Στη σημερινή{0}}κεντρική εποχή δεδομένων, από τους σταθμούς βάσης 5G έως τις διασυνδέσεις κέντρων δεδομένων και τη μετάδοση βίντεο υψηλής-ευκρίνειας, όλοι οι αυτοκινητόδρομοι πληροφοριών βασίζονται σε ένα βασικό στοιχείο: τον οπτικό πομπό.
Ως «σημείο εκκίνησης» ενός συστήματος οπτικής επικοινωνίας, ο οπτικός πομπός είναι υπεύθυνος για τη μετατροπή των ηλεκτρικών σημάτων σε οπτικά σήματα και τη σύζευξή τους στην οπτική ίνα. Αυτό το άρθρο εμβαθύνει στις τεχνικές αρχές, τα βασικά στοιχεία, τις βασικές προδιαγραφές και τις τάσεις της τεχνολογίας της βιομηχανίας των οπτικών πομπών για το 2024-2025.
1. Τι είναι έναΟπτικός πομπός?
Ο οπτικός πομπός είναι μια συσκευή ηλεκτρο-οπτικής μετατροπής. Στο φυσικό επίπεδο, η λειτουργική ροή εργασίας του μπορεί να συνοψιστεί σε τρία βήματα:
Επεξεργασία εισόδου:Λαμβάνει ηλεκτρικά σήματα από εξοπλισμό δικτύου (όπως διακόπτες και δρομολογητές).
Ηλεκτρο-Οπτική μετατροπή:Ρυθμίζει την πηγή φωτός (δίοδος λέιζερ ή LED) μέσω ενός κυκλώματος οδηγού, μετατρέποντας τα 0/1 bit του ηλεκτρικού σήματος σε παλμούς φωτός που αντιπροσωπεύουν καταστάσεις ενεργοποίησης/απενεργοποίησης ή αλλαγές φάσης.
Έξοδος ζεύξης:Εγχέει αποτελεσματικά το φως σε μια οπτική ίνα (μονό-λειτουργία ή πολλαπλή-λειτουργία) χρησιμοποιώντας φακούς ή τεχνικές άμεσης σύζευξης.
Ανάλογα με το σενάριο της εφαρμογής, οι πομποί συνήθως συσκευάζονται μέσα σε συνδεόμενες οπτικές μονάδες (όπως SFP, QSFP-DD, OSFP) ή ως μέρος οπτικών πομπών βίντεο ποιότητας εκπομπής{{1} και αναλογικών συστημάτων μετάδοσης οπτικών ινών.
2. Ανάλυση βασικών στοιχείων τεχνολογίας
Ένας-οπτικός πομπός υψηλής απόδοσης αποτελείται κυρίως από τα ακόλουθα τρία μέρη, τα οποία αντιπροσωπεύουν σημαντικό μέρος της τεχνικής δυσκολίας και του κόστους:
2.1 Πηγή φωτός: VCSEL, FP, DFB και EML
Η πηγή φωτός καθορίζει το μήκος κύματος, την ισχύ και την απόσταση μετάδοσης του πομπού.
VCSEL (Κάθετη-Επιφάνεια κοιλότητας-Λέιζερ που εκπέμπει):Κυριαρχεί σε εφαρμογές πολλαπλών-λειτουργιών μικρής-απόστασης (εντός 100 μέτρων), όπως οι οπτικές μονάδες SR (Μικρής εμβέλειας) εντός κέντρων δεδομένων. Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, χαμηλό κόστος και ευκολία-ενσωμάτωσης συστοιχιών μεγάλης κλίμακας.
FP (Fabry-Perot Laser):Χρησιμοποιείται για εφαρμογές πρώιμου-σταδίου μικρής-έως-μέσης απόστασης. επί του παρόντος καταργείται σταδιακά σε εφαρμογές-υψηλού ποσοστού υπέρ των λέιζερ DFB.
DFB (Distributed Feedback Laser):Το άλογο για μετάδοση μονής-λειτουργίας. Επιτυγχάνει έξοδο μονής διαμήκους λειτουργίας μέσω ενός ενσωματωμένου-πλέγματος, με αποτέλεσμα ένα στενό φασματικό εύρος γραμμής και χαμηλή ποινή διασποράς, κατάλληλο για αποστάσεις από 10 km έως 80 km σε δίκτυα μετρό και σε γραμμές κορμού μεγάλων αποστάσεων.
EML (ηλεκτρο-διαμορφωμένο λέιζερ απορρόφησης):Επί του παρόντος, η κύρια επιλογή για δίκτυα κορμού 400G/800G υψηλής-ταχύτητας. Ενσωματώνει ένα λέιζερ με έναν διαμορφωτή ηλεκτρο-απορρόφησης, ξεπερνώντας το φαινόμενο "τσιρπ" που σχετίζεται με άμεσα διαμορφωμένα λέιζερ (DML) σε υψηλές συχνότητες, υποστηρίζοντας μεμονωμένους-ρυθμούς μήκους κύματος 100 Gbps και άνω.
2.2 Κύκλωμα οδήγησης
Οι δίοδοι λέιζερ απαιτούν σταθερό ρεύμα πόλωσης και ρεύμα διαμόρφωσης. Τα τσιπ προγράμματος οδήγησης σε πομπούς υψηλής-ταχύτητας απαιτούν υψηλή γραμμικότητα (ειδικά για διαμόρφωση PAM4) και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Καθώς οι ταχύτητες αυξάνονται στα 112 Gbps και ακόμη και στα 224 Gbps, ο σχεδιασμός του τσιπ προγράμματος οδήγησης έχει γίνει ένα κρίσιμο σημείο συμφόρησης που περιορίζει την απόδοση του πομπού.
2.3 Συσκευασία και οπτικός σύνδεσμος
Η ακρίβεια συσκευασίας για τους πομπούς πρέπει να φθάσει σε επίπεδα κάτω των-μικρών. Για πομπούς φωτονικής πυριτίου (Silicon Photonics), η τεχνολογία flip-τσιπ χρησιμοποιείται συχνά για την ενσωμάτωση του τσιπ λέιζερ με το φωτονικό τσιπ με βάση το πυρίτιο{{3}, συνδέοντας το φως στον κυματοδηγό μέσω ακραίας σύζευξης ή σύζευξης πλέγματος.
3. Βασικοί δείκτες απόδοσης
Κατά την αξιολόγηση ή την επιλογήοπτικούς πομπούς, οι μηχανικοί θα πρέπει να επικεντρωθούν στις ακόλουθες βασικές παραμέτρους:
Μήκος κύματος:850nm (πολυ-λειτουργία), 1310nm (μηδενική διασπορά), 1550nm (χαμηλότερη απώλεια). Οι τεχνολογίες CWDM και DWDM χρησιμοποιούν πολλαπλά μήκη κύματος μεταξύ 1260 nm και 1650 nm για πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος.
Οπτική ισχύς εξόδου:Τυπικά μετράται σε dBm. Οι μεγαλύτερες αποστάσεις μετάδοσης απαιτούν υψηλότερη ισχύ εξόδου, η οποία πρέπει να διατηρείται κάτω από το όριο μη γραμμικής επίδρασης της οπτικής ίνας.
Αναλογία εξαφάνισης (ER):Ο λόγος της μέσης οπτικής ισχύος για τη λογική "1" προς τη λογική "0". Ένας υψηλότερος λόγος εξάλειψης έχει ως αποτέλεσμα καλύτερη αναλογία σήματος-προς-θόρυβο στον δέκτη και χαμηλότερο ρυθμό σφάλματος bit (BER).
Διάγραμμα ματιών:Μια διαισθητική μέτρηση για την ποιότητα του σήματος. Στις δοκιμές πομπού υψηλής ταχύτητας-το οφθαλμικό διάγραμμα πρέπει να συμμορφώνεται με τα πρότυπα IEEE ή τις προδιαγραφές μάσκας ματιών MSA (Multi-Σύμβασης πηγής), διασφαλίζοντας ελάχιστο υπερβολικό τρέμουλο και θόρυβο.
Κεντρικό μήκος κύματος και φασματικό πλάτος:Για συστήματα DWDM, το μήκος κύματος του πομπού πρέπει να κλειδώνει στο δίκτυο που καθορίζεται από το ITU-T. Ένα στενότερο φασματικό πλάτος ενισχύει την ανοχή στη χρωματική διασπορά.
4. Τάσεις βιομηχανίας: Εξέλιξη από 400G σε 1,6Τ
Με γνώμονα την εκθετική αύξηση της ζήτησης εύρους ζώνης από την εκπαίδευση μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης και το cloud computing,οπτικός πομπόςΗ τεχνολογία υφίσταται άνευ προηγουμένου αλλαγές:
4.1 Η έλευση της εποχής μεμονωμένου μήκους κύματος-200G
Επί του παρόντος, οι οπτικές μονάδες 800G αναπτύσσονται σε κλίμακα, χρησιμοποιώντας εσωτερικά αρχιτεκτονικές πομπών όπως 8x100Gbps ή 4x200Gbps. Κορυφαίοι κατασκευαστές του κλάδου αναπτύσσουν μονού-μηκών κύματος 200G EML και φωτονικούς διαμορφωτές πυριτίου, ανοίγοντας το δρόμο για οπτικές μονάδες 1,6Τ.
4.2 Επιταχυνόμενη εμπορευματοποίηση της φωτονικής πυριτίου
Οι παραδοσιακοί διακριτοί πομποί (DFB με ξεχωριστό διαμορφωτή) αντιμετωπίζουν σημεία συμφόρησης όσον αφορά το κόστος και την-ενσωμάτωση υψηλής πυκνότητας. Η φωτονική πυριτίου αξιοποιεί τις διεργασίες CMOS για την ενσωμάτωση διαμορφωτών σε υπόστρωμα πυριτίου, σε συνδυασμό με εξωτερικά ή υβριδικά-ενσωματωμένα λέιζερ III-V, επιτυγχάνοντας φωτονική ολοκλήρωση υψηλής-απόδοσης, χαμηλού-κόστους μεγάλης- κλίμακας.
4.3 Linear Drive Pluggable Optics (LPO) και Co{1}}packaged Optics (CPO)
Για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα υπολογιστικά κέντρα AI, αναδύεται η τεχνολογία LPO. Οι πομποί LPO εξαλείφουν τον παραδοσιακό DSP (Digital Signal Processor), χρησιμοποιώντας γραμμικά τσιπ προγράμματος οδήγησης για την άμεση οδήγηση του λέιζερ, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας κατά περίπου 50%. Κοιτάζοντας πιο μπροστά, η τεχνολογία CPO στοχεύει στη συσκευασία οπτικών πομπών μαζί με το τσιπ μεταγωγής, επιλύοντας ουσιαστικά το πρόβλημα της απώλειας ηλεκτρικού σήματος υψηλής συχνότητας σε ίχνη PCB.
4.4 Καινοτομίες στο νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης- (TFLN)
Στην επιδίωξη υψηλότερου εύρους ζώνης και χαμηλότερης κατανάλωσης ενέργειας, οι διαμορφωτές νιοβικού λιθίου λεπτής-μεμβράνης έχουν γίνει ένα ερευνητικό hotspot. Προσφέρουν ανώτερη γραμμικότητα και υψηλό εύρος ζώνης σε σύγκριση με τους διαμορφωτές φωτονικών πυριτίου και InP, τοποθετώντας τους να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στους πομπούς επόμενης-γενιάς 1.6T/3.2T.
5. Συμπέρασμα
Ο οπτικός πομπός δεν είναι μόνο το φυσικό σημείο εκκίνησης των οπτικών επικοινωνιών αλλά και ο «πυρήνας κινητήρας» που καθορίζει το εύρος ζώνης του δικτύου, την απόσταση μετάδοσης και το κόστος του συστήματος.
Για τους χρήστες του κλάδου, όταν επιλέγουν λύσεις οπτικών πομπών, είναι απαραίτητο να κοιτάξουμε πέρα από την παράμετρο "rate". Μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση θα πρέπει να περιλαμβάνει:
Σενάριο εφαρμογής:Διασύνδεση μικρής-απόστασης εντός κέντρων δεδομένων έναντι δικτύων κορμού τηλεπικοινωνιών μεγάλων αποστάσεων.
Δομή κόστους:Οι λύσεις VCSEL είναι κατάλληλες για εφαρμογές μεγάλης κλίμακας-μικρών αποστάσεων-. Η EML και η φωτονική πυριτίου είναι κατάλληλα για σενάρια υψηλής απόδοσης.
Αξιοπιστία Εφοδιαστικής Αλυσίδας:Η χωρητικότητα για-τσιπ λέιζερ υψηλής ταχύτητας παραμένει περιορισμένη. Η επιλογή κατασκευαστών με ανεξάρτητες δυνατότητες Ε&Α τσιπ ή σταθερές αλυσίδες εφοδιασμού είναι ζωτικής σημασίας.
Με την έκρηξη της ζήτησης για υπολογιστική ισχύ τεχνητής νοημοσύνης, ο κλάδος των οπτικών επικοινωνιών μεταβαίνει από το παραδοσιακό μοντέλο της «οπτικής οδήγησης ηλεκτρικής ενέργειας» σε μια νέα εποχή «δικτύων που καθορίζουν την οπτική». Ως σημείο εκκίνησης του οπτικού δικτύου, κάθε τεχνολογικό άλμα στους οπτικούς πομπούς θα ορίζει το ανώτατο όριο εύρους ζώνης για την επόμενη γενιά ψηφιακής και ευφυούς υποδομής.
