กระแสไบแอส Tx และการเสื่อมสภาพของเลเซอร์

ในบรรดาค่าที่ตรวจวัด DDM ทั้งห้าตัว กระแสไบอัสเลเซอร์เป็นตัวเดียวที่ทำนายอนาคตได้ เลเซอร์จะเสื่อมสภาพโดยต้องการกระแสมากขึ้นเพื่อให้ได้แสงเท่าเดิม ลูปควบคุมของโมดูลจะซ่อนสิ่งนี้ไว้จากค่ากำลังส่ง Tx จนถึงวินาทีสุดท้าย แต่ค่าไบอัสจะแสดงให้เห็นตั้งแต่เดือนแรก เพจนี้อธิบายฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังตัวเลขนี้ ลักษณะของค่า “ปกติ” ต่อเลเซอร์แต่ละชนิด วิธีอ่านแนวโน้ม และเวลาที่ควรวางแผนเปลี่ยนเลเซอร์

วิธีขับเลเซอร์

เลเซอร์สารกึ่งตัวนำจะเริ่มเปล่งแสงเมื่อกระแสสูงกว่ากระแสค่าเกณฑ์ I_th เมื่อเกินจุดนี้ กำลังส่งออกจะเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเส้นตรงตามกระแส (ประสิทธิภาพความชัน หน่วย mW/mA) ตัวส่งจะตั้งกระแสไบอัสให้สูงกว่ากระแสค่าเกณฑ์ และบวกกระแสมอดูเลชันเพิ่มเข้าไปสำหรับบิต 1 และ 0 DDM รายงานเฉพาะค่าไบอัส (SFF-8472 A2h 100–101, 2 µA ต่อ LSB) ไม่ได้รายงานกระแสมอดูเลชัน

โมดูลส่วนใหญ่ทำงานด้วยลูปการควบคุมกำลังอัตโนมัติ (APC) คือโฟโตไดโอดตรวจวัดจะคอยดูกำลังส่งออก และไดรเวอร์จะปรับไบอัสเพื่อรักษากำลังเฉลี่ยให้คงที่ นี่คือเหตุผลที่กำลังส่ง Tx ใน DDM คงที่อยู่หลายปีในขณะที่ไบอัสค่อย ๆ ไต่ขึ้น และเป็นเหตุผลที่กำลังส่ง Tx ที่คงที่ไม่ได้บอกอะไรเลยเกี่ยวกับการเสื่อมสภาพ

สิ่งที่ทำให้ไบอัสเปลี่ยนแปลง

สาเหตุ	ทิศทาง	สเกลเวลา	ย้อนกลับได้หรือไม่
อุณหภูมิ — กระแสค่าเกณฑ์เพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลตามอุณหภูมิ (อุณหภูมิลักษณะเฉพาะ T₀ ≈ 50–70 K สำหรับ DFB)	เพิ่มขึ้น ~1 %/°C สำหรับ DFB ที่ไม่มี TEC ส่วน VCSEL เพิ่มน้อยกว่าจนกว่าจะถึงจุดพลิกกลับจากความร้อน	นาที	ได้ — ทำให้เป็นค่ามาตรฐานก่อนตัดสิน
การเสื่อมสภาพตามอายุ — ข้อบกพร่องในย่านแอ็กทีฟทำให้ประสิทธิภาพลดลง	เพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ	เดือนถึงปี	ไม่ได้
จุดตั้งค่าการทำความเย็น (TEC)	ไม่ส่งผลต่อไบอัส แต่เห็นผลในกระแส TEC	—	—
การสูญเสียจากการคัปเปิล / สิ่งปนเปื้อนที่หน้าตัด — APC ชดเชยแสงที่ไปถึงใยแก้วนำแสงน้อยลง	เพิ่มขึ้น	ทันทีทันใดหรือค่อยเป็นค่อยไป	บางครั้ง (ทำความสะอาดได้ถ้าไม่ใช่โมดูลแบบไม่มีพิกเทล)
ค่าปลอมหรือค่าที่ถูกล็อกตาย	คงที่	—	—

ช่วงค่าทั่วไปต่อชนิดเลเซอร์: ค่าทั่วไป

การเสื่อมสภาพแบบค่อยเป็นค่อยไป เทียบกับการตายกะทันหัน

รูปแบบ	กลไก	ลายเซ็นใน DDM	พบที่ไหน
การเสื่อมสภาพแบบค่อยเป็นค่อยไป	ข้อบกพร่องแบบเส้นมืด, การเกิดออกไซด์ที่หน้าตัด, การแพร่ของสารเจือ ตามอาร์เรเนียส คืออายุการใช้งานลดลงครึ่งหนึ่งทุก +10 °C	ไบอัสไต่ขึ้น 20–50 % ตลอดหลายปี จากนั้นกำลังส่ง Tx จึงตกลงในที่สุด แล้วตามด้วยเหตุขัดข้องด้าน Tx	เลเซอร์ทุกชนิด เร็วที่สุดในโมดูลที่ร้อนและกินไฟสูง
ความเสียหายเชิงแสงแบบฉับพลัน (COD)	หน้าตัดหลอมละลายที่ความหนาแน่นเชิงแสงสูง	Tx หายไปทันที ไบอัสอาจกระโดดขึ้นไปถึงขีดจำกัดของไดรเวอร์	FP/DFB กำลังสูง (ZX, ER, PON OLT)
ไฟฟ้าสถิต (ESD) / ไฟกระชาก	ความเสียหายที่รอยต่อ	Tx ตายหรือกำลังลดลงครึ่งหนึ่งระหว่างการอ่านค่าสองครั้งติดกัน	เกิดได้กับทุกชนิด มักเกี่ยวกับการจับต้องโมดูล
ไดรเวอร์หรือ APC ทำงานล้มเหลว	วงจรอิเล็กทรอนิกส์	ไบอัสเป็น 0 หรือสูงสุด, มีแฟล็ก Tx	เกิดได้กับทุกชนิด
TEC เสีย	เลเซอร์ร้อนเกินไปหรือความยาวคลื่นดริฟต์	อะลาร์มอุณหภูมิเลเซอร์, กระแส TEC ถึงขีดจำกัด, ช่องสัญญาณ DWDM ดริฟต์ออกนอกฟิลเตอร์	DFB/EML ที่มี TEC

สถิติความเสียหายและผลกระทบระดับแบตช์: ความเสียหาย

เกณฑ์สิ้นอายุการใช้งาน

ผู้ผลิตทดสอบเลเซอร์ตามมาตรฐาน เช่น Telcordia GR-468 และนิยามการสิ้นอายุการใช้งานจากการเปลี่ยนแปลงเทียบกับค่าเริ่มต้น ที่กำลังส่งออกคงที่:

เกณฑ์	นิยาม EOL โดยทั่วไป
กระแสไบอัส	สูงกว่าค่าที่บันทึกไว้ตอนติดตั้ง +20 % (เข้มงวด สำหรับโทรคมนาคม) … +50 % (ทั่วไป)
กระแสค่าเกณฑ์	+50 %
กำลังส่งออกที่กระแสคงที่	−2 … −3 dB

สำหรับการตรวจติดตาม: ค่าที่เพิ่มขึ้น 15–20 % จากค่าฐาน คือจุดที่ควรวางแผนเปลี่ยนเลเซอร์ ส่วน +50 % หรือไบอัสที่ชนเพดานของไดรเวอร์แล้ว หมายความว่าโมดูลกำลังอยู่ในช่วงยืมเวลาใช้งาน (การตรวจติดตาม)

การอ่านแนวโน้มให้ถูกต้อง

ทำให้เป็นค่ามาตรฐานตามอุณหภูมิ เทียบค่าที่อุณหภูมิโมดูลใกล้เคียงกัน หรือพล็อตไบอัสเทียบกับอุณหภูมิแล้วดูส่วนที่เหลือ (residual) การขึ้นอุณหภูมิ +10 °C ในหน้าร้อนเพียงอย่างเดียวก็ทำให้ไบอัสของ DFB เพิ่มขึ้น ~10 % ได้แล้ว
เทียบกับค่าฐานของโมดูลตัวเอง ไม่ใช่กับโมดูลตัวอื่น โมดูลที่มีหมายเลขชิ้นส่วนเดียวกันสองตัวอาจมีไบอัสต่างกันได้ถึง 30 % ตั้งแต่วันแรก
ดูที่ความชัน ไม่ใช่ระดับค่า ไบอัสที่สูงแต่คงที่คือเลเซอร์ที่ต้องการกระแสมากเป็นปกติอยู่แล้ว ส่วนไบอัสที่ไต่ขึ้น 1 % ต่อเดือนคือเลเซอร์ที่กำลังตาย
ตรวจกำลังส่ง Tx เป็นลำดับสุดท้าย เมื่อ APC ชดเชยต่อไปไม่ไหวแล้ว กำลังส่ง Tx จะตก และ Rx ที่ปลายไกลก็จะตกตามไปด้วย ถึงตอนนั้นกราฟไบอัสก็บอกเรื่องราวนี้มาเป็นเดือนแล้ว
โมดูลหลายเลน เทียบเลนทั้งสี่หรือแปดเลนเข้าด้วยกัน เลนหนึ่งที่เสื่อมสภาพเร็วกว่าเลนอื่น ๆ คือรูปแบบความเสียหายที่พบบ่อยที่สุด (การวินิจฉัยแยกตามเลน)

ชนิดเลเซอร์และการเสื่อมสภาพ

เลเซอร์	พฤติกรรมการเสื่อมสภาพ	หมายเหตุ
VCSEL 850 nm	อายุการใช้งานยาวนานมากที่กระแสต่ำ ไวต่ออุณหภูมิสูง (เกิดจุดพลิกกลับจากความร้อน) และไฟฟ้าสถิต	ไบอัส 4–9 mA VCSEL ที่ 12 mA ถือว่าน่าสงสัย
FP 1310 nm	ทนทาน ราคาถูก อาการกระโดดโหมดแสดงออกเป็นการกระตุกของกำลังเล็กน้อย ไม่ใช่ที่ไบอัส	1G LX, GPON ONU
DFB ไม่มี TEC	ไต่ขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ขึ้นกับอุณหภูมิมาก	10G LR/ER, CWDM, 25G LR
DFB/EML ที่มี TEC	ไบอัสคงที่เพราะ TEC รักษาอุณหภูมิไว้ การเสื่อมสภาพจึงแสดงออกเป็นไบอัสที่ไต่ขึ้นทั้งที่อุณหภูมิเลเซอร์คงที่ ส่วนกระแส TEC จะเผยปัญหาด้านสภาพแวดล้อม	DWDM, ER/ZR, 100G LR4
เลเซอร์ CW แบบซิลิคอนโฟโตนิกส์	เลเซอร์กำลังสูงตัวเดียวใช้ร่วมกันทุกเลน หากตัวนี้เสียก็ทำให้ทั้งโมดูลเสียไปด้วย	400G DR4/FR4

รายละเอียดของส่วนประกอบ: เลเซอร์, วิวัฒนาการของเลเซอร์

ไบอัสในฐานะลายนิ้วมือ

เนื่องจากไบอัสแตกต่างกันไปในเลเซอร์แต่ละตัว ไบอัสที่คงที่เท่ากันทั้งแบตช์โมดูลก็บอกอะไรได้พอ ๆ กับกำลังส่ง Tx ที่คงที่ นั่นคือค่าที่ถูกเขียนลงหน่วยความจำไว้ ไม่ได้วัดขึ้นจริง (ระดับค่า DDM) ไบอัสของโมดูลจริงจะขยับตามอุณหภูมิภายในไม่กี่นาทีหลังเสียบใช้งาน

ใน CodingBox

หน้าจอ DDM ในแอป บันทึกไบอัสเทียบกับเวลาและอุณหภูมิไว้ โมดูลที่อ่านค่าตอนตรวจรับเข้า แล้วอ่านอีกครั้งตอนถอดออกมา จะแสดงชีวิตทั้งหมดของมันในกราฟเดียว การเก็บค่าที่อ่านได้ตอนติดตั้งไว้ใน Code database ให้ค่าฐานที่เกณฑ์สิ้นอายุการใช้งานข้างต้นต้องใช้

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ