โมดูลออปติคัลไม่ใช่แค่อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ชิ้นเดียว แต่เป็นระบบส่งสัญญาณที่รวมเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา ประกอบด้วยส่วนส่งสัญญาณ ส่วนรับสัญญาณ วงจรการทำงาน และอินเทอร์เฟซออปติคัล/ไฟฟ้า องค์ประกอบเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง กู้คืนแสงที่เข้ามาให้กลับเป็นรูปแบบไฟฟ้า และรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณตลอดลิงก์
ส่วนประกอบหลักของโมดูลออปติคัลคืออะไร
โมดูลออปติคัลคือชุดประกอบทรานซีฟเวอร์แบบอิเล็กโทร-ออปติคัลที่สร้างขึ้นจากบล็อกหลักสี่ส่วน: ในกรอบที่ใช้ที่นี่ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX เกี่ยวข้องกับลิงก์ระยะสั้น โดยทั่วไปภายในประมาณ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, การส่งสัญญาณแบบขนาน, ด้านส่งสัญญาณจะสร้างและมอดูเลตแสง ด้านรับสัญญาณจะตรวจจับและกู้คืนแสง วงจรจะจัดการการขับเคลื่อน การขยายสัญญาณ การควบคุม และการแก้ไขดิจิทัล และอินเทอร์เฟซจะเชื่อมต่อโมดูลเข้ากับระบบโฮสต์และลิงก์ใยแก้วนำแสง
ในระดับสถาปัตยกรรม โมดูลสามารถแบ่งออกเป็น เส้นทางส่งสัญญาณ, เส้นทางรับสัญญาณ, เส้นทางการควบคุม, และเลเยอร์การเชื่อมต่อภายนอกสองชั้น ด้านส่งสัญญาณมักจะจัดกลุ่มภายใต้ ในกรอบที่ใช้ที่นี่ (transmitter optical sub-assembly) ในขณะที่ด้านรับสัญญาณจะจัดกลุ่มภายใต้ เกี่ยวข้องกับลิงก์ระยะสั้น โดยทั่วไปภายในประมาณ (receiver optical sub-assembly) วงจรการทำงานประกอบด้วย เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, และมักจะมี เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXROSA, และ หน่วยควบคุม ในขณะที่อินเทอร์เฟซออปติคัลและไฟฟ้าจะเชื่อมต่อโมดูลเข้ากับใยแก้วนำแสงด้านหนึ่งและบอร์ดโฮสต์อีกด้านหนึ่ง
อุปกรณ์ภายในหลักที่มักกล่าวถึงในมุมมองระดับส่วนประกอบของโมดูลออปติคัล ได้แก่ ไดโอดเลเซอร์ (LD)เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX และ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXท่อนำแสง (WG)เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXมอดูเลเตอร์ออปติคัล (OM)เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXความสำคัญของประสิทธิภาพเหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXการส่งสัญญาณแบบขนานTOSA แต่ละชิ้นมีบทบาทที่แตกต่างกัน แต่ไม่มีชิ้นใดชิ้นหนึ่งที่กำหนดประสิทธิภาพของโมดูลได้เพียงลำพัง พฤติกรรมลิงก์จริงเกิดจากการทำงานร่วมกันของอุปกรณ์เหล่านี้
| ส่วนประกอบ | ชื่อเต็ม | แปลงแสงเป็นกระแสโฟโต | บทบาททั่วไป |
|---|---|---|---|
| LD | ไดโอดเลเซอร์ | สร้างแสงพาหะออปติคัล | ด้านส่งสัญญาณ |
| OM | มอดูเลเตอร์ออปติคัล | โหลดข้อมูลลงบนแสง | ด้านส่งสัญญาณ |
| WG | ท่อนำแสง | นำพลังงานแสงผ่านอุปกรณ์ | เส้นทางแสงภายใน |
| Driver IC | วงจรรวมไดรเวอร์ | ให้การขับเคลื่อนทางไฟฟ้าสำหรับเลเซอร์หรือมอดูเลเตอร์ | วงจรส่งสัญญาณ |
| มัลติเพล็กเซอร์ (MUX) | มัลติเพล็กเซอร์ | รวมหลายช่องสัญญาณ/ความยาวคลื่น | ด้านส่งสัญญาณ / ออปติคัลแบบขนาน |
| ดีมัลติเพล็กเซอร์ (DEMUX) | ดีมัลติเพล็กเซอร์ | แยกช่องสัญญาณ/ความยาวคลื่นที่รวมกัน | ด้านรับสัญญาณ / ออปติคัลแบบขนาน |
| PD | โฟโตดีเทคเตอร์ | แปลงแสงที่รับได้เป็นกระแสโฟโต | ด้านรับสัญญาณ |
| , และมักจะมี | ทรานส์อิมพีแดนซ์แอมพลิฟายเออร์ | แปลงกระแสโฟโตเป็นแรงดันและขยายสัญญาณ | วงจรรับสัญญาณ |
| ROSA | โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัล | ชดเชยความผิดปกติและกู้คืนคุณภาพสัญญาณ | วงจรการทำงาน |
| MCU / หน่วยควบคุม | ไมโครคอนโทรลเลอร์ / ลอจิกควบคุม | ดูแลการทำงานและการจัดการภายใน | เส้นทางการควบคุม |
การทำงานของเส้นทางสัญญาณโมดูลออปติคัล
ที่ด้านส่งสัญญาณ สัญญาณไฟฟ้าจะเข้าสู่อินเทอร์เฟซไฟฟ้า จากนั้นจึงเข้าสู่สเตจไดรเวอร์ จากนั้นโมดูลจะขับเลเซอร์โดยตรง หรือใช้เลเซอร์คลื่นต่อเนื่องร่วมกับมอดูเลเตอร์ออปติคัลแยกต่างหาก จากนั้นสัญญาณแสงที่ได้จะถูกส่งไปยังเอาต์พุตใยแก้วนำแสง สรุปสั้นๆ คือ สายส่งสัญญาณคือ:
อินพุตไฟฟ้า → ไดรเวอร์ IC → เลเซอร์และ/หรือมอดูเลเตอร์ → เอาต์พุตแสง
ที่ด้านรับสัญญาณ สัญญาณแสงจะมาถึงผ่านอินเทอร์เฟซใยแก้วนำแสง เข้าสู่โฟโตดีเทคเตอร์ และถูกแปลงเป็นกระแสโฟโต กระแสนี้มีขนาดเล็กเกินไปและเปราะบางเกินไปที่จะใช้งานโดยตรง ดังนั้นจึงถูกส่งไปยัง , และมักจะมี ซึ่งจะแปลงเป็นสัญญาณโดเมนแรงดันที่เหมาะสมสำหรับการประมวลผลต่อไป หลังจากนั้น วงจรดาวน์สตรีมจะกู้คืนข้อมูลไฟฟ้าและส่งออกผ่านอินเทอร์เฟซไฟฟ้าของโฮสต์
โมดูลออปติคัลที่สมบูรณ์ยังรวมถึงเลเยอร์ควบคุม แม้ว่าแผนภาพสัญญาณจะเน้นที่ LD, PD, MUX, DEMUX หรือ DSP แต่โมดูลจริงยังคงต้องการการตรวจสอบ การควบคุมไบแอส การจัดการสถานะ และการดูแลอินเทอร์เฟซ นั่นคือเหตุผลที่หน่วยควบคุมยังคงเป็นส่วนหนึ่งของสถาปัตยกรรม แทนที่จะเป็นส่วนเสริมภายนอก
ไดโอดเลเซอร์ในโมดูลออปติคัล: EEL, FP, DFB, DML, EML และ VCSEL
ไดโอดเลเซอร์คือแหล่งกำเนิดแสงของโมดูลออปติคัล โดยพื้นฐานแล้ว มันใช้ตัวกลางขยายสัญญาณแบบเซมิคอนดักเตอร์ การกระตุ้นด้วยไฟฟ้า และโครงสร้างเรโซแนนซ์ออปติคัลเพื่อสร้างเอาต์พุตเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบโมดูล คำถามทางวิศวกรรมที่สำคัญกว่าไม่ใช่แค่ว่าเลเซอร์ทำงานอย่างไร แต่โครงสร้างเลเซอร์และวิธีการมอดูเลตแบบใดที่เหมาะสมที่สุดกับข้อกำหนดระยะทาง ความเร็ว และคุณภาพสัญญาณเป้าหมาย
การแบ่งประเภทโครงสร้างหลักอย่างหนึ่งคือระหว่าง เลเซอร์แบบปล่อยขอบ (EELs)AWGเลเซอร์แบบปล่อยพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSELs) ใน EEL โพรงเรโซแนนซ์จะถูกสร้างขึ้นตามระนาบของชิป ดังนั้นแสงจะออกจากระนาบขนานกับซับสเตรต ใน VCSEL โพรงจะถูกสร้างขึ้นในแนวตั้ง และแสงจะออกจากระนาบตั้งฉากกับพื้นผิวชิป ความแตกต่างทางโครงสร้างนี้เป็นเหตุผลหนึ่งที่ VCSEL มักเกี่ยวข้องกับทรานซีฟเวอร์ระยะสั้น ในขณะที่ตระกูลเลเซอร์ที่ใช้ฟอสไฟด์อินเดียมมักใช้เมื่อข้อกำหนดระยะทางและอัตราเลนเพิ่มขึ้น ภาพรวมแพลตฟอร์มทรานซีฟเวอร์ของ Coherent ตัวอย่างเช่น วาง VCSEL ในการพัฒนา 1.6T ระยะสั้น และโซลูชัน DML/EML ที่ใช้ InP ในหมวดระยะกลางและระยะไกล
ภายในตระกูล EEL สองประเภทที่พบบ่อยคือเลเซอร์ เพดานประสิทธิภาพต่ำสำหรับลิงก์ที่ต้องการAWGซับซ้อนกว่า FP เลเซอร์ Fabry–Pérot (FP) เป็นเลเซอร์รุ่นเก่ากว่า เรียบง่ายกว่า และมักเกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณอัตราต่ำ ระยะทางสั้น เลเซอร์ Distributed feedback (DFB) เพิ่มโครงสร้างตะแกรงเพื่อรองรับเอาต์พุตโหมดตามยาวเดี่ยว ทำให้เหมาะสำหรับลิงก์ออปติคัลความเร็วสูงและระยะไกลกว่า
การแบ่งประเภทที่สำคัญอีกอย่างคือระหว่าง ใช้เมื่อต้องการคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น รวมถึง AWGDSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ เพิ่มเกนภายในผ่านการคูณแบบอะวาลานช์ภายใต้ไบแอสย้อนกลับ บันทึกทางเทคนิคของ Hamamatsu อธิบายว่า APD คูณกระแสโฟโตภายใน ให้ความไวสูงขึ้น และสามารถให้ S/N ที่สูงกว่า PIN โฟโตไดโอด นี่คือเหตุผลที่ APD มักเป็นที่ต้องการเมื่อด้านรับสัญญาณต้องทำงานกับสัญญาณที่อ่อนแอกว่าหรือรองรับลิงก์ที่ยาวกว่าเลเซอร์ที่มอดูเลตด้วยไฟฟ้า (EML)แยกแหล่งกำเนิดแสงและฟังก์ชันการมอดูเลตออกจากกันอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในรูปแบบที่ใช้ในผลิตภัณฑ์จริง EML จะรวม
เลเซอร์ DFB เข้ากับ มอดูเลเตอร์แบบดูดซับไฟฟ้า เอกสาร EML ของ Coherent อธิบายอุปกรณ์นี้ในลักษณะนั้นพอดี และวางตำแหน่งสำหรับส่งสัญญาณ PAM4 ความเร็วสูง ในขณะที่แผนงานทรานซีฟเวอร์ที่กว้างขึ้นจะวาง EML ในหมวดระยะไกลกว่า VCSELนี่คือเหตุผลที่แผนที่ระยะทางจริงในกรอบอ้างอิงมีความสมเหตุสมผล: VCSEL ถูกวางตำแหน่งสำหรับลิงก์ภายในประมาณ
200 ม. ถูกวางตำแหน่งในพื้นที่ระยะสั้นถึงกลาง ประมาณ DML เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX ใช้เมื่อต้องการคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น รวมถึง EMLการส่งสัญญาณแบบขนานDSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ ประเภทเลเซอร์, จุดแข็งหลัก
| ข้อจำกัดหลัก | การวางตำแหน่งทั่วไป | FP | เลเซอร์แบบปล่อยขอบ, โพรง Fabry–Pérot | โครงสร้างเรียบง่าย |
|---|---|---|---|---|
| เพดานประสิทธิภาพต่ำสำหรับลิงก์ที่ต้องการ | อัตราต่ำ, ระยะทางสั้น | DFB | เลเซอร์แบบปล่อยขอบพร้อมการป้อนกลับแบบตะแกรง | การควบคุมสเปกตรัมที่ดีขึ้น |
| ซับซ้อนกว่า FP | ความเร็วสูงกว่า, ระยะทางไกลกว่า FP | DML | กระแสเลเซอร์ถูกมอดูเลตโดยตรง | เส้นทางส่งสัญญาณที่ง่ายกว่า |
| ใช้เมื่อต้องการคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น รวมถึง | ระยะสั้นถึงกลาง | EML | เลเซอร์ DFB บวกกับมอดูเลเตอร์แบบดูดซับไฟฟ้า | คุณภาพสัญญาณและระยะทางที่ดีขึ้น |
| DSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ | ระยะกลางถึงไกล | VCSEL | เลเซอร์แบบปล่อยพื้นผิว | การส่งสัญญาณระยะสั้นที่มีประสิทธิภาพ |
| ถูกวางตำแหน่งในพื้นที่ระยะสั้นถึงกลาง ประมาณ | ระยะสั้น, โดยทั่วไปภายในไม่กี่ร้อยเมตร | มอดูเลเตอร์ออปติคัล: วิธีการโหลดข้อมูลลงบนแสง | มอดูเลเตอร์ออปติคัลคืออุปกรณ์ที่เปลี่ยนพาหะออปติคัลต่อเนื่องให้เป็นสัญญาณที่บรรทุกข้อมูล ในทางปฏิบัติ มันช่วยให้สัญญาณไฟฟ้าควบคุมพารามิเตอร์ออปติคัลอย่างน้อยหนึ่งอย่าง เช่น | ความเข้ม |
,
เฟส, หรือ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX ฟังก์ชันนี้มีความสำคัญต่อโมดูลออปติคัลสมัยใหม่ เนื่องจากประสิทธิภาพของตัวส่งสัญญาณมักถูกกำหนดโดยวิธีการมอดูเลตพอๆ กับตัวเลเซอร์เองเส้นทางซิลิคอนทั่วไปใช้ ผลการกระจายตัวของพลาสม่า ในแนวทางนี้ โครงสร้าง PN-junction จะเปลี่ยนความเข้มข้นของพาหะภายในท่อนำแสงซิลิคอน ซึ่งจะเปลี่ยนดัชนีหักเหและการดูดซับ จากนั้นการเปลี่ยนแปลงเฟสนี้สามารถแปลงเป็นการมอดูเลตความเข้มในโครงสร้างเช่น
อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Mach–Zehnder (MZI/MZM) บทความพื้นฐานของ Optica อธิบายการมอดูเลตออปติคัลด้วยซิลิคอนอย่างชัดเจนว่าอิงตามผลการกระจายตัวของพลาสม่าของพาหะอิสระ และงานซิลิคอนโฟโตนิกส์ของ Intel ล่าสุดยังคงสร้างตัวส่งสัญญาณแบบรวมความเร็วสูงรอบสถาปัตยกรรมที่ใช้ Mach–Zehnder สำหรับการเชื่อมต่อออปติคัลที่ปรับขนาดได้จุดดึงดูดหลักของมอดูเลเตอร์ซิลิคอนคือความเข้ากันได้ของกระบวนการและความหนาแน่นของการรวมเข้าด้วยกัน เนื่องจากเข้ากันได้ดีกับตรรกะการผลิตที่เน้น CMOS จึงสอดคล้องกับการใช้งานการเชื่อมต่อออปติคัลปริมาณมากที่คำนึงถึงต้นทุน ทำให้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับ
การเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลระยะสั้น ซึ่งการรวมเข้าด้วยกัน พลังงาน และการบรรจุหีบห่อมีความสำคัญพอๆ กับความสง่างามของอุปกรณ์ดิบเส้นทางที่สองอิงตาม ผล Pockels ใน
ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (TFLN)ลิงก์แบบโคเฮเรนต์, เครือข่ายแบ็คโบน, ออปติคัลศูนย์ข้อมูลระดับไฮเอนด์EML (Nature)เส้นทางที่สามใช้ ผลควอนตัมสตาร์กแบบกักขัง (QCSE)บทเรียนการออกแบบที่สำคัญที่สุดคือโมดูลออปติคัลเป็น
มัลติควอนตัมเวลล์ที่ใช้ InP ในกรอบอ้างอิง เส้นทางนี้ถูกนำเสนอเป็นกลไกหลักเบื้องหลังการออกแบบ EML จำนวนมาก ในเชิงวิศวกรรม มีความน่าสนใจเนื่องจากสามารถให้ ประสิทธิภาพสูงDSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ อัตราส่วนการดับที่ดี, และ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX ทำให้เหมาะสำหรับการส่งสัญญาณระดับ การส่งสัญญาณแบบขนานประเภทกลไกทางกายภาพแพลตฟอร์มวัสดุตรรกะการมอดูเลตลักษณะสำคัญ
| การใช้งานทั่วไป | ผลการกระจายตัวของพลาสม่า | ซิลิคอน | ความเข้มข้นของพาหะใน PN junction เปลี่ยนแปลงดัชนีหักเห; มักใช้ในโครงสร้าง MZI/MZM | การรวมเข้าด้วยกันสูง, เน้น CMOS, เป็นมิตรกับต้นทุน; ยังคงมีข้อแลกเปลี่ยนด้านแบนด์วิดท์และพลังงาน |
|---|---|---|---|---|
| การเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลระยะสั้น | ผล Pockels | ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง | สนามไฟฟ้าเปลี่ยนดัชนีหักเหโดยตรง | การตอบสนองเร็วมาก, ชิปต่ำ, ความเป็นเชิงเส้นสูง, ความต้องการการผลิตขั้นสูง |
| ลิงก์แบบโคเฮเรนต์, เครือข่ายแบ็คโบน, ออปติคัลศูนย์ข้อมูลระดับไฮเอนด์ | ผลควอนตัมสตาร์กแบบกักขัง | มัลติควอนตัมเวลล์ InP | สนามไฟฟ้าเลื่อนขอบการดูดซับสำหรับการมอดูเลตแบบดูดซับไฟฟ้า | มีประสิทธิภาพ, อัตราส่วนการดับดี, แรงดันขับต่ำ |
| การส่งสัญญาณระยะกลางถึงไกล, การออกแบบที่ใช้ EML | โฟโตดีเทคเตอร์และ TIA: วิธีการแปลงสัญญาณแสงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าอีกครั้ง | ที่ด้านรับสัญญาณ โมดูลออปติคัลต้องแปลงแสงที่เข้ามาให้เป็นข้อมูลไฟฟ้าที่ใช้งานได้ อุปกรณ์แรกในสายโซ่นั้นคือ | โฟโตดีเทคเตอร์ (PD) | หน้าที่ของมันคือการดูดซับสัญญาณออปติคัลที่เข้ามาและสร้างพาหะประจุ สร้างกระแสโฟโตที่สะท้อนแสงที่ได้รับ |
ตระกูลดีเทคเตอร์ที่พบบ่อยสองตระกูลคือ
PIN โฟโตไดโอด และ APD โฟโตไดโอด
ดีเทคเตอร์ PINAWGAPD เพิ่มเกนภายในผ่านการคูณแบบอะวาลานช์ภายใต้ไบแอสย้อนกลับ บันทึกทางเทคนิคของ Hamamatsu อธิบายว่า APD คูณกระแสโฟโตภายใน ให้ความไวสูงขึ้น และสามารถให้ S/N ที่สูงกว่า PIN โฟโตไดโอด นี่คือเหตุผลที่ APD มักเป็นที่ต้องการเมื่อด้านรับสัญญาณต้องทำงานกับสัญญาณที่อ่อนแอกว่าหรือรองรับลิงก์ที่ยาวกว่าทรานส์อิมพีแดนซ์แอมพลิฟายเออร์ (TIA)องค์ประกอบตัวรับ
หน้าที่หลักความสำคัญของประสิทธิภาพบริบทการใช้งานทั่วไป
| PIN โฟโตไดโอด | แปลงแสงเป็นกระแสโฟโต | ความไวปานกลาง | ลิงก์ระยะสั้นถึงกลาง |
|---|---|---|---|
| APD โฟโตไดโอด | แปลงแสงเป็นกระแสโฟโตพร้อมเกนภายใน | ความไวสูงกว่า, ประสิทธิภาพสัญญาณอ่อนดีกว่า | ระยะทางไกลขึ้นหรือกำลังรับสัญญาณต่ำลง |
| TIA | แปลงกระแสโฟโตเป็นแรงดันและขยายสัญญาณ | เปิดใช้งานการกู้คืนทางไฟฟ้าที่ใช้งานได้จากเอาต์พุต PD | ส่วนหน้าของวงจรรับสัญญาณ |
| , และมักจะมี | โมดูลออปติคัลสมัยใหม่ทำมากกว่าแค่ส่งสตรีมออปติคัลเดียวผ่านเส้นทางเดียว ในหลายการออกแบบ มันต้องรวมหรือแยกหลายช่องสัญญาณเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแบนด์วิดท์ นั่นคือบทบาทของอุปกรณ์ | MUX | และ |
DEMUX
มัลติเพล็กเซอร์ (MUX)AWGดีมัลติเพล็กเซอร์ (DEMUX) ทำงานย้อนกลับและแยกสัญญาณรวมที่เข้ามาให้กลับเป็นช่องสัญญาณที่ประกอบขึ้น จากมุมมองของระบบ องค์ประกอบเหล่านี้คือสิ่งที่ทำให้
การส่งสัญญาณออปติคัลแบบขนาน เป็นไปได้กรอบบทความแบ่งการมัลติเพล็กซิ่งออกเป็นสามหมวดหมู่ที่ใช้งานได้จริง การมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งโหมด ถูกนำเสนอเป็นเส้นทางที่มุ่งเน้นอนาคต โดยมีอุปกรณ์ที่เป็นตัวแทน เช่น ตัวแยก ADC และ
MMIAWG, TFF, MRRการมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่นการกู้คืนสัญญาณนาฬิกาAWG, TFFตัวแยก/ตัวรวมโพลาไรเซชัน, ตัวหมุนโพลาไรเซชันMRR เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXเกี่ยวข้องกับโมดูลแบบโคเฮเรนต์และอาศัยอุปกรณ์ เช่น ตัวแยก/ตัวรวมโพลาไรเซชันและตัวหมุนโพลาไรเซชันการส่งสัญญาณแบบขนานประเภทการมัลติเพล็กซิ่งDSP ทำอะไรในโมดูลออปติคัล บริบทโมดูลทั่วไป
การมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งโหมด
| ADC, MMI | มุ่งเน้นอนาคต / เน้นการวิจัย | สถาปัตยกรรมขั้นสูงหรือเกิดใหม่ | การมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่น |
|---|---|---|---|
| AWG, TFF, MRR | การขนส่งความยาวคลื่นแบบขนานหลัก | โมดูลออปติคัลดาต้าคอมและโทรคมนาคม | การมัลติเพล็กซิ่งแบบโพลาไรเซชัน |
| ตัวแยก/ตัวรวมโพลาไรเซชัน, ตัวหมุนโพลาไรเซชัน | การประมวลผลออปติคัลเฉพาะโคเฮเรนต์ | โมดูลโคเฮเรนต์ | DSP ทำอะไรในโมดูลออปติคัล |
| DSP | มีอยู่เพราะลิงก์ออปติคัลและสายโซ่การแปลงไม่สมบูรณ์แบบ ที่ด้านส่งสัญญาณ ข้อมูลมักจะผ่าน | DAC |
เพื่อย้ายจากโดเมนดิจิทัลไปยังโดเมนอะนาล็อก ที่ด้านรับสัญญาณ สัญญาณอะนาล็อกที่กู้คืนจะถูกส่งผ่าน
ADCROSAในระบบออปติคัลจริง DSP ถูกใช้สำหรับงานต่างๆ เช่น การบิดเบือนล่วงหน้า, การกู้คืนสัญญาณนาฬิกา,
การชดเชยการกระจาย, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, และ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXเหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้โมดูลสามารถรวมและแยกช่องสัญญาณออปติคัลหลายช่องได้ สิ่งนี้จำเป็นสำหรับ ให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้การเลือกส่วนประกอบส่งผลต่อระยะทาง แบนด์วิดท์ และความเหมาะสมในการใช้งานอย่างไรบทเรียนการออกแบบที่สำคัญที่สุดคือโมดูลออปติคัลเป็น
ปัญหาด้านสถาปัตยกรรมระดับระบบ ระยะทางของลิงก์ไม่ได้ถูกกำหนดโดยเลเซอร์เพียงอย่างเดียว แบนด์วิดท์ไม่ได้ถูกกำหนดโดย MUX เพียงอย่างเดียว ความไวของตัวรับไม่ได้ถูกกำหนดโดย PD เพียงอย่างเดียว ประสิทธิภาพจริงเกิดจากการรวมกันของแหล่งกำเนิดแสง วิธีการมอดูเลต ส่วนหน้าของตัวรับ สถาปัตยกรรมช่องสัญญาณ และกลยุทธ์การชดเชยดิจิทัลสำหรับการ
ส่งสัญญาณระยะสั้น
สถาปัตยกรรมมักจะให้ความสำคัญกับอุปกรณ์และแพลตฟอร์มที่ปรับขนาดได้ดีในปริมาณและความหนาแน่นของการรวมเข้าด้วยกัน เช่น เส้นทางส่งสัญญาณที่ใช้ VCSEL หรือ
เส้นทางการมอดูเลตที่ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์สำหรับการ ส่งสัญญาณระยะกลางและระยะไกล สถาปัตยกรรมจะได้รับประโยชน์มากขึ้นจาก ตัวส่งสัญญาณสไตล์ DFB/EML, ความไวของตัวรับที่สูงขึ้น เช่น การตรวจจับที่ใช้ APD, และการแก้ไขดิจิทัลที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น วัสดุผลิตภัณฑ์และแผนงานของ Coherent เองก็สะท้อนแนวโน้มเดียวกันนี้โดยวาง VCSEL ในการพัฒนาสำหรับระยะสั้น และ EML ที่ใช้ InP หรือตระกูลเลเซอร์มอดูเลตที่เกี่ยวข้องในหมวดระยะกลางและระยะไกลนี่คือเหตุผลที่รายการส่วนประกอบภายในไม่ควรถือเป็นแคตตาล็อกชิ้นส่วนแบบแบน ในโมดูลออปติคัล อุปกรณ์หลักแต่ละชิ้นแสดงถึงการเลือกการออกแบบเกี่ยวกับระยะทาง อัตราข้อมูล คุณภาพสัญญาณ วิธีการรวมเข้าด้วยกัน และโครงสร้างต้นทุนคำถามที่พบบ่อยส่วนประกอบหลักของโมดูลออปติคัลคืออะไรส่วนประกอบหลักคือ TOSA
,
ROSA
,
วงจรการทำงานในกรอบที่ใช้ที่นี่ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX เกี่ยวข้องกับลิงก์ระยะสั้น โดยทั่วไปภายในประมาณ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, การส่งสัญญาณแบบขนาน, โฟโตดีเทคเตอร์, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, และมักจะมี เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXเหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXTOSA คือชุดส่งสัญญาณออปติคัล ทำหน้าที่สร้างแสงและส่งออกแสง ROSAPIN เทียบกับ APD โฟโตดีเทคเตอร์: อันไหนดีกว่าสำหรับการส่งระยะทางที่ไกลกว่า
DML เทียบกับ EML เทียบกับ VCSEL: อันไหนใช้สำหรับโมดูลออปติคัลระยะสั้นและระยะไกล
ในกรอบที่ใช้ที่นี่ VCSEL เกี่ยวข้องกับลิงก์ระยะสั้น โดยทั่วไปภายในประมาณ 200 ม.
DML ถูกวางตำแหน่งในพื้นที่ระยะสั้นถึงกลาง ประมาณ 500 ม. ถึง 10 กม. DSP ทำอะไรในโมดูลออปติคัล ใช้เมื่อต้องการคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น รวมถึง 40 กม. ขึ้นไปDSP ทำอะไรในโมดูลออปติคัลDSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ การบิดเบือนล่วงหน้า, PIN เทียบกับ APD โฟโตดีเทคเตอร์: อันไหนดีกว่าสำหรับการส่งระยะทางที่ไกลกว่า
,
การชดเชยการกระจาย, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, และ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXเหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้โมดูลสามารถรวมและแยกช่องสัญญาณออปติคัลหลายช่องได้ สิ่งนี้จำเป็นสำหรับ การส่งสัญญาณแบบขนาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการออกแบบใช้ความยาวคลื่นหลายค่าหรือมิติการมัลติเพล็กซิ่งอื่นๆ เพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์PIN เทียบกับ APD โฟโตดีเทคเตอร์: อันไหนดีกว่าสำหรับการส่งระยะทางที่ไกลกว่า
APD
โดยทั่วไปจะดีกว่าเมื่อด้านรับสัญญาณต้องการความไวสูงขึ้น เนื่องจากให้เกนภายในผ่านการคูณแบบอะวาลานช์ PIN นั้นง่ายกว่าและทำงานได้ดีในการใช้งานระยะสั้นและระยะกลางหลายอย่าง แต่ APD มักเป็นที่ต้องการเมื่อต้องตรวจจับสัญญาณที่รับได้อ่อนแอกว่า
โมดูลออปติคัลไม่ใช่แค่อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ชิ้นเดียว แต่เป็นระบบส่งสัญญาณที่รวมเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา ประกอบด้วยส่วนส่งสัญญาณ ส่วนรับสัญญาณ วงจรการทำงาน และอินเทอร์เฟซออปติคัล/ไฟฟ้า องค์ประกอบเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง กู้คืนแสงที่เข้ามาให้กลับเป็นรูปแบบไฟฟ้า และรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณตลอดลิงก์
ส่วนประกอบหลักของโมดูลออปติคัลคืออะไร
โมดูลออปติคัลคือชุดประกอบทรานซีฟเวอร์แบบอิเล็กโทร-ออปติคัลที่สร้างขึ้นจากบล็อกหลักสี่ส่วน: ในกรอบที่ใช้ที่นี่ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX เกี่ยวข้องกับลิงก์ระยะสั้น โดยทั่วไปภายในประมาณ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, การส่งสัญญาณแบบขนาน, ด้านส่งสัญญาณจะสร้างและมอดูเลตแสง ด้านรับสัญญาณจะตรวจจับและกู้คืนแสง วงจรจะจัดการการขับเคลื่อน การขยายสัญญาณ การควบคุม และการแก้ไขดิจิทัล และอินเทอร์เฟซจะเชื่อมต่อโมดูลเข้ากับระบบโฮสต์และลิงก์ใยแก้วนำแสง
ในระดับสถาปัตยกรรม โมดูลสามารถแบ่งออกเป็น เส้นทางส่งสัญญาณ, เส้นทางรับสัญญาณ, เส้นทางการควบคุม, และเลเยอร์การเชื่อมต่อภายนอกสองชั้น ด้านส่งสัญญาณมักจะจัดกลุ่มภายใต้ ในกรอบที่ใช้ที่นี่ (transmitter optical sub-assembly) ในขณะที่ด้านรับสัญญาณจะจัดกลุ่มภายใต้ เกี่ยวข้องกับลิงก์ระยะสั้น โดยทั่วไปภายในประมาณ (receiver optical sub-assembly) วงจรการทำงานประกอบด้วย เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, และมักจะมี เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXROSA, และ หน่วยควบคุม ในขณะที่อินเทอร์เฟซออปติคัลและไฟฟ้าจะเชื่อมต่อโมดูลเข้ากับใยแก้วนำแสงด้านหนึ่งและบอร์ดโฮสต์อีกด้านหนึ่ง
อุปกรณ์ภายในหลักที่มักกล่าวถึงในมุมมองระดับส่วนประกอบของโมดูลออปติคัล ได้แก่ ไดโอดเลเซอร์ (LD)เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX และ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXท่อนำแสง (WG)เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXมอดูเลเตอร์ออปติคัล (OM)เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXความสำคัญของประสิทธิภาพเหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXการส่งสัญญาณแบบขนานTOSA แต่ละชิ้นมีบทบาทที่แตกต่างกัน แต่ไม่มีชิ้นใดชิ้นหนึ่งที่กำหนดประสิทธิภาพของโมดูลได้เพียงลำพัง พฤติกรรมลิงก์จริงเกิดจากการทำงานร่วมกันของอุปกรณ์เหล่านี้
| ส่วนประกอบ | ชื่อเต็ม | แปลงแสงเป็นกระแสโฟโต | บทบาททั่วไป |
|---|---|---|---|
| LD | ไดโอดเลเซอร์ | สร้างแสงพาหะออปติคัล | ด้านส่งสัญญาณ |
| OM | มอดูเลเตอร์ออปติคัล | โหลดข้อมูลลงบนแสง | ด้านส่งสัญญาณ |
| WG | ท่อนำแสง | นำพลังงานแสงผ่านอุปกรณ์ | เส้นทางแสงภายใน |
| Driver IC | วงจรรวมไดรเวอร์ | ให้การขับเคลื่อนทางไฟฟ้าสำหรับเลเซอร์หรือมอดูเลเตอร์ | วงจรส่งสัญญาณ |
| มัลติเพล็กเซอร์ (MUX) | มัลติเพล็กเซอร์ | รวมหลายช่องสัญญาณ/ความยาวคลื่น | ด้านส่งสัญญาณ / ออปติคัลแบบขนาน |
| ดีมัลติเพล็กเซอร์ (DEMUX) | ดีมัลติเพล็กเซอร์ | แยกช่องสัญญาณ/ความยาวคลื่นที่รวมกัน | ด้านรับสัญญาณ / ออปติคัลแบบขนาน |
| PD | โฟโตดีเทคเตอร์ | แปลงแสงที่รับได้เป็นกระแสโฟโต | ด้านรับสัญญาณ |
| , และมักจะมี | ทรานส์อิมพีแดนซ์แอมพลิฟายเออร์ | แปลงกระแสโฟโตเป็นแรงดันและขยายสัญญาณ | วงจรรับสัญญาณ |
| ROSA | โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัล | ชดเชยความผิดปกติและกู้คืนคุณภาพสัญญาณ | วงจรการทำงาน |
| MCU / หน่วยควบคุม | ไมโครคอนโทรลเลอร์ / ลอจิกควบคุม | ดูแลการทำงานและการจัดการภายใน | เส้นทางการควบคุม |
การทำงานของเส้นทางสัญญาณโมดูลออปติคัล
ที่ด้านส่งสัญญาณ สัญญาณไฟฟ้าจะเข้าสู่อินเทอร์เฟซไฟฟ้า จากนั้นจึงเข้าสู่สเตจไดรเวอร์ จากนั้นโมดูลจะขับเลเซอร์โดยตรง หรือใช้เลเซอร์คลื่นต่อเนื่องร่วมกับมอดูเลเตอร์ออปติคัลแยกต่างหาก จากนั้นสัญญาณแสงที่ได้จะถูกส่งไปยังเอาต์พุตใยแก้วนำแสง สรุปสั้นๆ คือ สายส่งสัญญาณคือ:
อินพุตไฟฟ้า → ไดรเวอร์ IC → เลเซอร์และ/หรือมอดูเลเตอร์ → เอาต์พุตแสง
ที่ด้านรับสัญญาณ สัญญาณแสงจะมาถึงผ่านอินเทอร์เฟซใยแก้วนำแสง เข้าสู่โฟโตดีเทคเตอร์ และถูกแปลงเป็นกระแสโฟโต กระแสนี้มีขนาดเล็กเกินไปและเปราะบางเกินไปที่จะใช้งานโดยตรง ดังนั้นจึงถูกส่งไปยัง , และมักจะมี ซึ่งจะแปลงเป็นสัญญาณโดเมนแรงดันที่เหมาะสมสำหรับการประมวลผลต่อไป หลังจากนั้น วงจรดาวน์สตรีมจะกู้คืนข้อมูลไฟฟ้าและส่งออกผ่านอินเทอร์เฟซไฟฟ้าของโฮสต์
โมดูลออปติคัลที่สมบูรณ์ยังรวมถึงเลเยอร์ควบคุม แม้ว่าแผนภาพสัญญาณจะเน้นที่ LD, PD, MUX, DEMUX หรือ DSP แต่โมดูลจริงยังคงต้องการการตรวจสอบ การควบคุมไบแอส การจัดการสถานะ และการดูแลอินเทอร์เฟซ นั่นคือเหตุผลที่หน่วยควบคุมยังคงเป็นส่วนหนึ่งของสถาปัตยกรรม แทนที่จะเป็นส่วนเสริมภายนอก
ไดโอดเลเซอร์ในโมดูลออปติคัล: EEL, FP, DFB, DML, EML และ VCSEL
ไดโอดเลเซอร์คือแหล่งกำเนิดแสงของโมดูลออปติคัล โดยพื้นฐานแล้ว มันใช้ตัวกลางขยายสัญญาณแบบเซมิคอนดักเตอร์ การกระตุ้นด้วยไฟฟ้า และโครงสร้างเรโซแนนซ์ออปติคัลเพื่อสร้างเอาต์พุตเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบโมดูล คำถามทางวิศวกรรมที่สำคัญกว่าไม่ใช่แค่ว่าเลเซอร์ทำงานอย่างไร แต่โครงสร้างเลเซอร์และวิธีการมอดูเลตแบบใดที่เหมาะสมที่สุดกับข้อกำหนดระยะทาง ความเร็ว และคุณภาพสัญญาณเป้าหมาย
การแบ่งประเภทโครงสร้างหลักอย่างหนึ่งคือระหว่าง เลเซอร์แบบปล่อยขอบ (EELs)AWGเลเซอร์แบบปล่อยพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSELs) ใน EEL โพรงเรโซแนนซ์จะถูกสร้างขึ้นตามระนาบของชิป ดังนั้นแสงจะออกจากระนาบขนานกับซับสเตรต ใน VCSEL โพรงจะถูกสร้างขึ้นในแนวตั้ง และแสงจะออกจากระนาบตั้งฉากกับพื้นผิวชิป ความแตกต่างทางโครงสร้างนี้เป็นเหตุผลหนึ่งที่ VCSEL มักเกี่ยวข้องกับทรานซีฟเวอร์ระยะสั้น ในขณะที่ตระกูลเลเซอร์ที่ใช้ฟอสไฟด์อินเดียมมักใช้เมื่อข้อกำหนดระยะทางและอัตราเลนเพิ่มขึ้น ภาพรวมแพลตฟอร์มทรานซีฟเวอร์ของ Coherent ตัวอย่างเช่น วาง VCSEL ในการพัฒนา 1.6T ระยะสั้น และโซลูชัน DML/EML ที่ใช้ InP ในหมวดระยะกลางและระยะไกล
ภายในตระกูล EEL สองประเภทที่พบบ่อยคือเลเซอร์ เพดานประสิทธิภาพต่ำสำหรับลิงก์ที่ต้องการAWGซับซ้อนกว่า FP เลเซอร์ Fabry–Pérot (FP) เป็นเลเซอร์รุ่นเก่ากว่า เรียบง่ายกว่า และมักเกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณอัตราต่ำ ระยะทางสั้น เลเซอร์ Distributed feedback (DFB) เพิ่มโครงสร้างตะแกรงเพื่อรองรับเอาต์พุตโหมดตามยาวเดี่ยว ทำให้เหมาะสำหรับลิงก์ออปติคัลความเร็วสูงและระยะไกลกว่า
การแบ่งประเภทที่สำคัญอีกอย่างคือระหว่าง ใช้เมื่อต้องการคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น รวมถึง AWGDSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ เพิ่มเกนภายในผ่านการคูณแบบอะวาลานช์ภายใต้ไบแอสย้อนกลับ บันทึกทางเทคนิคของ Hamamatsu อธิบายว่า APD คูณกระแสโฟโตภายใน ให้ความไวสูงขึ้น และสามารถให้ S/N ที่สูงกว่า PIN โฟโตไดโอด นี่คือเหตุผลที่ APD มักเป็นที่ต้องการเมื่อด้านรับสัญญาณต้องทำงานกับสัญญาณที่อ่อนแอกว่าหรือรองรับลิงก์ที่ยาวกว่าเลเซอร์ที่มอดูเลตด้วยไฟฟ้า (EML)แยกแหล่งกำเนิดแสงและฟังก์ชันการมอดูเลตออกจากกันอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในรูปแบบที่ใช้ในผลิตภัณฑ์จริง EML จะรวม
เลเซอร์ DFB เข้ากับ มอดูเลเตอร์แบบดูดซับไฟฟ้า เอกสาร EML ของ Coherent อธิบายอุปกรณ์นี้ในลักษณะนั้นพอดี และวางตำแหน่งสำหรับส่งสัญญาณ PAM4 ความเร็วสูง ในขณะที่แผนงานทรานซีฟเวอร์ที่กว้างขึ้นจะวาง EML ในหมวดระยะไกลกว่า VCSELนี่คือเหตุผลที่แผนที่ระยะทางจริงในกรอบอ้างอิงมีความสมเหตุสมผล: VCSEL ถูกวางตำแหน่งสำหรับลิงก์ภายในประมาณ
200 ม. ถูกวางตำแหน่งในพื้นที่ระยะสั้นถึงกลาง ประมาณ DML เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX ใช้เมื่อต้องการคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น รวมถึง EMLการส่งสัญญาณแบบขนานDSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ ประเภทเลเซอร์, จุดแข็งหลัก
| ข้อจำกัดหลัก | การวางตำแหน่งทั่วไป | FP | เลเซอร์แบบปล่อยขอบ, โพรง Fabry–Pérot | โครงสร้างเรียบง่าย |
|---|---|---|---|---|
| เพดานประสิทธิภาพต่ำสำหรับลิงก์ที่ต้องการ | อัตราต่ำ, ระยะทางสั้น | DFB | เลเซอร์แบบปล่อยขอบพร้อมการป้อนกลับแบบตะแกรง | การควบคุมสเปกตรัมที่ดีขึ้น |
| ซับซ้อนกว่า FP | ความเร็วสูงกว่า, ระยะทางไกลกว่า FP | DML | กระแสเลเซอร์ถูกมอดูเลตโดยตรง | เส้นทางส่งสัญญาณที่ง่ายกว่า |
| ใช้เมื่อต้องการคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น รวมถึง | ระยะสั้นถึงกลาง | EML | เลเซอร์ DFB บวกกับมอดูเลเตอร์แบบดูดซับไฟฟ้า | คุณภาพสัญญาณและระยะทางที่ดีขึ้น |
| DSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ | ระยะกลางถึงไกล | VCSEL | เลเซอร์แบบปล่อยพื้นผิว | การส่งสัญญาณระยะสั้นที่มีประสิทธิภาพ |
| ถูกวางตำแหน่งในพื้นที่ระยะสั้นถึงกลาง ประมาณ | ระยะสั้น, โดยทั่วไปภายในไม่กี่ร้อยเมตร | มอดูเลเตอร์ออปติคัล: วิธีการโหลดข้อมูลลงบนแสง | มอดูเลเตอร์ออปติคัลคืออุปกรณ์ที่เปลี่ยนพาหะออปติคัลต่อเนื่องให้เป็นสัญญาณที่บรรทุกข้อมูล ในทางปฏิบัติ มันช่วยให้สัญญาณไฟฟ้าควบคุมพารามิเตอร์ออปติคัลอย่างน้อยหนึ่งอย่าง เช่น | ความเข้ม |
,
เฟส, หรือ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX ฟังก์ชันนี้มีความสำคัญต่อโมดูลออปติคัลสมัยใหม่ เนื่องจากประสิทธิภาพของตัวส่งสัญญาณมักถูกกำหนดโดยวิธีการมอดูเลตพอๆ กับตัวเลเซอร์เองเส้นทางซิลิคอนทั่วไปใช้ ผลการกระจายตัวของพลาสม่า ในแนวทางนี้ โครงสร้าง PN-junction จะเปลี่ยนความเข้มข้นของพาหะภายในท่อนำแสงซิลิคอน ซึ่งจะเปลี่ยนดัชนีหักเหและการดูดซับ จากนั้นการเปลี่ยนแปลงเฟสนี้สามารถแปลงเป็นการมอดูเลตความเข้มในโครงสร้างเช่น
อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Mach–Zehnder (MZI/MZM) บทความพื้นฐานของ Optica อธิบายการมอดูเลตออปติคัลด้วยซิลิคอนอย่างชัดเจนว่าอิงตามผลการกระจายตัวของพลาสม่าของพาหะอิสระ และงานซิลิคอนโฟโตนิกส์ของ Intel ล่าสุดยังคงสร้างตัวส่งสัญญาณแบบรวมความเร็วสูงรอบสถาปัตยกรรมที่ใช้ Mach–Zehnder สำหรับการเชื่อมต่อออปติคัลที่ปรับขนาดได้จุดดึงดูดหลักของมอดูเลเตอร์ซิลิคอนคือความเข้ากันได้ของกระบวนการและความหนาแน่นของการรวมเข้าด้วยกัน เนื่องจากเข้ากันได้ดีกับตรรกะการผลิตที่เน้น CMOS จึงสอดคล้องกับการใช้งานการเชื่อมต่อออปติคัลปริมาณมากที่คำนึงถึงต้นทุน ทำให้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับ
การเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลระยะสั้น ซึ่งการรวมเข้าด้วยกัน พลังงาน และการบรรจุหีบห่อมีความสำคัญพอๆ กับความสง่างามของอุปกรณ์ดิบเส้นทางที่สองอิงตาม ผล Pockels ใน
ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (TFLN)ลิงก์แบบโคเฮเรนต์, เครือข่ายแบ็คโบน, ออปติคัลศูนย์ข้อมูลระดับไฮเอนด์EML (Nature)เส้นทางที่สามใช้ ผลควอนตัมสตาร์กแบบกักขัง (QCSE)บทเรียนการออกแบบที่สำคัญที่สุดคือโมดูลออปติคัลเป็น
มัลติควอนตัมเวลล์ที่ใช้ InP ในกรอบอ้างอิง เส้นทางนี้ถูกนำเสนอเป็นกลไกหลักเบื้องหลังการออกแบบ EML จำนวนมาก ในเชิงวิศวกรรม มีความน่าสนใจเนื่องจากสามารถให้ ประสิทธิภาพสูงDSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ อัตราส่วนการดับที่ดี, และ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX ทำให้เหมาะสำหรับการส่งสัญญาณระดับ การส่งสัญญาณแบบขนานประเภทกลไกทางกายภาพแพลตฟอร์มวัสดุตรรกะการมอดูเลตลักษณะสำคัญ
| การใช้งานทั่วไป | ผลการกระจายตัวของพลาสม่า | ซิลิคอน | ความเข้มข้นของพาหะใน PN junction เปลี่ยนแปลงดัชนีหักเห; มักใช้ในโครงสร้าง MZI/MZM | การรวมเข้าด้วยกันสูง, เน้น CMOS, เป็นมิตรกับต้นทุน; ยังคงมีข้อแลกเปลี่ยนด้านแบนด์วิดท์และพลังงาน |
|---|---|---|---|---|
| การเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลระยะสั้น | ผล Pockels | ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง | สนามไฟฟ้าเปลี่ยนดัชนีหักเหโดยตรง | การตอบสนองเร็วมาก, ชิปต่ำ, ความเป็นเชิงเส้นสูง, ความต้องการการผลิตขั้นสูง |
| ลิงก์แบบโคเฮเรนต์, เครือข่ายแบ็คโบน, ออปติคัลศูนย์ข้อมูลระดับไฮเอนด์ | ผลควอนตัมสตาร์กแบบกักขัง | มัลติควอนตัมเวลล์ InP | สนามไฟฟ้าเลื่อนขอบการดูดซับสำหรับการมอดูเลตแบบดูดซับไฟฟ้า | มีประสิทธิภาพ, อัตราส่วนการดับดี, แรงดันขับต่ำ |
| การส่งสัญญาณระยะกลางถึงไกล, การออกแบบที่ใช้ EML | โฟโตดีเทคเตอร์และ TIA: วิธีการแปลงสัญญาณแสงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าอีกครั้ง | ที่ด้านรับสัญญาณ โมดูลออปติคัลต้องแปลงแสงที่เข้ามาให้เป็นข้อมูลไฟฟ้าที่ใช้งานได้ อุปกรณ์แรกในสายโซ่นั้นคือ | โฟโตดีเทคเตอร์ (PD) | หน้าที่ของมันคือการดูดซับสัญญาณออปติคัลที่เข้ามาและสร้างพาหะประจุ สร้างกระแสโฟโตที่สะท้อนแสงที่ได้รับ |
ตระกูลดีเทคเตอร์ที่พบบ่อยสองตระกูลคือ
PIN โฟโตไดโอด และ APD โฟโตไดโอด
ดีเทคเตอร์ PINAWGAPD เพิ่มเกนภายในผ่านการคูณแบบอะวาลานช์ภายใต้ไบแอสย้อนกลับ บันทึกทางเทคนิคของ Hamamatsu อธิบายว่า APD คูณกระแสโฟโตภายใน ให้ความไวสูงขึ้น และสามารถให้ S/N ที่สูงกว่า PIN โฟโตไดโอด นี่คือเหตุผลที่ APD มักเป็นที่ต้องการเมื่อด้านรับสัญญาณต้องทำงานกับสัญญาณที่อ่อนแอกว่าหรือรองรับลิงก์ที่ยาวกว่าทรานส์อิมพีแดนซ์แอมพลิฟายเออร์ (TIA)องค์ประกอบตัวรับ
หน้าที่หลักความสำคัญของประสิทธิภาพบริบทการใช้งานทั่วไป
| PIN โฟโตไดโอด | แปลงแสงเป็นกระแสโฟโต | ความไวปานกลาง | ลิงก์ระยะสั้นถึงกลาง |
|---|---|---|---|
| APD โฟโตไดโอด | แปลงแสงเป็นกระแสโฟโตพร้อมเกนภายใน | ความไวสูงกว่า, ประสิทธิภาพสัญญาณอ่อนดีกว่า | ระยะทางไกลขึ้นหรือกำลังรับสัญญาณต่ำลง |
| TIA | แปลงกระแสโฟโตเป็นแรงดันและขยายสัญญาณ | เปิดใช้งานการกู้คืนทางไฟฟ้าที่ใช้งานได้จากเอาต์พุต PD | ส่วนหน้าของวงจรรับสัญญาณ |
| , และมักจะมี | โมดูลออปติคัลสมัยใหม่ทำมากกว่าแค่ส่งสตรีมออปติคัลเดียวผ่านเส้นทางเดียว ในหลายการออกแบบ มันต้องรวมหรือแยกหลายช่องสัญญาณเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแบนด์วิดท์ นั่นคือบทบาทของอุปกรณ์ | MUX | และ |
DEMUX
มัลติเพล็กเซอร์ (MUX)AWGดีมัลติเพล็กเซอร์ (DEMUX) ทำงานย้อนกลับและแยกสัญญาณรวมที่เข้ามาให้กลับเป็นช่องสัญญาณที่ประกอบขึ้น จากมุมมองของระบบ องค์ประกอบเหล่านี้คือสิ่งที่ทำให้
การส่งสัญญาณออปติคัลแบบขนาน เป็นไปได้กรอบบทความแบ่งการมัลติเพล็กซิ่งออกเป็นสามหมวดหมู่ที่ใช้งานได้จริง การมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งโหมด ถูกนำเสนอเป็นเส้นทางที่มุ่งเน้นอนาคต โดยมีอุปกรณ์ที่เป็นตัวแทน เช่น ตัวแยก ADC และ
MMIAWG, TFF, MRRการมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่นการกู้คืนสัญญาณนาฬิกาAWG, TFFตัวแยก/ตัวรวมโพลาไรเซชัน, ตัวหมุนโพลาไรเซชันMRR เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXเกี่ยวข้องกับโมดูลแบบโคเฮเรนต์และอาศัยอุปกรณ์ เช่น ตัวแยก/ตัวรวมโพลาไรเซชันและตัวหมุนโพลาไรเซชันการส่งสัญญาณแบบขนานประเภทการมัลติเพล็กซิ่งDSP ทำอะไรในโมดูลออปติคัล บริบทโมดูลทั่วไป
การมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งโหมด
| ADC, MMI | มุ่งเน้นอนาคต / เน้นการวิจัย | สถาปัตยกรรมขั้นสูงหรือเกิดใหม่ | การมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่น |
|---|---|---|---|
| AWG, TFF, MRR | การขนส่งความยาวคลื่นแบบขนานหลัก | โมดูลออปติคัลดาต้าคอมและโทรคมนาคม | การมัลติเพล็กซิ่งแบบโพลาไรเซชัน |
| ตัวแยก/ตัวรวมโพลาไรเซชัน, ตัวหมุนโพลาไรเซชัน | การประมวลผลออปติคัลเฉพาะโคเฮเรนต์ | โมดูลโคเฮเรนต์ | DSP ทำอะไรในโมดูลออปติคัล |
| DSP | มีอยู่เพราะลิงก์ออปติคัลและสายโซ่การแปลงไม่สมบูรณ์แบบ ที่ด้านส่งสัญญาณ ข้อมูลมักจะผ่าน | DAC |
เพื่อย้ายจากโดเมนดิจิทัลไปยังโดเมนอะนาล็อก ที่ด้านรับสัญญาณ สัญญาณอะนาล็อกที่กู้คืนจะถูกส่งผ่าน
ADCROSAในระบบออปติคัลจริง DSP ถูกใช้สำหรับงานต่างๆ เช่น การบิดเบือนล่วงหน้า, การกู้คืนสัญญาณนาฬิกา,
การชดเชยการกระจาย, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, และ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXเหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้โมดูลสามารถรวมและแยกช่องสัญญาณออปติคัลหลายช่องได้ สิ่งนี้จำเป็นสำหรับ ให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้การเลือกส่วนประกอบส่งผลต่อระยะทาง แบนด์วิดท์ และความเหมาะสมในการใช้งานอย่างไรบทเรียนการออกแบบที่สำคัญที่สุดคือโมดูลออปติคัลเป็น
ปัญหาด้านสถาปัตยกรรมระดับระบบ ระยะทางของลิงก์ไม่ได้ถูกกำหนดโดยเลเซอร์เพียงอย่างเดียว แบนด์วิดท์ไม่ได้ถูกกำหนดโดย MUX เพียงอย่างเดียว ความไวของตัวรับไม่ได้ถูกกำหนดโดย PD เพียงอย่างเดียว ประสิทธิภาพจริงเกิดจากการรวมกันของแหล่งกำเนิดแสง วิธีการมอดูเลต ส่วนหน้าของตัวรับ สถาปัตยกรรมช่องสัญญาณ และกลยุทธ์การชดเชยดิจิทัลสำหรับการ
ส่งสัญญาณระยะสั้น
สถาปัตยกรรมมักจะให้ความสำคัญกับอุปกรณ์และแพลตฟอร์มที่ปรับขนาดได้ดีในปริมาณและความหนาแน่นของการรวมเข้าด้วยกัน เช่น เส้นทางส่งสัญญาณที่ใช้ VCSEL หรือ
เส้นทางการมอดูเลตที่ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์สำหรับการ ส่งสัญญาณระยะกลางและระยะไกล สถาปัตยกรรมจะได้รับประโยชน์มากขึ้นจาก ตัวส่งสัญญาณสไตล์ DFB/EML, ความไวของตัวรับที่สูงขึ้น เช่น การตรวจจับที่ใช้ APD, และการแก้ไขดิจิทัลที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น วัสดุผลิตภัณฑ์และแผนงานของ Coherent เองก็สะท้อนแนวโน้มเดียวกันนี้โดยวาง VCSEL ในการพัฒนาสำหรับระยะสั้น และ EML ที่ใช้ InP หรือตระกูลเลเซอร์มอดูเลตที่เกี่ยวข้องในหมวดระยะกลางและระยะไกลนี่คือเหตุผลที่รายการส่วนประกอบภายในไม่ควรถือเป็นแคตตาล็อกชิ้นส่วนแบบแบน ในโมดูลออปติคัล อุปกรณ์หลักแต่ละชิ้นแสดงถึงการเลือกการออกแบบเกี่ยวกับระยะทาง อัตราข้อมูล คุณภาพสัญญาณ วิธีการรวมเข้าด้วยกัน และโครงสร้างต้นทุนคำถามที่พบบ่อยส่วนประกอบหลักของโมดูลออปติคัลคืออะไรส่วนประกอบหลักคือ TOSA
,
ROSA
,
วงจรการทำงานในกรอบที่ใช้ที่นี่ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX เกี่ยวข้องกับลิงก์ระยะสั้น โดยทั่วไปภายในประมาณ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, การส่งสัญญาณแบบขนาน, โฟโตดีเทคเตอร์, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, และมักจะมี เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXเหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXTOSA คือชุดส่งสัญญาณออปติคัล ทำหน้าที่สร้างแสงและส่งออกแสง ROSAPIN เทียบกับ APD โฟโตดีเทคเตอร์: อันไหนดีกว่าสำหรับการส่งระยะทางที่ไกลกว่า
DML เทียบกับ EML เทียบกับ VCSEL: อันไหนใช้สำหรับโมดูลออปติคัลระยะสั้นและระยะไกล
ในกรอบที่ใช้ที่นี่ VCSEL เกี่ยวข้องกับลิงก์ระยะสั้น โดยทั่วไปภายในประมาณ 200 ม.
DML ถูกวางตำแหน่งในพื้นที่ระยะสั้นถึงกลาง ประมาณ 500 ม. ถึง 10 กม. DSP ทำอะไรในโมดูลออปติคัล ใช้เมื่อต้องการคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้นและระยะทางที่ไกลขึ้น รวมถึง 40 กม. ขึ้นไปDSP ทำอะไรในโมดูลออปติคัลDSP ชดเชยความผิดปกติที่เกิดจากขั้นตอนการแปลงและช่องสัญญาณออปติคัล ฟังก์ชันทั่วไป ได้แก่ การบิดเบือนล่วงหน้า, PIN เทียบกับ APD โฟโตดีเทคเตอร์: อันไหนดีกว่าสำหรับการส่งระยะทางที่ไกลกว่า
,
การชดเชยการกระจาย, เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUX, และ เหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXเหตุใดโมดูลออปติคัลจึงใช้ MUX และ DEMUXอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้โมดูลสามารถรวมและแยกช่องสัญญาณออปติคัลหลายช่องได้ สิ่งนี้จำเป็นสำหรับ การส่งสัญญาณแบบขนาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการออกแบบใช้ความยาวคลื่นหลายค่าหรือมิติการมัลติเพล็กซิ่งอื่นๆ เพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์PIN เทียบกับ APD โฟโตดีเทคเตอร์: อันไหนดีกว่าสำหรับการส่งระยะทางที่ไกลกว่า
APD
โดยทั่วไปจะดีกว่าเมื่อด้านรับสัญญาณต้องการความไวสูงขึ้น เนื่องจากให้เกนภายในผ่านการคูณแบบอะวาลานช์ PIN นั้นง่ายกว่าและทำงานได้ดีในการใช้งานระยะสั้นและระยะกลางหลายอย่าง แต่ APD มักเป็นที่ต้องการเมื่อต้องตรวจจับสัญญาณที่รับได้อ่อนแอกว่า
