Како ради аои примопредајник?

 

 

АОИ примопредајник претвара електричне сигнале у светлосне импулсе за пренос преко оптичких каблова, а затим претвара долазну светлост назад у електричне сигнале. Ова двосмерна конверзија се дешава кроз два основна подсистема: оптички под-склоп предајника (ТОСА) користи ласерску диоду за генерисање модулисане светлости, док оптички под-склоп пријемника (РОСА) користи фотодиоду да детектује и претвара ту светлост назад у електричну струју.

 

 

Двоструки процес конверзије

 

АОИ примопредајник обавља две симултане, али супротне функције, због чега се називају примопредајници, а не само предајници или пријемници.

Електрична-у-оптичка конверзија (пренос)

Када ваш мрежни прекидач треба да пошаље податке, он генерише електричне сигнале у облику дигиталних импулса који представљају бинарне податке. ТОСА АОИ примопредајника прима ове електричне сигнале и шаље их у коло ласерског драјвера. Ово коло ради две ствари: одржава стабилну струју пристрасности како би ласер одржао на оптималној радној тачки, и модулира додатну струју која одговара сигналу података.

Сама ласерска диода је место где се дешава стварна конверзија. У већини модерних примопредајника, наћи ћете један од три типа ласера ​​у зависности од апликације. ВЦСЕЛ (вертикални-супљински ласери-емитујући ласери) раде на 850нм и користе се за кратке удаљености испод 300 метара, обично у центрима података. За средње домете до 40 км, Фабри-Перот (ФП) ласери пружају исплатива-решења. ДФБ (Дистрибутед Феедбацк) ласери, који раде на 1310 нм или 1550 нм, испоручују спектралну чистоћу потребну за-пренос на даљину преко 40 км.

Техника модулације варира у зависности од брзине и удаљености. Директна модулација, где сигнал података директно мења струју убризгавања ласера, добро функционише за брзине до 25 Гбпс и удаљености испод 10 км. Интензитет излазне светлости ласера ​​се мења као одговор на ове тренутне варијације, стварајући оптичке импулсе који кодирају ваше податке. За веће брзине или веће удаљености, спољашња модулација постаје неопходна - ласер ради непрекидно док одвојени електро-модулатор апсорпције (ЕАМ) или Мах-Зендеров модулатор манипулише светлошћу након емитовања, избегавајући фреквентни цвркут који деградира сигнале на великим-даљинама.

Оптичка-у-електрична конверзија (пријем)

На пријемном крају, долазни светлосни импулси из оптичког кабла улазе у РОСА примопредајника и ударају у фотодетектор. Ово је обично или ПИН фотодиода за стандардне апликације или лавинска фотодиода (АПД) за ситуације које захтевају већу осетљивост, као што су везе{1}}на даљину где је оптички сигнал ослабљен.

Фотодетектор користи фотоелектрични ефекат: када фотони ударе у спој полупроводника, ослобађају електроне, стварајући струју пропорционалну интензитету светлости. Ево нечега што многе људе изненађује - што фотодиода не детектује фреквенцију самог светла (која је око 193 ТХз за таласну дужину од 1550 нм). Уместо тога, он реагује на промене у интензитету светлости изазване модулацијом. Ако у њега усмерите стабилан сноп светлости од 1550 нм, добићете стабилну једносмерну струју. Када та лампица трепери на 10 ГХз за кодирање података, добијате електрични сигнал од 10 ГХз.

Електрична струја коју генерише фотодиода је изузетно слаба, често се мери у микроамперима. Трансимпедансни појачавач (ТИА) одмах претвара ову струју у напонски сигнал и појачава га. Пратећи ТИА, додатна кола обављају опоравак такта да би издвојили информације о времену и кола за одлучивање како би утврдили да ли је сваки бит један или нула, регенеришући чисте дигиталне сигнале за опрему домаћина.

 

Унутрашња архитектура и компоненте

 

Отварање АОИ примопредајног модула открива изненађујуће густ распоред оптичких и електронских компоненти, које све раде у оквиру строгих толеранција.

Детаљна структура ТОСА

Оптички под{0}}склоп предајника садржи више од самог ласера. Температура значајно утиче на перформансе ласера ​​- излазна снага може да варира за 50% или више у радном опсегу од 70 степени. За борбу против овога, ТОСА укључује термистор за праћење температуре и често термоелектрични хладњак (ТЕЦ) у модулима високих{6}}перформанси. Они раде са круговима за аутоматску контролу снаге (АПЦ) који прилагођавају струју погона да би одржали конзистентан оптички излаз.

Фотодиода монитора се налази иза ласера, хватајући мали део емитоване светлости кроз задњу страну. Ова повратна информација омогућава АПЦ колу да компензује старење ласера ​​и температурни помак у реалном-времену. Без овог надзора, излазна снага би могла значајно да деградира током животног века модула.

Оптички изолатори се појављују у многим дизајнима да би спречили-повратне рефлексије да поново-уђу у ласерску шупљину, што би изазвало нестабилност и шум. Светлост ласера ​​се спаја у влакно преко прецизно-усклађених сочива или директног{4}}спајања, у зависности од дизајна. Сваки делић децибела губитка спреге битан је када покушавате да пошаљете сигнале на 80 км или више.

Распад РОСА компоненти

Пријемна страна се суочава са различитим изазовима. Фотодиода мора да конвертује изузетно слабе оптичке сигнале - понекад само неколико микровата - у употребљиве електричне сигнале уз одржавање ниске буке. Оптички интерфејс користи или ЛЦ конектор (најчешћи) или друге стандардне типове конектора за пријем влакана.

Кућиште штити осетљиву електронику од електромагнетних сметњи, а истовремено обезбеђује управљање топлотом. За разлику од ТОСА-е, РОСА обично не треба активно хлађење, али термални дизајн је и даље важан јер тамна струја фотодиоде (нежељена струја када нема светлости) расте са температуром, подижући ниво буке и смањујући осетљивост.

У неким дизајнима примопредајника, посебно двосмерним (БиДи) модулима, филтер за мултиплексирање таласне дужине (ВДМ) дели оптичку путању. Ово омогућава да иста влакна пренесу и пренете и примљене сигнале на различитим таласним дужинама - обично 1310 нм у једном смеру и 1490 нм или 1550 нм у другом.

Електронски контролни слој

Поред оптичких компоненти, сваки АОИ примопредајник садржи склоп штампане плоче (ПЦБА) који садржи чипове електричног интерфејса, регулаторе напона и функције дигиталне дијагностике. Модерни примопредајници имплементирају дигитално дијагностичко праћење (ДДМ) како је наведено у стандарду СФФ-8472, пружајући телеметрију-у реалном времену преко двожичног И2Ц интерфејса.

Мрежни администратори могу да питају температуру, напон напајања, струју ласера, пренету оптичку снагу и примљену оптичку снагу без специјализоване опреме за тестирање. Ова могућност је трансформисала решавање проблема са мрежом - можете идентификовати неисправан ласер или прљав конектор пре него што изазове прекид рада.

 

 

Модулација и кодирање сигнала

 

Начин на који се подаци кодирају у светлосне импулсе значајно је еволуирао како су се повећали захтеви за брзину.

Не-повратак-на-нулту (НРЗ) модулацију

Традиционални примопредајници до 100 Гбпс првенствено користе НРЗ-ОК (Он-Офф Кеиинг). Ласер је или укључен (представља бинарни 1) или искључен (представља 0), без повратка на неутрални ниво између битова. Једноставан је и ефикасан, али како се брзине крећу ка 100 Гбпс на једној таласној дужини, захтеви за електричним и оптичким пропусним опсегом постају изазовни.

Однос екстинкције мери колико се потпуно гаси ласер током нултих битова у поређењу са његовом -снагом у стању. Однос екстинкције 100:1 (20 дБ) значи да ласер даје 1% своје вршне снаге када је „искључен“. Бољи односи изумирања побољшавају квалитет сигнала, али захтевају софистициранији дизајн ласерског драјвера.

ПАМ4 и напредна модулација

При 200 Гбпс и више, индустрија је усвојила ПАМ4 (4-ниво пулсне амплитудне модулације). Уместо два нивоа интензитета који представљају један бит, ПАМ4 користи четири нивоа која представљају два бита по симболу. Ово удвостручује брзину преноса података без удвостручавања захтева за пропусним опсегом, иако мења однос сигнала-и-шума – сваки ниво је ближи, што детекцију чини изазовнијим.

Кохерентни оптички примопредајници који се користе у мрежама{0}}на даљинама користе још софистицираније шеме. Они модулирају и амплитуду и фазу светлости користећи КПСК (квадратурно померање фазе) или КАМ вишег-реда (квадратурна амплитудна модулација). Ови системи захтевају специјализоване кохерентне пријемнике са ласерима локалног осцилатора и сложену дигиталну обраду сигнала, али могу постићи 400 Гбпс или више на једној таласној дужини.

 

Избор таласне дужине и компатибилност влакана

 

Различите таласне дужине служе за различите сврхе у оптичким комуникацијама, а дизајн примопредајника се у складу с тим разликује.

Мултимоде Фибер Системс (850нм)

Апликације{0}} кратког домета у оквиру једне зграде или кампуса центра података обично користе вишемодна влакна са 850нм ВЦСЕЛ предајницима. Вишемодно влакно има веће језгро (50 или 62,5 микрона) које омогућава истовремено ширење вишеструких светлосних путева или „режима“. Ово чини спајање лакшим и смањује трошкове, али модална дисперзија ограничава удаљеност - различитих модова који путују незнатно различитим брзинама, узрокујући ширење импулса. ОМ3 влакно подржава 10 Гбпс до 300 метара, док ОМ4 ово проширује на 400 метара, а ОМ5 даље оптимизује за паралелни пренос.

Једномодни системи са влакнима (1310 нм и 1550 нм)

За{0}}пренос на велике удаљености је потребно једно-модно влакно са много мањим језгром (9 микрона) које ограничава светлост на један режим ширења. Ово елиминише модалну дисперзију, омогућавајући много веће удаљености. Таласна дужина од 1310 нм налази се у прозору ниске{6}}дисперзије стандардног једномодног- влакна, док 1550 нм заузима најнижи прозор слабљења (око 0,2 дБ/км у поређењу са 0,35 дБ/км на 1310 нм).

За распоне преко 80 км, компензација дисперзије постаје неопходна чак и на 1550 нм. Напредни дизајни примопредајника користе екстерну модулацију и понекад подесиве ласере за прецизну контролу оптичког спектра.

Прецизност таласне дужине ДВДМ

Примопредајници са поделом густе таласне дужине (ДВДМ) генеришу светлост на веома специфичним таласним дужинама дефинисаним ИТУ-Т мрежом, обично на размаку од 50 ГХз или 100 ГХз (што одговара размаку од око 0,4 нм или 0,8 нм близу 1550 нм). ДФБ ласер сам по себи није довољно стабилан за ДВДМ - ови примопредајници укључују контролу температуре на ±0,1 степен или боље, одржавајући тачност таласне дужине унутар ±0,02 нм у опсегу радне температуре.

 

Фактори облика и еволуција

 

Физичко паковање примопредајника је еволуирало да би омогућило веће брзине уз задржавање или смањење величине.

СФП и СФП+ (до 16 Гбпс)

Стандард малих формата{0}}Плуггабле (СФП) појавио се почетком 2000-их, нудећи компактан, -замењив дизајн упола мањи од ранијих ГБИЦ модула. СФП управља брзином од 1 Гбпс, док је СФП+ проширио електрични интерфејс тако да подржава 10 Гбпс. Ови модули имају димензије 13,4 мм × 8,5 мм × 56 мм, довољно мали да свичеви могу да спакују 48 портова у једну јединицу рек-а.

КСФП28 и КСФП-ДД (100-400 Гбпс)

Куад СФП (КСФП) формат обједињује четири канала у један модул. КСФП28 користи четири траке од 25 Гбпс (често са НРЗ) да би постигао укупно 100 Гбпс. КСФП-ДД (Доубле Денсити) удвостручује ово са осам трака, достижући 400 Гбпс користећи ПАМ4 сигнализацију при 50 Гбпс по траци. ДД дизајн задржава исту ширину као КСФП28, али користи виши конектор са додатним електричним контактима.

ОСФП и будући формати

Како индустрија иде ка 800 Гбпс и 1,6 Тбпс, ​​формат Оцтал СФП (ОСФП) обезбеђује осам трака са бољим термичким дизајном од КСФП-ДД, што је критично када модули расипају 12-15 вати. Неки добављачи су развили КСФП112 за 400 Гбпс преко четири траке од 100 Гбпс, иако стандардизација формата остаје спорна при овим брзинама.

Сваки фактор форме дефинише не само физичке димензије већ и електричне спецификације, термичка ограничења и протоколе интерфејса за управљање, обезбеђујући интероперабилност међу добављачима.

 

Буџети напајања и дизајн линкова

 

Успешно постављање АОИ примопредајника захтева разумевање буџета снаге - аритметике повећања и губитка сигнала преко везе.

Излазна снага примопредајника се обично креће од -2 дБм (0,63 мВ) за модуле кратког{5}}домета до +4 дБм (2,5 мВ) за дизајне са продуженим дометом-. Осетљивост пријемника може бити -14 дБм за 10 Гбпс ЕР апликације или -25 дБм за високо осетљиве пријемнике на даљину. Разлика између ових вредности је ваш буџет снаге.

Слабљење влакана троши већину овог буџета - 0.3 дБ/км при 1310 нм или 0,2 дБ/км на 1550 нм за стандардна једномодна влакна-. Губици конектора додају 0,3-0,5 дБ сваки, губици у спајању доприносе 0,05-0,1 дБ, а требало би да укључите системску маргину од 3-6 дБ за старење, поправке спојева и неочекиване губитке.

За везу од 40 км на 1310 нм: 0,3 дБ/км × 40 км=12 дБ губитак влакана, плус четири конектора (2 дБ), један средњи - спој (0,1 дБ) и 3 дБ маргина=17.1 дБ укупан губитак путање. Ако ваш предајник даје 0 дБм, а вашем пријемнику је потребно -18 дБм, имате на располагању буџет од 18 дБ – једва довољан.

Ова аритметика објашњава зашто системи{0}}на даљину користе 1550 нм (мање слабљење) и предајнике велике{2}}снаге, често са оптичким појачавачима за растојања преко 80 км.

 

Нове технологије и будући правци

 

Индустрија АОИ примопредајника наставља брзу еволуцију вођену захтевима центара података у хиперскали и изградњом телекомуникација.

Интеграција силицијум фотонике обећава смањење трошкова производње коришћењем инфраструктуре полупроводничке фабрике. Уместо дискретних склопова ТОСА и РОСА, силицијумски фотонски примопредајници интегришу ласерске изворе, модулаторе и детекторе на силицијумским чиповима, иако ИИИ-В полупроводнички материјали и даље пружају најбоље ласерске перформансе, захтевајући хибридне приступе интеграције.

Ко{0}}упакована оптика (ЦПО) помера примопредајнике са предње плоче директно на силиконске пакете прекидача, смањујући потрошњу енергије и кашњење док драматично повећавају густину портова комутатора. Ране ЦПО демонстрације постижу 51,2 Тбпс по прекидачу АСИЦ елиминишући електричну СерДес снагу и ограничења удаљености.

Линеарна{0}}оптика која се може прикључити (ЛПО) поједностављује електрични интерфејс уклањањем кола за поновно подешавање времена, преносећи сигнале директно између хоста и оптике помоћу линеарних драјвера. Ово смањује потрошњу енергије за 40-50% у поређењу са модулима са продуженим временом, иако захтева квалитетније дизајне ПЦБ-а и намеће ограничења досега.

Ласери са квантним тачкама обећавају рад{0}}неосетљив на температуру без термоелектричних хладњака, смањујући снагу и цену модула. Ране верзије показују стабилан рад од -40 степени до +95 степени са минималним померањем таласне дужине.

 

Често постављана питања

 

Која је разлика између АОИ примопредајника и других брендова?

АОИ (Апплиед Оптоелецтроницс Инц.) производи оптичке примопредајнике и компоненте, али основни принципи рада су идентични код свих добављача. Физички механизам фотоелектричне конверзије се не мења у зависности од произвођача. Брендови се разликују у квалитету производње, спецификацијама температурног опсега, енергетској ефикасности и оценама поузданости. Уговори са више-извора (МСА) обезбеђују да усаглашени примопредајници различитих произвођача раде наизменично у истом слоту опреме.

Да ли видите светлост која долази из примопредајника са оптичким влакнима?

Већина примопредајника - не ради на инфрацрвеним таласним дужинама (850 нм, 1310 нм или 1550 нм) невидљивим људским очима. Чак и 850нм ВЦСЕЛ светло у најбољем случају изгледа као слабо црвено. Никада не гледајте директно у активну фибер или порт за примопредајник; док је ниво снаге низак (обично 1-3 миливата), сноп је високо колимиран и фокусиран, способан да изазове трајно оштећење мрежњаче. Из тог разлога постоје прописи о безбедности ласера ​​класе 1М.

Зашто неки примопредајници имају два влакна док други користе једно?

Традиционални примопредајници користе два влакна - једно за пренос, једно за пријем - које раде на истој таласној дужини у супротним смеровима. Двосмерни (БиДи) примопредајници користе једно влакно са ВДМ филтером који раздваја две различите таласне дужине: једну за узводну, другу за низводну. БиДи дизајни штеде влакна, али коштају нешто више због ВДМ компоненти. ЦВДМ и ДВДМ системи мултиплексирају многе таласне дужине на један пар влакана користећи екстерне мултиплексоре.

Колико дуго оптички примопредајници обично трају?

Ласерска деградација је примарни ограничавач животног века. Већина примопредајника наводи 100.000 до 200.000 сати средњег времена између кварова (МТБФ) на радној температури од 25 степени. У пракси, модули често раде 5-10 година пре квара, при чему више температуре убрзавају старење. Кола за аутоматску контролу снаге компензују постепену ласерску деградацију повећањем струје погона, али на крају достижу максималну струју и више не могу да одржавају специфицирану излазну снагу. Правилно хлађење значајно продужава живот примопредајника.

 

Кључне техничке спецификације за разумевање

 

Када бирате примопредајнике, неколико спецификација директно утиче на перформансе:

Спецификације предајника:Излазна снага (дБм), спектрална ширина (нм), однос екстинкције (дБ) и однос потискивања бочног{0}}мода (дБ за ДФБ ласере) одређују квалитет сигнала и досег. Толеранција централне таласне дужине постаје критична за ДВДМ апликације.

Спецификације пријемника:Осетљивост (дБм) дефинише минималну оптичку снагу потребну за наведену стопу грешке у биту (обично 10^-12). Снага засићења означава максималну улазну снагу пре оштећења или прекомерног изобличења. Спецификација оптичког повратног губитка је важна за спречавање рефлексија које дестабилизују ласере.

Електрични интерфејс:Диференцијална импеданса (обично 100 ома), колебање излазног напона и спецификације подрхтавања морају одговарати захтевима опреме домаћина. СФП користи ЛВПЕЦЛ сигнализацију, КСФП28 користи НРЗ на 25,78 Гбпс, док КСФП-ДД обично имплементира ПАМ4 на 53,125 Гбауд.

Оцене за животну средину:Комерцијална температура (0 степени до 70 степени), продужена температура (-5 степени до 85 степени) и индустријска температура (-40 степени до 85 степени) показују какво је управљање топлотом модулу потребно. Расипање снаге у ватима утиче на захтеве за хлађењем - КСФП-ДД модули могу да пређу 12В.

Дигитална дијагностика:Прагови аларма и упозорења за температуру, напон, струју пристрасности, ТКС снагу и РКС снагу омогућавају проактивно праћење. Спецификације тачности (обично ±3 дБ за оптичку снагу) су важне при решавању проблема са маргиналним везама.

Разумевање ових параметара омогућава информисан избор примопредајника и ефикасно решавање проблема када везе не раде или покваре.