光通訊入門筆記 Part 1

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投資理財內容聲明

為什麼要用光通訊?因為相較電傳輸,光具備高頻率、低損耗與低功耗等優勢。


光波的頻率比電頻高出數萬倍,可以承載能高的數據量,而電在銅線裡傳輸時會遇到電阻,所以訊號會隨著距離衰弱,故而需要加裝 DSP 這種訊號處理器來進行訊號的補償與修正。

與此同時,電在傳輸時是會有電荷,很容易受到電磁干擾;而光子就沒這個問題,光子間交會也不會產生影響。

電在銅線中傳輸也會產生所謂的焦耳熱,頻寬越高所產生的熱能就越高;光傳輸雖然也會生熱,但相較電傳輸所產生的熱能下降許多,可減少晶片過熱的影響。


目前光訊號有幾種發射方式:

#VCSEL 光源從晶片表面垂直射出,以多模態光源為主,構造簡單成本低,傳輸距離較短(<100m),在高頻 (如 200G 或以上) 時容易產生雜訊,蘋果的 FaceID 就是使用 VCSEL。

#DFB 從晶片的側面射出,光柵能產生單模態光源,適合中長距離傳輸 (>2km),而且可以在 200G 的高頻下維持訊號清晰;由於需要切割成裸晶才能測試,製造成本較高。

#DML 通常 DML 指的是上述的 DFB,但技術上包含了 VCSEL;直接對雷射二極體切換電流以提供 1 或 0 的訊號;不過,當電流切換的速度太快的時候,雷射的波長會產生微小的偏移 (Chirp),導致訊號在光纖裡面變得模糊(色散)。

#EML 為電吸收調變雷射,用來解決 DML 的色散問題,也就是讓雷射永遠開著 (CW Laser),透過電吸收調變器 (EAM) 把雷射擋住或通過來傳遞訊號;因為不關雷射,所以 Chirp 會變小,適合在高速或長距離的環境下傳輸,啊缺點就是技術門檻比較高,比較貴功耗也比較大。

#外部調變 外部雷射源射入矽光子晶片中,晶片上會有一個稱為 MZM 的調變器,透過干涉原理與電壓控制來傳遞訊號;優點在於可以處理 224G PAM4 以上的速度,缺點就是損耗較大,需要高功率的外部雷射。


而我們常見的 400G、800G 或 1.6T 之類的數據指的是傳輸速率,也就是每秒鐘可以傳輸多少資料量:

#G Gigabit per second (十億位元/每秒)

#T Terabit per second (兆位元/每秒),1T = 1000G,所以 1.6T 就是 1,600G 的意思。

這個數字是用「通道數」與「單通道速率」相乘得來的,800G 通常是 8 x 100G,到了 1.6T 就變成了 8 x 200G。


這個時候就會出現一些疑問,100G 跟 200G 差在哪?100G 使用的是 56 GBaud,每秒鐘開關 560 億次,搭配 PAM4 編碼 (一次傳2個bits) 來達到 112 Gbps,至於那多出來的 12G 是用來放 overhead;而 200G 就是要把 GBaud 翻倍,訊號穩定度會下降,故而需要更強的 DSP 晶片或者使用 SiPho (矽光子) 技術。


那為啥不能用 16 x 100G 來達到 1.6T?一個是空間限制,光收發模組的大小是固定的,所以通道數變多會讓空間不足,佈線會變得很混亂之類的;再來就是散熱問題、成本問題(多一倍的雷射跟接收器)、光纖數量變多,然後封裝良率下降,所以解決方案是把單一通道的速率提升,而不是透過增加通道數的方式。


我儘量用直白的方式寫一些入門的說明,因為光通資訊非常多,我也需要時間好好梳理成文字,所以先放一個 Part 1 來給大家參考,有錯誤的地方還請協助糾錯 xd

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杯米的投資筆記
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