У сучасну епоху-центрології даних, від базових станцій 5G до з’єднань центрів обробки даних і передачі відео високої-роздільності, усі інформаційні магістралі покладаються на основний компонент: оптичний передавач.
Будучи «відправною точкою» оптичної системи зв’язку, оптичний передавач відповідає за перетворення електричних сигналів в оптичні сигнали та їх підключення до оптичного волокна. У цій статті розглядаються технічні принципи, ключові компоненти, основні характеристики та галузеві технологічні тенденції оптичних передавачів на 2024–2025 роки.
1. Що таке anОптичний передавач?
Оптичний передавач – це електро{0}}пристрій оптичного перетворення. На фізичному рівні його робочий процес можна підсумувати в три етапи:
Обробка вхідних даних:Отримує електричні сигнали від мережевого обладнання (наприклад, комутаторів і маршрутизаторів).
Електро{0}}оптичне перетворення:Модулює джерело світла (лазерний діод або світлодіод) через схему драйвера, перетворюючи біти 0/1 електричного сигналу в світлові імпульси, що представляють стани ввімкнено/вимкнено або зміни фази.
Вихід зчеплення:Ефективно вводить світло в оптичне волокно (одномодове-чи багато-модове) за допомогою лінз або методів прямого з’єднання.
Залежно від сценарію застосування, передавачі зазвичай розміщуються в оптичних модулях, що підключаються (наприклад, SFP, QSFP-DD, OSFP) або як частина оптичних відеопередавачів широкомовного-класу та аналогових оптоволоконних систем передачі.
2. Аналіз основних технологічних компонентів
Високопродуктивний оптичний передавач переважно складається з трьох частин, на які припадає значна частина технічних труднощів і вартості:
2.1 Джерело світла: VCSEL, FP, DFB і EML
Джерело світла визначає довжину хвилі передавача, потужність і відстань передачі.
VCSEL (лазер із вертикальним-випромінюванням поверхні-порожнини):Домінує на короткі-відстані (в межах 100 метрів) у багаторежимних-додатках, як-от оптичні модулі SR (Short Range) у центрах обробки даних. Переваги включають низьке енергоспоживання, низьку вартість і легкість широкомасштабної{4}}інтеграції масиву.
FP (лазер Фабрі-Перо):Використовується на ранніх-стадіях застосування на короткі-–-середні відстані; наразі поступово припиняється у високо-додатках на користь лазерів DFB.
DFB (лазер з розподіленим зворотним зв'язком):Робоча конячка для одно-режимної трансмісії. Завдяки вбудованій-гратці він забезпечує виведення в одному поздовжньому режимі, що забезпечує вузьку спектральну ширину лінії та низьку дисперсію, придатну для відстаней від 10 км до 80 км у мережах метро та-магістральних магістральних лініях.
EML (модульований електро{0}}лазер поглинання):Наразі основний вибір для високошвидкісних магістральних-мереж 400G/800G. Він об’єднує лазер із електро-модулятором поглинання, долаючи ефект «чіпчання», пов’язаний із лазерами з прямою модуляцією (DML) на високих частотах, підтримуючи одну-швидкість довжини хвилі 100 Гбіт/с і більше.
2.2 Схема драйвера
Лазерні діоди потребують стабільного струму зміщення та струму модуляції. Чіпи драйверів у високо-передавачах вимагають високої лінійності (особливо для модуляції PAM4) і низького енергоспоживання. Оскільки швидкість зростає до 112 Гбіт/с і навіть 224 Гбіт/с, конструкція мікросхеми драйвера стала критичним вузьким місцем, що обмежує продуктивність передавача.
2.3 Упаковка та оптичний зв’язок
Точність упаковки передавачів має досягати суб-мікронного рівня. Для кремнієвих фотонних передавачів (Silicon Photonics) технологія фліп-чіпів часто використовується для інтеграції лазерного чіпа з кремнієвим-фотонним чіпом, передаючи світло у хвилевід через краєвий зв’язок або зв’язок грат.
3. Ключові показники ефективності
При оцінці чи відборіоптичні передавачі, інженерам слід зосередитися на таких ключових параметрах:
Довжина хвилі:850 нм (мульти-режим), 1310 нм (нульова дисперсія), 1550 нм (найменші втрати). Технології CWDM і DWDM використовують кілька довжин хвиль від 1260 нм до 1650 нм для мультиплексування за довжиною хвилі.
Вихідна оптична потужність:Зазвичай вимірюється в дБм. Більші відстані передачі вимагають більшої вихідної потужності, яка має бути нижчою від порогу нелінійного ефекту оптичного волокна.
Коефіцієнт вимирання (ER):Відношення середньої оптичної сили для логічної «1» до логічного «0». Вищий коефіцієнт загасання призводить до кращого співвідношення сигнал-до-шуму в приймачі та нижчого коефіцієнта бітових помилок (BER).
Очна діаграма:Інтуїтивно зрозумілий показник якості сигналу. Під час тестування високо-швидкісного передавача окомір має відповідати стандартам IEEE або специфікаціям маски для очей MSA ({-Source Agreement), забезпечуючи мінімальне надмірне тремтіння та шум.
Центральна довжина хвилі та спектральна ширина:Для систем DWDM довжина хвилі передавача має відповідати сітці, визначеній ITU-T. Вужча ширина спектру підвищує толерантність до хроматичної дисперсії.
4. Галузеві тенденції: еволюція від 400G до 1,6T
Завдяки експоненціальному зростанню попиту на пропускну здатність завдяки навчанню моделі ШІ та хмарним обчисленням,оптичний передавачтехнології зазнають безпрецедентних змін:
4.1 Поява ери єдиної-хвилі 200G
Оптичні модулі 800G в даний час розгортаються в масштабі, використовуючи внутрішні архітектури передавача, такі як 8x100Gbps або 4x200Gbps. Провідні промислові виробники розробляють одно-хвильовий 200G EML і кремнієві фотонні модулятори, прокладаючи шлях для оптичних модулів 1,6T.
4.2 Прискорена комерціалізація кремнієвої фотоніки
Традиційні дискретні передавачі (DFB з окремим модулятором) стикаються з вузькими місцями через вартість і високу-щільність інтеграції. Кремнієва фотоніка використовує процеси CMOS для інтеграції модуляторів на кремнієвій підкладці в поєднанні із зовнішніми або гібридними-інтегрованими III-лазерами III-V, досягаючи високої-продуктивності та низької-вартості-великомасштабної фотонної інтеграції.
4.3 Оптика з лінійним приводом (LPO) і Co-packaged Optics (CPO)
Щоб зменшити енергоспоживання в обчислювальних центрах ШІ, з’являється технологія LPO. Передавачі LPO усувають традиційний DSP (процесор цифрового сигналу), використовуючи мікросхеми лінійного драйвера для безпосереднього керування лазером, зменшуючи споживання енергії приблизно на 50%. Дивлячись у майбутнє, технологія CPO має на меті укомплектувати оптичні передавачі разом із комутаційною мікросхемою, фундаментально вирішуючи проблему високо-втрат електричного сигналу в трасах друкованої плати.
4.4 Прорив у тонко-плівковому ніобаті літію (TFLN)
У гонитві за вищою пропускною здатністю та меншим енергоспоживанням тонкоплівкові-модулятори на ніобаті літію стали центром досліджень. Вони пропонують чудову лінійність і високу пропускну здатність порівняно з кремнієвими фотонними модуляторами та модуляторами InP, завдяки чому вони відіграють важливу роль у передавачах наступного-покоління 1.6T/3.2T.
5. Висновок
Оптичний передавач є не лише фізичною початковою точкою оптичного зв’язку, але й «основним механізмом», що визначає пропускну здатність мережі, відстань передачі та вартість системи.
Для промислових користувачів при виборі оптичних передавачів важливо дивитися не тільки на параметр «швидкість». Комплексна оцінка повинна включати:
Сценарій застосування:З’єднання на короткі-відстані в центрах обробки даних проти -магістральних телекомунікаційних мереж на великі відстані.
Структура витрат:Рішення VCSEL підходять для широкомасштабних-додатків на короткі-відстані; EML і кремнієва фотоніка підходять для високо-сценаріїв продуктивності.
Надійність ланцюга поставок:Ємність для-високошвидкісних лазерних чіпів залишається обмеженою. Вибір виробників із незалежними можливостями дослідження та розробки чипів або стабільними ланцюгами постачання має вирішальне значення.
У зв’язку зі стрімким зростанням попиту на обчислювальну потужність штучного інтелекту галузь оптичних комунікацій переходить від традиційної моделі «оптики, що керує електрикою», до нової ери «мереж, що визначають оптику». Будучи відправною точкою оптичної мережі, кожен технологічний стрибок у оптичних передавачах визначатиме межу пропускної здатності для наступного покоління цифрової та інтелектуальної інфраструктури.
