Tänasel andme{0}}kesksel ajastul, alates 5G tugijaamadest kuni andmekeskuste ühenduste ja kõrglahutusega videoedastuseni, toetuvad kõik teabemagistraalid põhikomponendile: optilisele saatjale.
Optilise sidesüsteemi "lähtepunktina" vastutab optiline saatja elektriliste signaalide muutmise eest optilisteks signaalideks ja ühendamise eest optilisteks kiududeks. Selles artiklis käsitletakse optiliste saatjate tehnilisi põhimõtteid, põhikomponente, põhispetsifikatsioone ja tööstuse tehnoloogiasuundi aastateks 2024–2025.
1. Mis on anOptiline saatja?
Optiline saatja on elektro{0}}optiline muundusseade. Füüsilisel kihil saab selle töövoo kokku võtta kolmes etapis:
Sisestuse töötlemine:Võtab vastu elektrisignaale võrguseadmetelt (nt lülitid ja ruuterid).
Elektro{0}}optiline teisendus:Moduleerib valgusallikat (laserdiood või LED) draiveriahela kaudu, muutes elektrisignaali 0/1 bitid valgusimpulssideks, mis tähistavad sisse/välja olekuid või faasimuutusi.
Ühenduse väljund:Sisestab valgust tõhusalt optilisse kiudu (ühe{0}}režiimi või mitme-režiimiga), kasutades läätsi või otseühenduse tehnikaid.
Olenevalt rakenduse stsenaariumist on saatjad tavaliselt pakendatud ühendatavatesse optilistesse moodulitesse (nagu SFP, QSFP-DD, OSFP) või osana leviedastuskvaliteediga -optiliste videosaatjate ja optiliste kiudoptiliste analoogedastussüsteemidest.
2. Tehnoloogia põhikomponentide analüüs
Suure jõudlusega{0}}optiline saatja koosneb peamiselt järgmisest kolmest osast, mis moodustavad olulise osa tehnilistest raskustest ja kuludest:
2.1 Valgusallikas: VCSEL, FP, DFB ja EML
Valgusallikas määrab saatja lainepikkuse, võimsuse ja ülekandekauguse.
VCSEL (vertikaalne{0}}õõnsuspind-kiirgav laser):Domineerib lühikese-kauguse (100 meetri piires) mitme{2}}režiimiga rakendusi, nagu SR (lühiala) optilised moodulid andmekeskustes. Eelised hõlmavad väikest energiatarbimist, madalat kulu ja suure{4}}massiivi integreerimise lihtsust.
FP (Fabry{0}}Perot Laser):Kasutatakse varases staadiumis-lühikese-kuni-keskmise vahemaa rakendustes; praegu suure kiirusega-rakendustes DFB laserite kasuks.
DFB (hajutatud tagasiside laser):Ühemoodi{0}}edastuse tööhobune. See saavutab ühe pikisuunalise väljundi sisseehitatud-võre abil, mille tulemuseks on kitsas spektraalne joonelaius ja madal dispersioon, mis sobib metroovõrkudes ja pikamaa{5}}magistraalliinides 10–80 km kaugusele.
EML (elektro-absorptsiooniga moduleeritud laser):Praegu on 400 G/800 G kiirete magistraalvõrkude peamine valik{2}. See integreerib laseri elektro-neeldumismodulaatoriga, ületades kõrgetel sagedustel otsemoduleeritud laseritega (DML) seotud "sirpimise" efekti, toetades üksikuid lainepikkusi kiirusi 100 Gbps ja rohkem.
2.2 Juhi vooluahel
Laserdioodid nõuavad stabiilset eelpingevoolu ja modulatsioonivoolu. Kiirete{1}}saatjate draiverikiibid nõuavad suurt lineaarsust (eriti PAM4 modulatsiooni jaoks) ja madalat energiatarbimist. Kuna kiirus kasvab 112 Gbps ja isegi 224 Gbps-ni, on draiveri kiibi disainist saanud saatja jõudlust piirav kriitiline kitsaskoht.
2.3 Pakend ja optiline ühendus
Saatjate pakendamise täpsus peab jõudma alla{0}}mikronini. Ränifotoonika (Silicon Photonics) saatjate puhul kasutatakse laserkiibi integreerimiseks sageli flip-kiibi tehnoloogiat räni-põhise fotoonkiibiga, ühendades valguse lainejuhiga servaühenduse või võreühenduse kaudu.
3. Peamised tulemusnäitajad
Hindamisel või valimiseloptilised saatjad, peaksid insenerid keskenduma järgmistele põhiparameetritele.
Lainepikkus:850 nm (mitme{1}}režiim), 1310 nm (nulldispersioon), 1550 nm (väikseim kadu). CWDM- ja DWDM-tehnoloogiad kasutavad lainepikkuste jagamiseks multipleksimiseks mitut lainepikkust vahemikus 1260–1650 nm.
Väljund optiline võimsus:Tavaliselt mõõdetakse dBm-des. Pikemad edastuskaugused nõuavad suuremat väljundvõimsust, mida tuleb hoida allpool optilise kiu mittelineaarse efekti läve.
Väljasuremissuhe (ER):Loogika "1" ja loogika "0" keskmise optilise võimsuse suhe. Suurem väljasuremissuhe tagab vastuvõtja parema signaali-/-müra suhte ja madalama biti veamäära (BER).
Silmade skeem:Intuitiivne mõõdik signaali kvaliteedi jaoks. Kiir-saatja testimisel peab silmadiagramm vastama IEEE standarditele või MSA (Multi-Source Agreement) silmamaski spetsifikatsioonidele, tagades minimaalse liigse värina ja müra.
Keskmise lainepikkus ja spektrilaius:DWDM-süsteemide puhul peab saatja lainepikkus lukustuma ITU-T määratud võrku. Kitsam spektraallaius suurendab kromaatilise dispersiooni taluvust.
4. Tööstuse suundumused: areng 400 G-lt 1,6 tonnile
Ajendatuna AI mudelite koolitusest ja pilvandmetöötlusest tuleneva ribalaiuse nõudluse eksponentsiaalse kasvu tõttu,optiline saatjatehnoloogia on läbimas enneolematuid muutusi:
4.1 Ühe-lainepikkuse 200 g ajastu tulek
800G optilisi mooduleid kasutatakse praegu ulatuslikult, kasutades sisemiselt saatjaarhitektuure, nagu 8x100Gbps või 4x200Gbps. Juhtivad tööstusharu tootjad arendavad ühe-lainepikkusega 200G EML-i ja räni fotoonmodulaatoreid, sillutades teed 1,6T optiliste moodulite jaoks.
4.2 Ränifotoonika kiirendatud turustamine
Traditsioonilised diskreetsaatjad (eraldi modulaatoriga DFB) seisavad silmitsi kulude ja suure{0}}tihedusega integreerimise kitsaskohtadega. Ränifotoonika võimendab CMOS-protsesse, et integreerida modulaatorid ränisubstraadile, kombineerituna välise või hübriid--integreeritud III-V-laseriga, saavutades suure-tootlikkuse, madala-kuluga suure-fotoonilise integratsiooni.
4.3 Lineaarne draivi ühendatav optika (LPO) ja kaas{1}}pakendatud optika (CPO)
Tehisintellekti arvutuskeskuste energiatarbimise vähendamiseks on tekkimas LPO-tehnoloogia. LPO saatjad kõrvaldavad traditsioonilise DSP (digitaalsignaali protsessori), kasutades laseri otseseks juhtimiseks lineaarseid draiverikiipe, vähendades energiatarbimist ligikaudu 50%. Kaugemale tulevikku vaadates on CPO-tehnoloogia eesmärk pakendada optilised saatjad koos lülituskiibiga, lahendades põhimõtteliselt kõrge sagedusega elektrisignaali kadu PCB jälgedes.
4.4 Läbimurded õhukese-kile liitiumniobaadi (TFLN) alal
Suurema ribalaiuse ja väiksema energiatarbimise poole püüdlemisel on õhukesest{0}}liitiumniobaatmodulaatoritest saanud uurimistöö leviala. Võrreldes ränifotooniliste ja InP-modulaatoritega pakuvad need suurepärast lineaarsust ja suurt ribalaiust, mis asetab need mängima olulist rolli järgmise -põlvkonna 1,6T/3,2T saatjates.
5. Järeldus
Optiline saatja pole mitte ainult optilise side füüsiline lähtepunkt, vaid ka "tuummootor", mis määrab võrgu ribalaiuse, edastuskauguse ja süsteemi maksumuse.
Tööstuskasutajate jaoks on optiliste saatjate lahenduste valimisel oluline vaadata kaugemale ainult "kiiruse" parameetrist. Põhjalik hindamine peaks sisaldama:
Rakenduse stsenaarium:Lühi-vahemaa vastastikune ühendus andmekeskustes ja pikamaa{1}}telekommunikatsiooni magistraalvõrkude vahel.
Kulustruktuur:VCSEL-i lahendused sobivad suuremahulisteks-lühimaa{1}}rakendusteks; EML ja räni fotoonika sobivad suure jõudlusega-stsenaariumide jaoks.
Tarneahela töökindlus:Kiirete laserkiipide{0}}võimsus on endiselt väike. Väga oluline on valida tootjad, kellel on sõltumatud kiipide uurimis- ja arendustegevuse võimalused või stabiilsed tarneahelad.
Seoses nõudluse plahvatusliku kasvuga tehisintellekti arvutusvõimsuse järele on optilise side tööstus üleminekul traditsiooniliselt "elektrijuhtiva optika" mudelilt uude "võrke määratleva optika" ajastu poole. Optilise võrgu lähtepunktina määrab iga optiliste saatjate tehnoloogiline hüpe järgmise põlvkonna digitaalse ja intelligentse infrastruktuuri ribalaiuse ülemmäära.
