Introducción al módulo óptico

Con el rápido desarrollo de las comunicaciones ópticas, muchas escenas de nuestro trabajo y de nuestra vida se han dado cuenta del "avance de la luz y el retroceso del cobre". En otras palabras, los medios de comunicación metálicos representados por cables coaxiales y cables de red están siendo reemplazados gradualmente por medios de fibra óptica.
El módulo óptico es uno de los componentes principales del sistema de comunicación por fibra óptica.

Estructura de composición del módulo óptico.

Módulo óptico, el nombre en inglés es Módulo Óptico. Óptico significa "vista, visión, óptica".

Para ser precisos, el módulo óptico es un término general para varias categorías de módulos, que incluyen: módulo receptor óptico, módulo transmisor óptico, módulo integrado transceptor óptico y módulo de reenvío óptico, etc.

Módulo óptico: Transmisor,Receptor,Transceptor,transpondedor

Lo que hoy llamamos módulos ópticos generalmente se refiere a módulos transceptores ópticos integrados (lo mismo se aplica a continuación).

Los módulos ópticos funcionan en la capa física, que es la capa más baja en el modelo OSI. Su función es muy sencilla, es decir, lograr la conversión fotoeléctrica. Convierta las señales ópticas en señales eléctricas y las señales eléctricas en señales ópticas.

Aunque parezca sencillo, el contenido técnico del proceso de implementación no es bajo.

Un módulo óptico generalmente consta de un dispositivo transmisor óptico (TOSA, incluido un láser), un dispositivo receptor óptico (ROSA, incluido un fotodetector), circuitos funcionales e interfaces ópticas (eléctricas).

En el extremo transmisor, el chip controlador procesa la señal eléctrica original y luego impulsa el láser semiconductor (LD) o el diodo emisor de luz (LED) para emitir una señal óptica modulada.

En el extremo receptor, después de que llega la señal óptica, el diodo de detección de luz la convierte en una señal eléctrica y la señal eléctrica sale después de pasar por el preamplificador.

Embalaje de módulos ópticos.

Para los principiantes, lo más frustrante de los módulos ópticos es su nombre de paquete extremadamente complejo y sus parámetros deslumbrantes.

El packaging puede entenderse simplemente como un estándar de estilo. Es la forma más importante de distinguir los módulos ópticos.

La razón por la que existen tantos estándares de empaquetado diferentes para módulos ópticos es principalmente porque la velocidad de desarrollo de la tecnología de comunicación por fibra óptica es demasiado rápida.

La velocidad de los módulos ópticos sigue aumentando y su tamaño sigue reduciéndose, por lo que cada pocos años se publicarán nuevos estándares de embalaje. A menudo resulta difícil ser compatible entre los estándares de embalaje antiguos y nuevos.

Además, los escenarios de aplicación de los módulos ópticos son diversos, lo que también es una razón para el aumento de los estándares de embalaje. Diferentes tipos de fibras ópticas y módulos ópticos corresponden a diferentes distancias de transmisión, requisitos de ancho de banda y lugares de uso.

Antes de explicar el embalaje y la clasificación, introduzcamos la organización de estandarización de la comunicación óptica. Porque estos paquetes están determinados por organizaciones de estandarización.

Actualmente existen varias organizaciones en todo el mundo que estandarizan las comunicaciones ópticas, como las conocidas IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos), ITU-T (Unión Internacional de Telecomunicaciones), MSA (Acuerdo de Fuentes Múltiples) y OIF (Interconexión Óptica). . Foro), CCSA (Asociación de Normas de Comunicaciones de China), etc.

Los más utilizados en la industria son IEEE y MSA.

Es posible que no esté familiarizado con MSA. Su nombre en inglés es Acuerdo de fuentes múltiples. Es una especificación de múltiples proveedores. En comparación con IEEE, se considera una forma organizativa privada y no oficial. Puede entenderse como una alianza de empresas dentro de la industria.

En primer lugar, ignoraremos aquellas normas que son demasiado antiguas o raras y nos centraremos en paquetes comunes.

GBIC

GBIC significa Convertidor de interfaz de velocidad de bits Giga.

Antes del año 2000, GBIC era el paquete de módulos ópticos más popular y el formato de módulo Gigabit más utilizado.

SFP

Debido a que GBIC es relativamente grande, SFP apareció más tarde y comenzó a reemplazar al GBIC.

SFP, el nombre completo es Small Form-factor Pluggable, que es un pequeño módulo óptico intercambiable en caliente. Su pequeño tamaño es relativo al paquete GBIC.

El volumen de SFP se reduce a la mitad en comparación con el módulo GBIC y se puede configurar más del doble de puertos en el mismo panel. En términos de funcionalidad, no hay mucha diferencia entre los dos y ambos admiten el intercambio en caliente. SFP admite un ancho de banda máximo de 4 Gbps.

XFP

XFP es un 10-Gigabit conectable de factor de forma pequeño. Puedes entender de un vistazo que es un 10-Gigabit SFP.
XFP utiliza un módulo serial de un solo canal de velocidad completa conectado por XFI (interfaz serial de 10 Gb) y puede reemplazar a Xenpak y sus derivados.

SFP+

SFP+, es un módulo óptico 10G como XFP.
El tamaño de SFP+ es el mismo que el de SFP, es más compacto que XFP (aproximadamente un 30% más pequeño) y consume menos energía (lo que reduce algunas funciones de control de señal).

SFP28

El SFP con una velocidad de 25 Gbps se debió principalmente a que los módulos ópticos de 40G y 100G eran demasiado caros en ese momento, por lo que hicimos un plan de transición de este tipo.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Interfaz SFP de cuatro canales, conectable y de factor de forma pequeño cuádruple. A este diseño se han aplicado muchas tecnologías clave maduras en XFP.
Según la velocidad, QSFP se puede dividir en módulos ópticos 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD, etc.
Tome QSFP28 como ejemplo, es adecuado para puertos de acceso 4x25GE. Con QSFP28, puede actualizar directamente de 25G a 100G sin pasar por 40G, lo que simplifica enormemente la dificultad del cableado y reduce los costos.

QSFP-DD se estableció en marzo de 2016. DD se refiere a "Doble Densidad". Los 4 canales de QSFP aumentan en una fila de canales y se convierten en 8 canales.
Es compatible con la solución QSFP. El módulo QSFP28 original todavía se puede utilizar, simplemente conecte otro módulo. La cantidad de dedos de oro eléctricos de QSFP-DD es el doble que la de QSFP28.

Cada canal de QSFP-DD utiliza el formato de señal NRZ de 25 Gbps o PAM4 de 50 Gbps. Usando PAM4, puede admitir una velocidad de hasta 400 Gbps.
NRZ y PAM4 PAM4 (modulación de amplitud de 4 pulsos) es una tecnología de "duplicación".

Para los módulos ópticos, si desea aumentar la velocidad, debe aumentar la cantidad de canales o aumentar la velocidad de un solo canal.

Las señales digitales tradicionales utilizan principalmente señales NRZ (sin retorno a cero), es decir, los niveles de señal alto y bajo se utilizan para representar la información 1 y 0 de la señal lógica digital que se transmitirá, y cada señal El período del símbolo puede ser Transmitir 1 bit de información lógica.

La señal PAM utiliza 4 niveles de señal diferentes para la transmisión de señales, y cada período de símbolo puede representar 2 bits de información lógica (0, 1, 2, 3). Bajo el mismo ancho de banda físico del canal, PAM4 transmite el doble de información equivalente a la señal NRZ, duplicando así la velocidad.

PPC/PPC2/PPC4/PPC8

Centum gigabits Form Módulo de comunicación óptica enchufable con división de longitud de onda densa. La velocidad de transmisión puede alcanzar 100-400Gbps.

CFP está diseñado sobre la base de la interfaz SFP, que tiene un tamaño más grande y admite transmisión de datos de 100 Gbps. CFP puede admitir una única señal de 100G, una o más señales de 40G.

La diferencia entre CFP, CFP2 y CFP4 radica en el volumen. El volumen de CFP2 es la mitad del de CFP y el de CFP4 es un cuarto del de CFP.

CFP8 es un formato de embalaje especialmente propuesto para 400G, y su tamaño es equivalente al CFP2. Admite velocidades de canal de 25 Gbps y 50 Gbps y logra velocidades de módulo de 400 Gbps a través de interfaces eléctricas de 16x25G u 8x50.

OSFP

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, "O" significa "octal", se lanzó oficialmente en noviembre de 2016.

Está diseñado para utilizar 8 canales eléctricos para alcanzar 400GbE (8*56GbE, pero la señal de 56GbE está formada por un láser DML de 25G bajo la modulación de PAM4), con un tamaño ligeramente mayor que QSFP-DD, un motor óptico de mayor potencia y transceptor El rendimiento de disipación de calor es ligeramente mejor.

Los anteriores son algunos estándares comunes de empaquetado de módulos ópticos.

módulo óptico 400G

Este artículo menciona tres tipos de módulos ópticos que admiten 400 Gbps, a saber, QSFP-DD, CFP8 y OSFP.
400G es actualmente la principal dirección competitiva de la industria de las comunicaciones ópticas. Ahora 400G también se encuentra en la etapa inicial de uso comercial a gran escala.

Como todos sabemos, debido al lanzamiento a gran escala de la construcción de redes 5G, junto con el rápido desarrollo de la computación en la nube y la construcción por lotes de centros de datos a gran escala, la demanda de 400G de la industria de las TIC se ha vuelto cada vez más urgente.
Los primeros módulos ópticos de 400G utilizaban una implementación NRZ de 16-canal de 25 Gbps y estaban empaquetados en CDFP o CFP8.

La ventaja de esta implementación es que puede tomar prestada tecnología NRZ de 25G madura en módulos ópticos de 100G. Pero la desventaja es que se requieren 16 canales de señales para la transmisión en paralelo y el consumo de energía y el volumen son relativamente grandes, lo que no es adecuado para aplicaciones de centros de datos.
Posteriormente, se empezó a utilizar PAM4 en sustitución de NRZ.

En el lado del puerto óptico, se utilizan 8 canales de PAM4 de 53 Gbps o 4 canales de PAM4 de 106 Gbps para realizar la transmisión de señales de 400G, y en el lado del puerto eléctrico, se utilizan 8 canales de señales eléctricas PAM4 de 53 Gbps y la forma de paquete de OSFP o QSFP. -Se adopta DD.

En comparación, el tamaño del paquete QSFP-DD es más pequeño (similar al paquete QSFP28 del módulo óptico tradicional de 100G), lo que es más adecuado para aplicaciones de centros de datos. El tamaño del paquete OSFP es ligeramente mayor porque puede proporcionar un mayor consumo de energía, por lo que es más adecuado para aplicaciones de telecomunicaciones.

Los transceptores ópticos de 400G actuales, sin importar en qué tipo de paquete se encuentren, son muy caros y todavía existe una gran diferencia con las expectativas del usuario. Por lo tanto, todavía no es posible llevar a cabo rápidamente una popularización integral.

Otra cosa que vale la pena mencionar es la luz basada en silicio, que a menudo se menciona como luz de silicio.

Se considera que la tecnología fotónica de silicio tiene amplias perspectivas de aplicación y competitividad en la era 400G, y actualmente está atrayendo la atención de muchas empresas e instituciones de investigación.

Conceptos clave de módulos ópticos

Según el paquete, con algunos parámetros, habrá un nombre para el módulo óptico.
Además de la distancia y el número de canales, también está la longitud de onda central.

La longitud de onda de la luz determina directamente sus propiedades físicas. En la actualidad, la luz que utilizamos en fibras ópticas tiene una longitud de onda central de 850 nm, 1310 nm y 1550 nm (nm es nanómetro). Entre ellos, 850 nm se utilizan principalmente para modo multimodo, y 1310 nm y 1550 nm se utilizan principalmente para modo único.

Por cierto, CWDM y DWDM. WDM significa Multiplexación por división de longitud de onda. En pocas palabras, se trata de multiplexar señales ópticas de diferentes longitudes de onda en la misma fibra óptica para su transmisión. Multiplexación por división de longitud de onda y multiplexación por división de frecuencia De hecho, la multiplexación por división de longitud de onda es un tipo de multiplexación por división de frecuencia. Longitud de onda × frecuencia=velocidad de la luz (valor fijo), por lo que dividir por longitud de onda en realidad es dividir por frecuencia. En las comunicaciones ópticas, la gente está acostumbrada a nombrar por longitud de onda.
DWDM es WDM denso, WDM denso. CWDM es WDM escaso, WDM grueso. Por el nombre debe comprender que el intervalo de longitud de onda en D-WDM es menor. La ventaja de WDM es que tiene gran capacidad y puede transmitirse a largas distancias.

Por cierto, BiDi, este concepto también se menciona con frecuencia ahora. BiDi (BiDirectional) es una fibra única bidireccional, una fibra óptica, envío y recepción bidireccional. El principio de funcionamiento se muestra en la siguiente figura. De hecho, se agrega un filtro. Las longitudes de onda de envío y recepción son diferentes, por lo que se puede lograr el envío y la recepción simultáneos.

Indicadores básicos de módulos ópticos.
Los indicadores básicos de los módulos ópticos incluyen principalmente los siguientes:

Potencia óptica de salida

La potencia óptica de salida se refiere a la potencia óptica de salida de la fuente de luz en el extremo transmisor del módulo óptico. Puede entenderse como la intensidad de la luz, en W o mW o dBm. Donde W o mW es una unidad lineal y dBm es una unidad logarítmica. En comunicaciones, normalmente utilizamos dBm para representar la potencia óptica.

La potencia óptica se atenúa a la mitad y se reduce en 3 dB. La potencia óptica de 0dBm corresponde a 1 mW.

Máxima sensibilidad de recepción

La sensibilidad de recepción se refiere a la potencia óptica mínima recibida del módulo óptico bajo una determinada tasa y tasa de error de bits, unidad: dBm.

En términos generales, cuanto mayor es la velocidad, peor es la sensibilidad de recepción, es decir, mayor es la potencia óptica mínima recibida y mayores son los requisitos para los dispositivos finales receptores del módulo óptico.

Relación de extinción

El índice de extinción es uno de los parámetros importantes que se utilizan para medir la calidad de los módulos ópticos.

Se refiere al valor mínimo de la relación entre la potencia óptica promedio de la señal y la potencia óptica promedio de la señal nula en condiciones de modulación completa, lo que indica la capacidad de distinguir entre señales 0 y 1. Hay dos factores que afectan la relación de extinción en el módulo óptico: corriente de polarización (bias) y corriente de modulación (Mod). Considerémoslo como ER=Bias/Mod.

El valor del índice de extinción no es que cuanto más grande sea el módulo óptico, mejor será, sino que el módulo óptico cuyo índice de extinción cumpla con el estándar 802.3 es mejor.

Lsaturación ligera

También conocida como potencia óptica saturada, se refiere a la potencia óptica de entrada máxima cuando se mantiene una determinada tasa de error de bits (10-10 ~ 10-12) a una determinada velocidad de transmisión, unidad: dBm.

Cabe señalar que el fotodetector experimentará saturación de fotocorriente cuando se exponga a una luz intensa. Cuando ocurre este fenómeno, el detector necesita un cierto tiempo para recuperarse. En este momento, la sensibilidad de recepción disminuye y es posible que se juzgue erróneamente la señal recibida. Provocará errores de bits y también es muy fácil dañar el detector del extremo receptor. Durante el funcionamiento, se debe intentar evitar exceder su potencia óptica saturada.