Kako deluje sprejemnik aoi?

 

 

Oddajnik-sprejemnik AOI pretvori električne signale v svetlobne impulze za prenos po kablih z optičnimi vlakni, nato pa vhodno svetlobo pretvori nazaj v električne signale. Ta dvosmerna pretvorba poteka prek dveh osnovnih podsistemov: optični pod-oddajni sklop (TOSA) uporablja lasersko diodo za ustvarjanje modulirane svetlobe, medtem ko optični pod-sklop sprejemnika (ROSA) uporablja fotodiodo za zaznavanje in pretvorbo te svetlobe nazaj v električni tok.

 

 

Proces dvojne pretvorbe

 

Oddajnik-sprejemnik AOI opravlja dve istočasni, vendar nasprotni funkciji, zato se imenujeta oddajnik-sprejemnik in ne preprosto oddajnik ali sprejemnik.

Pretvorba-električne v-optično (prenos)

Ko mora vaše omrežno stikalo poslati podatke, ustvari električne signale v obliki digitalnih impulzov, ki predstavljajo binarne podatke. TOSA sprejemno-sprejemne enote AOI sprejme te električne signale in jih napaja v vezje gonilnika laserja. To vezje naredi dve stvari: vzdržuje stalen prednapetostni tok, da ohrani laser na optimalni delovni točki, in modulira dodatni tok, ki ustreza podatkovnemu signalu.

Sama laserska dioda je tista, kjer pride do dejanske pretvorbe. V večini sodobnih sprejemnikov boste našli enega od treh vrst laserjev, odvisno od uporabe. VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) delujejo pri 850 nm in se uporabljajo za kratke razdalje pod 300 metrov, običajno v podatkovnih centrih. Za srednje razdalje do 40 km laserji Fabry-Perot (FP) zagotavljajo stroškovno-učinkovite rešitve. Laserji DFB (razdeljena povratna informacija), ki delujejo pri 1310 nm ali 1550 nm, zagotavljajo spektralno čistost, potrebno za prenos na dolge-razdalje več kot 40 km.

Tehnika modulacije se razlikuje glede na zahteve glede hitrosti in razdalje. Neposredna modulacija, kjer podatkovni signal neposredno spreminja tok vbrizgavanja laserja, dobro deluje pri hitrostih do 25 Gbps in razdaljah pod 10 km. Intenzivnost svetlobnega izhoda laserja se spreminja glede na te trenutne spremembe in ustvarja optične impulze, ki kodirajo vaše podatke. Pri višjih hitrostih ali daljših razdaljah postane potrebna zunanja modulacija - laser deluje neprekinjeno, medtem ko ločen elektro-absorpcijski modulator (EAM) ali Mach-Zehnderjev modulator manipulira s svetlobo po oddaji, s čimer se izogne ​​frekvenčnemu piskanju, ki poslabša-signale na dolge razdalje.

Optična-pretvorba v-električno (sprejem)

Na sprejemnem koncu vhodni svetlobni impulzi iz kabla iz optičnih vlaken vstopijo v ROSA sprejemnika-sprejemnika in zadenejo fotodetektor. To je običajno ali fotodioda PIN za standardne aplikacije ali lavinska fotodioda (APD) za situacije, ki zahtevajo višjo občutljivost, kot so povezave-na dolge razdalje, kjer je optični signal oslabel.

Fotodetektor izkorišča fotoelektrični učinek: ko fotoni zadenejo polprevodniški spoj, sprostijo elektrone in ustvarijo tok, ki je sorazmeren z jakostjo svetlobe. Tukaj je nekaj, kar marsikoga preseneti - fotodioda ne zazna same frekvence svetlobe (ki je okoli 193 THz za valovno dolžino 1550 nm). Namesto tega se odziva na spremembe jakosti svetlobe, ki jih povzroča modulacija. Če vanj usmerite enakomeren žarek svetlobe 1550 nm, dobite enakomeren enosmerni tok. Ko ta lučka utripa in utripa pri 10 GHz za kodiranje podatkov, dobite električni signal 10 GHz.

Električni tok, ki ga ustvari fotodioda, je izjemno šibek, pogosto se meri v mikroamperih. Transimpedančni ojačevalnik (TIA) takoj pretvori ta tok v napetostni signal in ga ojača. Po TIA dodatno vezje izvede obnovitev ure, da izvleče informacije o času in odločitvena vezja, da ugotovi, ali je vsak bit ena ali nič, in regenerira čiste digitalne signale za gostiteljsko opremo.

 

Notranja arhitektura in komponente

 

Odpiranje sprejemno-sprejemnega modula AOI razkrije presenetljivo gosto razporeditev optičnih in elektronskih komponent, ki vse delujejo znotraj strogih toleranc.

Podrobna struktura TOSA

Optični podsklop-oddajnika vsebuje več kot le laser. Temperatura bistveno vpliva na delovanje laserja - izhodna moč se lahko razlikuje za 50 % ali več v območju delovanja 70 stopinj. Za boj proti temu TOSA vključuje termistor za spremljanje temperature in pogosto termoelektrični hladilnik (TEC) v visoko-zmogljivih modulih. Ti delujejo s vezji za avtomatsko krmiljenje moči (APC), ki prilagodijo pogonski tok za vzdrževanje doslednega optičnega izhoda.

Za laserjem je nameščena fotodioda monitorja, ki zajame majhen del oddane svetlobe skozi zadnjo stran. Ta povratna informacija omogoča vezju APC, da v realnem-času kompenzira staranje laserja in temperaturni odmik. Brez tega spremljanja bi se lahko izhodna moč v življenjski dobi modula znatno zmanjšala.

Optični izolatorji se pojavljajo v številnih izvedbah, da preprečijo, da bi povratni-odboji ponovno-vstopili v lasersko votlino, kar bi povzročilo nestabilnost in hrup. Svetloba laserja se spaja v vlakno prek natančno-poravnanih leč ali neposredne-sklopke, odvisno od zasnove. Vsak delček decibela izgube pri povezovanju je pomemben, ko poskušate poslati signale 80 km ali več.

Razčlenitev komponente ROSA

Sprejemna stran se sooča z različnimi izzivi. Fotodioda mora pretvarjati izredno šibke optične signale - včasih le nekaj mikrovatov - v uporabne električne signale, pri tem pa ohranja nizek šum. Optični vmesnik za sprejem vlakna uporablja bodisi priključek LC (najpogostejši) ali druge standardne vrste priključkov.

Ohišje ščiti občutljivo elektroniko pred elektromagnetnimi motnjami, hkrati pa zagotavlja toplotno upravljanje. Za razliko od TOSA ROSA običajno ne potrebuje aktivnega hlajenja, vendar je toplotna zasnova še vedno pomembna, ker temni tok fotodiode (nezaželen tok, ko ni prisotne svetlobe) narašča s temperaturo, zvišuje raven hrupa in zmanjšuje občutljivost.

V nekaterih izvedbah oddajnikov, zlasti dvosmernih (BiDi) modulov, filter za multipleksiranje valovne dolžine (WDM) razdeli optično pot. To omogoča, da ista vlakna prenaša oddane in prejete signale na različnih valovnih dolžinah - običajno 1310 nm v eno smer in 1490 nm ali 1550 nm v drugo.

Plast elektronskega nadzora

Poleg optičnih komponent vsak oddajnik-sprejemnik AOI vsebuje sklop tiskanega vezja (PCBA), ki gosti električne vmesniške čipe, regulatorje napetosti in digitalne diagnostične funkcije. Sodobni oddajniki-sprejemniki uporabljajo digitalno diagnostično spremljanje (DDM), kot je določeno v standardu SFF-8472, ki zagotavlja-telemetrijo v realnem času prek dvožilnega vmesnika I2C.

Omrežni skrbniki lahko poizvedujejo po temperaturi, napajalni napetosti, prednapetostnem toku laserja, oddani in prejeti optični moči brez specializirane testne opreme. Ta zmožnost je preoblikovala odpravljanje težav z omrežjem - lahko prepoznate okvarjen laser ali umazan konektor, preden povzroči izpad.

 

 

Modulacija in kodiranje signala

 

Način kodiranja podatkov v svetlobne impulze se je precej razvil z naraščajočimi zahtevami glede hitrosti.

Modulacija brez-vrnitve-na-nič (NRZ)

Tradicionalni oddajniki-sprejemniki do 100 Gbps uporabljajo predvsem NRZ-OOK (On-Off Keying). Laser je vklopljen (predstavlja binarno 1) ali izklopljen (predstavlja 0), brez vrnitve na nevtralno raven med biti. To je preprosto in učinkovito, a ko se hitrost dvigne proti 100 Gbps na eni valovni dolžini, postanejo zahteve glede električne in optične pasovne širine zahtevne.

Ekstinkcijsko razmerje meri, kako popolnoma se laser izklopi med nič bitov v primerjavi z njegovo-vklopljeno močjo. Ekstinkcijsko razmerje 100:1 (20 dB) pomeni, da laser oddaja 1 % svoje konične moči, ko je "izklopljen". Boljša razmerja ugasnitve izboljšajo kakovost signala, vendar zahtevajo bolj sofisticirano zasnovo laserskega gonilnika.

PAM4 in napredna modulacija

Pri 200 Gbps in več je industrija sprejela PAM4 (4-nivojska amplitudna modulacija impulza). Namesto dveh nivojev intenzivnosti, ki predstavljata en bit, PAM4 uporablja štiri nivoje, ki predstavljajo dva bita na simbol. To podvoji hitrost prenosa podatkov, ne da bi podvojila zahtevano pasovno širino, čeprav se spremeni razmerje med signalom-in-šumom – vsaka raven je bližje skupaj, zaradi česar je odkrivanje zahtevnejše.

Koherentni optični sprejemniki, ki se uporabljajo v-omrežjih na dolge razdalje, uporabljajo še bolj sofisticirane sheme. Modulirajo tako amplitudo kot fazo svetlobe s pomočjo QPSK (kvadraturne fazne premike) ali višje{2}}QAM (kvadraturne amplitudne modulacije). Ti sistemi zahtevajo specializirane koherentne sprejemnike z laserji lokalnega oscilatorja in zapleteno digitalno obdelavo signalov, vendar lahko dosežejo 400 Gbps ali več na eni valovni dolžini.

 

Izbira valovne dolžine in združljivost vlaken

 

Različne valovne dolžine služijo različnim namenom v optičnih komunikacijah, zato se zasnova oddajnika/sprejemnika ustrezno razlikuje.

Večmodni sistemi vlaken (850nm)

Aplikacije kratkega{0}} dosega znotraj ene zgradbe ali kampusa podatkovnega centra običajno uporabljajo večmodna vlakna z 850 nm VCSEL oddajniki. Večmodno vlakno ima večje jedro (50 ali 62,5 mikronov), ki omogoča hkratno širjenje več svetlobnih poti ali "modov". To olajša spajanje in zmanjša stroške, vendar modalna disperzija omejuje razdaljo - različni načini potujejo z nekoliko različnimi hitrostmi, kar povzroča širjenje impulza. Vlakno OM3 podpira 10 Gbps do 300 metrov, medtem ko OM4 to razširi na 400 metrov, OM5 pa dodatno optimizira za vzporedni prenos.

Sistemi eno-optičnih vlaken (1310 nm in 1550 nm)

Prenos-na dolge razdalje zahteva eno-načinsko vlakno z veliko manjšim jedrom (9 mikronov), ki omejuje svetlobo na en sam način širjenja. To odpravlja modalno razpršenost in omogoča veliko večje razdalje. Valovna dolžina 1310 nm je v oknu nizke-disperzije standardnega eno-modnega vlakna, medtem ko 1550 nm zavzema najnižje okno dušenja (približno 0,2 dB/km v primerjavi z 0,35 dB/km pri 1310 nm).

Za razpone nad 80 km postane kompenzacija disperzije potrebna celo pri 1550 nm. Napredne zasnove sprejemnikov in oddajnikov uporabljajo zunanjo modulacijo in včasih nastavljive laserje za natančen nadzor optičnega spektra.

Natančnost valovne dolžine DWDM

Oddajniki-sprejemniki DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) ustvarjajo svetlobo na zelo specifičnih valovnih dolžinah, ki jih določa mreža ITU-T, običajno na razdalji 50 GHz ali 100 GHz (kar ustreza približno 0,4 nm ali 0,8 nm razmiku blizu 1550 nm). Sam laser DFB ni dovolj stabilen za DWDM - ti oddajniki-sprejemniki vključujejo nadzor temperature do ±0,1 stopinje ali bolje, pri čemer ohranjajo natančnost valovne dolžine do ±0,02 nm v območju delovne temperature.

 

Faktorji oblike in razvoj

 

Fizično pakiranje sprejemnikov in oddajnikov se je razvilo tako, da omogoča višje hitrosti, hkrati pa ohranja ali zmanjšuje velikost.

SFP in SFP+ (do 16 Gbps)

Standard Small Form{0}}Factor Pluggable (SFP) se je pojavil v zgodnjih 2000-ih in je ponujal kompaktno, vročo{2}}zamenljivo zasnovo, približno polovico manjšo od prejšnjih modulov GBIC. SFP upravlja s hitrostjo 1 Gbps, medtem ko je SFP+ razširil električni vmesnik za podporo 10 Gbps. Ti moduli merijo 13,4 mm × 8,5 mm × 56 mm, dovolj majhni, da lahko stikala zapakirajo 48 vrat v eno samo omaro.

QSFP28 in QSFP-DD (100–400 Gbps)

Format Quad SFP (QSFP) združuje štiri kanale v en modul. QSFP28 uporablja štiri pasove 25 Gbps (pogosto z NRZ), da doseže skupno 100 Gbps. QSFP-DD (Double Density) to podvoji z osmimi pasovi in ​​doseže 400 Gbps z uporabo signalizacije PAM4 pri 50 Gbps na pas. Zasnova DD ohranja enako širino kot QSFP28, vendar uporablja višji priključek z dodatnimi električnimi kontakti.

OSFP in prihodnji formati

Medtem ko se industrija približuje 800 Gbps in 1,6 Tbps, format Octal SFP (OSFP) zagotavlja osem pasov z boljšo toplotno zasnovo kot QSFP-DD, kar je kritično, ko moduli razpršijo 12-15 vatov. Nekateri prodajalci so razvili QSFP112 za 400 Gbps prek štirih pasov 100 Gbps, čeprav je standardizacija formata pri teh hitrostih še vedno sporna.

Vsak faktor oblike ne določa samo fizičnih dimenzij, ampak tudi električne specifikacije, toplotne omejitve in protokole vmesnika za upravljanje, kar zagotavlja interoperabilnost med prodajalci.

 

Proračuni moči in oblikovanje povezav

 

Uspešno uvajanje oddajnikov-sprejemnikov AOI zahteva razumevanje proračunov za moč - aritmetiko povečanj in izgub signala prek povezave.

Izhodna moč oddajnika-sprejemnika se običajno giblje od -2 dBm (0,63 mW) za module kratkega-dosega do +4 dBm (2,5 mW) za-zasnove z razširjenim dosegom. Občutljivost sprejemnika je lahko -14 dBm za 10 Gbps ER aplikacije ali -25 dBm za zelo občutljive sprejemnike na dolge razdalje. Razlika med tema vrednostma je vaš proračun moči.

Slabljenje vlaken porabi večino tega proračuna - 0.3 dB/km pri 1310 nm ali 0,2 dB/km pri 1550 nm za standardna eno-načinovna vlakna. Izgube v konektorju dodajo 0,3–0,5 dB na vsakem, izgube v spojih prispevajo 0,05–0,1 dB in vključiti morate 3–6 dB sistemske rezerve za staranje, popravilo spojev in nepričakovane izgube.

Za 40 km povezavo pri 1310 nm: 0,3 dB/km × 40 km=12 dB izgube vlaken, plus štirje konektorji (2 dB), en srednje-spoj (0,1 dB) in 3 dB marže=17.1 dB skupne izgube poti. Če vaš oddajnik oddaja 0 dBm in vaš sprejemnik potrebuje -18 dBm, imate na voljo proračun za 18 dB – komaj zadosten.

Ta aritmetika pojasnjuje, zakaj sistemi za dolge-razdalje uporabljajo 1550nm (manjše dušenje) in visoko{2}}zmogljive oddajnike, pogosto z optičnimi ojačevalniki za razdalje nad 80 km.

 

Nastajajoče tehnologije in prihodnje smeri

 

Industrija oddajnikov in oddajnikov AOI nadaljuje s hitrim razvojem, ki ga poganjajo zahteve podatkovnih centrov v hiperrazsežnosti in izgradnja telekomunikacij.

Integracija silicijeve fotonike obljublja zmanjšanje proizvodnih stroškov z izkoriščanjem polprevodniške tovarniške infrastrukture. Namesto ločenih sklopov TOSA in ROSA silicijevi fotonski oddajniki-sprejemniki integrirajo laserske vire, modulatorje in detektorje na silicijevih čipih, čeprav polprevodniški materiali III-V še vedno zagotavljajo najboljšo lasersko zmogljivost, kar zahteva hibridne integracijske pristope.

Ko-zapakirana optika (CPO) premakne oddajnike-sprejemnike s prednje plošče neposredno na silikonska ohišja stikala, s čimer zmanjša porabo energije in zakasnitev, hkrati pa znatno poveča gostoto vrat stikala. Zgodnje predstavitve CPO dosegajo 51,2 Tbps na stikalo ASIC z odpravo električnih omejitev moči in razdalje SerDes.

Vtični-optika z linearnim{0}}pogonom (LPO) poenostavlja električni vmesnik z odstranitvijo vezja za ponovno časovno uravnavanje in prenaša signale neposredno med gostiteljem in optiko z linearnimi gonilniki. To zmanjša porabo energije za 40-50 % v primerjavi z moduli s ponovnim časovnim preklopom, čeprav zahteva kakovostnejše zasnove PCB in nalaga omejitve dosega.

Laserji s kvantnimi pikami obljubljajo temperaturno{0}}neobčutljivo delovanje brez termoelektričnih hladilnikov, kar zmanjšuje moč in stroške modulov. Zgodnje različice kažejo stabilno delovanje od -40 stopinj do +95 stopinj z minimalnim premikom valovne dolžine.

 

Pogosto zastavljena vprašanja

 

Kakšna je razlika med oddajniki-sprejemniki AOI in drugimi znamkami?

AOI (Applied Optoelectronics Inc.) proizvaja optične sprejemnike in komponente, vendar so temeljna načela delovanja enaka pri vseh prodajalcih. Fizični mehanizem fotoelektrične pretvorbe se ne spreminja glede na proizvajalca. Blagovne znamke se razlikujejo po kakovosti izdelave, specifikacijah temperaturnega območja, energetski učinkovitosti in ocenah zanesljivosti. Sporazumi z več- viri (MSA) zagotavljajo, da skladni oddajniki-sprejemniki različnih prodajalcev delujejo izmenično v isti reži za opremo.

Ali vidite svetlobo, ki prihaja iz oddajnika-sprejemnika z optičnimi vlakni?

Nobena - večina oddajnikov ne deluje na infrardečih valovnih dolžinah (850 nm, 1310 nm ali 1550 nm), ki so nevidne človeškim očem. Celo 850nm VCSEL svetloba je v najboljšem primeru šibko rdeča. Nikoli ne glejte neposredno v aktivna optična vlakna ali vrata oddajnika; medtem ko so ravni moči nizke (običajno 1-3 milivatov), ​​je žarek močno kolitiran in fokusiran, kar lahko povzroči trajno poškodbo mrežnice. Iz tega razloga obstajajo laserski varnostni predpisi razreda 1M.

Zakaj imajo nekateri sprejemniki dve vlakni, drugi pa eno?

Tradicionalni oddajniki-sprejemniki uporabljajo dve vlakni - eno za oddajanje, drugo za sprejem -, ki delujeta na isti valovni dolžini v nasprotnih smereh. Dvosmerni (BiDi) oddajniki-sprejemniki uporabljajo eno samo vlakno s filtrom WDM, ki ločuje dve različni valovni dolžini: eno za navzgor in eno za navzdol. BiDi dizajni prihranijo optična vlakna, vendar stanejo nekoliko več zaradi komponent WDM. Sistemi CWDM in DWDM multipleksirajo številne valovne dolžine na en par vlaken z uporabo zunanjih multiplekserjev.

Kako dolgo običajno zdržijo optični sprejemniki?

Laserska degradacija je glavni omejevalnik življenjske dobe. Večina sprejemnikov in oddajnikov določa 100.000 do 200.000 ur srednjega časa med napakami (MTBF) pri delovni temperaturi 25 stopinj. V praksi moduli pogosto delujejo 5-10 let pred odpovedjo, pri čemer višje temperature pospešijo staranje. Tokokrogi za samodejno krmiljenje moči kompenzirajo postopno degradacijo laserja s povečanjem pogonskega toka, vendar sčasoma dosežejo največji tok in ne morejo več vzdrževati določene izhodne moči. Pravilno hlajenje znatno podaljša življenjsko dobo oddajnika.

 

Ključne tehnične specifikacije, ki jih je treba razumeti

 

Pri izbiri sprejemnikov in oddajnikov več specifikacij neposredno vpliva na zmogljivost:

Specifikacije oddajnika:Izhodna moč (dBm), spektralna širina (nm), ekstinkcijsko razmerje (dB) in stransko-razmerje dušenja (dB za laserje DFB) določajo kakovost in doseg signala. Toleranca sredinske valovne dolžine postane kritična za aplikacije DWDM.

Specifikacije sprejemnika:Občutljivost (dBm) določa najmanjšo optično moč, potrebno za določeno stopnjo bitnih napak (običajno 10^-12). Moč nasičenosti označuje največjo vhodno moč pred poškodbo ali čezmernim popačenjem. Specifikacija optične povratne izgube je pomembna za preprečevanje odbojev, ki destabilizirajo laserje.

Električni vmesnik:Diferencialna impedanca (običajno 100 ohmov), nihanje izhodne napetosti in specifikacije tresenja se morajo ujemati z zahtevami gostiteljske opreme. SFP uporablja signalizacijo LVPECL, QSFP28 uporablja NRZ pri 25,78 Gbps, medtem ko QSFP-DD običajno izvaja PAM4 pri 53,125 Gbaud.

Okoljske ocene:Ocene komercialne temperature (0 stopinj do 70 stopinj), razširjene temperature (-5 stopinj do 85 stopinj) in industrijske temperature (-40 stopinj do 85 stopinj) kažejo, kakšno toplotno upravljanje zahteva modul. Disipacija moči v vatih vpliva na zahteve po hlajenju - moduli QSFP-DD lahko presežejo 12 W.

Digitalna diagnostika:Mejne vrednosti alarma in opozorila za temperaturo, napetost, prednapetostni tok, moč TX in moč RX omogočajo proaktivno spremljanje. Specifikacije natančnosti (običajno ±3 dB za optično moč) so pomembne pri odpravljanju težav z robnimi povezavami.

Razumevanje teh parametrov omogoča informirano izbiro oddajnika-sprejemnika in učinkovito odpravljanje težav, ko povezave delujejo premalo ali ne uspejo.