Introduktion till optisk modul

Med den snabba utvecklingen av optisk kommunikation har många scener i vårt arbete och liv nu insett "ljusets frammarsch och koppars reträtt". Med andra ord, metallmediakommunikation representerad av koaxialkablar och nätverkskablar ersätts gradvis av optiska fibermedier.
Den optiska modulen är en av kärnkomponenterna i det optiska fiberkommunikationssystemet.

Sammansättningsstruktur av optisk modul

Optisk modul, det engelska namnet är Optical Module. Optisk betyder "syn, syn, optik".

För att vara exakt är den optiska modulen en allmän term för olika modulkategorier, inklusive: optisk mottagningsmodul, optisk sändningsmodul, optisk transceiver integrerad modul och optisk vidarebefordringsmodul, etc.

Optisk modul: Sändare,Mottagare,Sändtagare,Transpomder

Det vi idag brukar kalla optiska moduler avser generellt integrerade optiska transceivermoduler (samma gäller nedan).

Optiska moduler arbetar på det fysiska lagret, som är det lägsta lagret i OSI-modellen. Dess funktion är mycket enkel, det vill säga att uppnå fotoelektrisk omvandling . Förvandla optiska signaler till elektriska signaler och elektriska signaler till optiska signaler.

Även om det verkar enkelt, är det tekniska innehållet i implementeringsprocessen inte lågt.

En optisk modul består vanligtvis av en optisk sändningsenhet (TOSA, inklusive en laser), en optisk mottagningsenhet (ROSA, inklusive en fotodetektor), funktionella kretsar och optiska (elektriska) gränssnitt.

Vid sändningsänden bearbetar drivarchippet den ursprungliga elektriska signalen och driver sedan halvledarlasern (LD) eller ljusemitterande diod (LED) för att avge en modulerad optisk signal.

Vid den mottagande änden, efter att den optiska signalen kommit in, omvandlas den till en elektrisk signal av ljusdetektionsdioden, och den elektriska signalen matas ut efter att ha passerat genom förförstärkaren.

Förpackning av optiska moduler

För nybörjare är det mest frustrerande med optiska moduler dess extremt komplexa paketnamn och bländande parametrar.

Förpackningar kan enkelt förstås som en stilstandard. Det är det viktigaste sättet att särskilja optiska moduler.

Anledningen till att det finns så många olika förpackningsstandarder för optiska moduler beror främst på att utvecklingshastigheten för optisk fiberkommunikationsteknik är för snabb.

Hastigheten för optiska moduler fortsätter att öka och deras storlek fortsätter att krympa, så att med några års mellanrum kommer nya förpackningsstandarder att släppas. Det är ofta svårt att vara kompatibel mellan gamla och nya förpackningsstandarder.

Dessutom är applikationsscenarierna för optiska moduler olika, vilket också är en anledning till ökningen av förpackningsstandarder. Olika överföringsavstånd, bandbreddskrav och användningsplatser motsvarar olika typer av optiska fibrer och optiska moduler.

Innan vi förklarar förpackning och klassificering, låt oss introducera standardiseringsorganisationen för optisk kommunikation. Eftersom dessa paket bestäms av standardiseringsorganisationer.

Det finns för närvarande flera organisationer runt om i världen som standardiserar optisk kommunikation, såsom det välbekanta IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ITU-T (International Telecommunication Union), MSA (Multi-Source Agreement) och OIF (Optical Interconnection) . Forum), CCSA (China Communications Standards Association), etc.

De mest använda i branschen är IEEE och MSA.

Du kanske inte är bekant med MSA. Dess engelska namn är Multi Source Agreement. Det är en specifikation för flera leverantörer. Jämfört med IEEE betraktas det som en privat och inofficiell organisationsform. Det kan förstås som en allians av företag inom branschen.

För det första kommer vi att ignorera de standarder som är för gamla eller sällsynta och fokusera på vanliga paket.

GBIC GBIC

GBIC står för Giga Bitrate Interface Converter.

Före 2000 var GBIC det mest populära optiska modulpaketet och den mest använda Gigabit-modulformen.

SFP

Eftersom GBIC är relativt stort dök SFP upp senare och började ersätta GBIC.

SFP, det fullständiga namnet är Small Form-factor Pluggable, som är en liten optisk modul som kan bytas under drift. Dess ringa storlek är relativt GBIC-paketet.

Volymen av SFP reduceras med hälften jämfört med GBIC-modulen, och mer än dubbelt så många portar kan konfigureras på samma panel. När det gäller funktionalitet är det inte så stor skillnad mellan de två, och båda stöder hot swapping. SFP stöder en maximal bandbredd på 4 Gbps.

XFP (på engelska)

XFP är en 10-Gigabit Small Form-factor Pluggbar. Du kan med ett ögonkast förstå att det är en 10-Gigabit SFP.
XFP använder en fullhastighets enkanals seriell modul ansluten med XFI (10 Gb seriellt gränssnitt) och kan ersätta Xenpak och dess derivat.

SFP+

SFP+, det är en 10G optisk modul som XFP.
Storleken på SFP+ är densamma som SFP, och den är mer kompakt än XFP (cirka 30 % mindre) och förbrukar mindre ström (vilket minskar vissa signalkontrollfunktioner).

SFP28

SFP:n med en hastighet på 25Gbps berodde främst på att de optiska 40G- och 100G-modulerna var för dyra vid den tiden, så vi gjorde en sådan kompromissövergångsplan.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Quad Small Form-factor Pluggbar, fyra-kanals SFP-gränssnitt. Många mogna nyckelteknologier i XFP har tillämpats på denna design.
Beroende på hastigheten kan QSFP delas in i 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD optiska moduler, etc.
Ta QSFP28 som ett exempel, den är lämplig för 4x25GE accessportar. Med QSFP28 kan du direkt uppgradera från 25G till 100G utan att gå igenom 40G, vilket avsevärt förenklar ledningssvårigheten och minskar kostnaderna.

QSFP-DD etablerades i mars 2016. DD syftar på "Double Density". De 4 kanalerna i QSFP utökas med en rad kanaler och blir 8 kanaler.
Den är kompatibel med QSFP-lösningen. Den ursprungliga QSFP28-modulen kan fortfarande användas, koppla bara in en annan modul. Antalet elektriska guldfingrar för QSFP-DD är dubbelt så stort som för QSFP28.

Varje kanal i QSFP-DD använder 25 Gbps NRZ eller 50 Gbps PAM4 signalformat. Med PAM4 kan den stödja upp till 400 Gbps hastighet.
NRZ och PAM4 PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) är en "dubbling"-teknik.

För optiska moduler, om du vill öka hastigheten, måste du antingen öka antalet kanaler eller öka hastigheten för en enskild kanal.

Traditionella digitala signaler använder oftast NRZ-signaler (Non-Return-to-Zero), det vill säga höga och låga signalnivåer används för att representera 1- och 0-informationen för den digitala logiska signalen som ska sändas, och varje signal symbolperiod kan sända 1 bit logisk information.

PAM-signalen använder 4 olika signalnivåer för signalöverföring, och varje symbolperiod kan representera 2 bitar av logisk information (0, 1, 2, 3). Under samma fysiska bandbredd sänder PAM4 dubbelt så mycket information som motsvarar NRZ-signalen, vilket fördubblar hastigheten.

Den gemensamma fiskeripolitiken/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits Form Pluggbar optisk kommunikationsmodul med tät våglängdsdelning. Överföringshastigheten kan nå 100-400Gbps.

CFP är designad på basis av SFP-gränssnitt, som har större storlek och stöder 100 Gbps dataöverföring. CFP kan stödja en enda 100G-signal, en eller flera 40G-signaler.

Skillnaden mellan CFP, CFP2 och CFP4 ligger i volymen. Volymen av CFP2 är hälften av den för CFP, och CFP4 är en fjärdedel av CFP.

CFP8 är en förpackningsform speciellt föreslagen för 400G, och dess storlek motsvarar CFP2. Stöder 25Gbps och 50Gbps kanalhastigheter och uppnår 400Gbps modulhastigheter genom 16x25G eller 8x50 elektriska gränssnitt.

OSFP (på engelska)

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, "O" står för "octal", lanserades officiellt i november 2016.

Den är utformad för att använda 8 elektriska kanaler för att uppnå 400GbE (8*56GbE, men 56GbE-signalen bildas av en 25G DML-laser under moduleringen av PAM4), med en något större storlek än QSFP-DD, en optisk motor med högre watt och transceiver Värmeavledningsprestandan är något bättre.

Ovanstående är några vanliga standarder för förpackning av optiska moduler.

400G optisk modul

Den här artikeln nämner tre typer av optiska moduler som stöder 400 Gbps, nämligen QSFP-DD, CFP8 och OSFP.
400G är för närvarande den huvudsakliga konkurrensriktningen för den optiska kommunikationsindustrin. Nu är 400G också i inledningsskedet av storskalig kommersiell användning.

Som vi alla vet, på grund av den storskaliga lanseringen av 5G-nätverkskonstruktion, i kombination med den snabba utvecklingen av cloud computing och batchkonstruktion av storskaliga datacenter, har IKT-branschens efterfrågan på 400G blivit allt mer akut.
Tidiga 400G optiska moduler använde en 16-kanals 25Gbps NRZ-implementering och paketerades i CDFP eller CFP8.

Fördelen med denna implementering är att den kan låna mogen 25G NRZ-teknik på 100G optiska moduler. Men nackdelen är att det krävs 16 kanaler med signaler för parallell överföring, och strömförbrukningen och volymen är relativt stor, vilket inte är lämpligt för datacenterapplikationer.
Senare började PAM4 användas för att ersätta NRZ.

På den optiska portsidan används 8 kanaler med 53Gbps PAM4 eller 4 kanaler med 106Gbps PAM4 för att realisera 400G signalöverföring, och på den elektriska portsidan används 8 kanaler med 53Gbps PAM4 elektriska signaler, och paketformen OSFP eller QSFP -DD ​​är antagen.

I jämförelse är QSFP-DD-paketstorleken mindre (liknar QSFP28-paketet i den traditionella 100G optiska modulen), vilket är mer lämpligt för datacenterapplikationer. OSFP-paketstorleken är något större, eftersom den kan ge mer strömförbrukning, så den är mer lämplig för telekomapplikationer.

De nuvarande 400G optiska transceivrarna, oavsett vilken typ av förpackning de är i, är mycket dyra, och det finns fortfarande ett stort gap från användarens förväntningar. Därför är det ännu inte möjligt att snabbt genomföra omfattande popularisering.

En annan sak som är värd att nämna är kiselbaserat ljus, som ofta nämns som kiselljus.

Kiselfotonikteknik anses ha breda tillämpningsmöjligheter och konkurrenskraft i 400G-eran och drar för närvarande till sig uppmärksamhet från många företag och forskningsinstitutioner.

Nyckelbegrepp för optiska moduler

På basis av paketet, med vissa parametrar, kommer det att finnas ett namn för den optiska modulen.
Förutom avståndet och antalet kanaler finns även mittvåglängden.

Ljusets våglängd bestämmer direkt dess fysikaliska egenskaper. För närvarande har ljuset vi använder i optiska fibrer en central våglängd på 850nm, 1310nm och 1550nm (nm är nanometer). Bland dem används 850nm huvudsakligen för multimode, och 1310nm och 1550nm används huvudsakligen för enkelläge.

Förresten, CWDM och DWDM . WDM står för Wavelength Division Multiplexing. Enkelt uttryckt är det att multiplexera optiska signaler med olika våglängder till samma optiska fiber för överföring. Våglängdsmultiplexering och frekvensmultiplexering Faktum är att våglängdsmultiplexering är en slags frekvensdelningsmultiplex. Våglängd × frekvens=ljushastighet (fast värde), så att dividera med våglängd är faktiskt att dividera med frekvens. Inom optisk kommunikation är människor vana vid att namnge efter våglängd.
DWDM är tät WDM, tät WDM. CWDM är gles WDM, Grov WDM. Du bör förstå av namnet att våglängdsintervallet i D-WDM är mindre. Fördelen med WDM är att den har stor kapacitet och kan sändas över långa avstånd.

Förresten, BiDi, detta koncept nämns också ofta nu. BiDi (BiDirectional) är en enkel fiber dubbelriktad, en optisk fiber, dubbelriktad sändning och mottagning. Arbetsprincipen visas i figuren nedan. Faktum är att ett filter läggs till. Våglängderna för att skicka och ta emot är olika, så samtidig sändning och mottagning kan uppnås.

Grundläggande indikatorer för optiska moduler
De grundläggande indikatorerna för optiska moduler inkluderar huvudsakligen följande:

Utgående optisk effekt

Den optiska uteffekten avser den optiska uteffekten från ljuskällan vid den sändande änden av den optiska modulen. Det kan förstås som ljusets intensitet, i W eller mW eller dBm. Där W eller mW är en linjär enhet och dBm är en logaritmisk enhet. Inom kommunikation använder vi vanligtvis dBm för att representera optisk effekt.

Den optiska effekten dämpas till hälften och reduceras med 3dB. Den optiska effekten på 0dBm motsvarar 1mW.

Maximal mottagningskänslighet

Mottagningskänslighet avser den minsta mottagna optiska effekten för den optiska modulen under en viss hastighet och bitfelsfrekvens, enhet: dBm .

Generellt sett gäller att ju högre hastigheten är, desto sämre är mottagningskänsligheten, det vill säga desto större är den minsta mottagna optiska effekten, och desto högre är kraven på den optiska modulens mottagande ändanordningar.

Utsläckningsförhållande

Extinktionsförhållande är en av de viktiga parametrarna som används för att mäta kvaliteten på optiska moduler.

Det hänvisar till minimivärdet för förhållandet mellan den genomsnittliga optiska effekten för signalen och den genomsnittliga optiska effekten för nollsignalen under förhållanden med full modulering, vilket indikerar förmågan att skilja mellan 0 och 1-signaler. Det finns två faktorer som påverkar släckningsförhållandet i den optiska modulen: förspänningsström (bias) och moduleringsström (Mod). Låt oss betrakta det som ER=Bias/Mod.

Värdet på släckningsförhållandet är inte att ju större den optiska modulen är, desto bättre är den, utan att den optiska modulen vars släckningsförhållande uppfyller 802.3-standarden är bättre.

Llätt mättnad

Även känd som mättad optisk effekt, det hänvisar till den maximala optiska ineffekten när en viss bitfelfrekvens (10-10 ~ 10-12) bibehålls vid en viss överföringshastighet, enhet: dBm.

Det bör noteras att fotodetektorn kommer att uppleva fotoströmmättnad när den utsätts för starkt ljus. När detta fenomen inträffar behöver detektorn en viss tid för att återhämta sig. Vid denna tidpunkt minskar mottagningskänsligheten och den mottagna signalen kan bli felbedömd. Det kommer att orsaka bitfel, och det är också mycket lätt att skada den mottagande änddetektorn. Under drift bör du försöka undvika att överskrida dess mättade optiska effekt.