Mae modiwlau traws-dderbynnydd optegol sengl-modd-ffibr-yn gweithredu drwy dechnoleg laser

 

 

Mae modylau traws-dderbynnydd optegol ffibr sengl yn defnyddio deuodau laser lled-ddargludyddion i drawsnewid signalau trydanol yn drawstiau golau â ffocws manwl gywir sy'n ymledu trwy greiddiau ffibr micro 9 cul. Mae'r modiwlau hyn yn dibynnu ar dechnoleg laser yn hytrach na LEDs oherwydd dim ond laserau sy'n gallu cynhyrchu'r golau tonfedd cydlynol, cul sy'n angenrheidiol ar gyfer trosglwyddo data pellter hir, cyflym dros ffibr un modd.

 

 

Egwyddor Weithredol Graidd: Trosi Ffotodrydanol

 

Mae trosglwyddyddion optegol yn gweithredu trwy ddwy broses gydamserol sydd wedi'u lleoli mewn modiwl cryno. Mae'r is-gynulliad optegol trawsyrru (TOSA) yn cynnwys y deuod laser sy'n trosi signalau trydanol yn olau, tra bod is-gynulliad optegol y derbynnydd (ROSA) yn gartref i'r ffotodiod sy'n trosi golau sy'n dod i mewn yn signalau trydanol.

Mae'r deuod laser yn gweithredu trwy ffiseg lled-ddargludyddion. Pan fydd cerrynt trydanol yn uwch na lefel trothwy, mae electronau yn y deunydd lled-ddargludyddion yn rhyddhau ffotonau trwy allyriadau ysgogol. Mae'r laser angen cerrynt gogwydd DC ychydig yn fwy na'r cerrynt trothwy i allyrru golau, gyda dim ond ceryntau sy'n uwch na'r trothwy hwn yn cynhyrchu allbwn laser. Mae'r union reolaeth hon yn galluogi'r modiwleiddio cyflym sydd ei angen i amgodio data digidol fel curiadau golau.

 

Pam Mae Laserau yn Hanfodol ar gyfer Trosglwyddo Modd Sengl

 

Mae angen technoleg laser ar fodiwlau trosglwyddydd optegol un modd-modd sengl-ffibr-gan fod gan ffibr modd sengl ddiamedr craidd 9-micron cul sy'n caniatáu dim ond un modd o olau i ymledu. Mae hyn yn gofyn am drosglwyddyddion gyda laserau yn gweithredu ar donfeddi hirach gyda maint sbot llai a lled sbectrol culach. Ni all ffynonellau LED a ddefnyddir mewn transceivers amlfodd gyflawni'r manwl gywirdeb hwn.

Mae trosglwyddyddion modd sengl yn nodweddiadol yn defnyddio mathau laser FP (Fabry-Perot), DFB (Adborth wedi'i Ddosbarthu), neu EML (Laser wedi'i Fodwleiddio'n Allanol), gan weithredu'n bennaf ar donfeddi 1310nm neu 1550nm. Dewiswyd y tonfeddi hyn oherwydd bod gwanhau ffibr optig yn cyrraedd lefelau gofynnol ar y pwyntiau penodol hyn yn y sbectrwm isgoch.

Mae pelydr allbwn cydlynol y laser yn cyfateb i gyfyngiadau ffisegol cyplu ffibr un modd. Mae effeithlonrwydd cyplu rhwng ffibrau modd sengl a deuodau laser yn dibynnu ar optimeiddio strwythur optegol a pharamedrau cyplu, gyda ffactorau'n cynnwys tonfedd laser, radiws gwasg y trawst, cyfluniad lens, a goddefiannau aliniad manwl gywir.

 

Mathau o Laser a Pellter Trosglwyddo

 

Mae gwahanol dechnolegau laser yn gwasanaethu gofynion trosglwyddo gwahanol:

Laserau Fabry-Perot (FP).: Mae'r laserau ceudod sylfaenol hyn yn gweithio'n dda ar gyfer cymwysiadau modd sengl byrrach hyd at 40km. Mae laser FP 1310nm nodweddiadol yn trosi signalau trydanol rhesymeg cypledig ffug-allyrrwr (PECL) yn olau trwy gylched gyrrwr yn adran y trosglwyddydd.

Laserau Adborth wedi'i Ddosbarthu (DFB).: Mae laserau DFB yn darparu tonfedd sefydlog a linewidth cul, gan leihau colled signal ac ymyrraeth dros geblau ffibr optig hir, gan eu gwneud yn ddelfrydol ar gyfer cymwysiadau trawsyrru pellter hir. Mae'r laserau hyn yn dominyddu rhwydweithiau metro a-haul hir sy'n gweithredu y tu hwnt i 40km.

Laserau wedi'u Modiwleiddio'n Allanol (EML): Ar gyfer cymwysiadau cyrhaeddiad hir iawn sy'n ymestyn i 80km neu fwy, mae technoleg EML yn gwahanu'r cynhyrchiad golau oddi wrth fodiwleiddio signal, gan leihau chirp a galluogi trawsyrru pŵer uwch gyda diraddiad signal is.

 

Yr Her Cyplu Ffibr

 

Mae trosglwyddo golau laser i graidd ffibr 9-micron yn cyflwyno heriau peirianneg sylweddol. Wrth i gyflymder rhwydwaith gynyddu ac wrth i ardaloedd gweithredol ffotodiode grebachu, mae cyplu yn dod yn fwy heriol gan fod gan ffotodiode 30GHz ddiamedr gweithredol o ddim ond 20 micron, sy'n gofyn am ganolbwyntio hynod dynn ar y trawst optegol.

Mae effeithlonrwydd cyplu nodweddiadol ar gyfer deuodau laser i mewn-ffibrau modd sengl yn cyrraedd tua 40% ar gyfer siapiau pelydr eliptig, gyda ffynonellau chwyddedig ffibr yn cyflawni effeithlonrwydd o 60% yn yr ystod isgoch gweladwy ac agos. Mae'r broses gyplu yn defnyddio opteg fanwl rhwng y laser a'r ffibr i siapio'r proffil trawst a gwneud y mwyaf o drosglwyddo pŵer.

Mae'r goddefiannau aliniad yn hynod o dynn. Mae ffactorau allanol sy'n effeithio ar gyplu yn cynnwys gwall aliniad ochrol, gwall aliniad hydredol, a gwall aliniad ongl cylchdro, y mae'n rhaid rheoli pob un ohonynt yn ystod gweithgynhyrchu. Mae systemau alinio awtomataidd modern yn defnyddio adborth gweithredol i wneud y gorau o gyplu yn ystod y gwasanaeth.

 

Dethol Tonfedd a Thechnoleg WDM

 

Mae modiwlau -modd -ffibr sengl-cyplysu traws-dderbynnydd optegol yn optimeiddio ar gyfer tonfeddi 1310nm a 1550nm, gyda throsglwyddyddion adeiledig manwl gywir sy'n galluogi graddiadau tonfedd manylach o fewn y ffenestri hyn trwy gynlluniau CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing (MultiplexD Division) a DWmgth Division).

Mae trawsdderbynyddion deugyfeiriadol (BiDi) yn manteisio ar wahaniad tonfeddi i alluogi cyfathrebu deublyg llawn dros un edefyn ffibr. Mae dyfais 1000BASE-BX10-D yn trawsyrru ar 1490nm tra'n derbyn ar 1310nm, wedi'i pharu â dyfais 1000BASE-BX10-U sy'n trawsyrru ar 1310nm ac yn derbyn ar 1490nm, gyda llwybrydd hollti WDM integredig yn gwahanu'r tonfedd.

 

Rheoli Pŵer a Sefydlogrwydd

 

Mae angen rheolaeth weithredol ar bŵer allbwn laser. Mae llawer o ddyluniadau'n ymgorffori ffotodiod monitor sy'n samplu'r allbwn laser ac yn bwydo'n ôl i gylchedau rheoli sy'n mesur pŵer allbwn gwirioneddol, gan sefydlogi'r laser er gwaethaf newidiadau tymheredd ac effeithiau heneiddio.

Mae allbwn laser yn hynod sensitif i dymheredd, gyda'r pŵer allbwn mwyaf yn cynyddu'n llinol wrth i'r tymheredd ostwng, tra bod tonfedd allbwn yn symud gyda newidiadau tymheredd. Mae transceivers masnachol fel arfer yn cynnwys oeryddion thermodrydanol (TECs) a chylchedau rheoli tymheredd awtomatig (ATC) i gynnal gweithrediad sefydlog ar draws ystodau 0 gradd i 70 gradd, gyda fersiynau diwydiannol yn ymestyn i -40 gradd i 85 gradd.

 

 

Ochr y Derbynnydd: Technoleg Photodiode

 

Tra bod y trosglwyddydd yn defnyddio technoleg laser, mae'r derbynnydd yn defnyddio technoleg ffotodiode ar gyfer trosi gwrthdro. Mae ffotodiodau PIN yn trosi ffotonau golau yn uniongyrchol i gerrynt trydanol ar gyfer cymwysiadau sensitifrwydd canolig, tra bod ffotodiodau eirlithriad (APD) yn chwyddo'r signal trydanol mewnol ar gyfer mwy o sensitifrwydd mewn amgylcheddau pellter hirach neu gryfder signal is.

Mae deunyddiau ffotodiode cyffredin yn cynnwys silicon (Si), germanium (Ge), ac indium gallium arsenide (InGaAs), gyda phob un yn darparu'r perfformiad gorau posibl ar wahanol fandiau tonfedd. Ar gyfer cymwysiadau modd sengl ar 1310nm a 1550nm, mae ffotodiodes InGaAs yn dominyddu oherwydd eu hymatebolrwydd cryf a cherrynt tywyll isel yn yr ystod donfedd hon.

 

Integreiddio a Ffactorau Ffurf

 

Mae trosglwyddyddion modern yn integreiddio ffynonellau laser, yn rheoli electroneg, ac yn cyplu opteg i fodiwlau poeth safonol y gellir eu plygio. Cyrhaeddodd y farchnad transceiver optegol $13.6 biliwn yn 2024 a disgwylir iddi dyfu i $25.0 biliwn erbyn 2029, wedi'i gyrru gan ddefnydd 5G, galw cyfrifiadura cwmwl, ac ehangu canolfannau data.

Esblygodd ffactorau ffurf o fodiwlau GBIC mwy i fformatau cryno SFP, SFP+, QSFP28, a QSFP-DD. Mae pob cenhedlaeth yn pacio mwy o ymarferoldeb i fannau llai tra'n cefnogi cyfraddau data uwch. Mae trosglwyddyddion QSFP yn cefnogi hyd at gysylltiadau 400G trwy sianeli laser cyfochrog lluosog, gyda'r farchnad yn symud tuag at fodiwlau cyflymder uwch wrth i ofynion lled band gynyddu.

 

Manteision Perfformiad

 

Mae modiwlau -modd-ffibr-cypledig sengl-yn darparu buddion lluosog ar gyfer-cymwysiadau pellter hir drwy eu dull seiliedig ar laser-:

Cyrhaeddiad Estynedig: Yn gyffredinol, mae'r modiwlau hyn yn cyrraedd tua 10km, 40km, 80km a hyd yn oed ymhellach, tra bod trosglwyddyddion optegol amlfodd fel arfer yn rhychwantu dim ond 550 metr. Mae'r gwahaniaeth dramatig hwn yn deillio o'r allbwn laser cydlynol a llai o wasgariad mewn ffibr modd sengl.

Lled Band Uwch: Mae ffibr modd sengl wedi'i baru â ffynonellau laser yn cefnogi lled band bron yn ddiderfyn yn ddamcaniaethol, gan mai dim ond un modd golau sy'n lluosogi. Mae hyn yn galluogi graddio o 1Gbps i 100Gbps a thu hwnt ar yr un seilwaith ffibr.

Colled Is: Mae gwanhau ffibr optig yn sylweddol is ar donfeddi 1310nm a 1550nm a ddefnyddir gan laserau modd sengl. Mae'r golled lai hon fesul cilomedr yn galluogi rhychwantau hirach heb eu mwyhau.

Diffodd{0}}Masnach Ddylunio

Mae'r angen am aliniad manylder uwch a goddefiannau cysylltwyr tynnach i ddiamedrau craidd llai yn arwain at gostau sylweddol uwch ar gyfer modiwlau traws-dderbynnydd optegol ffibr sengl o'u cymharu â dewisiadau amlfodd. Mae ffynonellau laser yn costio mwy na LEDs, ac mae angen mwy o fanylder ar yr opteg cyplu.

Mae trosglwyddyddion modd sengl hefyd yn defnyddio mwy o bŵer na throsglwyddyddion amlfodd, sy'n ystyriaeth bwysig ar gyfer costau pŵer ac oeri canolfan ddata. Mae'r gyrwyr laser, systemau rheoli tymheredd, a phŵer allbwn uwch i gyd yn cyfrannu at fwy o dynnu pŵer.

Fodd bynnag, ar gyfer cymwysiadau sy'n gofyn am bellteroedd y tu hwnt i 500-600 metr neu brawf ar gyfer twf lled band yn y dyfodol, mae technoleg modd sengl yn dod yn gost-effeithiol er gwaethaf prisiau modiwlau cychwynnol uwch. Mae'r arbedion cost seilwaith ffibr a'r uchdwr perfformiad yn aml yn cyfiawnhau'r premiwm trosglwyddydd.

 

Materion Gweithredol Cyffredin

 

Mae methiannau transceiver optegol yn aml yn amlygu fel datgysylltiadau porthladd, dangosyddion dyfeisiau annormal, neu broblemau cydnawsedd lle mae offer yn arddangos rhybuddion modiwl anhysbys. Mae'r gwiriad mwyaf hanfodol yn cynnwys paru tonfedd modiwl â math o ffibr.

Mae cysylltu trosglwyddyddion amlfodd â ffeibr modd sengl yn creu problemau difrifol, gan mai dim ond ffracsiwn o allbwn y LED sy'n cyplau i'r craidd micron 9- cul, gan arwain at gysylltiadau annibynadwy a hynod fyr. Gall y cyfluniad cefn (laser un modd i mewn i ffibr amlfodd) weithio gyda cheblau cyflyru modd ond ni chaiff ei argymell.

Wrth ddatrys problemau methiannau trosglwyddo, gwiriwch fod tonfeddi a phellteroedd trosglwyddo yn cyfateb ar y ddau ben, gwiriwch lefelau pŵer optegol gyda mesurydd pŵer i sicrhau eu bod yn dod o fewn yr ystodau arferol, ac archwiliwch baramedrau DDM (Monitro Diagnosteg Digidol) ar gyfer amodau larwm.

 

Tueddiadau'r Farchnad a Datblygiad yn y Dyfodol

 

Mae'r farchnad trawsyrru optegol yn profi twf cyflym sy'n cael ei yrru gan ddefnydd rhwydwaith 5G, galw am seilwaith AI, ehangu cyfrifiadura cwmwl, a'r trawsnewid i gyfraddau data 400G ac 800G mewn canolfannau data.

Mae heriau allweddol yn cynnwys costau uchel trosglwyddyddion uwch, rheolaeth thermol ar gyflymder uwch, a chymhlethdod integreiddio â rhwydweithiau presennol. Mae gweithgynhyrchwyr yn mynd i'r afael â'r rhain trwy integreiddio ffotoneg silicon, sy'n cyfuno ffynonellau laser, modulators, a ffotosynwyryddion ar un sglodyn i leihau costau a gwella perfformiad.

Bydd y bensaernïaeth sylfaenol sy'n seiliedig ar laser-yn aros yn ganolog wrth i gyflymder gynyddu. Mae lansiadau cynnyrch diweddar yn cynnwys portffolios traws-dderbynnydd optegol 800G a ddyluniwyd ar gyfer cymwysiadau canolfannau data, gan adlewyrchu ymdrech y diwydiant tuag at gyflymder uwch wrth gynnal y dull technoleg laser craidd.

 

Cwestiynau Cyffredin

 

A all ffynonellau laser amlfodd weithio gyda-ffibr un modd?

Na, ni all opteg SR amlfodd weithio gyda ffibr modd sengl oherwydd eu bod yn tanio trawst 50- 62.5 micron mewn agoriad 9 micron, gydag ar y gorau 18% o olau yn mynd i mewn i'r ffibr. Mae'r diffyg cyfatebiaeth ffisegol rhwng maint trawst a chraidd ffibr yn gwneud y cyfluniad hwn yn anweithredol ac eithrio mewn senarios prawf byr iawn.

Pam mae trawsdderbynyddion modd sengl yn defnyddio tonfeddi 1310nm a 1550nm?

Mae'r tonfeddi penodol hyn yn cynrychioli isafswm pwyntiau gwanhau yn sbectrwm trawsyrru ffibr silica. Mae Sefydliad Cenedlaethol Safonau a Thechnoleg yr Unol Daleithiau (NIST) yn darparu graddnodi mesuredig ar gyfer profi opteg ffibr ar y tonfeddi hyn, gan gyfrannu at safoni diwydiant. Mae'r ffenestr 1550nm yn cynnig colled ychydig yn is na 1310nm, gan ei gwneud yn well ar gyfer cymwysiadau pellter hir iawn.

Beth sy'n cyfyngu ar y pellter trosglwyddo mwyaf?

Daw cyfyngiadau pellter o wanhau ffibr cronedig, gwasgariad cromatig, a therfynau pŵer allbwn laser. Mae laserau DFB o ansawdd uwch gyda llinellau culach yn lleihau effeithiau gwasgariad cromatig. Mae'r farchnad yn segmentu transceivers yn ôl categorïau pellter: llai nag 1km, 1-10km, 11-100km, a thu hwnt i 100km, gyda phob un yn gofyn am dechnoleg laser gynyddol fwy soffistigedig.

Sut mae tymheredd yn effeithio ar berfformiad laser?

Mae allbwn pŵer laser yn newid dros oes y ddyfais, gyda heneiddio'n cyflymu ar dymheredd uwch, a dyna pam mae VCSELs sy'n gweithredu ar bŵer is yn dangos cyfraddau methiant cymesurol is dros amser. Mae -trosglwyddyddion gradd diwydiannol yn cynnwys rheolaeth thermol fwy cadarn i gynnal perfformiad ar draws ystodau tymheredd estynedig.

---

Mae trosglwyddyddion cypledig ffibr modd sengl yn dangos sut mae rheolaeth laser fanwl gywir yn galluogi rhwydweithiau cyflymder uchel modern. Mae'r dechnoleg yn cydbwyso ffiseg optegol, peirianneg lled-ddargludyddion, a gweithgynhyrchu manwl gywir i gyflawni trosglwyddiad data dibynadwy ar draws pellteroedd metropolitan a rhyng-gyfandirol. Wrth i ofynion lled band dyfu, mae mireinio technoleg laser yn parhau i yrru'r esblygiad tuag at gyfathrebiadau optegol ar raddfa terabit.