Introdução ao módulo óptico

Com o rápido desenvolvimento das comunicações ópticas, muitas cenas do nosso trabalho e da nossa vida perceberam agora o "avanço da luz e recuo do cobre". Em outras palavras, as comunicações em meios metálicos representadas por cabos coaxiais e cabos de rede estão sendo gradualmente substituídas por meios de fibra óptica.
O módulo óptico é um dos principais componentes do sistema de comunicação de fibra óptica.

Estrutura de composição do módulo óptico

Módulo óptico, o nome em inglês é Módulo Óptico. Óptico significa "visão, visão, óptica".

Para ser mais preciso, o módulo óptico é um termo geral para várias categorias de módulos, incluindo: módulo de recepção óptica, módulo de transmissão óptica, módulo integrado de transceptor óptico e módulo de encaminhamento óptico, etc.

Módulo Óptico: Transmissor,Receptor,Transceptor,Transpomder

O que normalmente chamamos de módulos ópticos hoje geralmente se refere a módulos transceptores ópticos integrados (o mesmo se aplica abaixo).

Os módulos ópticos funcionam na camada física, que é a camada mais baixa do modelo OSI. Sua função é muito simples, ou seja, conseguir a conversão fotoelétrica . Transforme sinais ópticos em sinais elétricos e sinais elétricos em sinais ópticos.

Embora pareça simples, o conteúdo técnico do processo de implementação não é baixo.

Um módulo óptico geralmente consiste em um dispositivo de transmissão óptica (TOSA, incluindo um laser), um dispositivo de recepção óptica (ROSA, incluindo um fotodetector), circuitos funcionais e interfaces ópticas (elétricas).

Na extremidade da transmissão, o chip driver processa o sinal elétrico original e, em seguida, aciona o laser semicondutor (LD) ou o diodo emissor de luz (LED) para emitir um sinal óptico modulado.

Na extremidade receptora, após a entrada do sinal óptico, ele é convertido em um sinal elétrico pelo diodo de detecção de luz, e o sinal elétrico é emitido após passar pelo pré-amplificador.

Embalagem de módulos ópticos

Para iniciantes, a coisa mais frustrante sobre os módulos ópticos é o nome do pacote extremamente complexo e os parâmetros deslumbrantes.

A embalagem pode ser entendida simplesmente como um padrão de estilo. É a forma mais importante de distinguir módulos ópticos.

A razão pela qual existem tantos padrões de embalagem diferentes para módulos ópticos é principalmente porque a velocidade de desenvolvimento da tecnologia de comunicação por fibra óptica é muito rápida.

A velocidade dos módulos ópticos continua a aumentar e o seu tamanho continua a diminuir, de modo que, a cada poucos anos, novos padrões de embalagem serão lançados. Muitas vezes é difícil ser compatível entre os antigos e os novos padrões de embalagem.

Além disso, os cenários de aplicação dos módulos ópticos são diversos, o que também é motivo para o aumento dos padrões de embalagem. Diferentes distâncias de transmissão, requisitos de largura de banda e locais de uso correspondem a diferentes tipos de fibras ópticas e módulos ópticos.

Antes de explicar a embalagem e a classificação, vamos apresentar a organização de padronização da comunicação óptica. Porque esses pacotes são determinados por organizações de padronização.

Atualmente existem diversas organizações ao redor do mundo que padronizam comunicações ópticas, como o conhecido IEEE (Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos), ITU-T (União Internacional de Telecomunicações), MSA (Acordo Multi-Fonte) e OIF (Interconexão Óptica). . Fórum), CCSA (Associação de Padrões de Comunicações da China), etc.

Os mais utilizados na indústria são IEEE e MSA.

Você pode não estar familiarizado com o MSA. Seu nome em inglês é Multi Source Agreement. É uma especificação de vários fornecedores. Comparado com o IEEE, é considerado uma forma organizacional privada e não oficial. Pode ser entendido como uma aliança de empresas do setor.

Em primeiro lugar, iremos ignorar as normas que são demasiado antigas ou raras e centrar-nos-emos em pacotes comuns.

GBIC

GBIC significa Conversor de interface Giga Bitrate.

Antes de 2000, o GBIC era o pacote de módulo óptico mais popular e o formato de módulo Gigabit mais utilizado.

SFP

Como o GBIC é relativamente grande, o SFP apareceu mais tarde e começou a substituir o GBIC.

SFP, o nome completo é Small Form-factor Pluggable, que é um pequeno módulo óptico hot-swap. Seu pequeno tamanho é relativo ao pacote GBIC.

O volume do SFP é reduzido pela metade em comparação ao módulo GBIC, e mais que o dobro do número de portas podem ser configuradas no mesmo painel. Em termos de funcionalidade, não há muita diferença entre os dois e ambos suportam hot swapping. SFP suporta uma largura de banda máxima de 4 Gbps.

XFP

XFP é um 10-conectável de fator de forma pequeno Gigabit. Você pode entender rapidamente que é um SFP 10-Gigabit.
O XFP usa um módulo serial de canal único de velocidade total conectado por XFI (interface serial de 10 Gb) e pode substituir o Xenpak e seus derivados.

SFP+

SFP+, é um módulo óptico 10G como o XFP.
O tamanho do SFP+ é igual ao do SFP, é mais compacto que o XFP (cerca de 30% menor) e consome menos energia (reduzindo algumas funções de controle de sinal).

SFP28

O SFP com velocidade de 25 Gbps ocorreu principalmente porque os módulos ópticos de 40G e 100G eram muito caros na época, então fizemos um plano de transição de compromisso.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Interface SFP de quatro canais conectável de fator de forma pequeno quádruplo. Muitas tecnologias-chave maduras em XFP foram aplicadas a este design.
De acordo com a velocidade, o QSFP pode ser dividido em módulos ópticos 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD, etc.
Tomemos como exemplo o QSFP28, ele é adequado para portas de acesso 4x25GE. Usando o QSFP28, você pode atualizar diretamente de 25G para 100G sem passar por 40G, simplificando bastante a dificuldade de fiação e reduzindo custos.

O QSFP-DD foi estabelecido em março de 2016. DD refere-se a "Dupla Densidade". Os 4 canais do QSFP são aumentados em uma linha de canais e tornam-se 8 canais.
É compatível com a solução QSFP. O módulo QSFP28 original ainda pode ser usado, basta conectar outro módulo. O número de dedos de ouro elétricos do QSFP-DD é o dobro do QSFP28.

Cada canal do QSFP-DD usa formato de sinal NRZ de 25 Gbps ou PAM4 de 50 Gbps. Usando PAM4, ele pode suportar taxas de até 400 Gbps.
NRZ e PAM4 PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) é uma tecnologia de "duplicação".

Para módulos ópticos, se quiser aumentar a taxa, você deve aumentar o número de canais ou aumentar a taxa de um único canal.

Os sinais digitais tradicionais utilizam principalmente sinais NRZ (Non-Return-to-Zero), ou seja, níveis de sinal altos e baixos são usados ​​para representar as informações 1 e 0 do sinal lógico digital a ser transmitido, e cada sinal o período do símbolo pode ser Transmitir 1 bit de informação lógica.

O sinal PAM usa 4 níveis de sinal diferentes para transmissão de sinal, e cada período de símbolo pode representar 2 bits de informação lógica (0, 1, 2, 3). Na mesma largura de banda física do canal, o PAM4 transmite o dobro da quantidade de informação equivalente ao sinal NRZ, dobrando assim a taxa.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits formam um módulo de comunicação óptica de divisão de comprimento de onda densa e conectável. A taxa de transmissão pode atingir 100-400Gbps.

O CFP foi projetado com base na interface SFP, que possui tamanho maior e suporta transmissão de dados de 100 Gbps. O CFP pode suportar um único sinal de 100G, um ou mais sinais de 40G.

A diferença entre CFP, CFP2 e CFP4 está no volume. O volume do CFP2 é metade do do CFP e o do CFP4 é um quarto do do CFP.

CFP8 é uma forma de embalagem especialmente proposta para 400G e seu tamanho é equivalente ao CFP2. Suporta taxas de canal de 25 Gbps e 50 Gbps e atinge taxas de módulo de 400 Gbps por meio de interfaces elétricas 16x25G ou 8x50.

OSFP

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, "O" significa "octal", foi lançado oficialmente em novembro de 2016.

Ele foi projetado para usar 8 canais elétricos para atingir 400 GbE (8 * 56 GbE, mas o sinal de 56 GbE é formado por um laser DML de 25 G sob a modulação de PAM4), com um tamanho um pouco maior que o QSFP-DD, um motor óptico de maior potência e transceptor O desempenho de dissipação de calor é ligeiramente melhor.

Acima estão alguns padrões comuns de embalagem de módulos ópticos.

Módulo óptico 400G

Este artigo menciona três tipos de módulos ópticos que suportam 400 Gbps, nomeadamente QSFP-DD, CFP8 e OSFP.
400G é atualmente a principal direção competitiva da indústria de comunicações ópticas. Agora, o 400G também está na fase inicial de uso comercial em larga escala.

Como todos sabemos, devido ao lançamento em grande escala da construção de redes 5G, juntamente com o rápido desenvolvimento da computação em nuvem e a construção em lote de centros de dados em grande escala, a procura de 400G da indústria das TIC tornou-se cada vez mais urgente.
Os primeiros módulos ópticos de 400G usavam uma implementação NRZ de 16-canal de 25 Gbps e eram empacotados em CDFP ou CFP8.

A vantagem desta implementação é que ela pode emprestar a tecnologia 25G NRZ madura em módulos ópticos de 100G. Mas a desvantagem é que são necessários 16 canais de sinais para transmissão paralela e o consumo e o volume de energia são relativamente grandes, o que não é adequado para aplicações de data center.
Posteriormente, o PAM4 passou a ser utilizado em substituição ao NRZ.

No lado da porta óptica, 8 canais de 53 Gbps PAM4 ou 4 canais de 106 Gbps PAM4 são usados ​​para realizar a transmissão de sinal de 400G, e no lado da porta elétrica, 8 canais de sinais elétricos PAM4 de 53 Gbps são usados, e a forma de pacote de OSFP ou QSFP -DD ​​é adotado.

Em comparação, o tamanho do pacote QSFP-DD é menor (semelhante ao pacote QSFP28 do módulo óptico 100G tradicional), que é mais adequado para aplicações de data center. O tamanho do pacote OSFP é um pouco maior, pois pode fornecer mais consumo de energia, por isso é mais adequado para aplicações de telecomunicações.

Os atuais transceptores ópticos 400G, não importa o tipo de pacote em que estejam, são muito caros e ainda há uma grande lacuna em relação às expectativas do usuário. Portanto, ainda não é possível realizar rapidamente uma popularização abrangente.

Outra coisa que vale a pena mencionar é a luz à base de silício, frequentemente mencionada como luz de silício.

A tecnologia fotônica de silício é considerada como tendo amplas perspectivas de aplicação e competitividade na era 400G, e atualmente atrai a atenção de muitas empresas e instituições de pesquisa.

Conceitos-chave de módulos ópticos

Com base no pacote, com alguns parâmetros, haverá um nome para o módulo óptico.
Além da distância e do número de canais, existe também o comprimento de onda central.

O comprimento de onda da luz determina diretamente suas propriedades físicas. Atualmente, a luz que usamos em fibras ópticas tem comprimento de onda central de 850nm, 1310nm e 1550nm (nm é nanômetro). Entre eles, 850nm é usado principalmente para multimodo, e 1310nm e 1550nm são usados ​​principalmente para modo único.

A propósito, CWDM e DWDM . WDM significa Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda. Simplificando, trata-se de multiplexar sinais ópticos de diferentes comprimentos de onda na mesma fibra óptica para transmissão. Multiplexação por divisão de comprimento de onda e multiplexação por divisão de frequência Na verdade, a multiplexação por divisão de comprimento de onda é um tipo de multiplexação por divisão de frequência. Comprimento de onda × frequência=velocidade da luz (valor fixo), portanto, dividir por comprimento de onda é, na verdade, dividir por frequência. Nas comunicações ópticas, as pessoas estão acostumadas a nomear por comprimento de onda.
DWDM é WDM denso, WDM denso. CWDM é WDM esparso, WDM grosseiro. Você deve entender pelo nome que o intervalo de comprimento de onda no D-WDM é menor. A vantagem do WDM é que ele possui grande capacidade e pode ser transmitido por longas distâncias.

A propósito, BiDi, esse conceito também é mencionado com frequência agora. BiDi (BiDirectional) é uma fibra bidirecional de fibra única, uma fibra óptica, envio e recebimento bidirecional. O princípio de funcionamento é mostrado na figura abaixo. Na verdade, um filtro é adicionado. Os comprimentos de onda de envio e recebimento são diferentes, portanto, o envio e o recebimento simultâneos podem ser alcançados.

Indicadores básicos de módulos ópticos
Os indicadores básicos dos módulos ópticos incluem principalmente o seguinte:

Potência óptica de saída

A potência óptica de saída refere-se à potência óptica de saída da fonte de luz na extremidade de transmissão do módulo óptico. Pode ser entendida como a intensidade da luz, em W ou mW ou dBm. Onde W ou mW é uma unidade linear e dBm é uma unidade logarítmica. Nas comunicações, normalmente usamos dBm para representar a potência óptica.

A potência óptica é atenuada pela metade e reduzida em 3dB. A potência óptica de 0dBm corresponde a 1mW.

Sensibilidade máxima de recepção

A sensibilidade de recepção refere-se à potência óptica mínima recebida do módulo óptico sob uma determinada taxa e taxa de erro de bit, unidade: dBm.

De modo geral, quanto maior a taxa, pior será a sensibilidade de recepção, ou seja, maior será a potência óptica mínima recebida, e maiores serão os requisitos para os dispositivos finais de recepção do módulo óptico.

Taxa de extinção

A taxa de extinção é um dos parâmetros importantes utilizados para medir a qualidade dos módulos ópticos.

Refere-se ao valor mínimo da relação entre a potência óptica média do sinal e a potência óptica média do sinal nulo sob condições de modulação total, indicando a capacidade de distinguir entre sinais 0 e 1. Existem dois fatores que afetam a taxa de extinção no módulo óptico: corrente de polarização (bias) e corrente de modulação (Mod). Vamos considerá-lo como ER=Bias/Mod.

O valor da taxa de extinção não é que quanto maior o módulo óptico, melhor ele é, mas que o módulo óptico cuja taxa de extinção atenda ao padrão 802.3 seja melhor.

Lsaturação clara

Também conhecida como potência óptica saturada, refere-se à potência óptica de entrada máxima ao manter uma determinada taxa de erro de bit (10-10 ~ 10-12) em uma determinada taxa de transmissão, unidade: dBm.

Deve-se notar que o fotodetector experimentará saturação de fotocorrente quando exposto a luz forte. Quando esse fenômeno ocorre, o detector precisa de um certo tempo para se recuperar. Neste momento, a sensibilidade de recepção diminui e o sinal recebido pode ser mal avaliado. Isso causará erros de bit e também é muito fácil danificar o detector da extremidade receptora. Durante a operação, você deve tentar evitar exceder a potência óptica saturada.