O que é um módulo óptico?

Quando se trata de módulos ópticos, tenho certeza de que todos estão familiarizados com eles. Com o rápido desenvolvimento da comunicação óptica, muitos cenários em nosso trabalho e vida agora alcançaram "fibra substituindo o cobre". Ou seja, comunicação média de metal representada por cabos coaxiais ecabos de redeestá sendo gradualmente sendo substituído por mídia de fibra óptica. Os módulos ópticos são um componente central defibra ópticasistemas de comunicação.

 

 

1. Composição dos módulos ópticos

 

O módulo óptico, conhecido como transceptor óptico em inglês, é um termo geral para várias categorias de módulos, incluindo módulos de receptor óptico, módulos de transmissor ópticos, módulos de transceptoras ópticas e módulos de encaminhamento óptico.

Hoje, quando falamos sobre módulos ópticos, geralmente queremos dizer transceptores ópticos (e esse será o caso ao longo do texto).

Os módulos ópticos operam na camada física, que é a camada inferior do modelo OSI. Sua função é bastante simples: atinge a conversão fotoelétrica. Ele converte sinais ópticos em sinais elétricos e sinais elétricos em sinais ópticos.

Embora pareça simples, o conteúdo técnico no processo de implementação não é baixo.

 

Um módulo óptico normalmente consiste em um transmissor óptico (Tosa, submontagem óptica transmissor, contendo um diodo a laser), um receptor óptico (ROSA, submontagem óptica do receptor, contendo um fotodetector), circuitos funcionais e interfaces ópticas (elétricas).

 

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

Na extremidade receptora, depois que o sinal óptico entra, ele é convertido em um sinal elétrico por um fotodetector e depois a saída após ser amplificado por um pré -amplificador.

 

2. Embalagem de módulos ópticos

 

Para iniciantes, o aspecto mais frustrante dos módulos ópticos são seus nomes de embalagens extremamente complexos e a variedade desconcertante de parâmetros.

A embalagem pode ser simplesmente entendida como um padrão de formato. É a principal maneira de distinguir os módulos ópticos.

O rápido desenvolvimento da tecnologia de comunicação de fibra óptica é a principal razão para a multidão de padrões de embalagem.

A velocidade dos módulos ópticos está constantemente aumentando e seu tamanho também está diminuindo, para que novos padrões de embalagem sejam introduzidos a cada poucos anos. A compatibilidade entre os padrões de embalagens antigos e novos geralmente é difícil.

Além disso, os diversos cenários de aplicação dos módulos ópticos também são um 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, portanto, diferentes módulos ópticos.

Listei alguns métodos de classificação de módulos ópticos, incluindo embalagens, conforme mostrado na tabela abaixo:

3. Classificação de módulos ópticos

 

Antes de explicar a embalagem e a classificação, vamos apresentar as organizações de padronização para comunicação óptica. Porque esses padrões de embalagem são determinados pelas organizações de padronização.

Atualmente, existem várias organizações globais que padronizam a comunicação óptica, como o conhecido IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ITU-T (União Internacional de Telecomunicações), MSA (Contrato de Fonte Multi), OIF (Fórum de Internet Optical), CCSA (China Communications Association), etc.

Os mais usados ​​no setor são IEEE e MSA.

Você pode não estar familiarizado com o MSA. Seu nome em inglês é um contrato de fonte múltipla. É uma especificação de vários fornecedores, um formulário de organização não oficial em comparação com o IEEE, que pode ser entendido como um comportamento da aliança da indústria.

Agora, vamos começar a introduzir embalagens.

Primeiro, você pode dar uma olhada na imagem a seguir, que descreve com precisão o período de emergência de diferentes embalagens e suas velocidades de trabalho correspondentes.

 

4. Embalagem comum

 

GBIC

GBIC significa GIGA Bitrate Interface Converter. Antes de 2000, o GBIC era a embalagem do módulo óptico mais popular e a forma do módulo de gigabit mais usada.

SFP

Devido ao grande tamanho do GBIC, o SFP apareceu mais tarde e começou a substituir a posição do GBIC. O SFP, o nome completo, o fator de formato pequeno, é um pequeno módulo óptico de tábua quente. Seu tamanho pequeno é relativo à embalagem GBIC.

O volume da SFP é reduzido pela metade em comparação aos módulos GBIC, permitindo que mais do que o dobro do número de portas a ser configurado no mesmo painel. Em termos de funcionalidade, ambos suportam o plugue a quente. O SFP suporta uma largura de banda máxima de 4Gbps.

XFP

XFP é 10- Gigabit Small Form-Factor Flugable. Ele usa um módulo serial de canal único de velocidade total com uma conexão XFI (interface serial de 10 GB), que pode substituir o Xenpak e seus produtos derivados.

SFP

O SFP+ também é um módulo óptico de 10g. Seu tamanho é consistente com o SFP, mais compacto (reduzido em cerca de 30%) que o XFP, e consome menos energia (reduziu algumas funções de controle de sinal).

SFP28

O SFP28 com uma velocidade de 25 Gbps foi principalmente porque os preços dos módulos ópticos de 40g e 100g eram muito altos na época, então essa solução de transição de compromisso foi introduzida.

Qsfp/qsfp+/qsfp28/qsfp 28- dd

Quad Small Form-Factor Plugable, uma interface SFP de quatro canais. Muitas tecnologias principais maduras no XFP foram aplicadas a esse design.

O qsfp pode ser dividido em 4 × 10g qsfp+, 4 × 25g qsfp28, 8 × 25g qsfp 28- módulos ópticos dd, etc.

Por exemplo, o QSFP28 é adequado para portas de acesso 4x25GE. Usando o QSFP28, é possível atualizar de 25g para 100g sem passar por 40g, simplificando bastante a dificuldade da fiação e reduzindo os custos.

QSFP-DD

Fundada em março de 2016, a DD significa "dupla densidade". Aumenta os quatro canais deQSFPa oito canais.

É compatível com soluções QSFP. Os módulos QSFP28 originais ainda podem ser usados, basta inserir outro módulo. O número de contatos elétricos emQSFP-DDé o dobro do QSFP28.

 

O QSFP-DD usa formatos de sinal PAM4 de 25 Gbps NRZ ou 50 Gbps por canal. Usando o PAM4, ele pode suportar taxas de até 400 Gbps.

PAM4

PAM4 (modulação de amplitude de 4 pulsos) é uma tecnologia de "duplicação".

Para módulos ópticos, se você deseja obter melhoria da taxa, aumenta o número de canais ou aumenta a taxa de um único canal.

Os sinais digitais tradicionais usam principalmente os sinais NRZ (não retornam a zero), usando níveis de sinal altos e baixos para representar as informações 1 e {4}}}}, com cada período de símbolo de sinal transmitindo 1 bit de informações lógicas.

Os sinais PAM4 usam quatro níveis de sinal diferentes para transmissão, com cada período de símbolo representando 2 bits de informações lógicas (0, 1, 2, 3). Sob a mesma largura de banda física do canal, o PAM4 transmite o dobro da quantidade de informações que os sinais da NRZ, alcançando assim uma duplicação da taxa.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Os gigabits CENTUM formam flash, um denso módulo de comunicação óptica de divisão de comprimento de onda. A taxa de transmissão pode atingir 100-400 gbps.

O CFP foi projetado com base na interface SFP, com um tamanho maior, suportando transmissão de dados de 100 Gbps. O CFP pode suportar um único sinal de 100g, um ou vários sinais de 40g.

A diferença entre CFP, CFP2 e CFP4 está em seu tamanho. O tamanho do CFP2 é metade do CFP e o CFP4 é um quarto do CFP.

O CFP8 é um formulário de embalagem proposto especificamente para 400g, com um tamanho semelhante ao CFP2. Ele suporta taxas de canal de 25 Gbps e 50 Gbps, atingindo taxas de módulos de 400 Gbps em interfaces elétricas de 16x25g ou 8x50.

OSFP

Isso é um pouco facilmente confundido com oOSPFProtocolo de roteamento.

OSFP,Fator de formato pequeno octal travessa, "O" significa "Octal", lançado oficialmente em novembro de 2016.

Ele foi projetado para usar oito canais elétricos para atingir 400GBE (8*56GBE, mas o sinal de 56 GBE é formado por um laser DML de 25g sob modulação PAM4), ligeiramente maior que o QSFP-DD, com mecanismos ópticos e transceptores de peso mais alto e desempenho de dissipação de calor ligeiramente melhor.

Estes são alguns dos padrões de embalagem de módulos ópticos comuns.

 

5. 400g módulos ópticos

 

Como você deve ter notado, mencionei três tipos de módulos ópticos que suportam 400 Gbps durante a introdução da embalagem: QSFP-DD, CFP8 e OSFP.

Atualmente, o 400G é a principal direção competitiva no setor de comunicação óptica. Agora, 400g também está nos estágios iniciais de uso comercial em larga escala.

Como é bem conhecido, devido ao lançamento em larga escala da construção de rede 5G e ao rápido desenvolvimento da computação em nuvem e da construção de data center em larga escala, a demanda do setor de TIC por 400g se tornou cada vez mais urgente.

Os módulos ópticos 400G anteriores usaram um método de implementação 16-} pista 25Gbps NRZ, usando a embalagem CDFP ou CFP8.

Esse método de implementação se beneficia do uso da tecnologia madura de 25G NRZ desenvolvida para módulos ópticos de 100g. No entanto, a desvantagem é que ela requer 16 faixas de transmissão paralela, resultando em maior consumo de energia e tamanho maior, o que não é adequado para aplicativos de data center.

Mais tarde, o PAM4 começou a substituir a NRZ.

No lado óptico, a transmissão de sinal de 400g é alcançada principalmente usando 8 faixas de 53 Gbps PAM4 ou 4 faixas de 106 Gbps PAM4 e, no lado elétrico, são utilizados 8 faixas de 53 Gbps PAM4 sinais elétricos, com formulários de embalagem OSFP ou QSFP-DD.

Comparativamente, a embalagem QSFP-DD é menor (semelhante à embalagem tradicional de 100g do módulo óptico QSFP28), o que é mais adequado para aplicativos de data center. A embalagem OSFP é um pouco maior e, como pode fornecer mais energia, é mais adequado para aplicativos de telecomunicações.

Atualmente, os módulos ópticos de 400g, independentemente dos métodos de embalagem, estão muito caros, longe de atender às expectativas do usuário. Portanto, eles não podem ser rapidamente popularizados.

 

Outra tecnologia digna de nota é a Silicon Photonics, comumente conhecida como Silicon Photonics.

 

A Silicon Photonics é vista como tendo amplas aplicações e forte competitividade na era 400G, e está recebendo muita atenção de muitas empresas e instituições de pesquisa.

 

6. Conceitos -chave de módulos ópticos

 

Depois de mencionar brevemente 400G, vamos continuar com a classificação de módulos ópticos.

Com base na embalagem, combinada com alguns parâmetros, haverá a nomeação de módulos ópticos.

Veja 100g, por exemplo, geralmente vemos os seguintes tipos de módulos ópticos:

Os padrões que começam com 100gbase são propostos pelo grupo de trabalho IEEE 802.3. PSM4 e CWDM4 são de MSA.

PSM4 (modo único paralelo 4 faixas, paralelo de quatro canais de modo único)

CWDM4 (Multiplexador de Divisão de Venção de Onda Grosso 4 Faixas, Multiplexação de Divisão de Comprimento de Onda Grúso de Quatro Canais)

Vejamos a nomeação do IEEE 802.3:

Como mostrado na figura acima:

No nome 100gBase-LR4, LR significa alcance longo, ou seja, 10 km e 4 significa quatro canais, ou seja, 4*25g, combinados para formar um módulo óptico de 100g que pode transmitir 10 km.

As regras de nomeação para -r são as seguintes:

A razão pela qual existem 100gbase do IEEE e o PSM4 e CWDM4 da MSA é que a distância suportada pelo 100GBase-SR4 era muito curta e não pôde atender a todas as necessidades de interconexão, enquanto o custo de 100gbase-LR4 era muito alto. PSM4 e CWDM4 forneceram melhores soluções de média distância.

Além da distância e do número de canais, vamos dar uma olhada no comprimento de onda central.

O comprimento de onda da luz determina diretamente suas características físicas. Atualmente, os comprimentos de onda centrais da luz usados ​​nas fibras ópticos são principalmente de 850nm, 1310nm e 1550Nm (nm significa nanômetros).

Entre eles, o 850Nm é usado principalmente para multimodo e 1310nm e 1550nm são usados ​​principalmente para modo único.

Para obter mais detalhes sobre o modo único e multimodo, consulte nossa discussão anterior sobre fibras ópticas.

Para modo único e multimodo, se o módulo nu não estiver marcado, é fácil de confundir.

Portanto, os fabricantes geralmente os distinguem pela cor do anel de tração:

Puxe anel de azul e amarelo

 

Aqui também mencionamos WDM CWDM e DWDM, que você deve ver com frequência.

WDM significa multiplexação por divisão de comprimento de onda. Simplificando, multiplica os diferentes sinais ópticos de comprimento de onda na mesma fibra óptica para transmissão.

De fato, a multiplexação da divisão de comprimento de onda é um tipo de multiplexação da divisão de frequência. Comprimento de onda × frequência=velocidade da luz (valor fixo); portanto, dividir pelo comprimento de onda está realmente dividindo por frequência. Na comunicação óptica, as pessoas estão acostumadas a nomear pelo comprimento de onda.

O DWDM é denso WDM e o CWDM é WDM grosseiro. A partir dos nomes, você deve entender que o intervalo de comprimento de onda no D-WDM é menor.

A vantagem do WDM é de grande capacidade e pode ser transmitida a longas distâncias.

A propósito, o bidi (bidirecional) é unidirecional, uma fibra óptica, transmissão bidirecional e recepção. O princípio de trabalho é mostrado na figura abaixo.

Na verdade, está adicionando um filtro. Os comprimentos de onda para transmissão e recepção são diferentes, permitindo transmissão e recepção simultâneas.

 

7. Indicadores básicos de módulos ópticos

 

Os indicadores básicos dos módulos ópticos incluem principalmente o seguinte:

Saída de potência óptica

A potência óptica de saída refere -se à potência óptica de saída da fonte de luz na extremidade de envio do módulo óptico. Pode ser entendido como a intensidade da luz, com unidades de W ou MW ou DBM. Entre eles, W ou MW são unidades lineares, e DBM são unidades logarítmicas. Na comunicação, geralmente usamos o DBM para representar energia óptica.

Uma redução de 3dB na potência óptica significa que está reduzida pela metade e 0 dbm corresponde a 1MW.

Sensibilidade máxima de recebimento

Receber sensibilidade refere -se à potência óptica mínima recebida do módulo óptico sob uma determinada taxa e taxa de erro, com unidades de DBM.

Geralmente, quanto maior a taxa, pior a sensibilidade, ou seja, maior a potência óptica mínima recebida e maior os requisitos para os dispositivos finais de recebimento do módulo óptico.

Taxa de extinção

A taxa de extinção é um dos parâmetros importantes usados ​​para medir a qualidade de um módulo óptico.

Refere -se à proporção mínima da potência óptica média do sinal em condições completas de modulação para a potência óptica média do sinal espacial, indicando a capacidade de distinguir entre 0 e 1 sinais. Dois fatores que afetam a taxa de extinção nos módulos ópticos são a corrente de polarização (viés) e a corrente de modulação (MOD), que podem ser considerados como ER=viés/mod.

O valor da taxa de extinção não é necessariamente maior, melhor; Um módulo óptico com uma taxa de extinção que atenda ao padrão 802.3 é bom.

Saturação óptica

Também conhecido como potência óptica de saturação, refere -se à potência óptica máxima de entrada sob uma determinada taxa de transmissão, mantendo uma determinada taxa de erro (10-10-10-12), com unidades de DBM.

Deve -se notar que o fotodetector exibirá um fenômeno de saturação sob forte irradiação da luz. Quando esse fenômeno ocorre, o detector precisa de um certo tempo para se recuperar, durante o qual a sensibilidade do recebimento diminui, e o sinal recebido pode ser mal julgado, causando um fenômeno de erro, e também é muito fácil danificar o detector final de recepção. Portanto, deve -se evitar exceder sua potência óptica de saturação durante o uso.

 

8. cadeia da indústria de módulos ópticos

 

Finalmente, vamos falar brevemente sobre a cadeia da indústria de módulos ópticos.

Atualmente, o mercado de módulos ópticos é muito quente, principalmente por causa do 5G eCentros de dados , como mencionado anteriormente.

 

Os dois aspectos mais caros da construção da rede 5G são estações base e a rede de transporte óptico. Na rede de transporte óptico, o teor de água das fibras ópticas não é muito, mas os módulos ópticos são bastante problemáticos.

No coração dos módulos ópticos, o componente mais caro é o chip. Os chips no laser e fotodetector representam mais da metade do custo.

Quanto ao chip, a situação atual é: os fabricantes estrangeiros têm uma vantagem em chips de ponta, enquanto os fabricantes domésticos têm uma vantagem nos chips de médio a ponta. No entanto, os fabricantes domésticos estão continuamente fazendo avanços no mercado de ponta. A margem de lucro dos chips de ponta é maior que a de Low-end, o que é óbvio.

No geral, existem mais de 1000 empresas de comunicação óptica na China, mas as margens de lucro são todas muito baixas. Além disso, na estrutura da cadeia industrial, os fabricantes de equipamentos de frente (Huawei, ZTE), as empresas de comunicação óptica também são relativamente "humildes" e não têm poder de barganha.

A concorrência do setor é feroz e novos produtos, produtos de ponta, têm mais lucro, mas com o tempo, o lucro diminuirá.

Enfim, é aproximadamente assim.