تعتبر الوحدة الضوئية (الشكل 1) مكونًا مهمًا في نظام الاتصال البصري ، وتتمثل الوظيفة الرئيسية في تحقيق التحويل الكهروضوئي ومراقبة وإدارة إشارات الاتصال والوظائف الأخرى. في شبكة الألياف الضوئية اليوم ، تتزايد سيناريوهات تطبيق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية. على سبيل المثال ، عندما نجري مكالمة هاتفية باستخدام هاتف محمول ، يوجد اتصال لاسلكي بين إشارة الهاتف المحمول والمحطة الأساسية. الوحدة النمطية الضوئية مطلوبة عندما تكون المحطة الأساسية متصلة بالخادم من خلال ارتباط الألياف الضوئية. هناك حاجة أيضًا إلى أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية لشبكات النطاق العريض للألياف الضوئية إلى المنزل وللتوصيل البيني لعدد كبير من المحولات في مراكز البيانات.

الشكل 1. جهاز الإرسال والاستقبال البصري (400G QSFP-DD SR8)

طلب السوق على الوحدات البصرية

وفقًا لـ Lightcounting ، من المتوقع أن يصل سوق الوحدات الضوئية العالمية إلى 8.132 مليار دولار في عام 2022 ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 13.7٪ من 2021 إلى 2026. ومن بينها ، تجاوزت نسبة الوحدة الضوئية لتطبيق مركز البيانات ذلك من الوحدات البصرية لسوق الاتصالات ، ومن المتوقع أن تستحوذ على أكثر من 55٪ في عام 2022. يوضح الشكل 2 السوق العالمية وتحليل الإنفاق الرأسمالي للوحدات البصرية.

 

الشكل 2. السوق العالمية والنفقات الرأسمالية للوحدات البصرية. (أ) مجالات التطبيق في سوق الوحدات البصرية العالمية. (ب) النفقات الرأسمالية لبائعي السحابة الصينيين.

تستمر النفقات الرأسمالية الإجمالية لمراكز البيانات في التوسع بسرعة. وفقًا للتوقعات طويلة الأجل لشركة Cignal AI ، سينمو الإنفاق على البنية التحتية السحابية للحوسبة والتخزين بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 12.6 في المائة من 2021 إلى 2026. التغييرات في أنماط الحياة عبر الإنترنت للعمل في حقبة ما بعد الوباء ، السحابة العامة ( تشير السحابة العامة إلى الخدمات السحابية المقدمة للمستخدمين من قبل مزودي الطرف الثالث عبر الإنترنت العام ، حيث يمكن للمستخدمين الوصول إلى السحابة والاستمتاع بخدمات مختلفة بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر الحوسبة والتخزين والشبكات وما إلى ذلك) مع التوسع العالمي للعمالقة و التطور السريع للذكاء الاصطناعي في مختلف الصناعات ، يحافظ الاستثمار في مركز البيانات على زخم قوي ، مما يجعل ازدهار سوق الوحدات الضوئية لمركز البيانات يواصل الارتفاع.

الشكل 3. سيناريو تطبيق الوحدة الضوئية في سوق الاتصالات ومركز البيانات. (أ) بنية شبكة الاتصالات 5G ؛ (ب) بنية خادم ريدج مركز البيانات

تكنولوجيا التغليف COB

وفقًا لسيناريوهات ومتطلبات التطبيق المختلفة ، يمكن تقسيم الوحدات الضوئية على نطاق واسع إلى وحدات بصرية من الدرجة الحاملة ووحدات مركزية للبيانات. يتم تطبيق جهاز الإرسال والاستقبال البصري من الدرجة الحاملة في الظروف البيئية القاسية ويصعب استبداله وصيانته. يتم تطبيق جهاز الإرسال والاستقبال البصري لمركز البيانات على بيئة معتدلة نسبيًا ومريح للصيانة. على سبيل المثال ، قد تواجه الوحدات البصرية ذات الدرجة الحاملة المستخدمة في المحطات القاعدية الخارجية بيئة عمل ذات درجة حرارة عالية تبلغ 80 درجة مئوية عندما تكون أشعة الشمس قوية ، بينما قد تكون درجة الحرارة المحيطة في ليالي الشتاء في الشمال منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية. . في الوقت نفسه ، من أجل ضمان تغطية الإشارة ، قد توجد هذه المحطات الأساسية في أماكن جبلية ولا يمكن الوصول إليها ، مما يجعل من الصعب إجراء الصيانة الدورية. تحدد كل هذه الخصائص المتطلبات العالية لضمان الموثوقية للوحدات الضوئية من فئة الناقل.

في سيناريو التطبيق لمركز البيانات ، قد يكون مركز البيانات في غرفة معدات مع التحكم في الهواء والتحكم في درجة الحرارة والتحكم في الرطوبة. يمكن لموظفي الصيانة المقيمين إجراء الصيانة في أي وقت. لذلك ، فإن متطلبات الموثوقية منخفضة نسبيًا. بالنظر إلى سيناريو التطبيق والمتطلبات والتكلفة ، تم تطوير تقنيات تغليف للوحدات الضوئية المختلفة.

حاليًا ، تستخدم الوحدات الضوئية من الدرجة الحاملة في الغالب تقنية تغليف To-can أو BOX المحكم. تستخدم الوحدات الضوئية لمركز البيانات في الغالب تقنية تغليف COB غير محكمة الإغلاق ، كما هو موضح في الشكل 4. الاسم الكامل لـ COB عبارة عن رقاقة على اللوحة ، أي رقاقة على عبوة على اللوحة. يتم توصيل الرقاقة العارية بـ PCB مع مادة لاصقة موصلة أو غير موصلة ، ومن ثم يتم تحقيق التوصيل الكهربائي عن طريق الترابط الرصاصي ، ويتم لف الرقاقة والرابطة بمادة لاصقة. تم استخدام تقنية التغليف لأول مرة على نطاق واسع في تغليف LED ، ثم تم إدخالها لاحقًا في عبوات الوحدات البصرية.

الشكل 4. (أ) مخطط الوحدة البصرية لحزمة BOX. (ب) مخطط الوحدة البصرية لحزمة COB

المزايا التقنية لتغليف الوحدة الضوئية COB

• أداء اتصال إشارة عالي السرعة أفضل

مع أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية ذات الدرجة الحاملة المختومة بإحكام ، يتم توصيل الليزر بـ PCB من خلال FPC (الدائرة المطبوعة المرنة) والسيراميك عالي التردد قبل توصيله بالليزر من خلال سلك ذهبي. من الصعب ضمان استمرارية الممانعة في نقاط توصيل متعددة ولا مفر من فقدان سلامة الإشارة. في حزمة COB ، يمكن توصيل الليزر مباشرة بـ PCB من خلال رابطة الأسلاك الذهبية ، مما يقلل بشكل كبير من انقطاع المعاوقة ويضمن بشكل أفضل توصيل الإشارات عالية السرعة من PCB إلى LD ، مما يظهر هامشًا أكبر للعين نموذج الرسم البياني وأداء أعلى حساسية.

• القدرة على تقليل الحجم والتكلفة

توفر حزمة COB مساحة لأنها توفر صندوق سيراميك عالي التردد وكابل مرن ومكونات أخرى. أصبحت مزاياها أكثر وضوحًا اليوم حيث تواصل الوحدات الضوئية السعي وراء المزيد من الحزم المصغرة. خذ وحدة بصرية 400G QSFP-DD مع ليزر EML كمثال (الشكل 5) ، فهي تتطلب عددًا كبيرًا من الرقائق الكهربائية مثل انحياز DML ، وتحيز EA ، وتعديل EA ، و DSP ، وما إلى ذلك. يتطلب الجزء البصري مكونات مثل EML ، المعزل ، العدسة ، إلخ. إذا تم استخدام الحزمة المحكم ، ستشغل المكونات الضوئية مساحة كبيرة ، مما يؤدي إلى ضغط مساحة ترتيب المكونات الكهربائية بشكل كبير وتشكل تحديًا كبيرًا لتصميم الوحدة. أثناء استخدام حزمة COB ، يمكن للمساحة المحفوظة أن تعطي الكهرباء لتحسين التصميم الزائد ، مثل إضافة المزيد من مكثفات المرشح ، وتخطيط عزل إشارة عالية التردد أكبر ، وبالتالي تحسين أداء الوحدة.

الرقم 5. يجلب مخطط الوحدة البصرية 400G ومتطلبات الحجم الصغير وعدد كبير من المكونات تحديات لتصميم الحزمة

من حيث التكلفة ، توفر حزمة COB مكونات مثل صندوق السيراميك عالي التردد والكابل المرن ، وخطوات العملية مثل اللحام والختم المملوء بالنيتروجين ، واكتشاف تسرب BOX ، ولحام FPC ، والاختبار المنفصل للأجهزة البصرية ، والتي يمكن أن تقلل المواد التكلفة وتكلفة الإنتاج.

عيوب تغليف COB للوحدات البصرية

• انخفاض عمر الأجهزة الحساسة

في حزمة COB ، تتعرض الأجهزة البصرية وبعض الرقائق الكهربائية ، مثل برامج التشغيل و TIAs ، بشكل مباشر ، مما يؤدي إلى تأثيرات ضارة على عمر الخدمة. أثناء وجوده في الحزمة المحكم ، يتم إغلاق LDs في صندوق مملوء بالنيتروجين ، وهو معزول عن البيئة الخارجية ويحمي بشكل أفضل التشغيل المستقر لـ LD.

في السنوات الأخيرة ، طور مصنعو الوحدات أيضًا بعض تقنيات الختم المحكم المحدودة لإطالة عمر LD في وحدات COB ، بالاعتماد على تقنيتي التغليف. على سبيل المثال ، إذا تم تركيب LD في صندوق معدني شبه مفتوح ، يمكن أن يدخل PCB الصندوق المعدني من خلال الفتحات للاتصال مباشرة بـ LD ، بينما يمكن إغلاق الصندوق المعدني بالغراء لتوفير درجة معينة من الإحكام.

• لا يؤدي إلى إعادة صياغة المنتج المعيب

في حزمة BOX ، يمكن فصل الأجهزة البصرية تمامًا عن PCB واختبارها بشكل منفصل. يمكن استبدال أي جزء من المشكلة وإصلاحه بشكل منفصل.

في وحدة COB ، نظرًا لأن الجهاز البصري متصل مباشرة بلوحة PCB ، لا يمكن إجراء اختبار الأداء إلا بعد اكتمال الإنتاج بالكامل. في حالة وجود عيوب ، يكون من الصعب التحقق مما إذا كان العطل عبارة عن شريحة كهربائية أو شريحة ضوئية ، ومن المرجح أن يتسبب في حدوث خردة عند إعادة تصنيع الجهاز واستبداله. قد يكون هناك تلف في الشريحة الضوئية ، مما يؤدي إلى تخريد الوحدة بأكملها ، مما يؤدي إلى حد ما إلى زيادة معدل التخريد في عملية الإنتاج بأكملها. لذلك ، فإن عملية تغليف COB واستقرار العملية ومعدل العائد لها أهمية خاصة.

الخطوات الفنية الرئيسية لتعبئة COB للوحدات البصرية

تتضمن خطوات العملية الرئيسية للوحدات البصرية لحزمة COB ربط القالب ، وربط الأسلاك ، والاقتران البصري ، والاختبار (الشكل 6).

الشكل 6. عملية تغليف COB للوحدة البصرية

الترابط يموت هو لصق أنواع مختلفة من الرقائق على ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، مثل رقائق استعادة الساعة ، ورقائق مشغل الليزر ، ورقائق مكبر المعاوقة العابرة ، ورقائق الليزر ، ورقائق الكاشف في الوحدة الضوئية لمركز البيانات ، والمادة اللاصقة الموصلة الشائعة الاستخدام المتصلة مباشرة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. في التركيب ، يجب أن ننتبه إلى ما إذا كانت دقة الموضع تفي بالمتطلبات ، وما إذا كان رابط الرقاقة ثابتًا ، وما إلى ذلك. بالنسبة لليزر ، يكون استهلاك طاقة السائق كبيرًا ، وشريحة توليد حرارة عالية ، نحتاج أيضًا إلى الانتباه إلى جهة الاتصال أداء تبديد الحرارة بعد التركيب.

ربط الأسلاك يشير إلى الاتصال الكهربائي بين دبابيس الرقاقة والوسادات الموجودة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور من خلال الأسلاك ، وعادة ما تستخدم تقنية ربط الأسلاك الذهبية (الشكل 7). يجب الانتباه في هذه الخطوة إلى ما إذا كان الاتصال السلكي على اتصال جيد وما إذا كان هناك اتصال افتراضي. عادة ما يتم فحصه عن طريق سحب الأسلاك. في الوحدات البصرية عالية السرعة ، غالبًا ما تكون الخطوط معقدة وتتطلب الكثير من الضربات المتقاطعة ، الأمر الذي يتطلب الانتباه إلى ما إذا كانت هناك مشاكل مثل ثنيات الرصاص المنهارة. لتوصيل دبابيس الإشارة عالية السرعة ، يجب الانتباه إلى طول وعدد الخيوط ، والتي تستخدم بشكل عام لتقليل طول الرصاص وزيادة عدد العملاء المتوقعين لتعزيز سلامة الإشارة.

الشكل 7. ربط الأسلاك

اقتران (الشكل 8) هو أطول وقت عمل وخطوة معيبة على الأرجح في تغليف الوحدة الضوئية. بالنسبة للوحدات الضوئية متعددة الأوضاع ، يتم استخدام الليزر الباعث للسطح (VCSEL) بشكل شائع ، والذي يقترن بالألياف متعددة الأوضاع من خلال المرآة.

مسار الضوء بسيط ، والتسامح كبير ، والعملية بسيطة نسبيًا. تعد الألياف أحادية الوضع أكثر تعقيدًا لأن القطر الأساسي للألياف أحادية الوضع أصغر من قطر الألياف متعددة الأوضاع ، فقط 9 ميكرومتر ، الأمر الذي يتطلب عدسة لتركيز اقتران. في الوحدة النمطية التي تحتاج إلى اقتران متعدد الإرسال ، مثل LR4 ، من الضروري إضافة عناصر موجة وتقسيمها ، مما يزيد من تعقيد المسار البصري. مادة مساعدة مهمة للاقتران هي المادة اللاصقة القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية ، والتي تستخدم بشكل أساسي لربط عدسات اقتران. يتميز بمعالجة سريعة للغراء بعد الأشعة فوق البنفسجية ، ومعدل انكماش منخفض ، ومناسب لعدسات اقتران الموازاة مع متطلبات عالية للربط ودقة التثبيت.

الشكل 8. اقتران في عبوات البوليفيين

الاختبار هو الخطوة الأخيرة في إنتاج الوحدات الضوئية ، والتي تنقسم بشكل أساسي إلى اختبار الأداء واختبار الموثوقية. تتضمن عناصر اختبار الأداء الشائعة هامش مخطط العين ، ونسبة الانقراض ، وقوة الإرسال ، وحساسية الاستقبال ، وما إلى ذلك. تشتمل عناصر اختبار الموثوقية عادةً على اختبار الشيخوخة المشحون بدرجة حرارة عالية ومنخفضة ، واختبار الصدمات الدورية ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة ، واختبار الاهتزاز ، واختبار التوصيل المتعدد ، إلخ.

الاتجاهات في تكنولوجيا تغليف الوحدات الضوئية لمركز البيانات

بشكل عام ، فإن اتجاه الطلب على الوحدات البصرية لمركز البيانات هو حزمة أكثر تصغيرًا ومعدل إرسال أعلى وتكلفة أقل. في الوقت الحالي، 100G QSFP28 تم استخدام الوحدات الضوئية على نطاق واسع في مراكز البيانات ، وكانت الوحدات البصرية 400G QSFP-DD متاحة تجاريًا في مراكز البيانات واسعة النطاق ، و 800 جرام QSFP-DD800 الوحدات الضوئية في المرحلة الأولى من التسويق. في مواجهة الطلب على السرعة العالية ، تواجه عبوات الوحدات الضوئية التقليدية المزيد والمزيد من الصعوبات ، بما في ذلك زيادة تعقيد الحزمة ، وانخفاض العائد مما يؤدي إلى زيادة التكاليف ، وعرض النطاق الترددي للجهاز المحدود. في هذا السياق ، من المتوقع بشكل أكبر تسويق التقنيات الجديدة مثل الوحدات البصرية للسيليكون والبصريات المجمعة (CPO).

يهدف تطبيق فوتونات السليكون في الوحدات الضوئية إلى تبسيط العملية وتقليل التكاليف من خلال دمج المكونات البصرية المنفصلة في الأصل ، مثل المُعدِّلات ، وأجهزة الكشف ، و MUX / DeMUX ، والعدسات ، والمنشورات ، وما إلى ذلك ، من خلال شريحة ضوئية سيليكون متكاملة للغاية. في الوقت الحالي ، تمكنت رقائق الضوئيات السيليكونية من دمج أجهزة الكشف ، والمعدِّلات عالية السرعة ، والموجهات الموجية ، و WDM ، والأجهزة الأخرى على نفس الركيزة القائمة على السيليكون ، ومن المتوقع أن تكون قادرة على دمج المزيد من الرقائق الكهربائية مثل CDR و TIA في المستقبل ، مما يعزز بشكل كبير تكامل الوحدات البصرية.

400 جرام QSFP-DD تدخل وحدات فوتونات السيليكون بالفعل في السوق من حيث الحجم في عام 2022. وتتوقع شركة أبحاث السوق Yole أن تصل وحدات فوتونات السيليكون إلى 3.67 مليار دولار بحلول عام 2025 ، مما يجعلها جزءًا مهمًا من سوق الوحدات الضوئية. يوضح الشكل 9 الأنواع المختلفة لأجهزة السليكون الضوئية.

الشكل 9. السيليكون الضوئيات الأجهزة

اكتسبت تقنية البصريات المجمعة اهتمامًا متزايدًا في السنوات الأخيرة ، والتي تتمتع بمزايا كبيرة على الوحدات البصرية التقليدية القابلة للتوصيل من حيث فقدان الاتصال الكهربائي. عن طريق تغليف الشريحة الكهروضوئية وشريحة التبديل معًا ، يمكن لتقنية CPO تقصير طول السلك عالي التردد بشكل كبير ، وبالتالي حل مشكلة التوهين الخطير للإشارة الكهربائية بسرعات أعلى. إدارة الموارد البشرية تتمتع التكنولوجيا أيضًا بمزايا كبيرة على الشكل القابل للتوصيل من حيث النطاق الترددي والحجم والوزن واستهلاك الطاقة.

ومع ذلك ، لا تزال تقنية CPO تواجه بعض المشكلات التي يجب حلها بشكل أكبر ، بما في ذلك عملية لوحة PCB الكهروضوئية عالية الكثافة ، وعملية تغليف الرقائق الكهروضوئية عالية الدقة وتصميم تبديد الحرارة ، وموثوقية الرقائق الكهروضوئية المتكاملة للغاية. يتوقع CIR أن سوق CPO من المتوقع أن يصل إلى 5.4 مليار دولار في عام 2027. يوضح الشكل 10 تطور تقنية الاتصال على متن الطائرة.

الشكل 10. تطور تكنولوجيا التوصيل على متن الطائرة