Mô-đun quang học được sản xuất với độ chính xác

 

 

Cơn ác mộng liên kết không ai cảnh báo bạn về

 

Việc ghép ánh sáng laser vào một sợi quang-chế độ đơn yêu cầu độ chính xác định vị khoảng ±0,5 micromet. Nửa micron. Đối với bối cảnh, một sợi tóc của con người dày khoảng 70 micromet.

Bỏ lỡ khả năng chịu đựng đó và hiệu suất khớp nối của xe tăng. Mất hiệu suất có nghĩa là dòng điện điều khiển cao hơn để bù lại, tạo ra nhiệt, làm thay đổi bước sóng, làm giảm tỷ lệ nhiễu-trên{2}}tín hiệu của bạn theo cách truyền qua toàn bộ quỹ liên kết. Các phương trình ghép lý thuyết trông rõ ràng trong sách giáo khoa. Thực tế bao gồm sáu-giai đoạn căn chỉnh trục, giám sát công suất-theo thời gian thực và quy trình xử lý chất kết dính tạo ra sự thay đổi vị trí của riêng chúng.

Tôi đã chứng kiến ​​một kỹ thuật viên dành cả buổi chiều năm 2021 để theo đuổi mức suy hao chèn 2 dB trong quá trình lắp ráp TOSA thông thường. Hóa ra thấu kính bi đã xoay nhẹ trong quá trình xử lý bằng tia cực tím - có lẽ đủ ba độ - để hướng chùm tia ra khỏi lõi sợi quang. Ba độ. Đó chính là ý nghĩa của việc kinh doanh này.

 

Căn chỉnh chủ động và thụ động

 

Ngành này đã tranh cãi về vấn đề này suốt 20 năm nhưng vẫn chưa giải quyết triệt để.

Căn chỉnh chủ động có nghĩa là cấp nguồn cho tia laser trong quá trình lắp ráp, giám sát công suất quang được ghép nối và điều chỉnh vị trí lặp đi lặp lại cho đến khi bạn bắn trúng mục tiêu. Nó hoạt động. Nó cũng chậm, đắt tiền và không có quy mô linh hoạt khi bạn đang cố gắng vận chuyển hàng triệu bộ thu phát mỗi tháng.

Căn chỉnh thụ động dựa vào các tính năng cơ học - rãnh v{1}}silicon được khắc, bệ gắn được xác định bằng thạch bản,-tự hàn chip lật-căn chỉnh - để định vị các bộ phận mà không cần bật bất cứ thứ gì. Khi nó hoạt động, thông lượng được cải thiện đáng kể. Khi dung sai chồng lên nhau một cách không thuận lợi, bạn sẽ gặp phải các vấn đề về năng suất biểu hiện dưới dạng các lô mô-đun hoạt động kém bí ẩn vượt qua các bài kiểm tra điện nhưng không đạt thông số kỹ thuật quang học.

Các phương pháp kết hợp đạt được lực kéo hiện sử dụng tính năng căn chỉnh thụ động để đạt được phạm vi vài micron, sau đó tinh chỉnh-chủ động để đạt được mức tối ưu hóa cuối cùng. Nhiều bước quy trình hơn nhưng tính kinh tế lại có tác dụng đối với các sản phẩm có hiệu suất-cao mà khách hàng thực sự quan tâm đến biên độ liên kết.

Quang tử silicon đã thay đổi một số giả định ở đây. Khi các ống dẫn sóng của bạn được xác định bằng phương pháp in thạch bản trên một tấm bán dẫn silicon và tia laser của bạn được liên kết với con chip lật- hoặc được tích hợp không đồng nhất, thì vấn đề căn chỉnh một phần sẽ chuyển thành vấn đề sản xuất chất bán dẫn. Bộ kỹ năng khác nhau. Các chế độ thất bại khác nhau.

 

 

Vấn đề biến dạng căn chỉnh do hàn-gây ra

 

Hàn laze vẫn là phương pháp nối ưa thích cho các phần đính kèm sợi quang-với-gói trong mô-đun kín. Mối hàn chắc chắn, nhanh và không thoát khí như một số chất kết dính. Vấn đề là điều gì sẽ xảy ra khi vũng hàn nguội đi.

Sự co nhiệt kéo cụm ống sắt theo các hướng phụ thuộc vào hình dạng mối hàn, đặc tính vật liệu và - đây là phần gây khó chịu - trình tự cụ thể mà bạn thực hiện nhiều mối hàn. Sự dịch chuyển sau mối hàn có thể vượt quá vài micromet nếu bạn không cẩn thận. Tổ hợp được căn chỉnh hoàn hảo của bạn sẽ bị lệch ngay khi bạn kết thúc việc nối nó.

Chiến lược bồi thường tồn tại. Một số nhà sản xuất cố tình bù đắp sự-căn chỉnh trước mối hàn của họ để tính đến sự dịch chuyển được dự đoán. Những người khác sử dụng thông số mối hàn có độ co ngót-thấp và chấp nhận thời gian chu kỳ dài hơn. Một số đã phát triển hệ thống giám sát theo thời gian thực-để đo lường sự dịch chuyển trong quá trình hàn và áp dụng các điều chỉnh khắc phục trước khi mối nối cứng lại hoàn toàn.

Không có cách tiếp cận nào trong số này là hoàn hảo. Mọi thiết kế gói mới đều yêu cầu-mô tả lại hành vi dịch chuyển.

 

Thực tế phòng sạch

 

Mô-đun quang học được lắp ráp trong các phòng sạch có phạm vi từ ISO Cấp 7 đến ISO Cấp 5 dành cho các hoạt động nhạy cảm-nhạy cảm nhất. Những con số nghe có vẻ ấn tượng cho đến khi bạn nhận ra rằng một người ngồi bất động sẽ tạo ra khoảng 100.000 hạt mỗi phút ở ngưỡng kích thước 0,3 micron.

Một hạt trên bề mặt sợi quang tạo ra một điểm nóng cục bộ khi được chiếu sáng bằng ánh sáng laser công suất cao. Theo thời gian, điểm đó sẽ cacbon hóa các chất ô nhiễm hữu cơ thành một khiếm khuyết hấp thụ vĩnh viễn làm suy giảm dần hiệu suất. Chế độ lỗi này khiến toàn bộ dây chuyền sản phẩm phải thực hiện kiểm tra bề mặt 100% trước khi lắp ráp lần cuối.

Bộ điều khiển phòng sạch tiêu chuẩn xử lý các hạt trong không khí khá tốt. Ô nhiễm phân tử là lén lút hơn. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi từ chất kết dính, dung môi tẩy rửa, thậm chí cả nhựa thoát khí có thể lắng đọng các màng vô hình trên bề mặt quang học. Những màng này đặc biệt gây hại cho các ứng dụng DUV nhưng lại gây ra các vấn đề trên các bước sóng.

Phòng sạch được kiểm soát-của AMC - ô nhiễm phân tử trong không khí được kiểm soát - đại diện cho công nghệ lắp ráp quang học có độ tin cậy cao-. Hệ thống lọc rất đắt tiền. Thiết bị giám sát đắt tiền. Danh sách nguyên liệu bị hạn chế khiến chuỗi cung ứng phải đau đầu.

Có đáng không? Tùy thuộc vào việc bạn đang vận chuyển SFP hàng hóa hay linh kiện cho các hệ thống-đủ điều kiện về không gian.

 

 

Việc bù nhiệt độ mất nhiều thời gian hơn ngân sách của bất kỳ ai

 

Công suất đầu ra và bước sóng của diode laser đều thay đổi theo nhiệt độ. Một laser DFB điển hình có bước sóng khoảng 0,1 nm/độ và yêu cầu điều chỉnh dòng điện phân cực để duy trì công suất quang không đổi trong phạm vi nhiệt độ hoạt động.

Việc bù nhiệt độ liên quan đến việc mô tả đặc tính của từng mô-đun ở nhiều điểm nhiệt độ - thường với mức tăng 5 độ hoặc 10 độ từ -40 độ đến +85 độ đối với các sản phẩm cấp-công nghiệp - và lập trình hệ số hiệu chỉnh vào MCU của mô-đun. Các hệ số điều chỉnh dòng điện phân cực và đôi khi là biên độ điều chế như là một hàm của nhiệt độ trường hợp đo được.

Điều này nghe có vẻ đơn giản cho đến khi bạn nhận ra rằng mỗi mô-đun hoạt động hơi khác nhau do các biến thể trong quá trình sản xuất trong chính tia laser, đường dẫn nhiệt từ điểm nối đến điện trở nhiệt và dung sai thành phần trong mạch điều khiển. Mô-đun cấp độ dành cho người tiêu dùng-được sản xuất hàng loạt{2}}sử dụng bảng bù chung và chấp nhận mức chênh lệch hiệu suất đạt được. Mô-đun hiệu suất cao-có được đặc tính riêng.

Một kỹ sư mà tôi biết đã dành bốn tháng để tối ưu hóa thuật toán bù nhiệt độ cho nền tảng mô-đun 400G mới. Bốn tháng mà hầu hết mọi người sẽ bỏ qua như một bước hiệu chỉnh.

 

Sự khác biệt của TOSA-ROSA ít quan trọng hơn trước đây

 

Kiến trúc bộ thu phát quang truyền thống tách biệt chức năng truyền (bộ phận quang máy phát TOSA -) khỏi chức năng nhận (bộ phận quang máy thu ROSA -). Mỗi cụm lắp ráp con được đóng gói độc lập, thử nghiệm, sau đó được tích hợp vào mô-đun PCB.

Điều này có ý nghĩa khi các mô-đun quang sử dụng các gói TO{0}}riêng biệt có thiết kế kênh đơn-đơn giản. Các mô-đun-đa kênh{4}}tốc độ cao hơn ngày càng tích hợp các chức năng truyền và nhận với nhau hoặc loại bỏ hoàn toàn việc đóng gói OSA truyền thống thông qua các phương pháp tiếp cận chip-trên-bo mạch trong đó các khuôn trần gắn trực tiếp vào đế PCB.

Việc đóng gói COB làm giảm số lượng giao diện quang học - mỗi giao diện đều có khả năng gây tổn thất - nhưng yêu cầu môi trường sản xuất sạch hơn và thiết bị lắp ráp phức tạp hơn. Xu hướng này rất rõ ràng ngay cả khi quá trình chuyển đổi chưa hoàn tất.

Bộ thu phát BiDi làm phức tạp thêm hình ảnh bằng cách sử dụng tính năng ghép kênh phân chia bước sóng- để truyền và nhận trên một sợi quang. BOSA kết hợp các chức năng TOSA và ROSA với các bộ lọc WDM tích hợp yêu cầu dung sai căn chỉnh thậm chí còn chặt chẽ hơn vì cả hai đường dẫn quang phải chạm vào cùng một lõi sợi quang.

 

Điều gì sẽ xảy ra-trong các thử nghiệm thực tế

 

Mô-đun trải qua-quá trình lão hóa ở nhiệt độ cao trước khi vận chuyển - thường từ 24 đến 168 giờ ở nhiệt độ vỏ cao khoảng 70-100 độ trong khi hoạt động ở điều kiện sai lệch bình thường.

Mục tiêu không phải là mô phỏng nhiều năm hoạt động thực địa. Nó là nguyên nhân gây ra những thất bại về tỷ lệ tử vong ở trẻ sơ sinh. Một số phần trăm thành phần chứa các khiếm khuyết tiềm ẩn - liên kết dây yếu, các mối hàn ở rìa, các mặt laser bị suy giảm nhẹ - sẽ không biểu hiện trong điều kiện bình thường nhưng nhanh chóng hỏng khi chịu áp lực tăng tốc. Tốt hơn nên tìm thấy những thứ này trong quá trình sản xuất hơn là trong mạng của khách hàng.

Ghi-vào sẽ phát hiện được các vấn đề thực sự. Mỗi dây chuyền sản xuất đều có những câu chuyện về việc phát hiện một lô linh kiện xấu do lỗi đốt cháy-trước khi các đơn vị đó được xuất xưởng. Lập luận phản bác là việc đốt cháy-tiêu tốn không gian, năng lượng và thời gian chu trình, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí sản xuất. Các mô-đun hàng hóa thường giảm-thời gian ghi hoặc bỏ qua hoàn toàn, chấp nhận tỷ lệ lỗi trường cao hơn như một cách tính toán-chi phí-thực hiện{9}}kinh doanh.

Thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ nhằm mục đích khác - phát hiện các lỗi lắp ráp thay vì các lỗi thành phần. Sự thay đổi nhiệt lặp đi lặp lại gây căng thẳng cho các mối hàn, liên kết dính và các bề mặt cơ học. Các vết nứt lan rộng. Giao diện mệt mỏi. Bất cứ điều gì cận biên đều trở thành thất bại.

 

 

Tại sao mô-đun của bạn có thể không hoạt động trong switch của người khác

 

Các vấn đề về mã hóa EEPROM gây ra nhiều khiếu nại hơn mức mà hầu hết các nhà cung cấp muốn thừa nhận.

Mô-đun quang học chứa các chip nhớ nhỏ lưu trữ dữ liệu nhận dạng, hệ số hiệu chuẩn và các thông số giám sát chẩn đoán ở các định dạng chuẩn hóa được xác định bởi thông số kỹ thuật của ủy ban SFF. Hệ thống máy chủ đọc dữ liệu này để nhận dạng mô-đun, đặt các thông số vận hành phù hợp và theo dõi tình trạng trong quá trình vận hành.

Các nhà sản xuất bộ chuyển mạch và bộ định tuyến khác nhau giải thích các thông số kỹ thuật này với mức độ nghiêm ngặt khác nhau. Mô-đun hoạt động hoàn hảo trong thiết bị của một nhà cung cấp có thể bị nhà cung cấp khác từ chối do sự khác biệt trong tính toán tổng kiểm tra, giá trị không mong muốn trong trường "dành riêng" hoặc việc thực thi ID-nhà cung cấp độc quyền.

Thị trường bộ thu phát của bên thứ ba-tồn tại phần lớn nhờ những thách thức về khả năng tương tác này. Các công ty chuyên về kỹ thuật đảo ngược các yêu cầu EEPROM cụ thể dành cho các nhà cung cấp thiết bị lớn và các mô-đun lập trình tương thích. Thuật ngữ kỹ thuật là "mã hóa". Thực tế thực tế bao gồm việc thử nghiệm khả năng tương thích rộng rãi với thiết bị thực tế của Cisco, Juniper, Arista và hàng tá thiết bị khác.

 

Độ kín so với chi phí

 

Bao bì kín - vỏ kim loại có kính-đến-con dấu kim loại và nắp được hàn - cung cấp tiêu chuẩn vàng cho độ tin cậy-lâu dài. Không có độ ẩm xâm nhập. Không có vấn đề thoát khí. Có thể dự đoán được tuổi thọ 20{8} năm trong môi trường khắc nghiệt.

Nó cũng có giá cao hơn đáng kể so với các giải pháp thay thế không{0}}kín.

Hầu hết các mô-đun quang của trung tâm dữ liệu đều sử dụng bao bì không{0}}kín với mức độ bảo vệ môi trường khác nhau. Lớp đệm epoxy, lớp phủ phù hợp, vật liệu thu hồi chọn lọc để hấp thụ độ ẩm xâm nhập. Những phương pháp tiếp cận này phù hợp với môi trường-được kiểm soát khí hậu với chu kỳ thay thế tương đối ngắn.

Thiết bị viễn thông và các ứng dụng hàng không vũ trụ nói chung vẫn yêu cầu đóng gói kín hoàn toàn. Các dạng hư hỏng do ăn mòn hoặc ô nhiễm do độ ẩm-gây ra phải mất nhiều năm để biểu hiện, đó chính xác là lý do tại sao chúng không được chấp nhận trong cơ sở hạ tầng cần vận hành không cần giám sát trong nhiều thập kỷ.

Người điều chế lithium niobate màng mỏng-đã học được điều này một cách khó khăn. Các thiết bị ban đầu có độ kín không đủ kín đã cho thấy sự suy giảm hiệu suất một cách bí ẩn khi triển khai tại hiện trường. Hóa ra hơi nước đã gây ra sự trôi dạt DC trong cấu trúc điện cực.

 

Năng suất là tất cả

 

Một thiết kế mô-đun đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật về hiệu suất nhưng chỉ mang lại 60% đơn vị tốt sẽ bị lỗ. Một thiết kế kém hơn một chút với hiệu suất 95% có thể mang lại lợi nhuận. Sự cân bằng này thúc đẩy nhiều quyết định kỹ thuật hơn bao giờ hết.

Tổn thất năng suất được tích lũy theo cấp số nhân qua các bước của quy trình. Nếu việc gắn khuôn laser của bạn mang lại hiệu suất 98%, liên kết dây của bạn mang lại hiệu suất 97%, khả năng ghép sợi của bạn mang lại 95% và khả năng sống sót của bạn-là 99%, hiệu suất tích lũy của bạn là 0,98 × 0,97 × 0,95 × 0.99=89%. Nghe có vẻ ổn cho đến khi bạn nhớ những con số đó là lạc quan và các quy trình thực tế có nhiều bước hơn.

Áp lực không ngừng về năng suất giải thích tại sao việc kiểm soát quy trình lại được coi trọng như tôn giáo trong sản xuất quang học. Biểu đồ kiểm soát quá trình thống kê. Kiểm tra vật liệu đầu vào. Các giao thức đánh giá thiết bị. Chứng nhận của người vận hành. Bất cứ điều gì làm giảm sự biến đổi đều làm giảm tổn thất năng suất.

Nó cũng giải thích tại sao các kỹ sư sản xuất lại bối rối trước những thay đổi trong thiết kế. Mọi sửa đổi đều có khả năng đặt lại đường cong học tập về năng suất của bạn.

 

Giao diện kết nối có thể bạn bỏ qua

 

Giao diện cơ học nơi sợi quang cắm vào mô-đun quan trọng hơn sự đơn giản rõ ràng của nó.

Đầu nối LC và MPO phải đạt được tiếp xúc vật lý giữa các mặt sợi được đánh bóng - hoặc các khe hở không khí được kiểm soát chính xác đối với các thiết kế tiếp xúc vật lý góc cạnh - trong khi vẫn duy trì sự căn chỉnh trong dung sai để duy trì hiệu quả ghép nối. Vỏ đầu nối, ổ cắm trên mô-đun và hình dạng kết nối đều góp phần vào việc này.

Sự mài mòn do chèn nhiều lần sẽ làm giảm chất lượng đầu nối theo thời gian. Thông số kỹ thuật của MSA xác định các yêu cầu về độ bền tối thiểu nhưng hiệu suất thực tế thay đổi tùy theo mức độ nhiễm bẩn, kỹ thuật lắp và chất lượng sản xuất của cả đầu nối và ổ cắm.

Tôi đã thấy sự cố liên kết hàng giờ trước khi cuối cùng có người làm sạch đầu nối LC và sự cố đã biến mất.

 

Những gì thực sự được vận chuyển so với những gì hội nghị hiển thị

 

Các tài liệu hội nghị chứng minh các mô-đun 1,6 Tbps với các định dạng điều chế kết hợp kỳ lạ và tích hợp quang tử đồng đóng gói. Khối lượng vận chuyển thực tế vẫn bị chi phối bởi các bộ thu phát có thể cắm 100G và 400G sử dụng kiến ​​trúc tương đối thông thường.

Khoảng cách giữa trình diễn và triển khai kéo dài khoảng 5 năm đối với hầu hết các công nghệ. Quang tử silicon thậm chí còn mất nhiều thời gian hơn. Những kết quả nghiên cứu đầu tiên xuất hiện vào đầu những năm 2000; khối lượng thương mại đáng kể đã không xuất hiện cho đến giữa những năm 2010.

Đây không phải là sự bi quan - mà là sự thật được tạo ra. Việc chuyển từ nguyên mẫu đang hoạt động sang sản xuất hàng loạt đáng tin cậy đòi hỏi phải giải quyết các vấn đề về năng suất, đánh giá nhà cung cấp, xây dựng cơ sở hạ tầng thử nghiệm và thiết lập dữ liệu về độ tin cậy tại hiện trường. Mỗi bước đều cần có thời gian.

Mô-đun quang 800G hiện đang được tăng cường. 1.6T sẽ theo sau. Các công nghệ cơ bản tồn tại. Năng lực sản xuất là thứ phải mất nhiều năm để trưởng thành.

Mô-đun bạn triển khai trong mạng của mình vào quý tới có thể đã được phát triển từ 4 năm trước và dựa trên các công nghệ thành phần cơ bản đã được chứng minh từ một thập kỷ trước đó. Nghiên cứu-tiên tiến cuối cùng sẽ trở thành kỹ thuật sản xuất nhàm chán, đó chính xác là cách hoạt động của nó.