Вступ до оптичного модуля

Зі швидким розвитком оптичного зв’язку багато сцен у нашій роботі та житті тепер усвідомлюють «поступ світла та відступ міді». Іншими словами, металеві медіа-комунікації, представлені коаксіальними кабелями та мережевими кабелями, поступово витісняються волоконно-оптичними носіями.
Оптичний модуль є одним із основних компонентів волоконно-оптичної системи зв’язку.

Композиційна структура оптичного модуля

Оптичний модуль, англійська назва Optical Module. Оптичний означає «зір, зір, оптика».

Якщо бути точним, то оптичний модуль є загальним терміном для різних категорій модулів, у тому числі: оптичний приймальний модуль, оптичний передавальний модуль, інтегрований оптичний приймач-передавач і оптичний модуль пересилання тощо.

Оптичний модуль: передавач,Приймач,Трансивер,Транспомер

Те, що ми зазвичай називаємо оптичними модулями сьогодні, зазвичай відноситься до інтегрованих оптичних приймально-передавальних модулів (те саме стосується нижче).

Оптичні модулі працюють на фізичному рівні, який є найнижчим рівнем у моделі OSI. Його функція дуже проста, тобто досягти фотоелектричного перетворення. Перетворіть оптичні сигнали в електричні, а електричні сигнали – в оптичні.

Хоча це здається простим, технічний зміст процесу реалізації не є низьким.

Оптичний модуль зазвичай складається з оптичного передавального пристрою (TOSA, включаючи лазер), оптичного приймального пристрою (ROSA, включаючи фотодетектор), функціональних схем і оптичних (електричних) інтерфейсів.

На передавальному кінці мікросхема драйвера обробляє вихідний електричний сигнал, а потім керує напівпровідниковим лазером (LD) або світлодіодом (LED), щоб випромінювати модульований оптичний сигнал.

На приймальному кінці після надходження оптичного сигналу він перетворюється в електричний сигнал світлодіодом виявлення, і електричний сигнал виводиться після проходження через попередній підсилювач.

Упаковка оптичних модулів

Для початківців найбільше розчарування в оптичних модулях — це надзвичайно складна назва пакета та приголомшливі параметри.

Упаковку можна розуміти просто як стандарт стилю. Це найважливіший спосіб розрізнити оптичні модулі.

Причина, чому існує так багато різних стандартів упаковки для оптичних модулів, головним чином полягає в тому, що швидкість розвитку оптичних волоконно-комунікаційних технологій надто висока.

Швидкість оптичних модулів продовжує зростати, а їхній розмір продовжує зменшуватися, тому кожні кілька років випускатимуться нові стандарти упаковки. Часто важко бути сумісними між старими та новими стандартами упаковки.

Крім того, сценарії застосування оптичних модулів різноманітні, що також є причиною підвищення стандартів упаковки. Різним типам оптичних волокон і оптичних модулів відповідають різні відстані передачі, вимоги до пропускної здатності та місця використання.

Перш ніж пояснювати упаковку та класифікацію, давайте представимо організацію стандартизації оптичного зв’язку. Оскільки ці пакети визначаються організаціями стандартизації.

Зараз у світі існує кілька організацій, які стандартизують оптичний зв’язок, наприклад IEEE (Інститут інженерів з електротехніки та електроніки), ITU-T (Міжнародний союз електрозв’язку), MSA (Угода з багатьох джерел) і OIF (Оптичне з’єднання). . Форум), CCSA (Китайська асоціація стандартів зв’язку) тощо.

Найбільш використовуваними в промисловості є IEEE і MSA.

Можливо, ви не знайомі з MSA. Його англійська назва Multi Source Agreement. Це специфікація різних постачальників. У порівнянні з IEEE він розглядається як приватна та неофіційна організаційна форма. Його можна розуміти як альянс підприємств усередині галузі.

По-перше, ми будемо ігнорувати ті стандарти, які є занадто старими або рідкісними, і зосередимося на звичайних пакетах.

GBIC

GBIC означає Giga Bitrate Interface Converter.

До 2000 року GBIC був найпопулярнішим пакетом оптичних модулів і найбільш широко використовуваною формою гігабітного модуля.

SFP

Оскільки GBIC є відносно великим, пізніше з'явився SFP і почав замінювати GBIC.

SFP, повна назва Small Form-factor Pluggable, це невеликий оптичний модуль із можливістю гарячої заміни. Його невеликий розмір порівняно з пакетом GBIC.

Обсяг SFP зменшений вдвічі порівняно з модулем GBIC, і на одній панелі можна налаштувати більш ніж удвічі більше портів. З точки зору функціональності між ними немає великої різниці, і обидва підтримують гарячу заміну. SFP підтримує максимальну пропускну здатність 4 Гбіт/с.

XFP

XFP — це 10-гігабітний модуль малого форм-фактора. З першого погляду можна зрозуміти, що це 10-гігабітний SFP.
XFP використовує повношвидкісний одноканальний послідовний модуль, підключений через XFI (послідовний інтерфейс 10 Гб), і може замінити Xenpak та його похідні.

SFP+

SFP+, це оптичний модуль 10G, як XFP.
Розмір SFP+ такий самий, як і SFP, і він компактніший, ніж XFP (приблизно на 30% менший) і споживає менше енергії (знижуючи деякі функції керування сигналом).

SFP28

SFP зі швидкістю 25 Гбіт/с був головним чином тому, що оптичні модулі 40G і 100G були занадто дорогими на той час, тому ми склали такий компромісний план переходу.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Чотирьохканальний інтерфейс SFP із підтримкою малого форм-фактора. До цього дизайну застосовано багато зрілих ключових технологій XFP.
За швидкістю QSFP можна розділити на оптичні модулі 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD тощо.
Візьмемо як приклад QSFP28, він підходить для портів доступу 4x25GE. Використовуючи QSFP28, ви можете напряму оновити мережу 25G до 100G, не переходячи через 40G, що значно спрощує труднощі підключення та знижує витрати.

QSFP-DD було створено в березні 2016 року. DD відноситься до "подвійної щільності". 4 канали QSFP збільшуються на один ряд каналів і стають 8 каналами.
Він сумісний із рішенням QSFP. Оригінальний модуль QSFP28 все ще можна використовувати, просто підключіть інший модуль. Кількість електричних золотих пальців QSFP-DD вдвічі перевищує кількість QSFP28.

Кожен канал QSFP-DD використовує формат сигналу 25 Гбіт/с NRZ або 50 Гбіт/с PAM4. Використовуючи PAM4, він може підтримувати швидкість до 400 Гбіт/с.
NRZ і PAM4 PAM4 (4-імпульсна амплітудна модуляція) — це технологія «подвоєння».

Для оптичних модулів, якщо ви хочете збільшити швидкість, ви повинні або збільшити кількість каналів, або збільшити швидкість одного каналу.

Традиційні цифрові сигнали здебільшого використовують сигнали NRZ (без повернення до нуля), тобто високий і низький рівні сигналу використовуються для представлення інформації 1 і 0 цифрового логічного сигналу, який буде передано, і кожен сигнал період символу можна передати 1 біт логічної інформації.

Сигнал PAM використовує 4 різні рівні сигналу для передачі сигналу, і кожен період символу може представляти 2 біти логічної інформації (0, 1, 2, 3). За тієї самої фізичної смуги пропускання каналу PAM4 передає вдвічі більше інформації, еквівалентну сигналу NRZ, тим самим подвоюючи швидкість.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits Form Модуль оптичного зв’язку зі щільним розподілом довжин хвиль. Швидкість передачі може досягати 100-400 Гбіт/с.

CFP розроблений на основі інтерфейсу SFP, який має більший розмір і підтримує передачу даних 100 Гбіт/с. CFP може підтримувати один сигнал 100G, один або кілька сигналів 40G.

Різниця між CFP, CFP2 і CFP4 полягає в обсязі. Обсяг CFP2 становить половину CFP, а CFP4 становить одну чверть CFP.

CFP8 — це форма упаковки, спеціально запропонована для 400G, і її розмір еквівалентний CFP2. Підтримує швидкості каналів 25 Гбіт/с і 50 Гбіт/с і досягає швидкості модуля 400 Гбіт/с через електричні інтерфейси 16x25G або 8x50.

ОСФП

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, «O» означає «octal», був офіційно представлений у листопаді 2016 року.

Він розроблений для використання 8 електричних каналів для досягнення 400GbE (8*56GbE, але сигнал 56GbE формується лазером 25G DML під модуляцією PAM4), з трохи більшим розміром, ніж QSFP-DD, оптичним двигуном з вищою потужністю та трансивер Показники розсіювання тепла трохи кращі.

Вище наведено деякі загальні стандарти упаковки оптичних модулів.

Оптичний модуль 400G

У цій статті згадуються три типи оптичних модулів, які підтримують 400 Гбіт/с, а саме QSFP-DD, CFP8 і OSFP.
400G на даний момент є основним конкурентним напрямком індустрії оптичних комунікацій. Зараз 400G також знаходиться на початковій стадії широкомасштабного комерційного використання.

Як ми всі знаємо, завдяки широкомасштабному запуску будівництва мережі 5G у поєднанні зі швидким розвитком хмарних обчислень і пакетним будівництвом великомасштабних центрів обробки даних попит галузі ІКТ на 400G стає все більш актуальним.
Ранні оптичні модулі 400G використовували 16-канальну реалізацію 25 Гбіт/с NRZ і були упаковані в CDFP або CFP8.

Перевага цієї реалізації полягає в тому, що вона може запозичити зрілу технологію 25G NRZ на оптичних модулях 100G. Але недоліком є ​​те, що для паралельної передачі потрібно 16 каналів сигналів, а споживання електроенергії та обсяг є відносно великими, що не підходить для додатків центрів обробки даних.
Пізніше PAM4 стали використовувати на заміну NRZ.

На стороні оптичного порту 8 каналів 53 Гбіт/с PAM4 або 4 канали 106 Гбіт/с PAM4 використовуються для реалізації передачі сигналу 400G, а на стороні електричного порту використовуються 8 каналів 53 Гбіт/с PAM4 електричних сигналів, а форма упаковки OSFP або QSFP -DD ​​прийнято.

Для порівняння розмір корпусу QSFP-DD менший (подібний до корпусу QSFP28 традиційного оптичного модуля 100G), що більше підходить для додатків центрів обробки даних. Розмір пакета OSFP трохи більший, оскільки він може забезпечити більше споживання енергії, тому він більше підходить для телекомунікаційних додатків.

Поточні оптичні трансивери 400G, незалежно від того, в якому вони пакеті, дуже дорогі, і все ще є великий розрив з очікуваннями користувача. Тому швидко провести комплексну популяризацію поки що не вдається.

Ще одна річ, яку варто згадати, — це світло на основі кремнію, яке часто називають силіконовим світлом.

Вважається, що кремнієва фотонна технологія має широкі перспективи застосування та конкурентоспроможність в епоху 400G, і зараз вона привертає увагу багатьох компаній і дослідницьких установ.

Ключові поняття оптичних модулів

На основі пакету з деякими параметрами буде назва оптичного модуля.
Окрім відстані та кількості каналів, існує також центральна довжина хвилі.

Довжина хвилі світла безпосередньо визначає його фізичні властивості. Зараз світло, яке ми використовуємо в оптичних волокнах, має центральну довжину хвилі 850 нм, 1310 нм і 1550 нм (нм — це нанометр). Серед них 850 нм в основному використовується для багатомодового, а 1310 нм і 1550 нм в основному використовуються для одномодового режиму.

До речі, CWDM і DWDM . WDM означає Wavelength Division Multiplexing. Простіше кажучи, це мультиплексування оптичних сигналів різних довжин хвиль в одне оптичне волокно для передачі. Мультиплексування за довжиною хвилі та мультиплексування за частотою Насправді мультиплексування за довжиною хвилі є різновидом мультиплексування за частотою. Довжина хвилі × частота=швидкість світла (фіксоване значення), тому ділення на довжину хвилі насправді є діленням на частоту. В оптичних комунікаціях люди звикли називати за довжиною хвилі.
DWDM — це щільний WDM, щільний WDM. CWDM – це розріджений WDM, грубий WDM. Ви повинні зрозуміти з назви, що інтервал довжин хвиль у D-WDM менший. Перевагою WDM є те, що він має велику ємність і може передаватися на великі відстані.

До речі, BiDi, це поняття зараз теж часто згадується. BiDi (BiDirectional) — це двонаправлене волокно, одне оптичне волокно, двонаправлене надсилання та отримання. Принцип роботи показаний на малюнку нижче. Фактично додається фільтр. Довжини хвиль надсилання та отримання різні, тому можна досягти одночасного надсилання та отримання.

Основні показники оптичних модулів
До основних показників оптичних модулів в основному відносяться:

Вихідна оптична потужність

Вихідна оптична потужність відноситься до вихідної оптичної потужності джерела світла на передавальному кінці оптичного модуля. Його можна розуміти як інтенсивність світла у Вт, мВт або дБм. Де Вт або мВт — лінійна одиниця, а дБм — логарифмічна. У зв’язку ми зазвичай використовуємо дБм для представлення оптичної потужності.

Оптична потужність послаблюється вдвічі та зменшується на 3 дБ. Оптична потужність 0дБм відповідає 1 мВт.

Максимальна чутливість прийому

Чутливість прийому означає мінімальну отриману оптичну потужність оптичного модуля за певної швидкості та частоти бітових помилок, одиниця: дБм.

Взагалі кажучи, чим вище швидкість, тим гірша чутливість прийому, тобто чим більша мінімальна отримана оптична потужність, і тим вищі вимоги до приймальних кінцевих пристроїв оптичного модуля.

Коефіцієнт вимирання

Коефіцієнт екстинкції є одним із важливих параметрів, який використовується для вимірювання якості оптичних модулів.

Це стосується мінімального значення відношення середньої оптичної потужності сигналу до середньої оптичної потужності нульового сигналу за умов повної модуляції, що вказує на здатність розрізняти сигнали 0 та 1. Існує два фактори, які впливають на коефіцієнт екстинкції в оптичному модулі: струм зміщення (bias) і струм модуляції (Mod). Розглянемо це як ER=Bias/Mod.

Значення коефіцієнта екстинкції полягає не в тому, що чим більший оптичний модуль, тим він кращий, а в тому, що оптичний модуль, коефіцієнт екстинкції якого відповідає стандарту 802.3, є кращим.

Lправильна насиченість

Також відома як насичена оптична потужність, вона стосується максимальної вхідної оптичної потужності при збереженні певної частоти бітових помилок (10-10 ~ 10-12) при певній швидкості передачі, одиниця: дБм.

Слід зазначити, що фотодетектор буде відчувати насичення фотострумом під час впливу сильного світла. Коли відбувається це явище, детектору потрібен певний час для відновлення. У цей час чутливість прийому знижується, і отриманий сигнал може бути неправильно оцінений. Це спричинить бітові помилки, а також дуже легко пошкодити детектор приймального кінця. Під час роботи слід намагатися уникати перевищення його насиченої оптичної сили.