В оптических трансиверах любого форм-фактора используется два вида фотоприемников: P-i-N фотодиоды и APD фотодиоды. PIN диоды используются в оптических модулях с дальностью работы не более 80 км. В трансиверах, предназначенных для работы на большие расстояния (от 80 км) в качестве приёмников используются лавинные фотодиоды APD (avalanche photodiode).
Оптический бюджет
Характеристика – дальности передачи, для оптических трансиверов, величина относительная, потому что зависит от многих переменных факторов, одним из важнейших является – вносимое затухание оптической линии. Для правильной оценки дальности того или иного трансивера на конкретной линии лучше всего оперировать величиной оптического бюджета модуля (Attenuation Range), который характеризует значение потери мощности сигнала в линии передачи, которые возможно допустить без потери качества передаваемой информации, то есть без увеличения коэффициента ошибок передачи.
Динамический диапазон (оптический бюджет) не всегда указывается в спецификациях производителей, но легко высчитывается по формуле:
AR=Pmin-Smax,
где Pmin — минимальная выходная мощность передатчика, Smax — максимальное значение чувствительности фотоприемника.
Из формулы видно, что чувствительность приемника вносит наибольший вклад в оптический бюджет трансивера, а значит, чем больше дальность передачи, тем больше значение AR, а для этого необходим высокочувствительный приемник.
Конструкция и принцип работы
P-i-N фотодиоды изготавливаются на основе индий-галлий-арсенида (InGaAs). Принцип работы достаточно прост: поступающие фотоны света создают электронно-дырочные пары, от количества которых зависит сила тока. Таким способом принимаемый поток регистрируемых фотонов преобразуется приемником в электрическую энергию.
Лавинные фотодиоды APD работают по тому же принципу что и P-i-N, но в отличие от предшественников, регистрируемые фотоны внутри APD приемника вызывают лавину зарядов. За счёт эффекта лавинного умножения в фотодиоде, создаётся внутреннее усиление принимаемого сигнала.
Внутреннее усиление, повышает чувствительность лавинных фотодиодов на 6-8 дБ в сравнении с P-i-N приемниками. Такое повышение производительности позволяет использовать APD диоды для детектирования сигналов с малой мощностью, что в свою очередь увеличивает итоговый оптический бюджет трансивера, и как следствие, позволяет увеличить расстояние передачи.
Особенности эксплуатации
Кроме высокой чувствительности у таких приёмников есть и недостатки. Давайте рассмотрим их подробнее, чтобы избежать ошибок в работе.
Опасные факторы влияния
Одна из важных характеристик лавинных фотоприёмников, которую необходимо помнить и соблюдать меры предосторожности – это допустимый диапазон входной мощности. Сигнал с уровнем выше порогового значения способен вывести APD приёмник из строя.
В целях безопасности, при подключении оптических патч-кордов к трансиверу, рекомендуется использовать измеритель оптической мощности для проверки уровня входной мощности. Если входной сигнал выше допустимого значения, необходимо использовать аттенюаторы для понижения уровня сигнала до приемлемого значения. При работе с трансиверами CWDM или DWDM, стоит использовать специализированный тестер, который позволяет проводить измерения для соответствующей длины волны.
Отдельно хотелось бы отметить, что категорически запрещается напрямую соединять приёмник и передатчик трансивера при помощи патч-корда. Этот запрет связан с тем, что оптические модули с большим оптическим бюджетом всегда оборудуются лазерами с высоким уровнем сигнала, не менее 0 дБ и выше. Световой поток такой мощности, без ослабления (аттенюации), выведет приёмник из строя в короткие сроки.
Кроме высокого уровня сигнала, APD приёмники чувствительны к разрядам статического электричества. Статический разряд способен не только ухудшить рабочие параметры приёмника, но и в целом вывести приемник из строя. В связи с этим необходимо транспортировать и хранить модули, оснащенные высокочувствительным APD приемником, в антистатической упаковке. Это может быть всем знакомый пластиковый блистер, либо антистатический пакет.
При извлечении модуля из упаковки рекомендуется надеть перчатки, либо специальный браслет. Перед установкой трансивера в порт сетевого оборудования рекомендуется убедиться, что оно заземлено.
Как мы и писали ранее не рекомендуется хранить трансиверы в открытом виде. Либо трансивер установлен в порт оборудования, либо находится в специализированной упаковке. Даже если под рукой нет специализированного блистера, можно использовать антистатический пакет. Упаковка убережёт трансиверы не только от статического электричества, но и от механических повреждений, например, от загрязнения или повреждения группы контактов. Её загрязнение может привести к возникновению CRC ошибок.
Так же, хранение оптических трансиверов без упаковки и защитной заглушки может повредить фотодиод, механическим загрязнением оптического порта. Пыль, соринки и другие загрязнения нарушают физический контакт ферулы патч-корда и оптического разъёма приёмника. Это в свою очередь может привести к искажению светового потока и нарушить нормальную работу приёмника. Во избежание подобных ситуаций, никогда не касайтесь ферулы патч-корда, всегда используйте защитные колпачки для коннекторов и заглушки порта трансивера.
Сферы применения
Несмотря на то, что APD приёмники стоят значительно дороже P-i-N диодов, за счет характеристик и предоставляемых возможностей высокочувствительные лавинные фотодиоды являются наиболее востребованными в современных трансиверах. Причем APD диоды используются как в трансиверах со скоростью передачи 1,25 Гбит/с, так и в модулях 100 Гбит/с.
В модулях форм-фактора SFP со скоростью передачи 100 Мбит/с – 2,5 Гбит/с APD используются в моделях с дальностью передачи более 80 км, в большей степени это связано с тем, что не высокая скорость передачи проще детектируется и не требует внутреннего усиления в приемнике.
В трансиверах со скоростью передачи 10 Гбит/с APD приемники используются более часто. Они устанавливаются во все трансиверы чья дальность передачи больше 40 км. Яркими примерами таких модулей являются WDM SFP+ 60 ER или DWDM SFP+ ZR.
В высокоскоростных трансиверах, таких как QSFP+ и QSFP28, APD приемники используются наиболее часто, так как в связи с высокой скоростью передачи (40 – 100 Гбит/с), требуется максимальная чувствительность при передаче сигналов на расстояние более 20 км. Наиболее показательными моделями будут QSFP+ ZR и QSFP28 ER.
Таблица трансиверов Modultech оснащённых APD приёмниками
Заключение
Трансиверы с APD приёмниками хрупкий, но эффективный инструмент для передачи данных на большие расстояния. При должном обращении, такие трансиверы способны прослужить долгое время без неполадок.
При выходе приёмника из строя модуль станет непригоден для использования. Ремонт такого трансивера возможен только в заводских условиях, что зачастую экономически не целесообразно.
Ввиду специфичного назначения модули с APD приёмниками не всегда можно оперативно заменить, поэтому они требуют бережного и осторожного обращения.