Cos'è un modulo ottico?

Quando si tratta di moduli ottici, sono sicuro che tutti li hanno abbastanza familiarità con loro. Con il rapido sviluppo della comunicazione ottica, molti scenari nel nostro lavoro e nella vita hanno ora raggiunto "fibra in sostituzione di rame". Cioè, comunicazione medio metallica rappresentata da cavi coassiali eCavi di reteviene gradualmente sostituito da un supporto in fibra ottica. I moduli ottici sono un 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, tra cui moduli del ricevitore ottico, moduli di trasmettitore ottico, moduli del ricetrasmettitore ottico e moduli di inoltro ottico.

Oggi, quando parliamo di moduli ottici, di solito significhiamo ricetrasmettitori ottici (e questo sarà il caso in tutto il testo).

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

Sebbene sembri semplice, il contenuto tecnico nel processo di implementazione non è basso.

 

Un modulo ottico è in genere costituito da un trasmettitore ottico (TOSA, sotto-assomio ottico del trasmettitore, contenente un diodo laser), un ricevitore ottico (ROSA, sotto-assemblaggio ottico del ricevitore, contenente un fotodettatore), circuiti funzionali e interfacce ottiche (elettriche).

 

All'estremità di trasmissione, il chip del driver elabora il segnale elettrico originale e quindi guida 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 fotodettore e quindi in uscita dopo essere stato amplificato da un preamplificatore.

 

2. Packaging di moduli ottici

 

Per i principianti, l'aspetto più frustrante dei moduli ottici sono i loro nomi di imballaggi estremamente complessi e la sconcertante serie di parametri.

L'imballaggio può essere semplicemente compreso come uno standard del 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 riducono, quindi vengono introdotti nuovi standard di imballaggio ogni pochi anni. La compatibilità tra gli standard di imballaggio vecchi e nuovi è generalmente difficile.

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

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

3. Classificazione dei moduli ottici

 

Prima di spiegare l'imballaggio e la classificazione, introduciamo 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 ed Electronics Engineers), ITU-T (International Telecommunication Union), MSA (accordo multiurno), OIF (Forum di Internetworking Optical), CCSA (China Communications Standards Association), ecc.

I più comunemente usati nel settore sono IEEE e MSA.

Potresti non avere familiarità con MSA. Il suo nome in inglese è un accordo multi -fonte. È una specifica multi-vendore, una forma di organizzazione non ufficiale rispetto a IEEE, che può essere intesa come un comportamento di alleanza del settore.

Ora, iniziamo a introdurre l'imballaggio.

Innanzitutto, puoi dare un'occhiata alla seguente immagine, che descrive accuratamente il periodo di emergenza di imballaggi diversi e le loro corrispondenti velocità di lavoro.

 

4. Packaging comune

 

Gbic

GBIC sta per il convertitore dell'interfaccia BIGA Bitrate. Prima del 2000, GBIC era il packaging del modulo ottico più popolare e la forma del modulo gigabit più utilizzata.

SFP

A causa delle grandi dimensioni di GBIC, SFP apparve più tardi e iniziò a sostituire la posizione di GBIC. SFP, il nome completo Piccolo di fattore in forma, è un piccolo modulo ottico 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 la plug hot. SFP supporta una larghezza di banda massima di 4 Gbps.

XFP

XFP è 10- gigabit piccolo fattore di fattore. Utilizza un modulo seriale a canale singolo a velocità completa 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 da 10G. Le sue dimensioni sono coerenti con SFP, più compatto (ridotto di circa il 30%) rispetto a XFP e consuma meno potenza (ridotto alcune funzioni di controllo del segnale).

SFP28

SFP28 con una velocità di 25 Gbps era principalmente perché i prezzi di 40 g e 100 g di moduli ottici erano troppo alti al momento, quindi è stata introdotta questa soluzione di transizione di compromesso.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP 28- dd

Aborabile a forma di piccola forma, un'interfaccia SFP a quattro canali. Molte tecnologie chiave mature in XFP sono state applicate a questo progetto.

QSFP può essere diviso in 4 × 10g QSFP+, 4 × 25g QSFP28, 8 × 25g QSFP 28- DD Moduli ottici, ecc.

Ad esempio, QSFP28 è adatto per le porte di accesso 4x25ge. Utilizzando QSFP28, è possibile aggiornare da 25 g a 100 g senza passare attraverso 40 g, semplificando notevolmente la difficoltà del cablaggio e riducendo i costi.

QSFP-DD

Fondato a marzo 2016, DD sta per "doppia densità". Aumenta i quattro canali diQsfpa otto canali.

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

 

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

PAM4

PAM4 (4 Modulazione dell'ampiezza dell'impulso) è una tecnologia "raddoppiata".

Per i moduli ottici, se si desidera ottenere un miglioramento del tasso, si aumenta il numero di canali o si aumenta il tasso di un singolo canale.

I segnali digitali tradizionali utilizzano principalmente segnali NRZ (non-ritorno a zero), utilizzando livelli di segnale alti e bassi per rappresentare le informazioni 1 e 0} del segnale logico digitale, con ogni periodo di simbolo del segnale che trasmette 1 bit di informazioni logiche.

I segnali PAM4 utilizzano quattro diversi livelli di segnale per la trasmissione, con ciascun periodo di simbolo che rappresenta 2 bit di informazioni logiche (0, 1, 2, 3). Sotto la stessa larghezza di banda fisica del canale, PAM4 trasmette il doppio della quantità di informazioni come segnali NRZ, raggiungendo così un raddoppio del tasso.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum Gigabits Form Pluggable, un denso modulo di comunicazione ottica di lunghezza d'onda. La velocità di trasmissione può raggiungere 100-400 Gbps.

CFP è progettato in base all'interfaccia SFP, con una dimensione maggiore, supportando la trasmissione di dati da 100 Gbps. La CFP può supportare un singolo segnale da 100G, uno o più segnali 40G.

La differenza tra CFP, CFP2 e CFP4 risiede nelle loro dimensioni. Le dimensioni di CFP2 sono la metà di CFP e CFP4 è un quarto di CFP.

CFP8 è un modulo di imballaggio proposto per 400 g, con una dimensione simile a CFP2. Supporta velocità di canale di 25 Gbps e 50 Gbps, raggiungendo tassi di moduli da 400 Gbps attraverso interfacce elettriche da 16x25G o 8x50.

Osfp

Questo è in qualche modo facilmente confuso con ilOSPFProtocollo di routing.

OSFP,Fattore di forma piccola ottale Collegamento, "O" sta per "Octal", lanciato ufficialmente a novembre 2016.

È progettato per utilizzare otto canali elettrici per ottenere 400GBE (8*56GBE, ma il segnale da 56GBE è formato da un laser DML da 25 g in modulazione PAM4), leggermente più grande di QSFP-DD, con motori ottici di ondaggio più alto e performance di dissipazione del calore leggermente migliori.

Questi sono alcuni degli standard comuni di imballaggio del modulo ottico.

 

5. 400G Moduli ottici

 

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

400G è attualmente la principale direzione competitiva nel settore della comunicazione ottica. Ora, 400 g è anche nelle prime fasi dell'uso 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 dell'industria ICT per 400G è diventata sempre più urgente.

I primi 400G moduli ottici hanno usato un metodo di implementazione NRZ 16- corsia 25gbps, utilizzando il packaging CDFP o CFP8.

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

Più tardi, PAM4 iniziò a sostituire NRZ.

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

Comparativamente parlando, il packaging QSFP-DD è più piccolo (simile al tradizionale confezione QSFP28 del modulo ottico da 100 g), che è più adatto per le applicazioni di data center. L'imballaggio OSFP è leggermente più grande e poiché può fornire più potenza, è più adatto per le applicazioni di telecomunicazione.

Attualmente, i moduli ottici da 400 g, indipendentemente dai metodi di confezionamento, sono molto costosi, lungi dall'essere soddisfatti le aspettative degli utenti. Pertanto, non possono essere rapidamente popolari.

 

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

 

La fotonica del silicio è visto come ampie applicazioni e 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 menzionato brevemente 400G, continuiamo con la classificazione dei moduli ottici.

Sulla base dell'imballaggio, combinato con alcuni parametri, ci sarà la denominazione dei moduli ottici.

Prendi 100 g per esempio, vediamo spesso i seguenti tipi di moduli ottici:

Gli standard a partire da 100 GBase sono proposti dal gruppo di lavoro IEEE 802.3. PSM4 e CWDM4 sono di MSA.

PSM4 (corsie parallele a modalità singola 4, a quattro canali paralleli a quattro canali)

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

Diamo un'occhiata alla denominazione di IEEE 802.3:

Come mostrato nella figura sopra:

Nel nome da 100 Gbase-LR4, LR significa portata lunga, cioè, 10 km e 4 significa quattro canali, cioè, 4*25g, combinati insieme per formare un modulo ottico da 100 g in grado di trasmettere 10 km.

Le regole di denominazione per -r sono le seguenti:

Il motivo per cui ci sono 100 GBASE di IEEE e PSM4 e CWDM4 di MSA è che la distanza supportata da 100 Gbase-SR4 era troppo breve e non poteva soddisfare tutte le esigenze di interconnessione, mentre il costo di 100 Gbase-LR4 era troppo alto. PSM4 e CWDM4 hanno fornito migliori soluzioni di 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 850nm, 1310nm e 1550nm (NM sta per nanometri).

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

Per maggiori dettagli su modalità singola e multimodale, consultare la nostra precedente discussione sulle fibre ottiche.

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

Pertanto, i produttori generalmente li distinguono per il colore dell'anello di trazione:

Tira l'anello di blu e giallo

 

Qui menzioniamo anche WDM CWDM e DWDM, che dovresti vedere spesso.

WDM sta per il multiplexing della divisione lunghezza d'onda. In poche parole, multiplex diversi segnali ottici a lunghezza d'onda nella stessa fibra ottica per la trasmissione.

In effetti, il multiplexing della divisione della lunghezza d'onda è una sorta di multiplexing della divisione di frequenza. Lunghezza d'onda × Frequenza=velocità della luce (valore fisso), quindi dividere per lunghezza d'onda si sta effettivamente dividendo per frequenza. Nella comunicazione ottica, le persone sono abituate a nominare per lunghezza d'onda.

DWDM è un WDM denso e CWDM è WDM grossolana. Dai nomi, dovresti capire che l'intervallo di lunghezza d'onda in D-WDM è più piccolo.

Il vantaggio di WDM è grande capacità e può essere trasmesso su lunghe distanze.

A proposito, Bidi (bidirezionale) è unidirezionale, una fibra ottica, trasmissione e ricezione bidirezionale. Il principio di lavoro è mostrato nella figura seguente.

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

 

7. Indicatori di base dei moduli ottici

 

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

Potenza ottica di output

La potenza ottica di output si riferisce alla potenza ottica di output della sorgente di luce all'estremità di invio del modulo ottico. Può essere inteso 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, di solito usiamo DBM per rappresentare il potere ottico.

Una riduzione di 3DB in potenza ottica significa che è dimezzata e 0 dBM corrisponde a 1MW.

Sensibilità alla massima ricezione

La ricezione della sensibilità si riferisce al minimo potere ottico ricevuto del modulo ottico a un determinato tasso e tasso di errore, con unità di DBM.

Generalmente, maggiore è il tasso, peggiore è la sensibilità ricevente, cioè maggiore è il minimo di potenza ottica ricevuta e maggiori sono i requisiti per i dispositivi finali 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 della potenza ottica media del segnale in condizioni di modulazione completa alla potenza ottica media del segnale di spazio, indicando la capacità di distinguere tra 0 e 1 segnali. Due fattori che influenzano il rapporto di estinzione nei moduli ottici sono la corrente di polarizzazione (bias) e la corrente di modulazione (mod), che possono essere considerate come er=bias/mod.

Il valore del rapporto di estinzione non è necessariamente più elevato, meglio è; Un modulo ottico con un rapporto di estinzione che soddisfa lo standard 802.3 è buono.

Saturazione ottica

Conosciuto anche come potenza ottica di saturazione, si riferisce alla massima potenza ottica di input sotto una certa velocità di trasmissione mantenendo un determinato tasso di errore (10-10-10-12), con unità di DBM.

Va notato che il fotoDetettore mostrerà un fenomeno di saturazione sotto una forte irradiazione di luce. Quando si verifica questo fenomeno, il rivelatore ha bisogno di un certo tempo per il recupero, durante il quale diminuisce la sensibilità ricevente e il segnale ricevuto può essere giudicato erroneamente, causando un fenomeno di errore, ed è anche molto facile danneggiare il rivelatore finale ricevente. Pertanto, dovrebbe essere evitato di superare la sua potenza ottica di saturazione durante l'uso.

 

8. Catena industriale di moduli ottici

 

Infine, parliamo breve della catena industriale di moduli ottici.

Attualmente, il mercato dei moduli ottici è molto caldo, principalmente a causa del 5G edata center, 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 d'acqua delle fibre ottiche non è molto, ma i moduli ottici sono abbastanza problematici.

Al centro dei moduli ottici, il componente più costoso è il chip. I chip nel laser e nel fotodettore rappresentano oltre la metà del costo.

Per quanto riguarda il chip, la situazione attuale è: i produttori stranieri hanno un vantaggio nei chip di fascia alta, mentre i produttori domestici hanno un vantaggio nei chip di fascia media. Tuttavia, i produttori domestici stanno continuamente facendo scoppite nel mercato di fascia alta. Il margine di profitto dei chip di fascia alta è superiore a quello di fascia bassa, il che è ovvio.

Nel complesso, ci sono oltre 1000 società di comunicazione ottica in Cina, ma i margini di profitto sono tutti molto bassi. Inoltre, nella struttura della catena industriale, i produttori di attrezzature rivoltiHuawei, ZTE), le società di comunicazione ottica sono anche relativamente "umili" e non hanno potere contrattuale.

La concorrenza del settore è feroce e nuovi prodotti, prodotti di fascia alta, hanno maggiori profitti, ma nel tempo il profitto si riducerà.

Comunque, è approssimativamente così.