Введение в оптический модуль

С быстрым развитием оптической связи во многих сценах нашей работы и жизни теперь осозналось «наступление света и отступление меди». Другими словами, металлические среды связи, представленные коаксиальными кабелями и сетевыми кабелями, постепенно заменяются оптоволоконными средами.
Оптический модуль является одним из основных компонентов волоконно-оптической системы связи.

Композиционная структура оптического модуля

Оптический модуль, английское название Optical Module. Оптический означает «зрение, видение, оптика».

Точнее, оптический модуль — это общий термин для различных категорий модулей, в том числе: оптический приемный модуль, оптический передающий модуль, интегрированный модуль оптического приемопередатчика, модуль оптической пересылки и т. д.

Оптический модуль: Передатчик,Получатель,Трансивер,Транспомер

То, что мы сегодня обычно называем оптическими модулями, обычно относится к модулям интегрированных оптических приемопередатчиков (то же самое применимо и ниже).

Оптические модули работают на физическом уровне, который является самым низким уровнем модели OSI. Его функция очень проста: добиться фотоэлектрического преобразования. Превратите оптические сигналы в электрические сигналы, а электрические сигналы в оптические сигналы.

Хотя это кажется простым, техническое содержание процесса реализации не является низким.

Оптический модуль обычно состоит из оптического передающего устройства (ТОСА, включая лазер), оптического приёмного устройства (РОСА, включая фотодетектор), функциональных схем и оптических (электрических) интерфейсов.

На передающей стороне чип драйвера обрабатывает исходный электрический сигнал, а затем управляет полупроводниковым лазером (LD) или светодиодом (LED) для излучения модулированного оптического сигнала.

На приемной стороне после поступления оптического сигнала он преобразуется в электрический сигнал с помощью светодетектора, и электрический сигнал выводится после прохождения через предусилитель.

Упаковка оптических модулей

Новичков самое неприятное в оптических модулях — это чрезвычайно сложное название корпуса и впечатляющие параметры.

Упаковку можно понимать просто как стандарт стиля. Это самый важный способ отличить оптические модули.

Причина, по которой существует так много различных стандартов упаковки для оптических модулей, заключается главным образом в том, что скорость развития технологий оптоволоконной связи слишком высока.

Скорость оптических модулей продолжает расти, а их размер продолжает уменьшаться, поэтому каждые несколько лет будут выпускаться новые стандарты упаковки. Часто бывает трудно обеспечить совместимость старых и новых стандартов упаковки.

Кроме того, сценарии применения оптических модулей разнообразны, что также является причиной повышения стандартов упаковки. Различные расстояния передачи, требования к полосе пропускания и места использования соответствуют различным типам оптических волокон и оптических модулей.

Прежде чем объяснять упаковку и классификацию, давайте представим организацию стандартизации оптической связи. Потому что эти пакеты определяются организациями по стандартизации.

В настоящее время в мире существует несколько организаций, которые стандартизируют оптическую связь, например, известные IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике), ITU-T (Международный союз электросвязи), MSA (Соглашение с несколькими источниками) и OIF (Оптическое соединение). . Forum), CCSA (Китайская ассоциация стандартов связи) и т. д.

Наиболее распространенными в отрасли являются IEEE и MSA.

Возможно, вы не знакомы с MSA. Его английское название — Multi Source Convention. Это спецификация от нескольких поставщиков. По сравнению с IEEE, он считается частной и неофициальной организационной формой. Его можно понимать как альянс предприятий внутри отрасли.

Во-первых, мы проигнорируем те стандарты, которые слишком старые или редкие, и сосредоточимся на общих пакетах.

ГБИК

GBIC означает конвертер интерфейса Giga Bitrate.

До 2000 года GBIC был самым популярным пакетом оптических модулей и наиболее широко используемой формой гигабитного модуля.

Интерфейс SFP

Поскольку GBIC относительно велик, позже появился SFP и начал заменять GBIC.

SFP, полное название — Small Form-factor Pluggable, который представляет собой небольшой оптический модуль с возможностью горячей замены. Его небольшой размер по сравнению с пакетом GBIC.

Объем SFP уменьшен вдвое по сравнению с модулем GBIC, а на одной панели можно настроить более чем вдвое больше портов. С точки зрения функциональности между ними нет большой разницы, и оба поддерживают горячую замену. SFP поддерживает максимальную пропускную способность 4 Гбит/с.

XFP

XFP — это 10-подключаемый модуль гигабитного малого форм-фактора. С первого взгляда можно понять, что это 10-Gigabit SFP.
XFP использует высокоскоростной одноканальный последовательный модуль, подключенный через XFI (последовательный интерфейс 10 Гбит), и может заменить Xenpak и его производные.

СФП%2б

SFP+ — это оптический модуль 10G, такой как XFP.
Размер SFP+ такой же, как и у SFP, он более компактен, чем XFP (примерно на 30 % меньше), и потребляет меньше энергии (уменьшение некоторых функций управления сигналом).

СФП28

SFP со скоростью 25 Гбит/с появился главным образом потому, что оптические модули 40G и 100G были на тот момент слишком дорогими, поэтому мы сделали такой компромиссный план перехода.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-ДД

Четырехканальный подключаемый четырехканальный интерфейс SFP Quad малого форм-фактора. В этом проекте были применены многие зрелые ключевые технологии XFP.
В зависимости от скорости QSFP можно разделить на оптические модули 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD и т. д.
Возьмем, к примеру, QSFP28, он подходит для портов доступа 4x25GE. Используя QSFP28, вы можете напрямую перейти с 25G на 100G, минуя 40G, что значительно упрощает проводку и снижает затраты.

QSFP-DD была создана в марте 2016 года. DD означает «двойная плотность». 4 канала QSFP увеличиваются на один ряд каналов и становятся 8 каналами.
Он совместим с решением QSFP. Оригинальный модуль QSFP28 все еще можно использовать, просто подключите другой модуль. Количество электрических золотых пальцев у QSFP-DD в два раза больше, чем у QSFP28.

Каждый канал QSFP-DD использует формат сигнала NRZ 25 Гбит/с или PAM4 50 Гбит/с. Используя PAM4, он может поддерживать скорость до 400 Гбит/с.
NRZ и PAM4 PAM4 (4-импульсная амплитудная модуляция) — это технология «удвоения».

Для оптических модулей, если вы хотите увеличить скорость, вам необходимо либо увеличить количество каналов, либо увеличить скорость одного канала.

Традиционные цифровые сигналы в основном используют сигналы NRZ (без возврата к нулю), то есть высокие и низкие уровни сигнала используются для представления информации 1 и 0 передаваемого цифрового логического сигнала, и каждый сигнал Период символа может составлять 1 бит логической информации.

Сигнал PAM использует 4 различных уровня сигнала для передачи сигнала, и каждый период символа может представлять 2 бита логической информации (0, 1, 2, 3). При той же физической полосе пропускания канала PAM4 передает в два раза больше информации, чем сигнал NRZ, тем самым удваивая скорость.

КФП/КФП2/КФП4/КФП8

Форма Centum Gigabits Сменный модуль оптической связи с плотным разделением по длине волны. Скорость передачи может достигать 100-400Гбит/с.

CFP разработан на основе интерфейса SFP, который имеет больший размер и поддерживает передачу данных со скоростью 100 Гбит/с. CFP может поддерживать один сигнал 100G, один или несколько сигналов 40G.

Разница между CFP, CFP2 и CFP4 заключается в объеме. Объем CFP2 составляет половину объема CFP, а CFP4 — четверть объема CFP.

CFP8 — это форма упаковки, специально предложенная для 400G, ее размер эквивалентен CFP2. Поддерживает скорость канала 25 Гбит/с и 50 Гбит/с и обеспечивает скорость модуля 400 Гбит/с через электрические интерфейсы 16x25G или 8x50.

ОСФП

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, «O» означает «восьмеричный», был официально выпущен в ноябре 2016 года.

Он предназначен для использования 8 электрических каналов для достижения 400GbE (8*56GbE, но сигнал 56GbE формируется лазером 25G DML под модуляцией PAM4), имеет немного больший размер, чем QSFP-DD, оптический механизм более высокой мощности и трансивер. Характеристики рассеивания тепла немного лучше.

Выше приведены некоторые общие стандарты упаковки оптических модулей.

Оптический модуль 400G

В этой статье упоминаются три типа оптических модулей, поддерживающих скорость 400 Гбит/с, а именно QSFP-DD, CFP8 и OSFP.
400G на данный момент является основным конкурентным направлением индустрии оптической связи. Сейчас 400G также находится на начальной стадии крупномасштабного коммерческого использования.

Как мы все знаем, в связи с масштабным запуском строительства сетей 5G в сочетании с быстрым развитием облачных вычислений и серийным строительством крупномасштабных центров обработки данных потребность отрасли ИКТ в 400G становится все более актуальной.
Ранние оптические модули 400G использовали реализацию 16-канала 25 Гбит/с NRZ и были упакованы в CDFP или CFP8.

Преимущество этой реализации заключается в том, что она может заимствовать зрелую технологию 25G NRZ в оптических модулях 100G. Но недостатком является то, что для параллельной передачи требуется 16 каналов сигналов, а потребляемая мощность и объем относительно велики, что не подходит для приложений центров обработки данных.
Позже ПАМ4 стал использоваться для замены НРЗ.

На стороне оптического порта 8 каналов PAM4 53 Гбит/с или 4 канала PAM4 106 Гбит/с используются для реализации передачи сигнала 400G, а на стороне электрического порта используются 8 каналов электрических сигналов PAM4 53 Гбит/с, а также форма пакета OSFP или QSFP. -ДД принят.

Для сравнения, размер корпуса QSFP-DD меньше (аналогично корпусу QSFP28 традиционного оптического модуля 100G), что больше подходит для приложений центров обработки данных. Размер пакета OSFP немного больше, поскольку он может обеспечить большее энергопотребление, поэтому он больше подходит для телекоммуникационных приложений.

Нынешние оптические трансиверы 400G, независимо от того, в каком корпусе они находятся, очень дороги, и все еще существует большой разрыв с ожиданиями пользователя. Поэтому быстро провести комплексную популяризацию пока не представляется возможным.

Еще одна вещь, о которой стоит упомянуть, — это свет на основе кремния, который часто называют кремниевым светом.

Считается, что кремниевая фотонная технология имеет широкие перспективы применения и конкурентоспособность в эпоху 400G и в настоящее время привлекает внимание многих компаний и исследовательских институтов.

Ключевые понятия оптических модулей

На основе упаковки с некоторыми параметрами будет название оптического модуля.
Помимо расстояния и количества каналов, существует еще центральная длина волны.

Длина волны света напрямую определяет его физические свойства. В настоящее время свет, который мы используем в оптических волокнах, имеет центральную длину волны 850, 1310 и 1550 нм (нм — нанометр). Среди них 850 нм в основном используется для многомодовых, а 1310 нм и 1550 нм в основном используются для одномодовых.

Кстати, CWDM и DWDM. WDM означает мультиплексирование с разделением по длине волны. Проще говоря, это мультиплексирование оптических сигналов разных длин волн в одно и то же оптическое волокно для передачи. Мультиплексирование с разделением по длине волны и мультиплексирование с частотным разделением. Фактически мультиплексирование с разделением по длине волны является разновидностью мультиплексирования с частотным разделением. Длина волны × частота=скорость света (фиксированное значение), поэтому деление на длину волны фактически равно делению на частоту. В оптической связи люди привыкли называть по длине волны.
DWDM — это плотный WDM, плотный WDM. CWDM — это разреженный WDM, грубый WDM. Из названия вы должны понять, что интервал длин волн в D-WDM меньше. Преимущество WDM в том, что он имеет большую пропускную способность и может передаваться на большие расстояния.

Кстати, BiDi, это понятие сейчас тоже часто упоминается. BiDi (BiDirectional) — одно волокно двунаправленное, одно оптическое волокно, двунаправленная передача и прием. Принцип работы показан на рисунке ниже. Фактически фильтр добавлен. Длины волн отправки и получения различны, поэтому может быть достигнута одновременная отправка и получение.

Основные показатели оптических модулей
К основным показателям оптических модулей в основном относятся следующие:

Выходная оптическая мощность

Выходная оптическая мощность относится к выходной оптической мощности источника света на передающем конце оптического модуля. Под ним можно понимать интенсивность света в Вт, мВт или дБм. Где Вт или мВт — линейная единица, а дБм — логарифмическая единица. В средствах связи мы обычно используем дБм для обозначения оптической мощности.

Оптическая мощность снижается вдвое и снижается на 3 дБ. Оптическая мощность 0дБм соответствует 1 мВт.

Максимальная чувствительность приема

Чувствительность приема относится к минимальной принимаемой оптической мощности оптического модуля при определенной частоте и частоте ошибок по битам, единица измерения: дБм.

Вообще говоря, чем выше скорость, тем хуже чувствительность приема, то есть больше минимальная принимаемая оптическая мощность, и тем выше требования к приемным конечным устройствам оптического модуля.

Коэффициент вымирания

Коэффициент затухания является одним из важных параметров, используемых для измерения качества оптических модулей.

Это относится к минимальному значению отношения средней оптической мощности сигнала к средней оптической мощности нулевого сигнала в условиях полной модуляции, что указывает на способность различать сигналы 0 и 1. На коэффициент затухания в оптическом модуле влияют два фактора: ток смещения (bias) и ток модуляции (Mod). Давайте рассматривать это как ER=Bias/Mod.

Значение коэффициента затухания заключается не в том, что чем больше оптический модуль, тем он лучше, а в том, что оптический модуль, коэффициент затухания которого соответствует стандарту 802.3, лучше.

Lнасыщенность света

Также известная как насыщенная оптическая мощность, она относится к максимальной входной оптической мощности при поддержании определенной частоты ошибок по битам (10-10 ~ 10-12) при определенной скорости передачи, единица измерения: дБм.

Следует отметить, что фотодетектор будет испытывать насыщение фототока при воздействии сильного света. Когда происходит это явление, детектору требуется определенное время для восстановления. В это время чувствительность приема снижается, и принятый сигнал может быть неправильно оценен. Это приведет к битовым ошибкам, а также очень легко повредить детектор принимающей стороны. Во время работы следует стараться избегать превышения его насыщенной оптической мощности.