Úvod do optického modulu

S rýchlym rozvojom optických komunikácií si mnohé scény v našej práci a živote teraz uvedomili „postup svetla a ústup medi“. Inými slovami, metalické mediálne komunikácie reprezentované koaxiálnymi káblami a sieťovými káblami sú postupne nahrádzané médiami z optických vlákien.
Optický modul je jedným zo základných komponentov komunikačného systému s optickými vláknami.

Štruktúra zloženia optického modulu

Optický modul, anglický názov je Optical Module . Optical znamená "zrak, videnie, optika".

Aby som bol presný, optický modul je všeobecný pojem pre rôzne kategórie modulov vrátane: optického prijímacieho modulu, optického vysielacieho modulu, integrovaného modulu optického vysielača a prijímača a modulu optického preposielania atď.

Optický modul: Vysielač,Prijímač,Vysielač,Transpomder

To, čo dnes zvyčajne nazývame optické moduly, sa vo všeobecnosti vzťahuje na integrované optické moduly transceiveru (to isté platí nižšie).

Optické moduly pracujú na fyzickej vrstve, ktorá je najnižšou vrstvou v modeli OSI. Jeho funkcia je veľmi jednoduchá, to znamená dosiahnuť fotoelektrickú konverziu. Premeňte optické signály na elektrické signály a elektrické signály na optické signály.

Aj keď sa to zdá jednoduché, technický obsah procesu implementácie nie je nízky.

Optický modul sa zvyčajne skladá z optického vysielacieho zariadenia (TOSA vrátane lasera), optického prijímacieho zariadenia (ROSA vrátane fotodetektora), funkčných obvodov a optických (elektrických) rozhraní.

Na vysielacom konci čip ovládača spracuje pôvodný elektrický signál a potom poháňa polovodičový laser (LD) alebo diódu vyžarujúcu svetlo (LED), aby vyžaroval modulovaný optický signál.

Na prijímacom konci, po vstupe optického signálu, je tento prevedený na elektrický signál pomocou svetelnej detekčnej diódy a elektrický signál je vyvedený po prechode cez predzosilňovač.

Balenie optických modulov

Pre začiatočníkov je na optických moduloch najviac frustrujúce ich extrémne zložitý názov balíka a oslnivé parametre.

Obal možno jednoducho chápať ako štýlový štandard. Je to najdôležitejší spôsob rozlíšenia optických modulov.

Dôvodom, prečo existuje toľko rôznych štandardov balenia pre optické moduly, je najmä to, že rýchlosť vývoja komunikačnej technológie s optickými vláknami je príliš vysoká.

Rýchlosť optických modulov sa neustále zvyšuje a ich veľkosť sa neustále zmenšuje, takže každých pár rokov budú vydané nové štandardy balenia. Často je ťažké dosiahnuť kompatibilitu medzi starými a novými štandardmi balenia.

Aplikačné scenáre optických modulov sú navyše rôznorodé, čo je tiež dôvodom zvyšovania štandardov balenia. Rôznym typom optických vlákien a optických modulov zodpovedajú rôzne prenosové vzdialenosti, požiadavky na šírku pásma a miesta použitia.

Pred vysvetlením balenia a klasifikácie si predstavme štandardizačnú organizáciu optickej komunikácie. Pretože tieto balíky určujú štandardizačné organizácie.

V súčasnosti existuje na svete niekoľko organizácií, ktoré štandardizujú optickú komunikáciu, ako napríklad známy IEEE (Inštitút elektrotechnických a elektronických inžinierov), ITU-T (Medzinárodná telekomunikačná únia), MSA (Multi-Source Agreement) a OIF (Optical Interconnection). . fórum), CCSA (China Communications Standards Association) atď.

Najpoužívanejšie v priemysle sú IEEE a MSA.

Možno nepoznáte MSA. Jeho anglický názov je Multi Source Agreement. Ide o špecifikáciu viacerých dodávateľov. V porovnaní s IEEE sa považuje za súkromnú a neoficiálnu organizačnú formu. Možno ho chápať ako alianciu podnikov v rámci odvetvia.

Po prvé, budeme ignorovať tie štandardy, ktoré sú príliš staré alebo zriedkavé, a zameriame sa na bežné balíky.

SK

GBIC je skratka pre Giga Bitrate Interface Converter.

Pred rokom 2000 bol GBIC najobľúbenejším balíkom optických modulov a najrozšírenejšou formou gigabitového modulu.

SFP

Pretože GBIC je pomerne veľký, neskôr sa objavil SFP a začal nahrádzať GBIC.

SFP, celý názov je Small Form-factor Pluggable, čo je malý za chodu vymeniteľný optický modul. Jeho malá veľkosť je v porovnaní s balíkom GBIC.

Objem SFP je znížený na polovicu v porovnaní s modulom GBIC a na rovnakom paneli je možné nakonfigurovať viac ako dvojnásobný počet portov. Pokiaľ ide o funkčnosť, medzi nimi nie je veľký rozdiel a obe podporujú výmenu za chodu. SFP podporuje maximálnu šírku pásma 4 Gbps.

XFP

XFP je 10-gigabitový doplnok s malým formátom. Na prvý pohľad pochopíte, že ide o 10-gigabitový SFP.
XFP využíva plnohodnotný jednokanálový sériový modul pripojený cez XFI (10Gb sériové rozhranie) a môže nahradiť Xenpak a jeho deriváty.

SFP+

SFP+, je to 10G optický modul ako XFP.
Veľkosť SFP+ je rovnaká ako veľkosť SFP a je kompaktnejšia ako XFP (asi o 30 % menšia) a spotrebuje menej energie (zníženie niektorých funkcií riadenia signálu).

SFP28

SFP s rýchlosťou 25Gbps bolo hlavne preto, že 40G a 100G optické moduly boli v tom čase príliš drahé, tak sme urobili taký kompromisný plán prechodu.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Quad Small Form-factor Zásuvné štvorkanálové rozhranie SFP. Na tento dizajn bolo aplikovaných veľa vyspelých kľúčových technológií v XFP.
Podľa rýchlosti možno QSFP rozdeliť na optické moduly 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD atď.
Ako príklad si vezmite QSFP28, ktorý je vhodný pre prístupové porty 4x25GE. Pomocou QSFP28 môžete priamo upgradovať z 25G na 100G bez toho, aby ste museli prejsť cez 40G, čo výrazne zjednodušuje náročnosť zapojenia a znižuje náklady.

QSFP-DD bola založená v marci 2016. DD označuje „dvojitú hustotu“. 4 kanály QSFP sa zväčšia o jeden rad kanálov a stanú sa 8 kanálmi.
Je kompatibilný s riešením QSFP. Pôvodný modul QSFP28 je možné stále používať, stačí zapojiť ďalší modul. Počet elektrických zlatých prstov QSFP-DD je dvakrát väčší ako počet QSFP28.

Každý kanál QSFP-DD používa formát signálu 25 Gbps NRZ alebo 50 Gbps PAM4. Pomocou PAM4 môže podporovať rýchlosť až 400 Gbps.
NRZ a PAM4 PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) je technológia „zdvojenia“.

V prípade optických modulov, ak chcete zvýšiť rýchlosť, musíte buď zvýšiť počet kanálov, alebo zvýšiť rýchlosť jedného kanála.

Tradičné digitálne signály väčšinou používajú signály NRZ (Non-Return-to-Zero), to znamená, že vysoké a nízke úrovne signálu sa používajú na reprezentáciu informácií 1 a 0 digitálneho logického signálu, ktorý sa má prenášať, a každý signál perióda symbolu môže byť Preniesť 1 bit logickej informácie.

Signál PAM používa na prenos signálu 4 rôzne úrovne signálu a každá perióda symbolu môže predstavovať 2 bity logickej informácie (0, 1, 2, 3). Pri rovnakej fyzickej šírke pásma kanála PAM4 prenáša dvojnásobné množstvo informácií ekvivalentných signálu NRZ, čím sa rýchlosť zdvojnásobí.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits Form Zásuvný optický komunikačný modul s hustotou vlnovou dĺžkou. Prenosová rýchlosť môže dosiahnuť 100-400Gbps.

CFP je navrhnutý na základe rozhrania SFP, ktoré má väčšiu veľkosť a podporuje prenos dát 100 Gbps. CFP môže podporovať jeden signál 100G, jeden alebo viac signálov 40G.

Rozdiel medzi CFP, CFP2 a CFP4 spočíva v objeme. Objem CFP2 je polovičný v porovnaní s CFP a CFP4 je štvrtinou objemu CFP.

CFP8 je forma balenia špeciálne navrhnutá pre 400G a jej veľkosť je ekvivalentná CFP2. Podporuje kanálové rýchlosti 25 Gbps a 50 Gbps a dosahuje rýchlosti modulov 400 Gbps prostredníctvom elektrických rozhraní 16x25G alebo 8x50.

OSFP

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, „O“ znamená „octal“, bol oficiálne uvedený na trh v novembri 2016.

Je navrhnutý tak, aby používal 8 elektrických kanálov na dosiahnutie 400GbE (8*56GbE, ale signál 56GbE je tvorený 25G DML laserom pod moduláciou PAM4), s o niečo väčšou veľkosťou ako QSFP-DD, optickým motorom s vyšším výkonom a transceiver Výkon odvádzania tepla je o niečo lepší.

Vyššie uvedené sú niektoré bežné štandardy balenia optických modulov.

400G optický modul

Tento článok spomína tri typy optických modulov, ktoré podporujú 400 Gbps, a to QSFP-DD, CFP8 a OSFP.
400G je v súčasnosti hlavným konkurenčným smerom v odvetví optických komunikácií. Teraz je 400G tiež v počiatočnom štádiu rozsiahleho komerčného využitia.

Ako všetci vieme, v dôsledku rozsiahleho spustenia budovania siete 5G, spojeného s rýchlym rozvojom cloud computingu a dávkovou výstavbou rozsiahlych dátových centier, je dopyt po 400G v odvetví IKT čoraz naliehavejší.
Prvé 400G optické moduly používali 16-kanálovú implementáciu NRZ 25 Gb/s a boli zabalené v CDFP alebo CFP8.

Výhodou tejto implementácie je, že si môže požičať vyspelú technológiu 25G NRZ na 100G optických moduloch. Nevýhodou však je, že na paralelný prenos je potrebných 16 kanálov signálov a spotreba energie a objem sú relatívne veľké, čo nie je vhodné pre aplikácie dátových centier.
Neskôr sa PAM4 začal používať ako náhrada za NRZ.

Na strane optického portu sa na realizáciu prenosu signálu 400G používa 8 kanálov 53Gbps PAM4 alebo 4 kanály 106Gbps PAM4 a na strane elektrického portu sa používa 8 kanálov elektrických signálov 53Gbps PAM4 a forma balíka OSFP alebo QSFP -DD ​​je adoptovaný.

V porovnaní s tým je veľkosť balíka QSFP-DD menšia (podobne ako balík QSFP28 tradičného optického modulu 100G), čo je vhodnejšie pre aplikácie dátových centier. Veľkosť balíka OSFP je o niečo väčšia, pretože môže poskytnúť väčšiu spotrebu energie, takže je vhodnejšia pre telekomunikačné aplikácie.

Súčasné 400G optické transceivery, bez ohľadu na to, v akom balení sa nachádzajú, sú veľmi drahé a stále existuje veľký rozdiel od očakávaní používateľa. Preto zatiaľ nie je možné rýchlo uskutočniť komplexnú popularizáciu.

Ďalšia vec, ktorá stojí za zmienku, je svetlo na báze kremíka, ktoré sa často spomína ako kremíkové svetlo.

V ére 400G sa predpokladá, že kremíková fotonická technológia má široké uplatnenie a konkurencieschopnosť a v súčasnosti priťahuje pozornosť mnohých spoločností a výskumných inštitúcií.

Kľúčové pojmy optických modulov

Na základe balenia, s niektorými parametrami, bude názov pre optický modul.
Okrem vzdialenosti a počtu kanálov je tu aj stredová vlnová dĺžka.

Vlnová dĺžka svetla priamo určuje jeho fyzikálne vlastnosti. V súčasnosti má svetlo, ktoré používame v optických vláknach, centrálnu vlnovú dĺžku 850nm, 1310nm a 1550nm (nm je nanometer). Spomedzi nich sa 850nm používa hlavne pre multimód a 1310nm a 1550nm sa používajú hlavne pre jeden režim.

Mimochodom, CWDM a DWDM. WDM je skratka pre Wavelength Division Multiplexing. Jednoducho povedané, ide o multiplexovanie optických signálov rôznych vlnových dĺžok do rovnakého optického vlákna na prenos. Multiplexovanie s delením vlnovej dĺžky a multiplexovanie s frekvenčným delením V skutočnosti je multiplexovanie s delením podľa vlnovej dĺžky druhom frekvenčného multiplexovania. Vlnová dĺžka × frekvencia=rýchlosť svetla (pevná hodnota), takže delenie vlnovou dĺžkou je vlastne delenie frekvenciou. V optických komunikáciách sú ľudia zvyknutí na pomenovanie podľa vlnovej dĺžky.
DWDM je hustý WDM, hustý WDM. CWDM je riedky WDM, hrubý WDM. Z názvu by ste mali pochopiť, že interval vlnovej dĺžky v D-WDM je menší. Výhodou WDM je, že má veľkú kapacitu a je možné ho prenášať na veľké vzdialenosti.

Mimochodom, BiDi, tento pojem sa teraz tiež často spomína. BiDi (BiDirectional) je jednovláknové obojsmerné, jedno optické vlákno, obojsmerné odosielanie a prijímanie. Princíp činnosti je znázornený na obrázku nižšie. V skutočnosti je pridaný filter. Vlnové dĺžky odosielania a prijímania sú rôzne, takže je možné dosiahnuť súčasné odosielanie a prijímanie.

Základné indikátory optických modulov
Medzi základné ukazovatele optických modulov patria najmä:

Výstupný optický výkon

Výstupný optický výkon sa vzťahuje na výstupný optický výkon svetelného zdroja na vysielacom konci optického modulu. Môže sa chápať ako intenzita svetla vo W alebo mW alebo dBm. Kde W alebo mW je lineárna jednotka a dBm je logaritmická jednotka. V komunikácii zvyčajne používame dBm na vyjadrenie optického výkonu.

Optický výkon je zoslabený na polovicu a znížený o 3dB. Optický výkon 0dBm zodpovedá 1 mW.

Maximálna citlivosť príjmu

Citlivosť príjmu sa vzťahuje na minimálny prijatý optický výkon optického modulu pri určitej rýchlosti a bitovej chybovosti, jednotka: dBm .

Všeobecne povedané, čím vyššia je rýchlosť, tým horšia je citlivosť príjmu, to znamená, že čím väčší je minimálny prijímaný optický výkon, tým vyššie sú požiadavky na prijímacie koncové zariadenia optického modulu.

Pomer vyhynutia

Extinkčný pomer je jedným z dôležitých parametrov používaných na meranie kvality optických modulov.

Vzťahuje sa na minimálnu hodnotu pomeru priemerného optického výkonu signálu k priemernému optickému výkonu nulového signálu v podmienkach plnej modulácie, čo naznačuje schopnosť rozlíšiť medzi 0 a 1 signálmi. Existujú dva faktory, ktoré ovplyvňujú extinkčný pomer v optickom module: predpätý prúd (bias) a modulačný prúd (Mod). Berme to ako ER=Zaujatosť/Mod.

Hodnota extinkčného pomeru nie je taká, že čím väčší je optický modul, tým je lepší, ale že optický modul, ktorého extinkčný pomer spĺňa štandard 802.3, je lepší.

Lsýtosť svetla

Tiež známy ako nasýtený optický výkon, označuje maximálny vstupný optický výkon pri udržiavaní určitej bitovej chybovosti (10-10 ~ 10-12) pri určitej prenosovej rýchlosti, jednotka: dBm.

Je potrebné poznamenať, že fotodetektor zaznamená saturáciu fotoprúdu, keď je vystavený silnému svetlu. Keď nastane tento jav, detektor potrebuje určitý čas na zotavenie. V tomto čase sa citlivosť príjmu zníži a prijímaný signál môže byť nesprávne vyhodnotený. Spôsobí to bitové chyby a je tiež veľmi ľahké poškodiť prijímací koncový detektor. Počas prevádzky by ste sa mali snažiť vyhnúť prekročeniu jeho nasýtenej optickej sily.