aoiトランシーバーはどのように動作しますか?

 

 

AOI トランシーバーは、電気信号を光ファイバー ケーブル経由で送信する光パルスに変換し、その後、入ってくる光を電気信号に変換します。この双方向変換は 2 つのコア サブシステムを通じて行われます。送信側光サブアセンブリ (TOSA) はレーザー ダイオードを使用して変調された光を生成し、受信側光サブアセンブリ (ROSA) はフォトダイオードを使用してその光を検出して電流に変換します。-。

 

 

デュアル変換プロセス

 

AOI トランシーバーは、2 つの逆の機能を同時に実行します。そのため、AOI トランシーバーは、単に送信機または受信機ではなくトランシーバーと呼ばれます。

電気-から-への変換（伝送）

ネットワーク スイッチがデータを送信する必要がある場合、バイナリ データを表すデジタル パルスの形式で電気信号を生成します。 AOI トランシーバーの TOSA はこれらの電気信号を受信し、レーザー ドライバー回路に供給します。この回路は 2 つのことを行います。1 つは安定したバイアス電流を維持してレーザーを最適な動作点に保つこと、もう 1 つはデータ信号に対応する追加電流を変調することです。

実際の変換はレーザー ダイオード自体で行われます。最新のトランシーバーのほとんどには、用途に応じて 3 種類のレーザーのいずれかが搭載されています。 VCSEL (垂直-共振器面-発光レーザー) は 850nm で動作し、一般にデータセンターで 300 メートル未満の短距離で使用されます。最大 40 km の中距離では、ファブリ-ペロー (FP) レーザーが費用対効果の高いソリューションを提供します。- 1310nm または 1550nm で動作する DFB (分布帰還) レーザーは、40 km を超える長距離伝送に必要なスペクトル純度を提供します。-

変調技術は、速度と距離の要件によって異なります。データ信号がレーザーの注入電流を直接変化させる直接変調は、最大 25 Gbps の速度と 10 km 未満の距離で適切に機能します。レーザーの光出力強度はこれらの電流変化に応じて変化し、データをエンコードする光パルスを生成します。高速または長距離の場合、外部変調が必要になります。-レーザーは継続的に動作し、同時に別の電気-吸収変調器（EAM）またはマッハ-ツェンダー変調器が放射後の光を操作し、長距離信号を劣化させる周波数チャープを回避します。-

光-から-への電気変換（受信）

受信側では、光ファイバー ケーブルから入ってくる光パルスがトランシーバーの ROSA に入り、光検出器に当たります。これは通常、標準アプリケーション用の PIN フォトダイオード、または光信号が弱まった長距離リンクなど、より高い感度が必要な状況用のアバランシェ フォトダイオード (APD) のいずれかです。-

光検出器は光電効果を利用しています。光子が半導体接合部に当たると、電子が解放され、光の強度に比例した電流が生成されます。多くの人が驚くことは、- フォトダイオードは光自体の周波数 (1550nm の波長では約 193 THz) を検出しないことです。代わりに、変調によって引き起こされる光強度の変化に応答します。 1550nmの光を安定して照射すると、安定したDC電流が得られます。データをエンコードするためにライトが 10 GHz で点滅すると、10 GHz の電気信号が得られます。

フォトダイオードによって生成される電流は非常に弱く、多くの場合マイクロアンペア単位で測定されます。トランスインピーダンス アンプ (TIA) は、この電流を直ちに電圧信号に変換し、増幅します。 TIA に続いて、追加の回路がクロック リカバリを実行してタイミング情報を抽出し、決定回路が各ビットが 1 か 0 かを判断し、ホスト機器用にクリーンなデジタル信号を再生成します。

 

内部アーキテクチャとコンポーネント

 

AOI トランシーバー モジュールを開けると、光学部品と電子部品が驚くほど高密度に配置されており、すべて厳密な公差内で動作していることがわかります。

TOSAの詳細構造

送信機の光学サブアセンブリには、レーザーだけではありません。{0}}温度はレーザーのパフォーマンスに大きく影響します。- 出力パワーは 70 度の動作範囲全体で 50% 以上変化する可能性があります。これに対処するために、TOSA には温度を監視するサーミスターが組み込まれており、多くの場合、高性能モジュールには熱電冷却器 (TEC) が組み込まれています。-これらは、駆動電流を調整して一貫した光出力を維持する自動パワー制御 (APC) 回路と連携して動作します。

モニターフォトダイオードはレーザーの後ろにあり、後面から放射される光のごく一部を捕捉します。このフィードバックにより、APC 回路はレーザーの経年変化と温度ドリフトをリアルタイムで補正できます。-この監視を行わないと、モジュールの寿命にわたって出力電力が大幅に低下する可能性があります。

光アイソレータは、不安定性やノイズの原因となる後方反射がレーザー キャビティに再入するのを防ぐために、多くの設計で使用されています。{0}{1}レーザーの光は、設計に応じて、精密に位置合わせされたレンズまたは直接突合せ結合-を介してファイバーに結合されます。-信号を 80km 以上送信しようとする場合、結合損失の 1 デシベル単位が重要になります。

ROSA コンポーネントの内訳

受信側はさまざまな課題に直面しています。フォトダイオードは、低ノイズを維持しながら、非常に弱い光信号 -、時にはわずか数マイクロワット - を使用可能な電気信号に変換する必要があります。光インターフェイスは、LC コネクタ (最も一般的) または他の標準コネクタ タイプを使用してファイバを受け取ります。

ハウジングは、熱管理を提供しながら、敏感な電子機器を電磁干渉から保護します。 TOSA とは異なり、ROSA は通常、アクティブな冷却を必要としませんが、フォトダイオードの暗電流 (光が存在しないときの不要な電流) が温度とともに増加し、ノイズ フロアが上昇して感度が低下するため、熱設計は依然として重要です。

一部のトランシーバー設計、特に双方向 (BiDi) モジュールでは、波長分割多重 (WDM) フィルターが光パスを分割します。これにより、同じファイバ ストランドで送信信号と受信信号の両方を異なる波長 (通常、一方向では 1310nm、もう一方の方向では 1490nm または 1550nm) で伝送することができます -。

電子制御層

すべての AOI トランシーバーには、光コンポーネントの他に、電気インターフェイス チップ、電圧レギュレーター、デジタル診断機能をホストするプリント基板アセンブリ (PCBA) が含まれています。最新のトランシーバーは、SFF-8472 規格で指定されているデジタル診断モニタリング (DDM) を実装し、2 線式 I2C インターフェースを介してリアルタイム テレメトリを提供します。-

ネットワーク管理者は、特殊なテスト機器を使用せずに、温度、供給電圧、レーザー バイアス電流、送信光パワー、および受信光パワーを照会できます。この機能により、ネットワークのトラブルシューティングが変わりました。- 障害が発生する前に、レーザーの故障やコネクタの汚れを特定できるようになりました。

 

 

信号の変調とエンコーディング

 

速度要件の増加に伴い、データを光パルスにエンコードする方法は大幅に進化しました。

非-リターン-ツー-変調

最大 100 Gbps の従来のトランシーバーは主に NRZ-OOK (オン-) キーイングを使用します。レーザーはオン (2 進数の 1 を表す) またはオフ (0 を表す) のいずれかであり、ビット間のニュートラル レベルには戻りません。これはシンプルで効果的ですが、速度が単一波長で 100 Gbps に近づくにつれて、電気および光帯域幅の要件が難しくなります。

消光比は、オン状態のパワーと比較して、ゼロビット中にレーザーがどの程度完全にオフになるかを測定します。- 100:1 の消光比 (20 dB) は、レーザーが「オフ」のときにピーク パワーの 1% を出力することを意味します。消光比が向上すると信号品質が向上しますが、より洗練されたレーザードライバーの設計が必要になります。

PAM4 と高度な変調

200 Gbps 以上では、業界は PAM4 (4- レベルのパルス振幅変調) を採用しました。 PAM4 では、1 ビットを表す 2 つの強度レベルの代わりに、シンボルあたり 2 ビットを表す 4 つのレベルを使用します。これにより、帯域幅要件を 2 倍にすることなくデータ レートが 2 倍になりますが、信号対雑音比がトレードオフになります。各レベルが近くなり、検出がより困難になります。

長距離ネットワークで使用されるコヒーレント光トランシーバーは、さらに洗練されたスキームを採用しています。{0} QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) または高次 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) を使用して、光の振幅と位相の両方を変調します。-これらのシステムには、局部発振器レーザーと複雑なデジタル信号処理を備えた特殊なコヒーレント受信機が必要ですが、単一波長で 400 Gbps 以上を達成できます。

 

波長の選択とファイバーの互換性

 

光通信では波長が異なると目的が異なるため、トランシーバーの設計もそれに応じて異なります。

マルチモードファイバーシステム (850nm)

単一の建物またはデータセンター キャンパス内の短距離アプリケーションでは、通常、850 nm VCSEL トランスミッターを備えたマルチモード ファイバーが使用されます。{0}}マルチモード ファイバーには、より大きなコア (50 または 62.5 ミクロン) があり、複数の光路または「モード」が同時に伝播できるようになります。これにより結合が容易になり、コストが削減されますが、モード分散によって距離が制限されるため、異なるモードがわずかに異なる速度で移動し、パルス拡散が発生します。 OM3 ファイバーは 10 Gbps で 300 メートルまでサポートしますが、OM4 はこれを 400 メートルまで拡張し、OM5 は並列伝送用にさらに最適化します。

シングルモード ファイバー システム（1310nm および 1550nm）-

長距離伝送には、光を単一の伝播モードに制限するはるかに小さなコア（9 ミクロン）を備えたシングルモード ファイバーが必要です。-これによりモード分散が排除され、はるかに長い距離が可能になります。 1310nm の波長は標準シングルモード ファイバの低分散ウィンドウ内にありますが、1550nm は最も低い減衰ウィンドウを占めます（1310nm の 0.35 dB/km と比較して約 0.2 dB/km）。-

80kmを超えるスパンでは、1550nmでも分散補償が必要になります。高度なトランシーバー設計では、外部変調と場合によっては調整可能なレーザーを使用して、光スペクトルを正確に制御します。

DWDM波長精度

高密度波長分割多重（DWDM）トランシーバーは、ITU-T グリッドで定義された非常に特殊な波長で光を生成します。通常は 50 GHz または 100 GHz の間隔（1550 nm 付近で約 0.4 nm または 0.8 nm の間隔に相当）です。 DFB レーザーだけでは DWDM にとって十分に安定していません - これらのトランシーバーには ±0.1 度以上の温度制御が組み込まれており、動作温度範囲全体で ±0.02nm 以内の波長精度を維持します。

 

フォームファクターと進化

 

トランシーバーの物理的なパッケージングは​​、サイズを維持または縮小しながら高速化に対応できるように進化してきました。

SFP および SFP+ (最大 16 Gbps)

スモール フォーム ファクタ プラガブル（SFP）規格は 2000 年代初頭に登場し、以前の GBIC モジュールの約半分のサイズのコンパクトでホットスワップ可能な設計を提供しました。{2} SFP は 1 Gbps を処理しますが、SFP+ は電気インターフェイスを拡張して 10 Gbps をサポートします。これらのモジュールの寸法は 13.4mm × 8.5mm × 56mm で、スイッチが 48 個のポートを 1 つのラック ユニットに詰め込めるほど十分に小さいです。

QSFP28 および QSFP-DD（100～400 Gbps）

Quad SFP (QSFP) フォーマットは、4 つのチャネルを 1 つのモジュールに集約します。 QSFP28 は 4 つの 25 Gbps レーン (多くの場合 NRZ を使用) を使用して、合計 100 Gbps を実現します。 QSFP-DD（Double Density）は 8 レーンでこれを 2 倍にし、レーンあたり 50 Gbps の PAM4 シグナリングを使用して 400 Gbps に達します。 DD 設計は QSFP28 と同じ幅を維持しますが、追加の電気接点を備えたより高いコネクタを使用します。

OSFP と将来のフォーマット

業界が 800 Gbps と 1.6 Tbps を目指す中、オクタル SFP (OSFP) フォーマットは QSFP-DD より優れた熱設計を備えた 8 レーンを提供します。これは、モジュールが 12 ～ 15 ワットを消費する場合に重要です。一部のベンダーは 4 つの 100 Gbps レーンで 400 Gbps の QSFP112 を開発しましたが、これらの速度ではフォーマットの標準化には依然として議論があります。

各フォーム ファクターは、物理的な寸法だけでなく、電気仕様、温度制限、管理インターフェイス プロトコルも定義し、ベンダー間の相互運用性を確保します。

 

電力バジェットとリンク設計

 

AOI トランシーバーを適切に導入するには、電力バジェット - リンク全体での信号の利得と損失の算術を理解する必要があります。

トランシーバーの出力電力の範囲は、通常、短到達距離モジュールの -2 dBm (0.63 mW)-から、拡張到達距離設計の +4 dBm (2.5 mW)-} です。受信機の感度は、10 Gbps ER アプリケーションの場合は -14 dBm、高感度の長距離受信機の場合は -25 dBm になります。これらの値の差が電力バジェットです。

ファイバーの減衰は、この予算の大部分を消費します。標準シングルモード ファイバーの場合、1310nm で - 0.3 dB/km、1550nm で 0.2 dB/km です。-。コネクタ損失はそれぞれ 0.3 ～ 0.5 dB 追加され、接続損失は 0.05 ～ 0.1 dB 寄与します。また、経年劣化、接続修理、予期せぬ損失に備えて 3 ～ 6 dB のシステム マージンを含める必要があります。

1310nm での 40km リンクの場合: 0.3 dB/km × 40km=12 dB のファイバ損失、さらに 4 つのコネクタ (2 dB)、1 つのミッドスパン スプライス (0.1 dB)、および 3 dB マージン=17.1 dB の合計パス損失。送信機の出力が 0 dBm で、受信機が -18 dBm を必要とする場合、使用可能な予算は 18 dB ですが、これはかろうじて十分です。

この算術は、長距離システムが 1550nm（減衰が低い）と高出力の送信機を使用し、80 km を超える距離では光アンプを使用することが多い理由を説明しています。{2}

 

新興テクノロジーと今後の方向性

 

AOI トランシーバー業界は、ハイパースケール データセンターの需要と通信の増強によって急速な進化を続けています。

シリコン フォトニクスの統合は、半導体工場のインフラストラクチャを活用することで製造コストの削減を約束します。個別の TOSA および ROSA アセンブリの代わりに、シリコン フォトニック トランシーバーはシリコン チップ上にレーザー光源、変調器、検出器を統合しますが、それでも III-V 半導体材料が最高のレーザー性能を提供するため、ハイブリッド統合アプローチが必要です。

共同パッケージ化された光学素子（CPO）は、トランシーバーをフェイスプレートからスイッチ シリコン パッケージに直接移動させ、消費電力と遅延を削減しながら、スイッチ ポート密度を大幅に高めます。{0}初期の CPO デモでは、電気的な SerDes の電力と距離の制限を排除することで、スイッチ ASIC あたり 51.2 Tbps を達成しました。

リニア ドライブ プラガブル オプティクス（LPO）は、リタイミング回路を削除し、リニア ドライバを使用してホストと光学系の間で信号を直接渡すことにより、電気インターフェースを簡素化します。これにより、リタイミングされたモジュールと比較して消費電力が 40-50% 削減されますが、より高品質の PCB 設計が必要となり、到達限界が課せられます。

量子ドット レーザーは、熱電冷却器を使用せずに温度に影響されない動作を約束し、モジュールの電力とコストを削減します。{0}初期のバージョンでは、波長シフトを最小限に抑えながら、-40 度から +95 度まで安定した動作を実証しました。

 

よくある質問

 

AOI トランシーバーと他のブランドの違いは何ですか?

AOI (Applied Optoelectronics Inc.) は光トランシーバーとコンポーネントを製造していますが、基本的な動作原理はどのベンダーでも同じです。光電変換の物理的な仕組みはメーカーによって変わりません。ブランドが差別化されるのは、製造品質、温度範囲仕様、電力効率、信頼性評価です。マルチソース契約 (MSA) により、異なるベンダーの準拠トランシーバーが同じ機器スロットで互換的に動作することが保証されます。

光ファイバートランシーバーからの光が見えますか?

いいえ - ほとんどのトランシーバーは人間の目には見えない赤外線波長 (850nm、1310nm、または 1550nm) で動作します。 850nm の VCSEL 光でさえ、せいぜいかすかな赤にしか見えません。アクティブなファイバーまたはトランシーバー ポートを決して直接見ないでください。出力レベルが低い間 (通常は 1 ～ 3 ミリワット)、ビームは高度に平行化され集束しているため、永久的な網膜損傷を引き起こす可能性があります。このため、クラス 1M レーザー安全規制が存在します。

一部のトランシーバーには 2 本のファイバーがあり、他のトランシーバーには 1 つのファイバーがあるのはなぜですか?

従来のトランシーバーは 2 本のファイバー - を使用し、1 つは送信用、もう 1 つは受信用 - で、同じ波長で反対方向に動作します。双方向 (BiDi) トランシーバーは、2 つの異なる波長 (アップストリーム用とダウンストリーム用) を分離する WDM フィルターを備えた 1 本のファイバーを使用します。 BiDi 設計はファイバーを節約しますが、WDM コンポーネントによりコストが若干高くなります。 CWDM および DWDM システムは、外部マルチプレクサを使用して、多くの波長を 1 つのファイバ ペアに多重化します。

光トランシーバーの寿命は通常どれくらいですか?

レーザーの劣化が主な寿命制限要因です。ほとんどのトランシーバーは、25 度の動作温度で 100,000 ～ 200,000 時間の平均故障間隔 (MTBF) を指定しています。実際には、モジュールは故障するまで 5 ～ 10 年稼働することが多く、温度が高くなると劣化が加速します。自動パワー制御回路は、駆動電流を増加させることでレーザーの徐々に劣化を補償しますが、最終的には最大電流に達し、指定された出力パワーを維持できなくなります。適切に冷却すると、トランシーバーの寿命が大幅に延びます。

 

理解すべき主要な技術仕様

 

トランシーバーを選択する場合、いくつかの仕様がパフォーマンスに直接影響します。

送信機の仕様:出力パワー (dBm)、スペクトル幅 (nm)、消光比 (dB)、サイドモード抑制比 (DFB レーザーの場合 dB) によって、信号の品質と到達距離が決まります。 DWDM アプリケーションでは中心波長の許容誤差が重要になります。

受信機の仕様:感度 (dBm) は、指定されたビット誤り率 (通常は 10^-12) に必要な最小光パワーを定義します。飽和電力は、損傷や過度の歪みが生じる前の最大入力電力を示します。光学リターンロスの仕様は、レーザーを不安定にする反射を防ぐために重要です。

電気インターフェース:差動インピーダンス (通常 100 オーム)、出力電圧振幅、およびジッターの仕様は、ホスト機器の要件と一致する必要があります。 SFP は LVPECL シグナリングを使用し、QSFP28 は 25.78 Gbps の NRZ を使用しますが、QSFP-DD は通常、53.125 Gbaud で PAM4 を実装します。

環境評価:商用温度 (0 度から 70 度)、拡張温度 (-5 度から 85 度)、工業用温度 (-40 度から 85 度) の定格は、モジュールに必要な熱管理を示します。ワット単位の消費電力は冷却要件に影響します。QSFP-DD モジュールは 12W を超える場合があります。

デジタル診断:温度、電圧、バイアス電流、TX 電力、RX 電力のアラームと警告のしきい値により、プロアクティブな監視が可能になります。マージナル リンクのトラブルシューティングを行う場合、精度仕様 (通常、光パワーに対して ±3​​ dB) が重要になります。

これらのパラメータを理解すると、情報に基づいてトランシーバーを選択し、リンクのパフォーマンスが低下したり障害が発生したりした場合に効果的なトラブルシューティングを行うことができます。