يتم تصنيع الوحدات البصرية بدقة

 

 

كابوس المحاذاة لا أحد يحذرك منه

 

يتطلب اقتران ضوء الليزر بألياف ذات وضع واحد-دقة في تحديد الموقع تبلغ حوالي ±0.5 ميكرومتر. نصف ميكرون. للتوضيح، يبلغ سمك شعرة الإنسان حوالي 70 ميكرومترًا.

افتقد هذا التسامح وخزانات كفاءة الاقتران الخاصة بك. ويعني فقدان الكفاءة وجود تيارات محرك أعلى للتعويض، مما يؤدي إلى توليد الحرارة، مما يؤدي إلى تغيير الطول الموجي، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة الإشارة -إلى-الضوضاء بطرق تتوالى خلال ميزانية الوصلة بأكملها. تبدو معادلات الاقتران النظرية نظيفة في الكتب المدرسية. يتضمن الواقع ستة-مراحل محاذاة المحاور،-مراقبة الطاقة في الوقت الفعلي، وعمليات معالجة المواد اللاصقة التي تقدم تحولات موضعية خاصة بها.

لقد شاهدت فنيًا يقضي فترة ما بعد الظهيرة بأكملها في عام 2021 وهو يطارد خسارة إدخال قدرها 2 ديسيبل فيما كان ينبغي أن يكون تجميعًا روتينيًا لـ TOSA. اتضح أن العدسة الكروية قد دارت قليلاً أثناء المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية - ربما ثلاث درجات - كافية لتوجيه الشعاع بعيدًا عن قلب الألياف. ثلاث درجات. هذا هو هذا العمل.

 

المحاذاة النشطة مقابل المحاذاة السلبية

 

لقد تجادلت الصناعة حول هذا الأمر لمدة عشرين عامًا وما زالت لم تحسم الأمر بالكامل.

تعني المحاذاة النشطة تشغيل الليزر أثناء التجميع، ومراقبة الطاقة الضوئية المقترنة، وضبط الموضع بشكل متكرر حتى تصل إلى هدفك. إنها تعمل. كما أنها بطيئة ومكلفة ولا تتسع بشكل جيد عندما تحاول شحن الملايين من أجهزة الإرسال والاستقبال شهريًا.

تعتمد المحاذاة السلبية على الميزات الميكانيكية - الأخاديد السيليكونية المحفورة على شكل v-، وقواعد التثبيت المحددة طباعة حجرية، والمحاذاة الذاتية -لحام الرقاقة - - لوضع المكونات دون تشغيل أي شيء. وعندما يعمل، تتحسن الإنتاجية بشكل كبير. عندما تتكدس التفاوتات بشكل غير مناسب، فإنك تحصل على مشاكل في الإنتاجية تظهر كدفعات غامضة من الوحدات ذات الأداء الضعيف والتي تجتاز الاختبارات الكهربائية ولكنها تفشل في المواصفات البصرية.

تستخدم الأساليب الهجينة التي تكتسب قوة جذب الآن المحاذاة السلبية للوصول إلى بضعة ميكرونات، ثم الضبط النشط -للتحسين النهائي. المزيد من خطوات العملية، ولكن الجوانب الاقتصادية تكون مناسبة للمنتجات عالية الأداء-حيث يهتم العملاء فعليًا بهامش الارتباط.

لقد غيرت ضوئيات السيليكون بعض الافتراضات هنا. عندما يتم تعريف الأدلة الموجية بطريقة الطباعة الحجرية على رقاقة سيليكون ويتم ربط شرائح الليزر-برقاقة أو دمجها بشكل غير متجانس، تتحول مشكلة المحاذاة جزئيًا إلى مشكلة تصنيع أشباه الموصلات. مجموعة مهارات مختلفة. أوضاع فشل مختلفة.

 

 

سبب اللحام-مشكلة تشويه المحاذاة

 

يظل اللحام بالليزر هو الأسلوب المفضل لربط الألياف-بمرفقات-الحزم في الوحدات المحكمة الإغلاق. اللحام قوي وسريع ولا يخرج الغاز مثل بعض المواد اللاصقة. المشكلة هي ما يحدث عندما يبرد حوض اللحام.

يسحب الانكماش الحراري مجموعة حلقات الألياف في اتجاهات تعتمد على هندسة اللحام، وخصائص المواد، و- هذا هو الجزء المحبط - التسلسل المحدد الذي تقوم فيه بإجراء اللحامات المتعددة. يمكن أن يتجاوز تحول اللحام اللاحق-عدة ميكرومترات إذا لم تكن حذرًا. تصبح المجموعة المحاذية تمامًا غير محاذية بمجرد الانتهاء من الانضمام إليها.

استراتيجيات التعويض موجودة. تقوم بعض الشركات المصنعة بتعويض محاذاة اللحام المسبق-عن عمد لمراعاة التحول المتوقع. يستخدم البعض الآخر معلمات لحام منخفضة الانكماش - ويقبلون أوقات دورات أطول. قام عدد قليل منهم بتطوير أنظمة مراقبة في الوقت الفعلي-تقيس التحول أثناء اللحام وتطبق التعديلات التصحيحية قبل أن تتصلب الوصلة بالكامل.

ولا تعتبر أي من هذه الأساليب مضمونة. يتطلب كل تصميم جديد للحزمة إعادة-وصف سلوك التحول.

 

حقائق غرف الأبحاث

 

يتم تجميع الوحدات الضوئية في غرف نظيفة تتراوح من ISO Class 7 إلى ISO Class 5 من أجل العمليات الأكثر حساسية للتلوث-. تبدو الأرقام مثيرة للإعجاب حتى تدرك أن إنسانًا واحدًا يجلس بلا حراك يولد ما يقرب من 100000 جسيم في الدقيقة عند عتبة حجم 0.3 ميكرون.

ينشئ الجسيم الموجود على الواجهة الطرفية للألياف نقطة فعالة محلية عند إضاءتها بضوء ليزر عالي الطاقة-. وبمرور الوقت، تعمل هذه البقعة على تفحيم الملوثات العضوية وتحويلها إلى عيب امتصاص دائم يؤدي إلى تدهور الأداء تدريجيًا. أدى وضع الفشل هذا إلى قيام خطوط الإنتاج بأكملها بتنفيذ فحص الواجهة النهائية بنسبة 100% قبل التجميع النهائي.

تتعامل أدوات التحكم القياسية في غرف الأبحاث مع الجزيئات المحمولة بالهواء بشكل جيد إلى حد معقول. التلوث الجزيئي أكثر غموضا. يمكن للمركبات العضوية المتطايرة من المواد اللاصقة ومذيبات التنظيف وحتى المواد البلاستيكية التي تطلق الغازات أن ترسب أفلامًا غير مرئية على الأسطح البصرية. تعتبر هذه الأفلام ضارة بشكل خاص لتطبيقات DUV ولكنها تسبب مشاكل عبر الأطوال الموجية.

تمثل غرف الأبحاث AMC- التي يتم التحكم فيها - التلوث الجزيئي المحمول بالهواء - أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا في مجال التجميع البصري- عالي الموثوقية. أنظمة الترشيح باهظة الثمن. معدات المراقبة غالية الثمن. تؤدي قوائم المواد المحظورة إلى حدوث مشكلات في سلسلة التوريد.

يستحق كل هذا العناء؟ يعتمد ذلك على ما إذا كنت تقوم بشحن سلع SFP أو مكونات للأنظمة المؤهلة للمساحة.

 

 

يستغرق تعويض درجة الحرارة وقتًا أطول من ميزانيات أي شخص

 

تتغير طاقة خرج الصمام الثنائي الليزري والطول الموجي مع درجة الحرارة. ينجرف ليزر DFB النموذجي بحوالي 0.1 نانومتر/درجة في الطول الموجي ويتطلب تعديل تيار متحيز للحفاظ على طاقة بصرية ثابتة عبر نطاق درجة حرارة التشغيل.

يتضمن تعويض درجة الحرارة توصيف كل وحدة عند نقاط درجة حرارة متعددة - غالبًا بزيادات قدرها 5 درجات أو 10 درجات من -40 درجة إلى +85 درجة للمنتجات الصناعية- - ومعاملات تصحيح البرمجة في وحدة MCU الخاصة بالوحدة. تقوم المعاملات بضبط تيار التحيز وأحيانًا سعة التعديل كدالة لدرجة حرارة الحالة المقاسة.

يبدو هذا واضحًا حتى تدرك أن كل وحدة تتصرف بشكل مختلف قليلاً بسبب اختلافات التصنيع في الليزر نفسه، والمسار الحراري من الوصلة إلى الثرمستور، وتفاوتات المكونات في دائرة المحرك. تستخدم وحدات الدرجات-المستهلكة ذات الإنتاج الضخم-جداول تعويض عامة وتقبل توزيع الأداء الناتج. تحصل الوحدات عالية الأداء- على خصائص فردية.

أحد المهندسين الذين أعرفهم أمضى أربعة أشهر في تحسين خوارزمية تعويض درجة الحرارة لمنصة وحدة 400G جديدة. أربعة أشهر على ما قد يرفضه معظم الناس كخطوة معايرة.

 

أصبح التمييز بين TOSA-ROSA أقل أهمية مما كان عليه من قبل

 

تفصل بنيات جهاز الإرسال والاستقبال الضوئية التقليدية وظيفة الإرسال (التجميع الفرعي البصري لجهاز الإرسال TOSA -) عن وظيفة الاستقبال (التجميع الفرعي البصري لجهاز الاستقبال ROSA -). يتم تعبئة كل مجموعة فرعية بشكل مستقل واختبارها ثم دمجها في وحدة PCB.

كان هذا منطقيًا عند استخدام الوحدات الضوئية المنفصلة لحزم TO-ذات تصميمات قناة-مفردة بسيطة. تعمل وحدات القنوات المتعددة- ذات السرعة العالية- على دمج وظائف الإرسال والاستقبال معًا بشكل متزايد، أو التخلص من تغليف OSA التقليدي بالكامل من خلال شرائح -على-اللوحة حيث يتم تركيب القوالب العارية مباشرة على ركيزة PCB.

تعمل عبوات COB على تقليل عدد الواجهات الضوئية - كل واجهة هي نقطة خسارة محتملة - ولكنها تتطلب بيئات تصنيع أنظف ومعدات تجميع أكثر تطورًا. الاتجاه واضح، حتى لو لم يكتمل التحول.

تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال BiDi على تعقيد الصورة بشكل أكبر باستخدام تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي -للإرسال والاستقبال على ألياف مفردة. يتطلب BOSA الذي يجمع بين وظائف TOSA وROSA مع مرشحات WDM المدمجة تفاوتات محاذاة أكثر إحكامًا لأن كلا المسارين البصريين يجب أن يصلا إلى نفس قلب الألياف.

 

ما يتم حرقه-في الاختبارات الفعلية

 

تخضع الوحدات لدرجات حرارة عالية-تقادم قبل الشحن - عادةً من 24 إلى 168 ساعة في درجات حرارة مرتفعة للحالة تبلغ حوالي 70-100 درجة أثناء التشغيل في ظروف الانحياز العادية.

الهدف ليس محاكاة سنوات من العملية الميدانية. إنه يعجل بفشل وفيات الرضع. تحتوي بعض النسب المئوية للمكونات على عيوب كامنة - روابط سلكية ضعيفة ومفاصل لحام هامشية وجوانب ليزر متدهورة قليلاً - والتي لن تظهر في ظل الظروف العادية ولكنها تفشل بسرعة تحت الضغط المتسارع. من الأفضل العثور عليها أثناء التصنيع بدلاً من العثور عليها في شبكة العميل.

الحرق-يكتشف مشاكل حقيقية. يحتوي كل خط إنتاج على قصص حول اكتشاف مجموعة مكونات سيئة من خلال الحرق-في حالات الفشل قبل شحن هذه الوحدات. والحجة المضادة هي أن الاحتراق-يستهلك مساحة الحامل والطاقة ووقت الدورة مما يؤثر بشكل مباشر على تكلفة التصنيع. غالبًا ما تعمل وحدات السلع على تقليل مدة الحرق-أو تخطيها بالكامل، مع قبول معدلات فشل الحقل الأعلى كتكلفة-لإجراء-حسابات الأعمال.

تخدم اختبارات دورة درجة الحرارة غرضًا مختلفًا - للكشف عن عيوب التجميع بدلاً من عيوب المكونات. تعمل الرحلات الحرارية المتكررة على الضغط على مفاصل اللحام والروابط اللاصقة والواجهات الميكانيكية. تنتشر الشقوق. واجهات التعب. فكل ما كان هامشياً يصبح فاشلاً.

 

 

لماذا قد لا تعمل الوحدة الخاصة بك في مفتاح شخص آخر

 

تتسبب مشكلات ترميز EEPROM في حدوث شكاوى ميدانية أكثر مما يرغب معظم البائعين في الاعتراف به.

تحتوي الوحدات الضوئية على شرائح ذاكرة صغيرة تقوم بتخزين بيانات التعريف ومعاملات المعايرة ومعلمات المراقبة التشخيصية بتنسيقات موحدة تحددها مواصفات لجنة SFF. يقرأ النظام المضيف هذه البيانات للتعرف على الوحدة، وتعيين معلمات التشغيل المناسبة، ومراقبة الصحة أثناء التشغيل.

تفسر الشركات المصنعة المختلفة للمحولات وأجهزة التوجيه هذه المواصفات بدرجات متفاوتة من الصرامة. الوحدة النمطية التي تعمل بشكل مثالي في معدات أحد البائعين قد يتم رفضها بواسطة بائع آخر بسبب اختلاف في حساب المجموع الاختباري، أو قيمة غير متوقعة في حقل "محجوز"، أو فرض معرف-المورد الخاص.

يتواجد سوق أجهزة الإرسال والاستقبال التابعة لجهات خارجية إلى حد كبير بسبب تحديات التشغيل التفاعلي هذه. تتخصص الشركات في الهندسة العكسية-لمتطلبات EEPROM المحددة لموردي المعدات الرئيسيين والوحدات النمطية المتوافقة مع البرمجة. المصطلح التقني هو "الترميز". يتضمن الواقع العملي اختبارات توافق واسعة النطاق مقابل المعدات الفعلية من Cisco وJuniper وArista وعشرات الأجهزة الأخرى.

 

الهرمسية مقابل التكلفة

 

التعبئة والتغليف المحكم - المساكن المعدنية مع الزجاج-إلى-الأختام المعدنية والأغطية الملحومة - توفر المعيار الذهبي للموثوقية-على المدى الطويل. لا دخول الرطوبة. لا توجد مشاكل إطلاق الغازات. يمكن التنبؤ بعمر -عامًا في البيئات القاسية.

كما أنها تكلف أكثر بكثير من-البدائل غير المحكمة.

تستخدم معظم الوحدات الضوئية لمراكز البيانات عبوات غير محكمة الإغلاق بدرجات متفاوتة من الحماية البيئية. أختام إيبوكسي، طلاءات مطابقة، مواد انتقائية لامتصاص الرطوبة التي تخترقها. تعمل هذه الأساليب بشكل مناسب مع البيئات التي يتم التحكم في مناخها-مع دورات استبدال قصيرة نسبيًا.

لا تزال معدات حاملات الاتصالات وتطبيقات الفضاء الجوي عمومًا تتطلب تغليفًا محكمًا بالكامل. تستغرق أوضاع الفشل الناجمة عن التآكل أو التلوث-الناجم عن الرطوبة سنوات حتى تظهر، وهذا هو بالضبط سبب عدم قبولها في البنية التحتية التي تحتاج إلى العمل دون مراقبة لعقود من الزمن.

لقد تعلم الأشخاص-معدِّل نيوبات الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة هذا الأمر بالطريقة الصعبة. أظهرت الأجهزة المبكرة ذات الختم المحكم غير الكافي تدهورًا غامضًا في الأداء في عمليات النشر الميدانية. كان بخار الماء الناتج يسبب انجراف التيار المستمر في هياكل القطب الكهربائي.

 

العائد هو كل شيء

 

إن تصميم الوحدة الذي يحقق جميع مواصفات الأداء ولكنه ينتج 60٪ فقط من الوحدات الجيدة سيخسر المال. قد يكون التصميم الأقل جودة الذي يحقق 95% مربحًا. تؤدي هذه المقايضة إلى اتخاذ قرارات هندسية أكثر مما ستفعله الأناقة التقنية على الإطلاق.

تتراكم خسارة العائد بشكل مضاعف عبر خطوات العملية. إذا كان إرفاق قالب الليزر الخاص بك ينتج 98%، فإن ربط الأسلاك الخاص بك ينتج 97%، وينتج اقتران الألياف 95%، وحرقك-في البقاء على قيد الحياة هو 99%، فإن العائد التراكمي هو 0.98 × 0.97 × 0.95 × 0.99=89%. يبدو الأمر جيدًا حتى تتذكر أن هذه الأرقام متفائلة وأن العمليات الحقيقية لها خطوات أكثر.

يفسر الضغط المستمر على الإنتاجية سبب التعامل مع التحكم في العمليات بحماسة دينية في التصنيع البصري. مخططات التحكم في العمليات الإحصائية. فحص المواد الواردة. بروتوكولات تأهيل المعدات. شهادة المشغل. أي شيء يقلل من التباين يقلل من فقدان العائد.

وهذا ما يفسر أيضًا سبب شعور مهندسي التصنيع بالارتباك بشأن تغييرات التصميم. من المحتمل أن يؤدي كل تعديل إلى إعادة ضبط منحنى التعلم الخاص بالإنتاجية.

 

واجهة الموصل التي ربما تتجاهلها

 

تعد الواجهة الميكانيكية التي يتم فيها توصيل الألياف بالوحدة أكثر أهمية مما توحي به بساطتها الواضحة.

يجب أن تحقق موصلات LC وMPO اتصالاً ماديًا بين واجهات الألياف المصقولة - أو فجوات هوائية يتم التحكم فيها بدقة لتصميمات الاتصال المادي ذات الزوايا - مع الحفاظ على المحاذاة ضمن التفاوتات التي تحافظ على كفاءة الاقتران. يساهم كل من غلاف الموصل، والمقبس الموجود على الوحدة، وهندسة التزاوج.

يؤدي التآكل الناتج عن عمليات الإدراج المتكررة إلى تدهور الموصلات بمرور الوقت. تحدد مواصفات MSA الحد الأدنى من متطلبات المتانة، ولكن الأداء الفعلي يختلف بناءً على مستويات التلوث، وتقنية الإدخال، وجودة التصنيع لكل من الموصل والمقبس.

لقد رأيت استكشاف أخطاء الروابط وإصلاحها لساعات قبل أن يقوم شخص ما أخيرًا بتنظيف موصل LC وتختفي المشكلة.

 

ما هو الشحن الفعلي مقابل ما تظهره المؤتمرات

 

توضح أوراق المؤتمر وحدات تبلغ سعتها 1.6 تيرابت في الثانية مع تنسيقات تعديل متماسكة غريبة و-تكامل ضوئي مشترك. تظل الشحنات ذات الحجم الفعلي تهيمن عليها أجهزة الإرسال والاستقبال القابلة للتوصيل 100G و400G باستخدام البنى التقليدية نسبيًا.

تمتد الفجوة بين العرض التوضيحي والنشر إلى ما يقرب من خمس سنوات بالنسبة لمعظم التقنيات. استغرقت الضوئيات السيليكون وقتًا أطول. ظهرت نتائج البحث الأولى في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين؛ لم يصل حجم تجاري كبير حتى منتصف عام 2010.

هذا ليس تشاؤمًا - إنه واقع مصنّع. يتطلب الانتقال من النماذج الأولية العاملة إلى الإنتاج الضخم الموثوق به حل مشكلات الإنتاجية وتأهيل الموردين وبناء البنية التحتية للاختبار وإنشاء بيانات الموثوقية الميدانية. كل خطوة تستغرق وقتا.

يتم الآن زيادة الوحدات الضوئية بسرعة 800 جيجا بايت. 1.6وسوف يتبع ذلك. التقنيات الأساسية موجودة. القدرة على التصنيع هي ما يستغرق سنوات حتى ينضج.

من المحتمل أن تكون الوحدة التي تنشرها في شبكتك في الربع القادم قد دخلت مرحلة التطوير قبل أربع سنوات وتعتمد على تقنيات المكونات الأساسية التي أثبتت جدواها قبل عقد من ذلك. تصبح الأبحاث المتطورة-في نهاية المطاف هندسة إنتاج مملة، وهذا هو بالضبط ما ينبغي أن تعمل به.