Koherentinis optinis ryšys gaminamas tiksliai

 

Nuoseklios optinio ryšio sistemos priklauso nuo tikslios gamybos, kad būtų galima vienu metu valdyti šviesos amplitudę, fazę ir poliarizacijos būsenas. Šioms sistemoms reikia komponentų tolerancijos, išmatuotos mikrometrais, ir sub-nanometro bangos ilgio tikslumo, kad būtų išlaikytas signalo vientisumas perdavimo atstumais, viršijančiais 1 000 kilometrų.

 

 

Nuosekliųjų optinių ryšių sistemų gamybos iššūkis

 

Tradicinės optinės sistemos tik moduliuoja šviesos intensyvumą, tačiau nuoseklios optinės komunikacijos sistemos koduoja duomenis pagal tris nepriklausomus parametrus. Fazė matuojama radianais, bangos ilgio parinkimas veikia C-juostos spektre nuo maždaug 1527 nm iki 1565 nm, o poliarizacijos būsenos skirstomos į dvi statmenas elektromagnetinio lauko orientacijas. Gamybos įranga turi išlaikyti pakankamai griežtus leistinus nuokrypius, kad būtų išvengta fazių klaidų, kurios kaupiasi per pluošto atstumus.

Sudėtingumas didėja naudojant skaitmeninius signalų procesorius, kurie kompensuoja skaidulų pažeidimus. DSP lustai atlieka dispersijos kompensavimą, poliarizacijos demultipleksavimą, nešiklio fazės atkūrimą, išlyginimą ir tiesioginių klaidų taisymą. Šiems procesoriams reikia pagaminti puslaidininkius net 3 nanometrų proceso mazguose, kur net atominio lygio svyravimai turi įtakos našumui.

 

Komponentų integravimas reikalauja sub{0}}mikrometro suderinimo

 

Nuosekliuose siųstuvuose-imtuvuose integruoti keli tiksliai{0}}pagaminti komponentai į tokius kompaktiškus kaip QSFP28 moduliai, kurių matmenys 18,4 mm × 93,4 mm × 8,5 mm. Kompaktiškas QSFP-DD modulis leidžia pasiekti didesnį prievadų tankį, palaikantis iki 36 prievadų viename 1U jungiklyje. Šiose mažose pakuotėse gamintojai turi suderinti:

Derinami lazeriniai mazgaikurios palaiko bangos ilgio tikslumą pikometro tolerancijos ribose. „Coherent“ ELSFP modulyje integruoti aštuoni didelės-galios 1310 nm lazeriai su išskirtiniu bangos ilgio tikslumu ir linijos pločio valdymu. Bet koks bangos ilgio poslinkis sukelia trukdžius gretimiems kanalams tankaus bangos ilgio padalijimo tankinimo sistemose.

Fotoniniai integriniai grandynaipagamintas ant indžio fosfido arba silicio substratų. „Coherent“ vertikali integracija apima „InP“ fotoninius integrinius grandynus ir{1}}vidinį skaitmeninių signalų procesorių kūrimą. Šiuose lustuose yra moduliatorių, optinių stiprintuvų ir detektorių, kurių funkcijų dydis mažesnis nei 100 nanometrų.

Optinių jungčių konstrukcijoskur pluoštas susitinka su lustu. Vos 1 mikrometro nesutapimas sukelia įterpimo nuostolius, viršijančius 3 dB, todėl signalo galia sumažėja perpus. 2D objektyvų matrica leidžia gaminti plokštelių{5}lygį, kuri užtikrina precedento neturintį vienodumą, didesnį pralaidumą ir mažesnes sąnaudas dėl didelio-tikslumo sujungimo.

 

Norint apdoroti skaitmeninį signalą, reikalinga pažangi puslaidininkių gamyba

 

DSP yra technologiškai reikliausias komponentas. 3-nm-. DSP sprendimai konkuruoja 800G nuoseklių prijungiamųjų įrenginių lenktynėse. Šiame proceso mazge tranzistorių vartai yra maždaug 5 nanometrų pločio, o jų plotyje yra tik dešimtys silicio atomų.

Gaminant 3nm mazgus reikia:

Ekstremali ultravioletinė litografijanaudojant 13,5 nm bangos ilgio šviesą modelio ypatybėms. Įranga kainuoja daugiau nei 150 mln. USD už vienetą ir veikia itin-didiame vakuume, kad oro molekulės nesugertų EUV.

Daugia{0}}piešimo technikoskai gamintojai kiekvieną lusto sluoksnį eksponuoja kelis kartus su nedideliais poslinkiais. Išlygiavimas tarp nuoseklių ekspozicijų turi neviršyti 2 nanometrų, kad būtų išvengta elektros trumpųjų jungčių ar atvirų grandinių.

Atominio sluoksnio nusodinimasužauginti vos 7-10 atominių sluoksnių storio vartų dielektrikus. Pirmaujantys tiekėjai, tokie kaip „Broadcom“, „Marvell“ ir „Coherent“, vertikaliai integruoja svarbiausių komponentų gamybą, kad užtikrintų tiekimą ir sutrumpėtų pristatymo laikas.

Apdorojimo galia tiesiogiai veikia sistemos galimybes. Naujos kartos 3 nm skaitmeninių signalų procesoriai sumažina energijos sąnaudas ir išlaiko klaidų taisymo našumą. Kiekvienas apdorojimo mazgo susitraukimas leidžia 15-20% sumažinti galią arba lygiavertį našumą.

 

Optinio variklio agregato leistinų nuokrypių požiūris į kvantines ribas

 

Optinis variklis elektrinius signalus paverčia moduliuota šviesa. Optiniai dizaineriai kuria grandinių schemas, kuriose užfiksuotos lazerių, moduliatorių ir šviesos detektorių funkcijos, tada imituoja optinę sistemą prieš paversdami dizainą į lustų išdėstymą puslaidininkių liejyklų gamybai.

Silicio fotonikos platformos pasiekia integracijos tankį, kuris neįmanomas naudojant atskirus komponentus, tačiau kelia gamybos iššūkių:

Bangolaidžio matmenų valdymas±5 nanometrų ribose nustato sklidimo charakteristikas. 10 nm pločio svyravimai 400 nm -pločio bangolaidžiu pakeičia efektyvųjį lūžio rodiklį maždaug 0,01, sukeldami išmatuojamas fazės klaidas.

Paviršiaus šiurkštumasmažesnis nei 1 nanometras RMS apsaugo nuo optinių sklaidos nuostolių. Gamyboje bangolaidžio paviršiai turi būti lygesni nei buitiniai veidrodžiai trimis dydžiais.

Temperatūros stabilumassurinkimo metu turi įtakos lūžio rodikliui. Silicio termo-optinis koeficientas 1,8 × 10⁻⁴ K⁻¹ reiškia, kad temperatūros pokytis 1 laipsniu pakeičia optinio kelio ilgį 180 nm vienam bangolaidžio milimetrui. Nuosekliems procesoriams reikalingas didesnis tikslumas, todėl reikia geresnių poliarizacijos -priklausomų nuostolių ir poliarizacijos būsenos stebėjimo leistinų nuokrypių, kad būtų išvengta bitų-klaidų dėl ciklo slydimo.

 

 

Tiksli gamyba užtikrina nuoseklų optinio ryšio našumą

 

Kokybės kontrolės sistemos turi matuoti parametrus, kurių tradicinė optinė įranga negali įvertinti. Intensyvi metrologija apima daugybę įrankių, instrumentų ir metodų, skirtų visiems kritiniams parametrams matuoti, o visapusiška kokybės užtikrinimo programa užtikrina, kad kiekvienas optinis gaminys būtų visiškai patikrintas.

Žvaigždynų diagramos analizėmatuoja signalo kokybę, nubraižydamas gautus simbolius kompleksinėje amplitudės{0}}fazės plokštumoje. Klaidos vektoriaus dydis kiekybiškai įvertina nukrypimą nuo idealių pozicijų, kai gamybos tikslai yra mažesni nei 8 % 16-QAM moduliavimo formatams.

Optinio signalo{0}}ir{1}}triukšmo santykio tikrinimastikrina siųstuvo-imtuvo jautrumą. Suderinto optinio ryšio imtuvai pagerina 20 dB-100 kartų jautresnį jautrumą nei nenuoseklaus ryšio. Šis 20 dB pranašumas reiškia, kad ryšio atstumas siekia tūkstančius kilometrų, palyginti su dešimtimis kilometrų, naudojant intensyvumo{7}}moduliacijos tiesioginio aptikimo sistemas.

Dispersijos tolerancijos patikrinimasužtikrina, kad siųstuvai-imtuvai susidorotų su realiomis{0}}pasaulio skaidulų sąlygomis. Imtuve toleruojamas chromatinės dispersijos kiekis labai skiriasi priklausomai nuo moduliavimo schemos, o siųstuvams-imtuvams, kurių tolerancija yra mažesnė, reikia dispersijos kompensavimo vienetų.

 

Pažangi bandymo įranga leidžia gaminti{0}}didelį kiekį

 

Gamybos linijoms, kasdien apdorojančioms šimtus siųstuvų-imtuvų, reikalingos automatizuotos bandymo sistemos. Quantifi Photonics PXI{1}}pagrįsti fotonikos testavimo moduliai yra skirti integruoti į surinkimo ir pakavimo platformas, kurias naudoja pirmaujančios įmonės didelės apimties gamybai.

Bandymų sekos išmatuoja daugybę parametrų per kelias sekundes:

Siųstuvo charakteristikatikrina išėjimo galią, bangos ilgio tikslumą, spektrinį grynumą ir moduliacijos kokybę. „WaveShaper 500B/X“ suteikia neprilygstamą lankstumą atliekant optinių siųstuvų-imtuvų gamybos bandymus, formuojant signalo slopinimą Super C- ir L- juostose, kurių aprėptis viršija 12,4 THz.

Imtuvo jautrumo matavimasnustato mažiausią aptinkamą signalo galią. Bandymo įranga įleidžia kalibruotą triukšmą ir slopina signalo galią, tuo pačiu stebėdama bitų klaidų dažnį. Gamybos specifikacijose paprastai reikalaujama, kad BER būtų mažesnis nei 10⁻¹² esant nurodytai įvesties galiai.

Skaitmeninio signalo procesoriaus patikrapatvirtina tinkamą adaptyviųjų išlyginimo algoritmų veikimą. Didelės spartos-skaitmeniniai{2}}į-analoginiai-į-skaitmeniniai keitikliai veikia su skaitmeninių signalų procesoriumi, kuris veikia kaip skaitmeninės smegenys, atliekančios pažangų duomenų apdorojimą, siekiant maksimaliai padidinti pajėgumą, pasiekiamumą ir patikimumą.

 

Vertikali integracija sprendžia gamybos sudėtingumą

 

Tikslumo reikalavimai sukuria tiekimo grandinės pažeidžiamumą, kurį gamintojai pašalina per vertikalią integraciją. Vertikaliai integruotos medžiagų auginimo, gamybos, dengimo ir surinkimo galimybės su griežtu kokybės užtikrinimu sumažina tiekimo grandinės riziką ir neapibrėžtumą.

Integruotas gamintojų valdymas:

Substrato medžiagų gamybanuo kristalų augimo. Indžio fosfido substratams reikalingas mažesnis defektų tankis, mažesnis nei 500 defektų kvadratiniame centimetre . 6-colių InP plokštelių gamyba buvo pradėta tiek JAV, tiek Europos gamyklose, siekiant žymiai sumažinti InP optoelektroninių prietaisų, įskaitant lazerius, detektorius ir elektroniką, sąnaudas.

Optinės dangos nusodinimassu sluoksnio storio valdymu iki ±2 nanometrų. Naujos-kartos meta-laidinis vielos tinklelio poliarizatorius pasiekia 50 dB išnykimo koeficientą ir 98,5 % efektyvumą su dvipuse -neatspindinčia{7}}danga. Šioms dangoms reikia vakuuminio nusodinimo sistemų, palaikančių slėgį žemiau 10⁻⁷ torr.

Galutinis surinkimas ir pakavimaskontroliuojamoje aplinkoje. Didesnės nei 0,5 mikrometro užteršimo dalelės sukelia optinius nuostolius arba elektros gedimus. Specialių optinių medžiagų gamyba namuose pašalina galimas kokybės ir tiekimo grandinės problemas.

 

Rinkos augimas skatina investicijas į gamybą

 

Tikslios gamybos infrastruktūra reikalauja didelių kapitalo investicijų. Nuoseklios optinės įrangos rinkos dydis 2024 m. buvo įvertintas 28,79 mlrd. USD, o iki 2032 m. prognozuojama, kad ji pasieks 47,74 mlrd. USD, o prognozuojamu laikotarpiu CAGR išaugs 7,20 proc.

Šis augimas kyla dėl kelių programų:

Duomenų centrų jungtysreikia kompaktiškų, efektyvių{0}}siųstuvų-imtuvų. Dirbtinio intelekto mokymo klasteriai ir hiperskalės debesų atnaujinimai skatina 16,31 % CAGR didesnei nei 400 Gbps optikai, o 800 G siuntų skaičius 2025 m. išaugs 60 %. Hiperskalės operatoriai kas mėnesį diegia tūkstančius siųstuvų-imtuvų ir reikalauja gamybos pajėgumų, matuojamų milijonais vienetų kasmet.

Metro ir{0}}tolimųjų reisų tinklainaudoti nuoseklią optinio ryšio technologiją, kad būtų efektyvus spektras. Turėdami didesnę TX išvesties galią („OpenZR+“ modulių TX išvesties galia dabar siekia iki +4 dBm), sąveikaujančios 400ZR ekosistemos atsiradimo ir naujesnių tinklo įrangos gamintojų programinės įrangos leidimų, palaikančių trečiosios šalies prijungiamą optiką, tinklo operatoriai turi galimybę plačiau pritaikyti.

5G infrastruktūraskatina specializuotą siųstuvų-imtuvų diegimą. 5G padalinta{2}}architektūra įstumia 25G SFP28 CWDM siųstuvus-imtuvus į lauko spintas, kurios turi atlaikyti didelius temperatūros svyravimus. Šioms atšiaurioms-aplinkos programoms reikia papildomų gamybos proceso kvalifikacijų ir patikimumo bandymų.

 

Naujos technologijos padidina tikslumo reikalavimus

 

Naujos-kartos sistemoms reikia dar griežtesnių gamybos nuokrypių. Pirmasis pramonėje 400 G diferencialinis elektro-sugerties moduliuotas lazeris sprendžia esminius iššūkius, remiantis 200 G D-EML sėkme, pripažinta 2025 m. „Lightwave“ inovacijų apžvalgose.

Būsimi pokyčiai apima:

Supakuota optika-dedant optinius variklius tiesiai ant jungiklio silicio. Supakuota optika gali sumažinti jungiklio{2} lygio energijos suvartojimą maždaug 30 %, kai optiniai varikliai yra tiesiai ant jungiklio pagrindo. Šiai integracijai reikalingi optiniai ir elektroniniai štampai, pagaminti pagal suderinamus matmenis ir surinkti mažesniu nei 10 mikrometrų tikslumu.

200 Gbps perdavimas vienoje juostojepadvigubinti srovės greitį. Kad būtų galima pasiekti didesnį nei 200 G vienoje juostoje greitį, demonstruojant 300 G vienoje juostoje, naudojami pažangūs diferencialiniai elektro-sugerties moduliuoti lazeriai. Didesnis greitis suspaudžia signalo akies diagramas, todėl iš visų komponentų reikia mažesnio virpėjimo ir geresnio dažnio atsako.

Kvantinis{0}}saugus ryšysšifravimo įrangos pridėjimas. Demonstracijoje integruoti moduliniai kvantinio rakto paskirstymo siųstuvai-imtuvai į QSFP-28 prijungiamą formos faktorių su didelio-našumo 400G ZR QSFP-DD DCO optiniais siųstuvais-imtuvais. Kvantinėms sistemoms reikalinga vieno fotono aptikimo galimybė, kai laiko skiriamoji geba yra mažesnė nei 100 pikosekundžių.

 

Gamybos tikslumas įgalina informacijos ekonomiją

 

Nuosekli optinio ryšio gamyba yra nanomastelio puslaidininkių gamybos, tikslaus optinio surinkimo ir didelio{0}}sparčio analoginio dizaino sankirta. Prognozuojama, kad nuoseklios optikos rinka iki 2027 m. pasieks beveik 13 milijardų JAV dolerių, o prijungiami siųstuvų-imtuvai per ateinančius penkerius metus augs sparčiausiai ir prisidės prie didžiausios apimties augimo.

Gamybos iššūkis toliau vystosi, nes didėja duomenų perdavimo sparta ir mažėja formos faktoriai. 800G nuoseklus QSFP-DD siųstuvas-imtuvas naudoja pažangų IC-TROSA optinį variklį, naudodamas patentuotą Indium Phosphide lusto technologiją, tiekdamas -7dBm siųstuvo optinę išvesties galią 800ZR ir 0dBm ROADM pagrįstoms linijų sistemoms. Kiekviena karta reikalauja naujų gamybos metodų, griežtesnės proceso kontrolės ir sudėtingesnės bandymų įrangos.

Kad pasisektų, gamintojai turi vienu metu išmokti daugybę disciplinų-nuo kristalų auginimo ir plonos{{1}plėvelės nusodinimo iki didelės-greitos grandinės projektavimo ir automatinio bandymo kūrimo. Rezultatas palaiko pasaulinę ryšių infrastruktūrą, kasdien perduodančią eksabaitus duomenų, o patikimumas viršija 99,999%, o bitų klaidų lygis yra mažesnis nei viena klaida per trilijoną perduotų bitų.