광학 모듈은 정밀하게 제조됩니다.

 

 

아무도 경고하지 않는 정렬의 악몽

 

레이저 광을 단일-모드 광섬유에 결합하려면 약 ±0.5 마이크로미터의 위치 정확도가 필요합니다. 반 마이크론. 문맥상 사람의 머리카락 굵기는 대략 70마이크로미터입니다.

그 공차와 커플 링 효율성 탱크를 놓치십시오. 효율성 손실은 보상해야 할 더 높은 구동 전류를 의미하며, 이로 인해 열이 발생하고, 이로 인해 파장이 이동하여 전체 링크 예산에 걸쳐 계단식으로 신호가-대-잡음 비율로 저하됩니다. 이론적 결합 방정식은 교과서에서 깔끔하게 보입니다. 현실에는 6개의-축 정렬 단계, 실시간-전력 모니터링 및 자체 위치 이동을 도입하는 접착제 경화 프로세스가 포함됩니다.

나는 기술자가 2021년 오후 내내 일상적인 TOSA 어셈블리에서 2dB 삽입 손실을 추적하는 것을 보았습니다. UV 경화 중에 볼 렌즈가 약간 회전한 것으로 나타났습니다. - 어쩌면 3도- 정도 - 빔이 섬유 코어 바로 바깥쪽으로 방향을 틀 수 있게 되었습니다. 3도. 이것이 바로 이 사업입니다.

 

능동 대 수동 정렬

 

업계에서는 이 문제에 대해 20년 동안 논쟁을 벌여 왔지만 아직까지 완전히 해결되지 않았습니다.

능동 정렬이란 조립 중에 레이저 전원을 켜고, 결합된 광 출력을 모니터링하고, 목표물에 도달할 때까지 반복적으로 위치를 조정하는 것을 의미합니다. 작동합니다. 또한 느리고 비용이 많이 들며 매월 수백만 개의 트랜시버를 배송하려고 할 때 적절하게 확장되지 않습니다.

수동 정렬은 기계적인 기능인 - 에칭된 실리콘 v-홈, 리소그래피 방식으로 정의된 장착 받침대, 플립-칩 납땜 자체 정렬-을 사용하여 아무 것도 켜지 않고 구성 요소를 배치합니다. 작동하면 처리량이 극적으로 향상됩니다. 허용 오차가 불리하게 누적되면 전기 테스트는 통과하지만 광학 사양에는 실패하는 성능이 떨어지는 모듈의 신비스러운 배치로 나타나는 수율 문제가 발생합니다.

관심을 끄는 하이브리드 접근 방식은 이제 수동 정렬을 사용하여 몇 미크론 이내로 이동한 다음 최종 최적화를 위해 활성 미세 조정을{0}}사용합니다. 더 많은 프로세스 단계가 있지만 고객이 실제로 링크 마진에 관심을 갖는 고성능 제품에는 경제성이 있습니다.-

실리콘 포토닉스는 여기서 몇 가지 가정을 변경했습니다. 도파관이 실리콘 웨이퍼에 리소그래피 방식으로 정의되고 레이저가 플립-칩 본딩되거나 이질적으로 통합되는 경우 정렬 문제가 부분적으로 반도체 제조 문제로 전환됩니다. 다른 기술 세트. 다양한 실패 모드.

 

 

용접-으로 인한 정렬 왜곡 문제

 

레이저 용접은 밀폐형 모듈의 섬유{0}}패키지 부착물에 대해 여전히 선호되는 접합 방법입니다. 용접은 강력하고 빠르며 일부 접착제처럼 가스를 배출하지 않습니다. 문제는 용접 풀이 냉각되면서 발생하는 현상입니다.

열 수축은 용접 형상, 재료 특성 및 - 이것은 실망스러운 부분입니다 - 여러 용접을 수행하는 특정 순서에 따라 방향으로 파이버 페룰 어셈블리를 당깁니다. 주의하지 않으면 용접 후 이동이 수 마이크로미터를 초과할 수 있습니다. 완벽하게 정렬된 어셈블리는 결합을 완료하는 순간 잘못 정렬됩니다.

보상 전략이 존재합니다. 일부 제조업체는 예상되는 변화를 설명하기 위해 의도적으로 사전 용접 정렬을 오프셋합니다.- 다른 것들은 낮은-수축 용접 매개변수를 사용하고 더 긴 사이클 시간을 허용합니다. 일부에서는 용접 중 이동을 측정하고 조인트가 완전히 굳기 전에 교정 조정을 적용하는 실시간 모니터링 시스템을 개발했습니다.

이러한 접근 방식 중 어느 것도 완벽할 수는 없습니다. 모든 새로운 패키지 디자인에는 변화 동작을 재{1}}특성화해야 합니다.

 

클린룸의 현실

 

광학 모듈은 가장 오염에 민감한 작업을 위해 ISO 클래스 7부터 ISO 클래스 5까지의 클린룸에서 조립됩니다.{2}} 움직이지 않고 앉아 있는 한 사람이 0.3미크론 크기 임계값에서 분당 약 100,000개의 입자를 생성한다는 사실을 깨닫기 전까지는 그 숫자는 인상적으로 들립니다.

광섬유 종단면의 입자는 고출력 레이저 광에 의해 조명될 때 국소적인 핫스팟을 생성합니다.- 시간이 지남에 따라 그 지점은 유기 오염물질을 탄화시켜 성능을 점진적으로 저하시키는 영구적인 흡수 결함으로 변합니다. 이러한 실패 모드로 인해 전체 제품 라인이 최종 조립 전에 100% 종단면 검사를 구현하게 되었습니다.

표준 클린룸 제어 장치는 공기 중 입자를 합리적으로 잘 처리합니다. 분자 오염은 더 은밀합니다. 접착제, 세척 용제, 심지어 가스 방출 플라스틱의 휘발성 유기 화합물도 광학 표면에 눈에 보이지 않는 막을 형성할 수 있습니다. 이러한 필름은 DUV 용도에 특히 해롭지만 파장 전반에 걸쳐 문제를 일으킵니다.

AMC-제어 클린룸 - 공기 중 분자 오염 제어 -는 높은 신뢰성의 광학 조립을 위한 최신 기술을-대표합니다. 여과 시스템은 비싸다. 모니터링 장비는 비싸다. 제한된 자재 목록은 공급망 문제를 야기합니다.

그만한 가치가 있나요? 상용 SFP를 배송하는지 아니면 우주용-적격 시스템용 구성 요소를 배송하는지에 따라 다릅니다.

 

 

온도 보상은 누구의 예산보다 오래 걸립니다

 

레이저 다이오드 출력 전력과 파장은 모두 온도에 따라 변합니다. 일반적인 DFB 레이저는 파장이 약 0.1nm/도씩 드리프트하며 작동 온도 범위 전체에서 일정한 광 출력을 유지하려면 바이어스 전류 조정이 필요합니다.

온도 보상에는 산업용 등급 제품의 경우 -40도에서 +85도까지 5도 또는 10도씩 증가하는 여러 온도 지점 -에서 각 모듈의 특성을 파악하는- 작업과 모듈의 MCU에 보정 계수를 프로그래밍하는 작업이 포함됩니다. 계수는 측정된 케이스 온도의 함수로 바이어스 전류와 때로는 변조 진폭을 조정합니다.

이는 레이저 자체의 제조 변형, 접합부에서 서미스터까지의 열 경로, 드라이버 회로의 구성 요소 허용 오차로 인해 각 모듈이 약간 다르게 동작한다는 사실을 깨닫기 전까지는 간단하게 들립니다. 대량 생산된-소비자-등급 모듈은 일반적인 보상 테이블을 사용하고 그에 따른 성능 분포를 수용합니다. 고성능-모듈은 개별화된 특성을 갖습니다.

제가 아는 엔지니어는 새로운 400G 모듈 플랫폼에 대한 온도 보상 알고리즘을 최적화하는 데 4개월을 보냈습니다. 대부분의 사람들이 교정 단계로 무시하는 4개월 간의 과정입니다.

 

TOSA-ROSA 구별은 예전보다 덜 중요합니다.

 

기존의 광 트랜시버 아키텍처는 전송 기능(TOSA - 송신기 광 서브어셈블리)을 수신 기능(ROSA - 수신기 광 서브어셈블리)에서 분리합니다. 각 하위 어셈블리는 독립적으로 패키지되고 테스트된 후 모듈 PCB에 통합됩니다.

이는 단순한 단일 채널 설계로 개별 TO{0}}캔 패키지를 사용하는 광학 모듈을 사용하는 경우에 적합합니다. 고속-다중-채널 모듈은 점점 더 송신 및 수신 기능을 함께 통합하거나 베어 다이가 PCB 기판에 직접 장착되는 칩-온보드 접근 방식을 통해 기존 OSA 패키징을 완전히 제거합니다.

COB 패키징은 광학 인터페이스의 수를 줄입니다. - 모든 인터페이스는 잠재적인 손실 지점입니다. - 그러나 보다 깨끗한 제조 환경과 보다 정교한 조립 장비가 필요합니다. 전환이 완료되지 않았더라도 추세는 분명합니다.

BiDi 송수신기는 단일 광섬유에서 전송 및 수신하기 위해 파장{0}}분할 다중화를 사용하여 상황을 더욱 복잡하게 만듭니다. TOSA 및 ROSA 기능을 통합 WDM 필터와 결합한 BOSA는 두 광학 경로가 모두 동일한 파이버 코어에 도달해야 하기 때문에 더욱 엄격한 정렬 허용 오차가 필요합니다.

 

번인-실제로 테스트하는 항목

 

모듈은 정상적인 바이어스 조건에서 작동하는 동안 약 70~100도의 높은 케이스 온도에서 일반적으로 24~168시간 동안 배송 전 -고온 노화를 겪습니다.

목표는 수년간의 현장 작업을 시뮬레이션하는 것이 아닙니다. 영아 사망률 실패를 촉진하는 것입니다. 일부 구성 요소에는 잠재적인 결함 - 약한 와이어 본드, 가장자리 솔더 조인트, 약간 저하된 레이저 패싯 -이 포함되어 있으며 이는 정상적인 조건에서는 나타나지 않지만 가속된 스트레스에서는 빠르게 실패합니다. 고객 네트워크에서 찾는 것보다 제조 중에 찾는 것이 더 좋습니다.

번인-은 실제 문제를 포착합니다. 모든 생산 라인에는 해당 장치가 배송되기 전에 번인 오류로 인해 불량 구성 요소 로트가 발생했다는 이야기가 있습니다.- 이에 대한 반론은 번인이-제조 비용에 직접적인 영향을 미치는 랙 공간, 에너지 및 사이클 시간을 소비한다는 것입니다. 상용 모듈은 소요 시간을 줄이거나-전체적으로 건너뛰는 경우가 많으며, 더 높은 현장 실패율을-비즈니스 계산 수행 비용으로-받아 들입니다.-

온도 사이클링 테스트는 구성요소 결함보다는 조립 결함을 밝히는 - 다른 목적으로 사용됩니다. 반복적인 열 편위는 납땜 접합부, 접착 본드 및 기계적 인터페이스에 스트레스를 줍니다. 균열이 전파됩니다. 인터페이스 피로. 미미한 것은 무엇이든 실패하게 됩니다.

 

 

귀하의 모듈이 다른 사람의 스위치에서 작동하지 않는 이유

 

EEPROM 코딩 문제는 대부분의 공급업체가 인정하는 것보다 더 많은 현장 불만을 야기합니다.

광학 모듈에는 식별 데이터, 교정 계수 및 진단 모니터링 매개변수를 SFF 위원회 사양에 정의된 표준화된 형식으로 저장하는 소형 메모리 칩이 포함되어 있습니다. 호스트 시스템은 이 데이터를 읽어 모듈을 인식하고, 적절한 작동 매개변수를 설정하고, 작동 중 상태를 모니터링합니다.

스위치 및 라우터 제조업체마다 이러한 사양을 다양한 정도로 엄격하게 해석합니다. 한 공급업체의 장비에서 완벽하게 작동하는 모듈은 체크섬 계산 차이, "예약된" 필드의 예상치 못한 값 또는 독점 공급업체-ID 시행으로 인해 다른 공급업체에서 거부될 수 있습니다.

제3자{0}}트랜시버 시장은 주로 이러한 상호 운용성 문제로 인해 존재합니다. 회사는 주요 장비 공급업체 및 프로그래밍 호환 모듈에 대한 특정 EEPROM 요구 사항을 리버스{2}엔지니어링하는 데 특화되어 있습니다. 기술 용어는 "코딩"입니다. 실제 현실에는 Cisco, Juniper, Arista 및 기타 수십 곳의 실제 장비에 대한 광범위한 호환성 테스트가 포함됩니다.

 

기밀성 대 비용

 

유리-대-금속 씰과 용접 뚜껑이 있는 밀폐 포장 - 금속 하우징-은 장기적인 신뢰성에 대한 표준을-제공합니다. 습기 유입이 없습니다. 가스 방출 문제가 없습니다. 열악한 환경에서 예측 가능한 20-년 수명.

또한 비밀폐형 대안에 비해 비용이 훨씬 더 많이 듭니다.-

대부분의 데이터센터 광학 모듈은 다양한 환경 보호 수준을 갖춘 비밀폐형 포장을 사용합니다.- 침투하는 수분을 흡수하는 에폭시 씰, 컨포멀 코팅, 선택적 게터 재료. 이러한 접근 방식은 교체 주기가 상대적으로 짧은 기후-제어 환경에 적합합니다.

통신 사업자 장비 및 항공우주 응용 분야에서는 일반적으로 여전히 완전 밀폐 포장이 필요합니다. 습기-로 인한 부식이나 오염으로 인한 고장 모드는 나타나는 데 수년이 걸리며, 이것이 바로 수십 년 동안 무인으로 작동해야 하는 인프라에서 허용되지 않는 이유입니다.

박막-니오브산 리튬 변조기 사람들은 이것을 어렵게 배웠습니다. 부적절한 밀봉 밀봉을 갖춘 초기 장치는 현장 배포 시 알 수 없는 성능 저하를 보여주었습니다. 수증기가 전극 구조에 DC 드리프트를 일으키는 것으로 밝혀졌습니다.

 

수익률이 전부다

 

모든 성능 사양을 충족하지만 60%의 좋은 장치만 생산하는 모듈 설계는 비용을 잃게 됩니다. 95%를 산출하는 약간 열악한 설계가 수익성이 있을 수 있습니다. 이러한 절충안은 기술적인 우아함보다 더 많은 엔지니어링 결정을 내리게 합니다.

수율 손실은 공정 단계 전반에 걸쳐 곱셈적으로 누적됩니다. 레이저 다이 부착의 수율이 98%, 와이어 본딩의 수율이 97%, 파이버 커플링의 수율이 95%, 생존율-이 99%라면 누적 수율은 0.98 × 0.97 × 0.95 × 0.99=89%입니다. 그 숫자가 낙관적이며 실제 프로세스에는 더 많은 단계가 있다는 것을 기억하기 전까지는 괜찮을 것 같습니다.

수율에 대한 끊임없는 압력은 광학 제조에서 공정 제어가 종교적인 열정으로 다루어지는 이유를 설명합니다. 통계적 프로세스 관리 차트. 입고 자재 검사. 장비 자격 프로토콜. 운영자 인증. 변동을 줄이는 것은 무엇이든 수율 손실을 줄입니다.

또한 제조 엔지니어가 설계 변경에 대해 불안해하는 이유도 설명합니다. 모든 수정은 잠재적으로 수율 학습 곡선을 재설정합니다.

 

아마도 무시할 커넥터 인터페이스

 

광섬유가 모듈에 연결되는 기계적 인터페이스는 겉보기 단순성이 암시하는 것보다 더 중요합니다.

LC 및 MPO 커넥터는 연마된 광섬유 종단면 - 또는 각진 물리적 접촉 설계 -에 대해 정밀하게 제어된 에어 갭 사이의 물리적 접촉을 달성하는 동시에 결합 효율성을 유지하는 공차 내에서 정렬을 유지해야 합니다. 커넥터 하우징, 모듈의 리셉터클 및 결합 기하학적 구조가 모두 기여합니다.

반복적인 삽입으로 인한 마모로 인해 시간이 지남에 따라 커넥터 성능이 저하됩니다. MSA 사양은 최소 내구성 요구 사항을 정의하지만 실제 성능은 오염 수준, 삽입 기술, 커넥터와 콘센트의 제조 품질에 따라 달라집니다.

누군가 마침내 LC 커넥터를 청소하고 문제가 사라지기 전까지 몇 시간 동안 링크 문제가 발생하는 것을 보았습니다.

 

실제로 배송되는 내용과 컨퍼런스에서 보여주는 내용

 

회의 문서에서는 이국적인 일관성 있는 변조 형식과 공동 패키지된 광자 통합을 갖춘 1.6Tbps 모듈을 보여줍니다.- 실제 대량 출하량은 상대적으로 기존 아키텍처를 사용하는 100G 및 400G 플러그형 트랜시버가 여전히 지배적입니다.

대부분의 기술에서 시연과 배포 사이의 간격은 약 5년입니다. 실리콘 포토닉스는 더 오랜 시간이 걸렸습니다. 첫 번째 연구 결과는 2000년대 초반에 나타났습니다. 의미 있는 상업적 물량은 2010년대 중반까지 도달하지 못했습니다.

이것은 비관론이 아니라 - 제조 현실입니다. 실제 프로토타입에서 안정적인 대량 생산으로 전환하려면 수율 문제 해결, 공급업체 자격 부여, 테스트 인프라 구축, 현장 신뢰성 데이터 구축이 필요합니다. 각 단계에는 시간이 걸립니다.

800G 광 모듈은 현재 증가하고 있습니다.. 1.6T도 뒤따를 것입니다. 기본 기술이 존재합니다. 제조 능력은 성숙하는 데 수년이 걸립니다.

다음 분기에 네트워크에 배포할 모듈은 아마도 4년 전에 개발에 들어갔을 것이며 그보다 10년 전에 입증된 기본 구성 요소 기술에 의존할 것입니다. 최첨단-연구는 결국 지루한 생산 엔지니어링이 됩니다. 이것이 바로 이것이 작동하는 방식입니다.