Úvod do optického modulu

S rychlým rozvojem optických komunikací si mnoho scén v naší práci a životě nyní uvědomilo „postup světla a ústup mědi“. Jinými slovy, kovové mediální komunikace reprezentované koaxiálními kabely a síťovými kabely jsou postupně nahrazovány médii z optických vláken.
Optický modul je jednou ze základních součástí komunikačního systému s optickým vláknem.

Struktura složení optického modulu

Optický modul, anglický název je Optical Module . Optical znamená "zrak, vidění, optika".

Abychom byli přesní, optický modul je obecný termín pro různé kategorie modulů, včetně: optického přijímacího modulu, optického vysílacího modulu, integrovaného modulu optického transceiveru a modulu optického předávání atd.

Optický modul: Vysílač,Přijímač,Vysílač,Transpomder

To, co dnes obvykle nazýváme optické moduly, se obecně týká integrovaných optických modulů transceiveru (totéž platí níže).

Optické moduly pracují na fyzické vrstvě, což je nejnižší vrstva v modelu OSI. Jeho funkce je velmi jednoduchá, to znamená dosáhnout fotoelektrické konverze. Přeměňte optické signály na elektrické signály a elektrické signály na optické signály.

Přestože se to zdá jednoduché, technická náplň procesu implementace není nízká.

Optický modul se obvykle skládá z optického vysílacího zařízení (TOSA včetně laseru), optického přijímacího zařízení (ROSA včetně fotodetektoru), funkčních obvodů a optických (elektrických) rozhraní.

Na vysílacím konci zpracuje čip ovladače původní elektrický signál a poté pohání polovodičový laser (LD) nebo diodu vyzařující světlo (LED), aby emitoval modulovaný optický signál.

Na přijímací straně je po příchodu optického signálu světelnou detekční diodou převeden na elektrický signál a po průchodu předzesilovačem je elektrický signál vyveden.

Balení optických modulů

Pro začátečníky je na optických modulech nejvíce frustrující jeho extrémně složitý název balíčku a oslnivé parametry.

Obal lze jednoduše chápat jako stylový standard. Je to nejdůležitější způsob rozlišení optických modulů.

Důvodem, proč existuje tolik různých standardů balení pro optické moduly, je především příliš vysoká rychlost vývoje komunikační technologie optických vláken.

Rychlost optických modulů se stále zvyšuje a jejich velikost se neustále zmenšuje, takže každých pár let budou vydány nové standardy balení. Často je obtížné být kompatibilní mezi starými a novými standardy balení.

Aplikační scénáře optických modulů jsou navíc rozmanité, což je také důvodem pro zvýšení standardů balení. Různé přenosové vzdálenosti, požadavky na šířku pásma a místa použití odpovídají různým typům optických vláken a optických modulů.

Než vysvětlíme balení a klasifikaci, uvedeme standardizační organizaci optické komunikace. Protože tyto balíčky jsou určeny normalizačními organizacemi.

V současné době existuje po celém světě několik organizací, které standardizují optické komunikace, jako je známý IEEE (Institut of Electrical and Electronics Engineers), ITU-T (International Telecommunication Union), MSA (Multi-Source Agreement) a OIF (Optical Interconnection). . fórum), CCSA (China Communications Standards Association) atd.

Nejpoužívanější v průmyslu jsou IEEE a MSA.

Možná neznáte MSA. Jeho anglický název je Multi Source Agreement. Jedná se o specifikaci více dodavatelů. Ve srovnání s IEEE je považována za soukromou a neoficiální organizační formu. Lze jej chápat jako alianci podniků v rámci odvětví.

Za prvé, budeme ignorovat ty standardy, které jsou příliš staré nebo vzácné, a zaměříme se na běžné balíčky.

GBIC (Moderátor)

GBIC je zkratka pro Giga Bitrate Interface Converter.

Před rokem 2000 byl GBIC nejoblíbenějším balíčkem optických modulů a nejrozšířenější formou gigabitových modulů.

Moderátor

Protože GBIC je poměrně velký, později se objevil SFP a začal nahrazovat GBIC.

SFP, celý název je Small Form-factor Pluggable, což je malý optický modul vyměnitelný za provozu. Jeho malá velikost je vzhledem k balíčku GBIC.

Objem SFP je snížen na polovinu ve srovnání s modulem GBIC a na stejném panelu lze konfigurovat více než dvojnásobný počet portů. Pokud jde o funkčnost, mezi těmito dvěma není velký rozdíl a oba podporují výměnu za provozu. SFP podporuje maximální šířku pásma 4 Gbps.

XFP

XFP je 10-Gigabit Small Form-Factor Pluggable. Na první pohled pochopíte, že se jedná o 10-gigabitový SFP.
XFP používá plnohodnotný jednokanálový sériový modul připojený pomocí XFI (10Gb sériové rozhraní) a může nahradit Xenpak a jeho deriváty.

SFP+

SFP+, to je 10G optický modul jako XFP.
Velikost SFP+ je stejná jako u SFP a je kompaktnější než XFP (asi o 30 % menší) a spotřebovává méně energie (snížení některých funkcí ovládání signálu).

SFP28

SFP s rychlostí 25Gbps bylo hlavně proto, že 40G a 100G optické moduly byly v té době příliš drahé, takže jsme udělali takový kompromisní plán přechodu.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Quad Small Form-factor Zásuvné čtyřkanálové rozhraní SFP. Na tento design bylo použito mnoho vyspělých klíčových technologií v XFP.
Podle rychlosti lze QSFP rozdělit na optické moduly 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD atd.
Vezměte si QSFP28 jako příklad, je vhodný pro přístupové porty 4x25GE. Pomocí QSFP28 můžete přímo upgradovat z 25G na 100G, aniž byste museli procházet 40G, což výrazně zjednodušuje obtížnost kabeláže a snižuje náklady.

QSFP-DD byla založena v březnu 2016. DD odkazuje na "Double Density". 4 kanály QSFP se zvětší o jednu řadu kanálů a stanou se 8 kanály.
Je kompatibilní s řešením QSFP. Původní modul QSFP28 lze stále používat, stačí zapojit jiný modul. Počet elektrických zlatých prstů QSFP-DD je dvojnásobný oproti QSFP28.

Každý kanál QSFP-DD používá formát signálu 25Gbps NRZ nebo 50Gbps PAM4. Pomocí PAM4 může podporovat rychlost až 400 Gbps.
NRZ a PAM4 PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) je technologie „zdvojení“.

U optických modulů, pokud chcete zvýšit rychlost, musíte buď zvýšit počet kanálů, nebo zvýšit rychlost jednoho kanálu.

Tradiční digitální signály většinou používají signály NRZ (Non-Return-to-Zero), to znamená, že vysoké a nízké úrovně signálu se používají k reprezentaci informací 1 a 0 signálu digitální logiky, který má být přenášen, a každý signál perioda symbolu může být Přenést 1 bit logické informace.

Signál PAM používá pro přenos signálu 4 různé úrovně signálu a každá perioda symbolu může představovat 2 bity logické informace (0, 1, 2, 3). Při stejné fyzické šířce pásma kanálu přenáší PAM4 dvojnásobné množství informací ekvivalentních signálu NRZ, čímž zdvojnásobuje rychlost.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits Form Zásuvný optický komunikační modul s hustou vlnovou délkou. Přenosová rychlost může dosáhnout 100-400Gb/s.

CFP je navrženo na základě rozhraní SFP, které má větší velikost a podporuje přenos dat 100 Gbps. CFP může podporovat jeden signál 100G, jeden nebo více signálů 40G.

Rozdíl mezi CFP, CFP2 a CFP4 spočívá v objemu. Objem CFP2 je poloviční ve srovnání s CFP a CFP4 je čtvrtinou objemu CFP.

CFP8 je obalová forma speciálně navržená pro 400G a její velikost je ekvivalentní CFP2. Podporuje kanálové rychlosti 25 Gb/s a 50 Gb/s a dosahuje rychlosti modulů 400 Gb/s prostřednictvím elektrických rozhraní 16x25G nebo 8x50.

OSFP

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, „O“ znamená „octal“, byl oficiálně uveden na trh v listopadu 2016.

Je navržen tak, aby používal 8 elektrických kanálů k dosažení 400GbE (8*56GbE, ale signál 56GbE je tvořen 25G DML laserem pod modulací PAM4), s mírně větší velikostí než QSFP-DD, optickým motorem s vyšším výkonem a transceiver Výkon odvádění tepla je o něco lepší.

Výše uvedené jsou některé běžné standardy balení optických modulů.

400G optický modul

Tento článek zmiňuje tři typy optických modulů, které podporují 400 Gbps, konkrétně QSFP-DD, CFP8 a OSFP.
400G je v současnosti hlavním konkurenčním směrem v odvětví optických komunikací. Nyní je 400G také v počáteční fázi rozsáhlého komerčního využití.

Jak všichni víme, v důsledku rozsáhlého zahájení výstavby sítě 5G, spojeného s rychlým rozvojem cloud computingu a dávkovou výstavbou rozsáhlých datových center, je poptávka odvětví ICT po 400G stále naléhavější.
První optické moduly 400G používaly 16-kanálovou implementaci NRZ 25 Gb/s a byly zabaleny v CDFP nebo CFP8.

Výhodou této implementace je, že si může vypůjčit vyzrálou technologii 25G NRZ na 100G optických modulech. Nevýhodou však je, že pro paralelní přenos je potřeba 16 kanálů signálů a spotřeba a objem jsou relativně velké, což není vhodné pro aplikace datových center.
Později se PAM4 začal používat jako náhrada NRZ.

Na straně optického portu se k realizaci přenosu signálu 400G používá 8 kanálů 53Gbps PAM4 nebo 4 kanály 106Gbps PAM4 a na straně elektrického portu je použito 8 kanálů elektrických signálů 53Gbps PAM4 a forma balíčku OSFP nebo QSFP -DD ​​je přijat.

Ve srovnání s tím je velikost balíčku QSFP-DD menší (podobně jako balíček QSFP28 tradičního optického modulu 100G), což je vhodnější pro aplikace datových center. Velikost balíku OSFP je o něco větší, protože může poskytnout větší spotřebu energie, takže je vhodnější pro telekomunikační aplikace.

Současné optické transceivery 400G, bez ohledu na to, v jakém balení jsou, jsou velmi drahé a stále existuje velká mezera od očekávání uživatele. Komplexní popularizaci proto zatím není možné rychle provést.

Další věc, která stojí za zmínku, je světlo na bázi křemíku, které je často zmiňováno jako křemíkové světlo.

Křemíková fotonická technologie je považována za technologii s širokými aplikačními vyhlídkami a konkurenceschopností v éře 400G a v současné době přitahuje pozornost mnoha společností a výzkumných institucí.

Klíčové pojmy optických modulů

Na základě balení s některými parametry bude optický modul pojmenován.
Kromě vzdálenosti a počtu kanálů je zde také střední vlnová délka.

Vlnová délka světla přímo určuje jeho fyzikální vlastnosti. V současnosti má světlo, které používáme v optických vláknech, centrální vlnovou délku 850nm, 1310nm a 1550nm (nm je nanometr). Mezi nimi se 850nm používá hlavně pro multimode a 1310nm a 1550nm se používají hlavně pro jeden režim.

Mimochodem, CWDM a DWDM . WDM je zkratka pro Wavelength Division Multiplexing. Jednoduše řečeno, jde o multiplexování optických signálů různých vlnových délek do stejného optického vlákna pro přenos. Multiplexování s vlnovou délkou a multiplexování s frekvenčním dělením Ve skutečnosti je multiplexování s dělením vlnové délky druhem frekvenčního multiplexování. Vlnová délka × frekvence=rychlost světla (pevná hodnota), takže dělení vlnovou délkou je vlastně dělení frekvencí. V optických komunikacích jsou lidé zvyklí pojmenovávat podle vlnové délky.
DWDM je hustý WDM, Dense WDM. CWDM je řídké WDM, hrubé WDM. Z názvu byste měli pochopit, že interval vlnových délek v D-WDM je menší. Výhodou WDM je, že má velkou kapacitu a lze jej přenášet na velké vzdálenosti.

Mimochodem, BiDi, tento pojem je nyní také často zmiňován. BiDi (BiDirectional) je jednovláknové obousměrné, jedno optické vlákno, obousměrné odesílání a přijímání. Princip fungování je znázorněn na obrázku níže. Ve skutečnosti je přidán filtr. Vlnové délky vysílání a příjmu jsou různé, takže lze dosáhnout současného vysílání a příjmu.

Základní indikátory optických modulů
Mezi základní indikátory optických modulů patří především:

Výstupní optický výkon

Výstupní optický výkon se vztahuje k výstupnímu optickému výkonu světelného zdroje na vysílacím konci optického modulu. Lze ji chápat jako intenzitu světla ve W nebo mW nebo dBm. Kde W nebo mW je lineární jednotka a dBm je logaritmická jednotka. V komunikaci obvykle používáme dBm k vyjádření optického výkonu.

Optický výkon je zeslaben na polovinu a snížen o 3dB. Optický výkon 0dBm odpovídá 1mW.

Maximální citlivost příjmu

Citlivost příjmu se týká minimálního přijímaného optického výkonu optického modulu při určité rychlosti a bitové chybovosti, jednotka: dBm .

Obecně lze říci, že čím vyšší je rychlost, tím horší je citlivost příjmu, tedy čím větší je minimální přijímaný optický výkon, a tím vyšší jsou požadavky na přijímací koncová zařízení optického modulu.

Poměr vymírání

Extinkční poměr je jedním z důležitých parametrů používaných pro měření kvality optických modulů.

Vztahuje se k minimální hodnotě poměru průměrného optického výkonu signálu k průměrnému optickému výkonu nulového signálu za podmínek plné modulace, což ukazuje na schopnost rozlišovat mezi 0 a 1 signály. Existují dva faktory, které ovlivňují extinkční poměr v optickém modulu: předpětí (bias) a modulační proud (Mod). Považujme to za ER=Bias/Mod.

Hodnota extinkčního poměru nespočívá v tom, že čím větší je optický modul, tím je lepší, ale v tom, že optický modul, jehož extinkční poměr splňuje normu 802.3, je lepší.

Lsaturace světla

Také známý jako saturovaný optický výkon, označuje maximální vstupní optický výkon při zachování určité bitové chybovosti (10-10 ~ 10-12) při určité přenosové rychlosti, jednotka: dBm.

Je třeba poznamenat, že fotodetektor bude vystaven saturaci fotoproudu, když je vystaven silnému světlu. Když k tomuto jevu dojde, detektor potřebuje určitou dobu na zotavení. V tomto okamžiku se citlivost příjmu snižuje a přijímaný signál může být nesprávně vyhodnocen. Způsobí to bitové chyby a je také velmi snadné poškodit přijímací koncový detektor. Během provozu byste se měli snažit zabránit překročení jeho nasyceného optického výkonu.