarkyklės lusto dizainas tapo kritine kliūtimi, ribojančia siųstuvo veikimą.
2.3 Pakuotė ir optinė jungtis
Siųstuvų pakavimo tikslumas turi būti mažesnis nei{0}}mikronų. Silicio fotonikos (Silicon Photonics) siųstuvuose dažnai naudojama flip-lusto technologija, skirta integruoti lazerio lustą su silicio-pagrįstu fotoniniu lustu, sujungiant šviesą į bangolaidį per kraštinę jungtį arba grotelių jungtį.
3. Pagrindiniai veiklos rodikliai
Vertinant ar renkantisoptiniai siųstuvai, inžinieriai turėtų sutelkti dėmesį į šiuos pagrindinius parametrus:
Bangos ilgis:850 nm (daugia{1}}režimas), 1310 nm (nulinė dispersija), 1550 nm (mažiausias nuostolis). CWDM ir DWDM technologijos naudoja kelis bangos ilgius nuo 1260 nm iki 1650 nm, kad būtų galima padalyti bangos ilgį.
Išėjimo optinė galia:Paprastai matuojamas dBm. Didesniems perdavimo atstumams reikalinga didesnė išėjimo galia, kuri turi būti mažesnė už optinio pluošto netiesinio poveikio slenkstį.
Išnykimo koeficientas (ER):Loginės „1“ ir „0“ loginės vidutinės optinės galios santykis. Didesnis išnykimo koeficientas lemia geresnį imtuvo signalo -ir-triukšmo santykį ir mažesnį bitų klaidų dažnį (BER).
Akių diagrama:Intuityvi signalo kokybės metrika. Bandant didelės spartos siųstuvą, akių diagrama turi atitikti IEEE standartus arba MSA (Multi-Source Agreement) akių kaukės specifikacijas, kad būtų užtikrintas minimalus perteklinis virpėjimas ir triukšmas.
Centro bangos ilgis ir spektrinis plotis:DWDM sistemose siųstuvo bangos ilgis turi užfiksuoti tinklelį, nurodytą ITU{0}}T. Siauresnis spektrinis plotis padidina toleranciją chromatinei dispersijai.
4. Pramonės tendencijos: raida nuo 400G iki 1,6T
Dėl AI modelio mokymo ir debesų kompiuterijos sparčiai didėjančio pralaidumo poreikio,optinis siųstuvastechnologijos patiria precedento neturinčius pokyčius:
4.1 Vienos-bangos ilgio 200 G eros atėjimas
Šiuo metu 800G optiniai moduliai yra diegiami dideliu mastu, viduje naudojant siųstuvų architektūrą, pvz., 8x100Gbps arba 4x200Gbps. Pirmaujantys pramonės gamintojai kuria vieno-bangos ilgio 200G EML ir silicio fotoninius moduliatorius, atverdami kelią 1,6T optiniams moduliams.
4.2 Paspartintas silicio fotonikos komercializavimas
Tradiciniai diskretieji siųstuvai (DFB su atskiru moduliatoriumi) susiduria su kliūtimis dėl sąnaudų ir didelio{0}}tankio integravimo. Silicio fotonika panaudoja CMOS procesus, kad moduliatorius būtų integruotas ant silicio pagrindo, kartu su išoriniais arba hibridiniais -integruotais III-V lazeriais, kad būtų pasiektas didelis-našumas, mažos{5}}kainos didelio-masto fotoninis integravimas.
4.3 Linijinė pavaros prijungiama optika (LPO) ir bendrai supakuota optika (CPO)
Siekiant sumažinti energijos suvartojimą AI skaičiavimo centruose, atsiranda LPO technologija. LPO siųstuvai pašalina tradicinį DSP (skaitmeninį signalo procesorių), naudojant linijinius tvarkyklės lustus, kad tiesiogiai valdytų lazerį, sumažinant energijos suvartojimą maždaug 50%. Žvelgiant į tolesnę ateitį, CPO technologija siekia supakuoti optinius siųstuvus kartu su perjungimo lustu, iš esmės išspręsdama aukšto -dažnio elektrinio signalo praradimo PCB pėdsakuose problemą.
4.4 Proveržis plonos{1}}plėvelės ličio niobato (TFLN) srityje
Siekiant didesnio pralaidumo ir mažesnio energijos suvartojimo, plonasluoksniai{0}}ličio niobato moduliatoriai tapo tyrimų tašku. Jie pasižymi puikiu tiesiškumu ir dideliu pralaidumu, palyginti su silicio fotoniniais ir InP moduliatoriais, todėl jie atlieka svarbų vaidmenį naujos-kartos 1,6T/3,2T siųstuvuose.
5. Išvada
Optinis siųstuvas yra ne tik fizinis optinio ryšio pradžios taškas, bet ir „pagrindinis variklis“, nustatantis tinklo pralaidumą, perdavimo atstumą ir sistemos kainą.
Pramonės naudotojams, renkantis optinių siųstuvų sprendimus, svarbu atsižvelgti ne tik į „normos“ parametrą. Išsamus įvertinimas turėtų apimti:
Taikymo scenarijus:Trumpo{0}}atstumo duomenų centrų sujungimas su tolimųjų{1}}telekomunikacijų pagrindinių tinklų sujungimas.
Išlaidų struktūra:VCSEL sprendimai tinka didelio masto{0}}trumpo{1}}atstumo programoms; EML ir silicio fotonika tinka didelio našumo{2}}scenarijoms.
Tiekimo grandinės patikimumas:Didelės spartos{0}}lazerinių lustų talpa išlieka nedidelė. Labai svarbu pasirinkti gamintojus, turinčius nepriklausomų lustų tyrimų ir plėtros galimybių arba stabilias tiekimo grandines.
Išaugus AI skaičiavimo galios paklausai, optinių ryšių pramonė pereina nuo tradicinio „elektrą varančios optikos“ modelio prie naujos „tinklus apibrėžiančios optikos“ eros. Kaip optinio tinklo pradžios taškas, kiekvienas optinių siųstuvų technologinis šuolis nulems naujos kartos skaitmeninės ir išmaniosios infrastruktūros pralaidumo ribas.
