Mūsdienu datu -centriskajā laikmetā, sākot no 5G bāzes stacijām līdz datu centru starpsavienojumiem un augstas-izšķirtspējas video pārraidei, visas informācijas maģistrāles balstās uz galveno komponentu: optisko raidītāju.
Kā optiskās sakaru sistēmas "sākuma punkts" optiskais raidītājs ir atbildīgs par elektrisko signālu pārveidošanu optiskajos signālos un savienošanu ar optisko šķiedru. Šajā rakstā ir aplūkoti optisko raidītāju tehniskie principi, galvenie komponenti, galvenās specifikācijas un nozares tehnoloģiju tendences 2024.–2025. gadam.
1. Kas ir anOptiskais raidītājs?
Optiskais raidītājs ir elektro{0}}optiskās pārveidošanas ierīce. Fiziskajā slānī tā darbības darbplūsmu var apkopot trīs posmos:
Ievades apstrāde:Saņem elektriskos signālus no tīkla iekārtām (piemēram, slēdžiem un maršrutētājiem).
Electro{0}}optiskā konversija:Modulē gaismas avotu (lāzera diode vai LED), izmantojot draivera ķēdi, pārvēršot elektriskā signāla 0/1 bitus gaismas impulsos, kas atspoguļo ieslēgšanas/izslēgšanas stāvokļus vai fāzes izmaiņas.
Savienojuma izvade:Efektīvi ievada gaismu optiskajā šķiedrā (viena-režīms vai vairāku-režīms), izmantojot lēcas vai tiešās savienošanas metodes.
Atkarībā no lietojuma scenārija raidītāji parasti tiek iepakoti pievienojamos optiskos moduļos (piemēram, SFP, QSFP-DD, OSFP) vai kā daļa no apraides-pakāpes video optiskajiem raidītājiem un analogajām optisko šķiedru pārraides sistēmām.
2. Tehnoloģiju pamatkomponentu analīze
Augstas veiktspējas{0}}optiskais raidītājs galvenokārt sastāv no šādām trim daļām, kas veido ievērojamu daļu no tehniskajām grūtībām un izmaksām:
2.1. Gaismas avots: VCSEL, FP, DFB un EML
Gaismas avots nosaka raidītāja viļņa garumu, jaudu un pārraides attālumu.
VCSEL (vertikālā{0}}dobuma virsma-izstarojošais lāzers):Dominē neliela attāluma (līdz 100 metriem) vairāku režīmu lietojumprogrammām, piemēram, SR (Short Range) optiskajiem moduļiem datu centros. Priekšrocības ietver zemu enerģijas patēriņu, zemas izmaksas un vieglu liela mēroga -masīvu integrāciju.
FP (Fabri{0}}Perot Laser):Izmanto agrīnā-posma-līdz-vidēja attāluma lietojumiem; pašlaik tiek pakāpeniski izņemts no liela-noteikuma lietojumprogrammām par labu DFB lāzeriem.
DFB (Distributed Feedback Laser):Darba zirgs viena režīma{0}}pārraidei. Tas nodrošina viena gareniskā režīma izvadi, izmantojot iebūvētu-režģi, kā rezultātā tiek nodrošināts šaurs spektra līnijas platums un zems izkliedes sods, kas ir piemērots attālumiem no 10 km līdz 80 km metro tīklos un tālsatiksmes{5}}maģistrālēs.
EML (elektro{0}}absorbcijas modulētais lāzers):Pašlaik galvenā izvēle 400 G/800 G ātrdarbīgiem{2}} mugurkaula tīkliem. Tas integrē lāzeru ar elektro-absorbcijas modulatoru, pārvarot "čirkstēšanas" efektu, kas saistīts ar tieši modulētiem lāzeriem (DML) augstās frekvencēs, atbalstot vienu-viļņa garuma ātrumu 100 Gb/s un vairāk.
2.2 Vadītāja ķēde
Lāzera diodēm nepieciešama stabila nobīdes strāva un modulācijas strāva. Draivera mikroshēmām ātrdarbīgos{1}}raidītājos ir nepieciešama augsta linearitāte (īpaši PAM4 modulācijai) un zems enerģijas patēriņš. Ātrumam pieaugot līdz 112 Gb/s un pat 224 Gb/s, draivera mikroshēmas dizains ir kļuvis par kritisku vājo vietu, kas ierobežo raidītāja veiktspēju.
2.3. Iepakojums un optiskais savienojums
Raidītāju iesaiņojuma precizitātei ir jāsasniedz zem{0}}mikronu līmenis. Silīcija fotonikas (Silicon Photonics) raidītājiem flip{2}}chip tehnoloģija bieži tiek izmantota, lai integrētu lāzera mikroshēmu ar silīcija-bāzētu fotonisko mikroshēmu, savienojot gaismu viļņvadā, izmantojot malas savienojumu vai režģa savienojumu.
3. Galvenie darbības rādītāji
Vērtējot vai atlasotoptiskie raidītāji, inženieriem jākoncentrējas uz šādiem galvenajiem parametriem:
Viļņa garums:850 nm (vairāki{1}}režīmi), 1310 nm (nulles dispersija), 1550 nm (mazākie zudumi). CWDM un DWDM tehnoloģijas izmanto vairākus viļņu garumus no 1260 nm līdz 1650 nm viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanai.
Izejas optiskā jauda:Parasti mēra dBm. Lielākiem pārraides attālumiem nepieciešama lielāka izejas jauda, kas jāsaglabā zem optiskās šķiedras nelineārā efekta sliekšņa.
Izzušanas koeficients (ER):Vidējās optiskās jaudas attiecība loģikai "1" un loģikai "0". Augstāks izzušanas koeficients nodrošina labāku signāla -pret-trokšņu attiecību uztvērējā un mazāku bitu kļūdu līmeni (BER).
Acu diagramma:Intuitīvs signāla kvalitātes rādītājs. Pārbaudot ātrdarbīgu{1}}raidītāju, acu diagrammai jāatbilst IEEE standartiem vai MSA (Multi-Source Agreement) acu masku specifikācijām, nodrošinot minimālu pārmērīgu nervozitāti un troksni.
Centra viļņa garums un spektrālais platums:DWDM sistēmām raidītāja viļņa garumam ir jāfiksējas ITU-T norādītajā režģī. Šaurāks spektrālais platums uzlabo toleranci pret hromatisko dispersiju.
4. Nozares tendences: attīstība no 400 G līdz 1,6 T
Pateicoties eksponenciālajam joslas platuma pieprasījuma pieaugumam no AI modeļu apmācības un mākoņdatošanas,optiskais raidītājstehnoloģija piedzīvo nepieredzētas izmaiņas:
4.1. Viļņa garuma 200 G ēras ienākšana-
800G optiskie moduļi pašlaik tiek izvietoti mērogā, iekšēji izmantojot raidītāju arhitektūras, piemēram, 8x100Gbps vai 4x200Gbps. Nozares vadošie ražotāji izstrādā viena-viļņa garuma 200 G EML un silīcija fotoniskos modulatorus, paverot ceļu 1,6 T optiskajiem moduļiem.
4.2. Silīcija fotonikas paātrināta komercializācija
Tradicionālie diskrētie raidītāji (DFB ar atsevišķu modulatoru) saskaras ar izmaksu un augsta{0}}blīvuma integrācijas sastrēgumiem. Silīcija fotonika izmanto CMOS procesus, lai integrētu modulatorus uz silīcija substrāta, apvienojumā ar ārējiem vai hibrīdiem -integrētiem III-V lāzeriem, panākot augstas-ražīguma, zemu-maksas liela- mēroga fotonisko integrāciju.
4.3. Lineārā piedziņas pieslēdzamā optika (LPO) un kop{1}}pakotā optika (CPO)
Lai samazinātu enerģijas patēriņu AI skaitļošanas centros, parādās LPO tehnoloģija. LPO raidītāji novērš tradicionālo DSP (digitālo signālu procesoru), izmantojot lineāros draiveru mikroshēmas, lai tieši vadītu lāzeru, samazinot enerģijas patēriņu par aptuveni 50%. Raugoties tālāk uz priekšu, CPO tehnoloģijas mērķis ir iesaiņot optiskos raidītājus kopā ar komutācijas mikroshēmu, būtiski atrisinot augstfrekvences elektriskā signāla zuduma problēmu PCB pēdās.
4.4. Izrāvieni plānās -plēves litija niobāta (TFLN) jomā
Tiecoties pēc lielāka joslas platuma un mazāka enerģijas patēriņa, plānās{0}}plēves litija niobāta modulatori ir kļuvuši par pētniecības karsto punktu. Tie piedāvā izcilu linearitāti un lielu joslas platumu salīdzinājumā ar silīcija fotoniskajiem un InP modulatoriem, tādējādi nodrošinot tiem nozīmīgu lomu nākamās -paaudzes 1,6 T/3,2 T raidītājos.
5. Secinājums
Optiskais raidītājs ir ne tikai optisko sakaru fiziskais sākumpunkts, bet arī "pamatdzinējs", kas nosaka tīkla joslas platumu, pārraides attālumu un sistēmas izmaksas.
Nozares lietotājiem, izvēloties optisko raidītāju risinājumus, ir svarīgi aplūkot ne tikai parametru "likmi". Visaptverošā novērtējumā jāiekļauj:
Pieteikšanās scenārijs:Īsa attāluma starpsavienojums datu centros un tālsatiksmes{1}}telekomunikāciju pamattīkli.
Izmaksu struktūra:VCSEL risinājumi ir piemēroti liela mēroga{0}}tuvu{1}}attālumu lietojumiem; EML un silīcija fotonika ir piemērotas augstas veiktspējas scenārijiem.
Piegādes ķēdes uzticamība:Liela ātruma{0}}lāzeru mikroshēmu jauda joprojām ir ierobežota. Ir ļoti svarīgi izvēlēties ražotājus ar neatkarīgām mikroshēmu pētniecības un izstrādes iespējām vai stabilām piegādes ķēdēm.
Tā kā pieprasījums pēc mākslīgā intelekta skaitļošanas jaudas strauji pieaug, optisko sakaru nozare pāriet no tradicionālā "elektrības piedziņas optikas" modeļa uz jaunu "optikas, kas nosaka tīklus" laikmetu. Kā optiskā tīkla sākumpunkts katrs tehnoloģiskais lēciens optisko raidītāju jomā noteiks nākamās paaudzes digitālās un viedās infrastruktūras joslas platuma griestus.
