Cos'è un modulo ottico?

Quando si tratta di moduli ottici, sono sicuro che tutti li conoscono abbastanza bene. Con il rapido sviluppo della comunicazione ottica, molti scenari nel nostro lavoro e nella nostra vita hanno ora raggiunto la "fibra che sostituisce il rame". Cioè, il mezzo di comunicazione metallico rappresentato da cavi coassiali ecavi di reteviene gradualmente sostituito dalla fibra ottica.Moduli otticisono una componente fondamentale difibra otticasistemi di comunicazione.

 

 

1. Composizione dei moduli ottici

 

Il modulo ottico, noto come ricetrasmettitore ottico in inglese, è un termine generale per varie categorie di moduli, inclusi moduli ricevitori ottici, moduli trasmettitori ottici, moduli ricetrasmettitori ottici e moduli di inoltro ottico.

Oggi, quando si parla di moduli ottici, si intendono solitamente ricetrasmettitori ottici (e sarà così in tutto il testo).

I moduli ottici operano a livello fisico, che è lo strato inferiore del modello OSI. La sua funzione è abbastanza semplice: realizza la conversione fotoelettrica. Converte i segnali ottici in segnali elettrici e i segnali elettrici in segnali ottici.

Anche se sembra semplice, il contenuto tecnico del processo di implementazione non è basso.

 

Un modulo ottico è generalmente costituito da un trasmettitore ottico (TOSA, Transmitter Optical Sub- Assembly, contenente un diodo laser), un ricevitore ottico (ROSA, Receiver Optical Sub- Assembly, contenente un fotorilevatore), circuiti funzionali e interfacce ottiche (elettriche).

 

All'estremità trasmittente, il chip driver elabora il segnale elettrico originale e quindi pilota il diodo laser a semiconduttore (LD) o il diodo a emissione di luce (LED) per emettere un segnale ottico modulato.

All'estremità ricevente, dopo che il segnale ottico è entrato, viene convertito in un segnale elettrico da un fotorilevatore e quindi emesso dopo essere stato amplificato da un preamplificatore.

 

2. Imballaggio dei moduli ottici

 

Per i principianti, l'aspetto più frustrante dei moduli ottici sono i nomi delle confezioni estremamente complessi e la sconcertante gamma di parametri.

Il packaging può essere semplicemente inteso come uno standard di fattore di forma. È il modo principale per distinguere i moduli ottici.

Il rapido sviluppo della tecnologia di comunicazione in fibra ottica è la ragione principale della moltitudine di standard di imballaggio.

La velocità dei moduli ottici è in costante aumento e anche le loro dimensioni si stanno riducendo, quindi ogni pochi anni vengono introdotti nuovi standard di imballaggio. La compatibilità tra i vecchi e i nuovi standard di imballaggio è solitamente difficile.

Inoltre, i diversi scenari applicativi dei moduli ottici sono anche un motivo per l’aumento degli standard di imballaggio. Differenti distanze di trasmissione, requisiti di larghezza di banda e luoghi di utilizzo corrispondono a diversi tipi di fibre ottiche e quindi a diversi moduli ottici.

Ho elencato alcuni metodi di classificazione dei moduli ottici, compreso l'imballaggio, come mostrato nella tabella seguente:

3. Classificazione dei moduli ottici

 

Prima di spiegare l'imballaggio e la classificazione, presentiamo le organizzazioni di standardizzazione per la comunicazione ottica. Perché questi standard di imballaggio sono determinati dalle organizzazioni di standardizzazione.

Attualmente esistono diverse organizzazioni globali che standardizzano la comunicazione ottica, come il noto-IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ITU-T (International Telecommunication Union), MSA (Multi Source Agreement), OIF (Optical Internetworking Forum), CCSA (China Communications Standards Association), ecc.

I più comunemente utilizzati nel settore sono IEEE e MSA.

Potresti non avere familiarità con MSA. Il suo nome inglese è Multi Source Agreement. Si tratta di una specifica multi-vendor, una forma organizzativa non-ufficiale rispetto a IEEE, che può essere intesa come un comportamento di alleanza di settore.

Ora iniziamo a introdurre il packaging.

Innanzitutto, puoi dare un'occhiata all'immagine seguente, che descrive accuratamente il periodo di comparsa dei diversi imballaggi e le relative velocità di lavoro.

 

4. Imballaggio comune

 

GBIC

GBIC sta per Giga Bitrate Interface Converter. Prima del 2000, GBIC era il packaging per moduli ottici più popolare e il modulo gigabit più utilizzato.

SFP

A causa delle grandi dimensioni di GBIC, SFP è apparsa più tardi e ha iniziato a sostituire la posizione di GBIC. SFP, il nome completo Small Form-factor Pluggable, è un piccolo modulo ottico-collegabile a caldo. Le sue dimensioni ridotte sono relative alla confezione GBIC.

Il volume di SFP è ridotto della metà rispetto ai moduli GBIC, consentendo di configurare più del doppio del numero di porte sullo stesso pannello. In termini di funzionalità, entrambi supportano l'hot{1}plugging. SFP supporta una larghezza di banda massima di 4 Gbps.

XFP

XFP è collegabile a 10-Gigabit Small Form-fattore. Utilizza un modulo seriale a canale singolo a piena velocità- con una connessione XFI (interfaccia seriale da 10 Gb), che può sostituire Xenpak e i suoi prodotti derivati.

SFP+

SFP+ è anche un modulo ottico 10G. Le sue dimensioni sono coerenti con SFP, più compatte (ridotte di circa il 30%) rispetto a XFP e consumano meno energia (ridotte alcune funzioni di controllo del segnale).

SFP28

SFP28 con una velocità di 25 Gbps era principalmente dovuto al fatto che i prezzi dei moduli ottici 40G e 100G erano troppo alti in quel momento, quindi è stata introdotta questa soluzione di transizione di compromesso.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Fattore di forma-quadruplo collegabile, un'interfaccia SFP a quattro-canali. A questo progetto sono state applicate molte tecnologie chiave mature in XFP.

QSFP può essere suddiviso in moduli ottici 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD, ecc.

Ad esempio, QSFP28 è adatto per porte di accesso 4x25GE. Utilizzando QSFP28 è possibile passare da 25G a 100G senza passare per 40G, semplificando notevolmente le difficoltà di cablaggio e riducendo i costi.

QSFP-GG

Fondata nel marzo 2016, DD sta per "Double Density". Aumenta i quattro canali diQSFPa otto canali.

È compatibile con le soluzioni QSFP. I moduli QSFP28 originali possono ancora essere utilizzati, basta inserire un altro modulo. Il numero di contatti elettrici accesiQSFP-GGè il doppio di quello del QSFP28.

 

QSFP-DD utilizza formati di segnale NRZ a 25 Gbps o PAM4 a 50 Gbps per canale. Utilizzando PAM4, può supportare velocità fino a 400 Gbps.

PAM4

PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) è una tecnologia di "raddoppio".

Per i moduli ottici, se si desidera ottenere un miglioramento della velocità, è necessario aumentare il numero di canali oppure aumentare la velocità di un singolo canale.

I segnali digitali tradizionali utilizzano principalmente segnali NRZ (Non-Ritorno-a-Zero), utilizzando livelli di segnale alto e basso per rappresentare le informazioni 1 e 0 del segnale logico digitale, con ciascun periodo del simbolo del segnale che trasmette 1 bit di informazione logica.

I segnali PAM4 utilizzano quattro diversi livelli di segnale per la trasmissione, dove ciascun periodo di simbolo rappresenta 2 bit di informazioni logiche (0, 1, 2, 3). Con la stessa larghezza di banda fisica del canale, PAM4 trasmette il doppio della quantità di informazioni dei segnali NRZ, ottenendo così un raddoppio della velocità.

PCP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits Form Pluggable, un modulo di comunicazione ottica a divisione di lunghezza d'onda densa. La velocità di trasmissione può raggiungere 100-400 Gbps.

CFP è progettato sulla base dell'interfaccia SFP, di dimensioni maggiori, che supporta la trasmissione dati a 100 Gbps. CFP può supportare un singolo segnale 100G, uno o più segnali 40G.

La differenza tra CFP, CFP2 e CFP4 risiede nella loro dimensione. La dimensione del CFP2 è la metà del CFP, mentre il CFP4 è un quarto del CFP.

CFP8 è una forma di confezionamento proposta specificatamente per 400G, con dimensioni simili a CFP2. Supporta velocità di canale di 25 Gbps e 50 Gbps, raggiungendo velocità di modulo di 400 Gbps attraverso interfacce elettriche 16x25G o 8x50.

OSFP

Questo è un po' facilmente confuso con ilOSPFprotocollo di instradamento.

OSFP,Collegabile con fattore di forma ridotto ottale, "O" sta per "ottale", lanciato ufficialmente nel novembre 2016.

È progettato per utilizzare otto canali elettrici per raggiungere 400GbE (8*56GbE, ma il segnale 56GbE è formato da un laser DML da 25G con modulazione PAM4), leggermente più grande di QSFP-DD, con motori ottici e ricetrasmettitori di wattaggio più elevato-e prestazioni di dissipazione del calore leggermente migliori.

Questi sono alcuni degli standard comuni di confezionamento dei moduli ottici.

 

5. 400Moduli ottici G

 

Come avrai notato, durante l'introduzione del pacchetto ho menzionato tre tipi di moduli ottici che supportano 400 Gbps: QSFP-DD, CFP8 e OSFP.

400G è attualmente la principale direzione competitiva nel settore delle comunicazioni ottiche. Ora, anche il 400G è nelle prime fasi di utilizzo commerciale su larga-scala.

Come è noto, a causa del lancio su larga scala-della costruzione della rete 5G e del rapido sviluppo del cloud computing e della costruzione di data center su larga-scala, la domanda di 400G da parte del settore ICT è diventata sempre più urgente.

I primi moduli ottici 400G utilizzavano un metodo di implementazione NRZ a 16 corsie e 25 Gbps, utilizzando il packaging CDFP o CFP8.

Questo metodo di implementazione beneficia dell'uso della matura tecnologia NRZ 25G sviluppata per moduli ottici 100G. Tuttavia, lo svantaggio è che richiede 16 corsie di trasmissione parallela, con conseguente maggiore consumo energetico e dimensioni maggiori, il che non è adatto per le applicazioni nei data center.

Successivamente, PAM4 iniziò a sostituire NRZ.

Sul lato ottico, la trasmissione del segnale 400G viene ottenuta principalmente utilizzando 8 corsie di PAM4 da 53 Gbps o 4 corsie di PAM4 da 106 Gbps, mentre sul lato elettrico vengono utilizzate 8 corsie di segnali elettrici PAM4 da 53 Gbps, con forme di confezionamento OSFP o QSFP-DD.

In confronto, il packaging QSFP-DD è più piccolo (simile al tradizionale packaging QSFP28 del modulo ottico 100G), più adatto per le applicazioni dei data center. Il packaging OSFP è leggermente più grande e, poiché può fornire più potenza, è più adatto per le applicazioni di telecomunicazione.

Attualmente i moduli ottici 400G, indipendentemente dalle modalità di confezionamento, sono molto costosi e ben lungi dal soddisfare le aspettative degli utenti. Pertanto, non possono essere rapidamente resi popolari.

 

Un'altra tecnologia degna di nota è la fotonica del silicio, comunemente nota come fotonica del silicio.

 

Si ritiene che la fotonica del silicio abbia ampie applicazioni e una forte competitività nell’era 400G e sta ricevendo molta attenzione da molte aziende e istituti di ricerca.

 

6. Concetti chiave dei moduli ottici

 

Dopo aver accennato brevemente al 400G, proseguiamo con la classificazione dei moduli ottici.

In base al packaging, abbinato ad alcuni parametri, ci sarà la denominazione dei moduli ottici.

Prendiamo ad esempio 100G, spesso vediamo i seguenti tipi di moduli ottici:

Gli standard che iniziano con 100GBASE sono proposti dal gruppo di lavoro IEEE 802.3. PSM4 e CWDM4 provengono da MSA.

PSM4 (modalità singola parallela a 4 corsie, modalità singola parallela a quattro-canali)

CWDM4 (multiplexer a divisione di lunghezza d'onda grossolana a 4 corsie, multiplexing a divisione di lunghezza d'onda grossolana a quattro-canali)

Diamo un'occhiata alla denominazione di IEEE 802.3:

Come mostrato nella figura sopra:

Nel nome 100GBASE-LR4, LR significa lunga portata, ovvero 10Km, e 4 significa quattro canali, ovvero 4*25G, combinati insieme per formare un modulo ottico 100G in grado di trasmettere 10Km.

Le regole di denominazione per -R sono le seguenti:

Il motivo per cui esistono 100GBASE di IEEE e PSM4 e CWDM4 di MSA è che la distanza supportata da 100GBASE-SR4 era troppo breve e non poteva soddisfare tutte le esigenze di interconnessione, mentre il costo di 100GBASE-LR4 era troppo alto. PSM4 e CWDM4 hanno fornito soluzioni migliori-a media distanza.

Oltre alla distanza e al numero di canali, diamo un'occhiata alla lunghezza d'onda centrale.

La lunghezza d'onda della luce determina direttamente le sue caratteristiche fisiche. Attualmente, le lunghezze d'onda centrali della luce utilizzate nelle fibre ottiche sono principalmente 850 nm, 1310 nm e 1550 nm (nm sta per nanometri).

Tra questi, 850 nm sono utilizzati principalmente per la modalità multimodale, mentre 1310 nm e 1550 nm sono utilizzati principalmente per la modalità singola.

Per maggiori dettagli su modalità singola e multimodale, fare riferimento alla nostra precedente discussione sulle fibre ottiche.

Per la modalità singola e multimodale, se il modulo nudo non è contrassegnato, è facile confondere.

Pertanto, i produttori generalmente li distinguono in base al colore dell'anello di trazione:

Tirare l'anello blu e giallo

 

Qui citiamo anche WDM CWDM e DWDM, che dovreste vedere spesso.

WDM sta per Multiplexing a divisione di lunghezza d'onda. In poche parole, multipla segnali ottici di diversa lunghezza d'onda nella stessa fibra ottica per la trasmissione.

In effetti, il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda è una sorta di multiplexing a divisione di frequenza. Lunghezza d'onda × frequenza=velocità della luce (valore fisso), quindi dividere per la lunghezza d'onda è in realtà dividere per la frequenza. Nella comunicazione ottica, le persone sono abituate a nominare in base alla lunghezza d'onda.

DWDM è WDM denso e CWDM è WDM grossolano. Dai nomi dovresti capire che l'intervallo di lunghezze d'onda in D-WDM è più piccolo.

Il vantaggio del WDM è la grande capacità e la possibilità di trasmissione su lunghe distanze.

A proposito, BiDi (BiDirectional) è unidirezionale, una fibra ottica, trasmissione e ricezione bidirezionali. Il principio di funzionamento è mostrato nella figura seguente.

In realtà sta aggiungendo un filtro. Le lunghezze d'onda per la trasmissione e la ricezione sono diverse, consentendo trasmissione e ricezione simultanee.

 

7. Indicatori di base dei moduli ottici

 

Gli indicatori di base dei moduli ottici includono principalmente quanto segue:

Potenza ottica in uscita

La potenza ottica in uscita si riferisce alla potenza ottica in uscita della sorgente luminosa all'estremità di invio del modulo ottico. Può essere intesa come l'intensità della luce, con unità di W o mW o dBm. Tra questi, W o mW sono unità lineari e dBm sono unità logaritmiche. Nella comunicazione, solitamente usiamo dBm per rappresentare la potenza ottica.

Una riduzione di 3dB della potenza ottica significa che è dimezzata e 0dBm corrisponde a 1mW.

Massima sensibilità di ricezione

La sensibilità di ricezione si riferisce alla potenza ottica minima ricevuta dal modulo ottico con una determinata frequenza e tasso di errore, con unità di dBm.

In generale, maggiore è la velocità, peggiore è la sensibilità di ricezione, ovvero maggiore è la potenza ottica minima ricevuta e maggiori sono i requisiti per i dispositivi terminali di ricezione del modulo ottico.

Rapporto di estinzione

Il rapporto di estinzione è uno dei parametri importanti utilizzati per misurare la qualità di un modulo ottico.

Si riferisce al rapporto minimo tra la potenza ottica media del segnale in condizioni di modulazione completa e la potenza ottica media del segnale spaziale, indicando la capacità di distinguere tra segnali 0 e 1. Due fattori che influenzano il rapporto di estinzione nei moduli ottici sono la corrente di polarizzazione (bias) e la corrente di modulazione (Mod), che può essere considerata come ER=Bias/Mod.

Il valore del rapporto di estinzione non è necessariamente più alto, meglio è; va bene un modulo ottico con un rapporto di estinzione che rispetti lo standard 802.3.

Saturazione ottica

Conosciuta anche come potenza ottica di saturazione, si riferisce alla massima potenza ottica in ingresso con una determinata velocità di trasmissione mantenendo un determinato tasso di errore (10-10-10-12), con unità di dBm.

Va notato che il fotorivelatore presenterà un fenomeno di saturazione sotto una forte irradiazione luminosa. Quando si verifica questo fenomeno, il rilevatore necessita di un certo tempo per riprendersi, durante il quale la sensibilità di ricezione diminuisce e il segnale ricevuto potrebbe essere valutato erroneamente, causando un fenomeno di errore ed è anche molto facile danneggiare il rilevatore terminale di ricezione. Pertanto, è opportuno evitare di superare la saturazione della potenza ottica durante l'uso.

 

8. Catena industriale dei moduli ottici

 

Parliamo infine brevemente della filiera dei moduli ottici.

Attualmente, il mercato dei moduli ottici è molto caldo, principalmente a causa del 5G ecentri dati, come accennato in precedenza.

 

I due aspetti più costosi della costruzione della rete 5G sono le stazioni base e la rete di trasporto ottico. Nella rete di trasporto ottico, il contenuto di acqua delle fibre ottiche non è elevato, ma i moduli ottici sono piuttosto fastidiosi.

Nel cuore dei moduli ottici, il componente più costoso è il chip. I chip del laser e del fotorilevatore rappresentano più della metà del costo.

Per quanto riguarda i chip, la situazione attuale è la seguente: i produttori stranieri hanno un vantaggio sui chip di fascia alta-, mentre i produttori nazionali hanno un vantaggio sui chip di fascia medio-e-bassa-. Tuttavia, i produttori nazionali continuano a compiere progressi nel mercato di fascia alta-. Il margine di profitto dei chip di fascia alta-è superiore a quello dei chip di fascia-bassa, il che è ovvio.

Complessivamente in Cina esistono oltre 1000 aziende di comunicazione ottica, ma i margini di profitto sono tutti molto bassi. Inoltre, nella struttura della catena industriale, si trovano di fronte i produttori di apparecchiature (Huawei, ZTE), anche le società di comunicazione ottica sono relativamente "umili" e non hanno potere contrattuale.

La competizione nel settore è feroce e i nuovi prodotti,-di fascia alta, generano maggiori profitti, ma col tempo i profitti diminuiranno.

Comunque più o meno è così.