در-تحلیل عمیق فرستنده‌های نوری: قلب ارتباطات نوری و تکامل آینده

در عصر امروزی{0}}داده محور، از ایستگاه های پایه 5G گرفته تا اتصالات مرکز داده و{2}}انتقال ویدیو با کیفیت بالا، همه بزرگراه های اطلاعات بر یک جزء اصلی متکی هستند: فرستنده نوری.

به عنوان "نقطه شروع" یک سیستم ارتباط نوری، فرستنده نوری مسئول تبدیل سیگنال های الکتریکی به سیگنال های نوری و اتصال آنها به فیبر نوری است. این مقاله به اصول فنی، اجزای کلیدی، مشخصات اصلی و روند فناوری صنعت فرستنده‌های نوری برای سال‌های 2024-2025 می‌پردازد.

1. an چیستفرستنده نوری?

فرستنده نوری یک دستگاه تبدیل نوری{0}الکتریکی است. در لایه فیزیکی، گردش کار عملیاتی آن را می توان در سه مرحله خلاصه کرد:

پردازش ورودی:سیگنال های الکتریکی را از تجهیزات شبکه (مانند سوئیچ ها و روترها) دریافت می کند.

تبدیل الکتریکی-نوری:منبع نور (دیود لیزر یا LED) را از طریق مدار راه انداز تعدیل می کند و 0/1 بیت سیگنال الکتریکی را به پالس های نوری تبدیل می کند که حالت های روشن/خاموش یا تغییرات فاز را نشان می دهد.

خروجی کوپلینگ:با استفاده از لنزها یا تکنیک‌های جفت مستقیم، نور را به یک فیبر نوری (تک حالت یا چند حالته) تزریق می‌کند.

بسته به سناریوی کاربردی، فرستنده‌ها معمولاً در داخل ماژول‌های نوری قابل اتصال (مانند SFP، QSFP-DD، OSFP) یا به عنوان بخشی از فرستنده‌های نوری ویدیویی پخش{{1} درجه و سیستم‌های انتقال فیبر نوری آنالوگ بسته‌بندی می‌شوند.

2. تجزیه و تحلیل اجزای فناوری هسته

یک فرستنده نوری با کارایی بالا عمدتاً از سه بخش زیر تشکیل شده است که بخش قابل توجهی از دشواری فنی و هزینه را تشکیل می دهد:

2.1 منبع نور: VCSEL، FP، DFB و EML

منبع نور طول موج، قدرت و فاصله انتقال فرستنده را تعیین می کند.

VCSEL (عمودی-سطح حفره-لیزر ساطع کننده):بر برنامه‌های کاربردی چند حالته-کوتاه (در 100 متر) مانند ماژول‌های نوری SR (محدوده کوتاه) در مراکز داده تسلط دارد. از مزایا می توان به مصرف انرژی کم، هزینه کم، و سهولت ادغام آرایه در مقیاس بزرگ- اشاره کرد.

FP (لیزر فابری-پروت):برای برنامه‌های-مراحل اولیه کوتاه-و{2}}فاصله متوسط ​​استفاده می‌شود. در حال حاضر در برنامه های کاربردی با نرخ بالا به نفع لیزرهای DFB حذف شده است.

DFB (لیزر بازخورد توزیع شده):اسب کاری برای انتقال تک حالته-. خروجی حالت طولی منفرد را از طریق یک شبکه داخلی-به دست می آورد که منجر به پهنای خط طیفی باریک و جریمه پراکندگی کم، مناسب برای فواصل 10 کیلومتری تا 80 کیلومتری در شبکه های مترو و خطوط{5} طولانی ترانک می شود.

EML (الکترو-لیزر مدوله شده جذب):در حال حاضر انتخاب اصلی برای شبکه‌های اصلی{2}}400G/800G با سرعت بالا. این یک لیزر را با یک مدولاتور جذب الکترو- ادغام می‌کند و بر اثر "چیپ" مرتبط با لیزرهای مدوله‌شده مستقیم (DML) در فرکانس‌های بالا غلبه می‌کند و از نرخ‌های طول موج تک-100 گیگابیت بر ثانیه و بیشتر پشتیبانی می‌کند.

2.2 مدار راننده

دیودهای لیزری به جریان بایاس پایدار و جریان مدولاسیون نیاز دارند. تراشه‌های درایور در فرستنده‌های{1}سرعت بالا به خطی بودن بالا (مخصوصاً برای مدولاسیون PAM4) و مصرف انرژی پایین نیاز دارند. با افزایش سرعت به 112 گیگابیت بر ثانیه و حتی 224 گیگابیت در ثانیه، طراحی تراشه درایور به یک گلوگاه حیاتی تبدیل شده است که عملکرد فرستنده را محدود می کند.

2.3 بسته بندی و کوپلینگ نوری

دقت بسته‌بندی برای فرستنده‌ها باید به سطوح زیر-میکرون برسد. برای فرستنده‌های فوتونیک سیلیکونی (سیلیکون فوتونیک)، فن‌آوری تراشه‌های تلنگر اغلب برای ادغام تراشه لیزری با تراشه فوتونیک مبتنی بر سیلیکون- استفاده می‌شود، و نور را از طریق جفت لبه یا جفت گریتینگ به موجبر متصل می‌کند.

3. شاخص های کلیدی عملکرد

هنگام ارزیابی یا انتخابفرستنده های نوریمهندسان باید بر روی پارامترهای کلیدی زیر تمرکز کنند:

طول موج:850 نانومتر (چند-حالت)، 1310 نانومتر (پراکندگی صفر)، 1550 نانومتر (کمترین تلفات). فن آوری های CWDM و DWDM از طول موج های متعدد بین 1260 نانومتر و 1650 نانومتر برای مالتی پلکسی تقسیم طول موج استفاده می کنند.

توان اپتیکال خروجی:به طور معمول در dBm اندازه گیری می شود. فواصل انتقال طولانی تر نیاز به توان خروجی بالاتری دارد که باید زیر آستانه اثر غیرخطی فیبر نوری نگه داشته شود.

نسبت انقراض (ER):نسبت توان نوری متوسط ​​برای منطق "1" به منطق "0". نسبت خاموشی بالاتر منجر به نسبت سیگنال بهتر به-در گیرنده و نرخ خطای بیت کمتر (BER) می شود.

نمودار چشم:یک معیار بصری برای کیفیت سیگنال. در تست فرستنده با سرعت بالا، نمودار چشمی باید با استانداردهای IEEE یا مشخصات ماسک چشم MSA (توافقنامه چند منبع) مطابقت داشته باشد و حداقل لرزش و نویز اضافی را تضمین کند.

طول موج مرکز و عرض طیفی:برای سیستم های DWDM، طول موج فرستنده باید روی شبکه مشخص شده توسط ITU-T قفل شود. عرض طیفی باریکتر، تحمل به پراکندگی رنگی را افزایش می دهد.

4. روندهای صنعت: تکامل از 400G به 1.6T

با توجه به رشد تصاعدی تقاضای پهنای باند از آموزش مدل هوش مصنوعی و محاسبات ابری،فرستنده نوریفناوری دستخوش تغییرات بی‌سابقه‌ای است:

4.1 ظهور دوران تک-طول موج 200G

ماژول های نوری 800G در حال حاضر در مقیاس در حال استقرار هستند و در داخل از معماری فرستنده مانند 8x100Gbps یا 4x200Gbps استفاده می کنند. تولیدکنندگان پیشرو در صنعت در حال توسعه مدولاتورهای فوتونیکی با طول موج 200G تک- و سیلیکونی هستند که راه را برای ماژول‌های نوری 1.6T هموار می‌کنند.

4.2 تجاری سازی سریع فوتونیک سیلیکون

فرستنده‌های گسسته سنتی (DFB با مدولاتور مجزا) با تنگناهایی در هزینه و ادغام{0}}چگالی بالا مواجه هستند. فوتونیک سیلیکون از فرآیندهای CMOS برای ادغام مدولاتورها بر روی یک بستر سیلیکونی، همراه با لیزرهای-یکپارچه III-V خارجی یا هیبریدی استفاده می‌کند و به ادغام فوتونیک در مقیاس بالا-بازده، کم-هزینه بزرگ- دست می‌یابد.

4.3 اپتیک قابل اتصال درایو خطی (LPO) و اپتیک بسته بندی شده شرکتی (CPO)

برای کاهش مصرف انرژی در مراکز محاسباتی هوش مصنوعی، فناوری LPO در حال ظهور است. فرستنده های LPO DSP سنتی (پردازنده سیگنال دیجیتال) را حذف می کنند، با استفاده از تراشه های خطی درایور برای هدایت مستقیم لیزر، مصرف برق را تقریباً 50 درصد کاهش می دهند. با نگاهی به آینده، هدف فناوری CPO بسته بندی فرستنده های نوری همراه با تراشه سوئیچینگ است که اساساً مشکل از دست رفتن سیگنال الکتریکی با فرکانس بالا در ردیابی PCB را حل می کند.

4.4 پیشرفت در نازک-لیتیوم نیوبات فیلم (TFLN)

در جستجوی پهنای باند بالاتر و مصرف انرژی کمتر، تعدیل‌کننده‌های لیتیوم نیوبات نازک-به کانون تحقیقاتی تبدیل شده‌اند. آنها خطی بودن و پهنای باند بالایی را در مقایسه با مدولاتورهای فوتونیک سیلیکونی و InP ارائه می‌دهند و آنها را در موقعیتی قرار می‌دهند که نقش مهمی در فرستنده‌های نسل بعدی 1.6T/3.2T ایفا کنند.

5. نتیجه گیری

فرستنده نوری نه تنها نقطه شروع فیزیکی ارتباطات نوری است، بلکه "موتور اصلی" است که پهنای باند شبکه، فاصله انتقال و هزینه سیستم را تعیین می کند.

برای کاربران صنعتی، هنگام انتخاب راه حل های فرستنده نوری، ضروری است که فراتر از پارامتر "نرخ" نگاه کنند. یک ارزیابی جامع باید شامل موارد زیر باشد:

سناریوی کاربردی:اتصال کوتاه{0}}از راه دور در مراکز داده در مقابل شبکه‌های ستون فقرات مخابراتی مسافت طولانی-.

ساختار هزینه:راه‌حل‌های VCSEL برای برنامه‌های کاربردی-مقیاس بزرگ در مسافت‌های کوتاه{1}}مناسب هستند. EML و فوتونیک سیلیکون برای سناریوهای-با عملکرد بالا مناسب هستند.

قابلیت اطمینان زنجیره تامین:ظرفیت تراشه های لیزری با سرعت-بالا کم است. انتخاب تولیدکنندگان با قابلیت تحقیق و توسعه تراشه مستقل یا زنجیره تامین پایدار بسیار مهم است.

با افزایش تقاضا برای قدرت محاسباتی هوش مصنوعی، صنعت ارتباطات نوری در حال گذار از مدل سنتی "اپتیک محرک الکتریسیته" به عصر جدیدی از "شبکه های تعریف کننده اپتیک" است. به عنوان نقطه شروع شبکه نوری، هر جهش تکنولوژیکی در فرستنده های نوری سقف پهنای باند را برای نسل بعدی زیرساخت های دیجیتال و هوشمند تعیین می کند.