ใน-การวิเคราะห์เชิงลึกของเครื่องส่งสัญญาณแบบใช้แสง: หัวใจของการสื่อสารแบบใช้แสงและวิวัฒนาการในอนาคต

ในยุคที่ข้อมูลเป็นศูนย์กลางในปัจจุบัน- ตั้งแต่สถานีฐาน 5G ไปจนถึงการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลและการส่งสัญญาณวิดีโอความละเอียดสูง- ทางหลวงข้อมูลทั้งหมดพึ่งพาองค์ประกอบหลัก ซึ่งก็คือเครื่องส่งแบบออปติก

ในฐานะ "จุดเริ่มต้น" ของระบบสื่อสารด้วยแสง เครื่องส่งสัญญาณแบบแสงมีหน้าที่ในการแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสงและเชื่อมต่อสัญญาณเหล่านั้นเข้ากับเส้นใยนำแสง บทความนี้เจาะลึกหลักการทางเทคนิค ส่วนประกอบหลัก ข้อมูลจำเพาะหลัก และแนวโน้มเทคโนโลยีอุตสาหกรรมของเครื่องส่งสัญญาณแบบออปติกสำหรับปี 2024-2025

1. อะไรคือเครื่องส่งสัญญาณแสง?

เครื่องส่งแบบออปติคอลเป็นอุปกรณ์แปลง-แบบออปติคอลแบบไฟฟ้า ที่ชั้นฟิสิคัล ขั้นตอนการปฏิบัติงานสามารถสรุปได้เป็นสามขั้นตอน:

การประมวลผลอินพุต:รับสัญญาณไฟฟ้าจากอุปกรณ์เครือข่าย (เช่น สวิตช์และเราเตอร์)

อิเล็กโทร-การแปลงแสง:ปรับแหล่งกำเนิดแสง (เลเซอร์ไดโอดหรือ LED) ผ่านวงจรไดรเวอร์ โดยแปลงสัญญาณไฟฟ้า 0/1 บิตเป็นพัลส์แสงที่แสดงสถานะเปิด/ปิดหรือการเปลี่ยนแปลงเฟส

เอาต์พุตการเชื่อมต่อ:ฉายแสงเข้าไปในเส้นใยนำแสงอย่างมีประสิทธิภาพ (โหมด-เดี่ยวหรือหลาย-) โดยใช้เลนส์หรือเทคนิคการเชื่อมต่อโดยตรง

โดยทั่วไปแล้วเครื่องส่งสัญญาณจะถูกบรรจุไว้ภายในโมดูลออปติคัลแบบเสียบได้ (เช่น SFP, QSFP-DD, OSFP) หรือเป็นส่วนหนึ่งของ-เครื่องส่งสัญญาณแบบออปติคอลวิดีโอเกรดออกอากาศและระบบส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติกแบบอะนาล็อก ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสถานการณ์การใช้งาน

2. การวิเคราะห์ส่วนประกอบเทคโนโลยีหลัก

เครื่องส่งแบบออปติกประสิทธิภาพสูง-ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามส่วนต่อไปนี้ ซึ่งมีส่วนสำคัญของความยากทางเทคนิคและค่าใช้จ่าย:

2.1 แหล่งกำเนิดแสง: VCSEL, FP, DFB และ EML

แหล่งกำเนิดแสงจะกำหนดความยาวคลื่น กำลัง และระยะการส่งสัญญาณของเครื่องส่งสัญญาณ

VCSEL (แนวตั้ง-พื้นผิวช่อง-การเปล่งแสงเลเซอร์):ครองการใช้งานหลายโหมดในระยะใกล้- (ภายใน 100 เมตร)- เช่น โมดูลออปติคัล SR (ระยะสั้น) ภายในศูนย์ข้อมูล ข้อดี ได้แก่ การใช้พลังงานต่ำ ต้นทุนต่ำ และความง่ายในการรวมอาเรย์ขนาดใหญ่-

FP (Fabry-เลเซอร์เพโรต์):ใช้สำหรับการใช้งานระยะสั้น-ถึง-ในระยะเริ่มต้น ขณะนี้กำลังถูกยุติการใช้งานในแอปพลิเคชันที่มีอัตราสูง-และหันไปใช้เลเซอร์ DFB

DFB (เลเซอร์ตอบรับแบบกระจาย):กลไกสำคัญสำหรับการส่งข้อมูลโหมดเดียว- ได้เอาต์พุตโหมดตามยาวเดี่ยวผ่านตะแกรง-ในตัว ส่งผลให้เส้นสเปกตรัมแคบและค่าการกระจายต่ำ เหมาะสำหรับระยะทางตั้งแต่ 10 กม. ถึง 80 กม. ในเครือข่ายรถไฟใต้ดินและสายหลัก-

EML (เลเซอร์ปรับการดูดซับด้วยไฟฟ้า-):ปัจจุบันเป็นตัวเลือกหลักสำหรับเครือข่ายแกนหลักความเร็วสูง 400G/800G- โดยจะรวมเลเซอร์เข้ากับโมดูเลเตอร์การดูดซับด้วยไฟฟ้า- เพื่อเอาชนะเอฟเฟกต์ "เสียงเจี๊ยบ" ที่เกี่ยวข้องกับเลเซอร์มอดูเลตโดยตรง (DML) ที่ความถี่สูง รองรับอัตราความยาวคลื่นเดี่ยว-ที่ 100Gbps ขึ้นไป

2.2 วงจรขับ

เลเซอร์ไดโอดต้องการกระแสไบแอสที่เสถียรและกระแสมอดูเลชั่น ชิปไดรเวอร์ในเครื่องส่งสัญญาณความเร็วสูง-ต้องการความเป็นเชิงเส้นสูง (โดยเฉพาะสำหรับการปรับ PAM4) และใช้พลังงานต่ำ เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นเป็น 112Gbps และแม้แต่ 224Gbps การออกแบบชิปไดรเวอร์จึงกลายเป็นปัญหาคอขวดที่สำคัญซึ่งจำกัดประสิทธิภาพของเครื่องส่งสัญญาณ

2.3 บรรจุภัณฑ์และการเชื่อมต่อด้วยแสง

ความแม่นยำในการบรรจุหีบห่อสำหรับเครื่องส่งสัญญาณจำเป็นต้องถึงระดับย่อย-ไมครอน สำหรับเครื่องส่งสัญญาณซิลิคอนโฟโตนิกส์ (Silicon Photonics) เทคโนโลยีชิปฟลิป-มักจะใช้เพื่อรวมชิปเลเซอร์เข้ากับชิปโฟโตนิกที่ใช้ซิลิคอน- โดยเชื่อมต่อแสงเข้ากับท่อนำคลื่นผ่านการเชื่อมต่อที่ขอบหรือการเชื่อมต่อแบบตะแกรง

3. ตัวชี้วัดผลการดำเนินงานที่สำคัญ

เมื่อประเมินหรือเลือกเครื่องส่งสัญญาณแสงวิศวกรควรมุ่งเน้นไปที่พารามิเตอร์หลักต่อไปนี้:

ความยาวคลื่น:850nm (โหมดหลาย-), 1310nm (การกระจายเป็นศูนย์), 1550nm (การสูญเสียต่ำสุด) เทคโนโลยี CWDM และ DWDM ใช้ความยาวคลื่นหลายช่วงระหว่าง 1260 นาโนเมตรถึง 1650 นาโนเมตรสำหรับมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น

กำลังแสงเอาท์พุต:โดยทั่วไปจะวัดเป็น dBm ระยะการส่งข้อมูลที่ยาวขึ้นต้องใช้กำลังเอาต์พุตที่สูงกว่า ซึ่งจะต้องรักษาให้ต่ำกว่าขีดจำกัดเอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นของไฟเบอร์ออปติก

อัตราส่วนการสูญเสีย (ER):อัตราส่วนของพลังงานแสงเฉลี่ยสำหรับลอจิก "1" ต่อลอจิก "0" อัตราส่วนการสูญเสียที่สูงขึ้นส่งผลให้อัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนดีขึ้นที่เครื่องรับ และมีอัตราข้อผิดพลาดบิต (BER) ต่ำลง

แผนภาพตา:ตัวชี้วัดที่ใช้งานง่ายสำหรับคุณภาพสัญญาณ ในการทดสอบเครื่องส่งสัญญาณความเร็วสูง- แผนภาพตาจะต้องเป็นไปตามมาตรฐาน IEEE หรือข้อกำหนดจำเพาะของหน้ากากปิดตา MSA (Multi{2}}Source Agreement) เพื่อให้แน่ใจว่าเกิดความกระวนกระวายใจและเสียงรบกวนส่วนเกินน้อยที่สุด

ความยาวคลื่นกลางและความกว้างสเปกตรัม:สำหรับระบบ DWDM ความยาวคลื่นของเครื่องส่งสัญญาณจะต้องล็อคเข้ากับตารางที่ระบุโดย ITU-T ความกว้างสเปกตรัมที่แคบลงช่วยเพิ่มความทนทานต่อการกระจายตัวของสี

4. แนวโน้มอุตสาหกรรม: วิวัฒนาการจาก 400G สู่ 1.6T

ขับเคลื่อนโดยความต้องการแบนด์วิธที่เพิ่มขึ้นอย่างมากจากการฝึกอบรมโมเดล AI และการประมวลผลบนคลาวด์เครื่องส่งสัญญาณแสงเทคโนโลยีอยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน:

4.1 การมาถึงของยุคคลื่นเดียว- 200G

ขณะนี้โมดูลออปติคัล 800G มีการใช้งานในขนาดต่างๆ โดยใช้สถาปัตยกรรมตัวส่งสัญญาณภายใน เช่น 8x100Gbps หรือ 4x200Gbps ผู้ผลิตชั้นนำในอุตสาหกรรมกำลังพัฒนา EML ความยาวคลื่น 200G เดี่ยวและโมดูเลเตอร์ซิลิคอนโฟโตนิก ซึ่งปูทางไปสู่โมดูลออปติคัล 1.6T

4.2 การเร่งการจำหน่ายซิลิคอนโฟโตนิกส์ในเชิงพาณิชย์

เครื่องส่งสัญญาณแบบแยกแบบดั้งเดิม (DFB ที่มีโมดูเลเตอร์แยกต่างหาก) กำลังเผชิญกับปัญหาคอขวดในด้านต้นทุนและการบูรณาการที่มีความหนาแน่นสูง- ซิลิคอนโฟโตนิกส์ใช้ประโยชน์จากกระบวนการ CMOS เพื่อรวมโมดูเลเตอร์บนพื้นผิวซิลิกอน รวมกับเลเซอร์ III -V แบบรวมภายนอกหรือแบบไฮบริด เพื่อให้ได้-ผลผลิตสูง ต้นทุนต่ำ-ต้นทุนขนาดใหญ่-การบูรณาการโฟโตนิก

4.3 Linear Drive Pluggable Optics (LPO) และ Co-packaged Optics (CPO)

เพื่อลดการใช้พลังงานในศูนย์คอมพิวเตอร์ AI เทคโนโลยี LPO จึงเกิดขึ้น เครื่องส่งสัญญาณ LPO กำจัด DSP (ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล) แบบดั้งเดิม โดยใช้ชิปไดรเวอร์เชิงเส้นเพื่อขับเคลื่อนเลเซอร์โดยตรง ซึ่งลดการใช้พลังงานลงประมาณ 50% เมื่อมองไปข้างหน้า เทคโนโลยี CPO มีเป้าหมายที่จะรวมตัวส่งสัญญาณแบบออปติคอลเข้ากับชิปสวิตชิ่ง ซึ่งเป็นการแก้ปัญหาเบื้องต้นของการสูญเสียสัญญาณไฟฟ้าความถี่สูง-ในเส้นทาง PCB

4.4 ความก้าวหน้าในฟิล์มบาง-ลิเธียมไนโอเบต (TFLN)

ในการแสวงหาแบนด์วิธที่สูงขึ้นและการใช้พลังงานที่ลดลง โมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง-จึงกลายเป็นจุดสำคัญในการวิจัย โดยนำเสนอความเป็นเส้นตรงที่เหนือกว่าและแบนด์วิธสูงเมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอนโฟโตนิกและโมดูเลเตอร์ InP ซึ่งจะทำให้มีบทบาทสำคัญใน-เครื่องส่งสัญญาณ 1.6T/3.2T รุ่นถัดไป

5. บทสรุป

เครื่องส่งสัญญาณแบบออปติกไม่เพียงแต่เป็นจุดเริ่มต้นทางกายภาพของการสื่อสารแบบออปติกเท่านั้น แต่ยังเป็น "กลไกหลัก" ที่กำหนดแบนด์วิดท์เครือข่าย ระยะการส่งข้อมูล และต้นทุนของระบบอีกด้วย

สำหรับผู้ใช้ในอุตสาหกรรม เมื่อเลือกโซลูชันเครื่องส่งสัญญาณแบบออปติก จำเป็นต้องมองข้ามพารามิเตอร์ "อัตรา" เท่านั้น การประเมินที่ครอบคลุมควรรวมถึง:

สถานการณ์การใช้งาน:การเชื่อมต่อโครงข่ายระยะสั้น-ภายในศูนย์ข้อมูลเทียบกับเครือข่ายแกนหลักโทรคมนาคมระยะไกล-

โครงสร้างต้นทุน:โซลูชัน VCSEL เหมาะสำหรับ-การใช้งานระยะสั้น-ขนาดใหญ่ EML และซิลิคอนโฟโตนิกส์เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีประสิทธิภาพสูง-

ความน่าเชื่อถือของห่วงโซ่อุปทาน:ความจุของชิปเลเซอร์ความเร็วสูง-ยังคงมีจำกัด การเลือกผู้ผลิตที่มีความสามารถด้านการวิจัยและพัฒนาชิปอิสระหรือมีห่วงโซ่อุปทานที่มั่นคงถือเป็นสิ่งสำคัญ

ด้วยความต้องการพลังประมวลผล AI ที่เพิ่มมากขึ้น อุตสาหกรรมการสื่อสารด้วยแสงกำลังเปลี่ยนจากรูปแบบดั้งเดิมของ "ออพติกขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า" ไปสู่ยุคใหม่ของ "เครือข่ายที่กำหนดออปติก" ในฐานะจุดเริ่มต้นของเครือข่ายออปติคัล ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในเครื่องส่งสัญญาณแบบออปติคัลจะกำหนดเพดานแบนด์วิธสำหรับโครงสร้างพื้นฐานดิจิทัลและอัจฉริยะรุ่นต่อไป