Introductie van optische modules

Met de snelle ontwikkeling van optische communicatie hebben veel scènes in ons werk en leven nu de "vooruitgang van het licht en de terugtrekking van koper" gerealiseerd. Met andere woorden, metalen mediacommunicatie, vertegenwoordigd door coaxkabels en netwerkkabels, wordt geleidelijk vervangen door optische vezelmedia.
De optische module is een van de kerncomponenten van het optische vezelcommunicatiesysteem.

Samenstellingsstructuur van optische module

Optische module, de Engelse naam is Optical Module. Optisch betekent "zicht, visie, optica".

Om precies te zijn, de optische module is een algemene term voor verschillende modulecategorieën, waaronder: optische ontvangstmodule, optische zendmodule, geïntegreerde optische transceivermodule en optische doorstuurmodule, enz.

Optische module: zender,Ontvanger,Zendontvanger,Transpomeer

Wat we tegenwoordig gewoonlijk optische modules noemen, verwijst over het algemeen naar geïntegreerde optische zendontvangermodules (hetzelfde geldt hieronder).

Optische modules werken op de fysieke laag, de laagste laag in het OSI-model. De functie ervan is heel eenvoudig, dat wil zeggen het bereiken van foto-elektrische conversie. Zet optische signalen om in elektrische signalen en elektrische signalen in optische signalen.

Hoewel het eenvoudig lijkt, is de technische inhoud van het implementatieproces niet laag.

Een optische module bestaat meestal uit een optisch zendapparaat (TOSA, inclusief een laser), een optisch ontvangstapparaat (ROSA, inclusief een fotodetector), functionele circuits en optische (elektrische) interfaces.

Aan het zendende uiteinde verwerkt de driverchip het oorspronkelijke elektrische signaal en stuurt vervolgens de halfgeleiderlaser (LD) of lichtemitterende diode (LED) aan om een ​​gemoduleerd optisch signaal uit te zenden.

Aan de ontvangende kant wordt het optische signaal, nadat het binnenkomt, door de lichtdetectiediode omgezet in een elektrisch signaal, en het elektrische signaal wordt uitgevoerd nadat het door de voorversterker is gegaan.

Verpakking van optische modules

Voor beginners is het meest frustrerende aan optische modules de extreem complexe pakketnaam en oogverblindende parameters.

Verpakkingen kunnen eenvoudigweg worden opgevat als een stijlstandaard. Het is de belangrijkste manier om optische modules te onderscheiden.

De reden waarom er zoveel verschillende verpakkingsstandaarden voor optische modules zijn, is vooral omdat de ontwikkelingssnelheid van optische vezelcommunicatietechnologie te snel is.

De snelheid van optische modules blijft toenemen en hun omvang blijft krimpen, zodat er om de paar jaar nieuwe verpakkingsnormen zullen verschijnen. Het is vaak moeilijk om compatibel te zijn tussen oude en nieuwe verpakkingsnormen.

Bovendien zijn de toepassingsscenario's van optische modules divers, wat ook een reden is voor de toename van de verpakkingsnormen. Verschillende transmissieafstanden, bandbreedtevereisten en gebruiksplaatsen komen overeen met verschillende soorten optische vezels en optische modules.

Voordat we de verpakking en classificatie uitleggen, introduceren we eerst de standaardisatieorganisatie van optische communicatie. Omdat deze pakketten worden bepaald door standaardisatieorganisaties.

Er zijn momenteel verschillende organisaties over de hele wereld die optische communicatie standaardiseren, zoals het bekende IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ITU-T (International Telecommunication Union), MSA (Multi-Source Agreement) en OIF (Optical Interconnection) . Forum), CCSA (China Communications Standards Association), enz.

De meest gebruikte in de industrie zijn IEEE en MSA.

Het kan zijn dat u niet bekend bent met MSA. De Engelse naam is Multi Source Agreement. Het is een specificatie van meerdere leveranciers. Vergeleken met IEEE wordt het beschouwd als een private en niet-officiële organisatievorm. Het kan worden opgevat als een alliantie van ondernemingen binnen de sector.

Ten eerste zullen we de standaarden negeren die te oud of zeldzaam zijn, en ons concentreren op algemene pakketten.

GBIC

GBIC staat voor Giga Bitrate Interface Converter.

Vóór 2000 was GBIC het populairste optische modulepakket en de meest gebruikte Gigabit-modulevorm.

SFP (Engelstalig)

Omdat GBIC relatief groot is, verscheen SFP later en begon GBIC te vervangen.

SFP, de volledige naam is Small Form-factor Pluggable, een kleine hot-swappable optische module. Het kleine formaat is relatief ten opzichte van het GBIC-pakket.

Het volume van de SFP is gehalveerd vergeleken met de GBIC-module, en er kan meer dan het dubbele aantal poorten op hetzelfde paneel worden geconfigureerd. Qua functionaliteit is er niet veel verschil tussen de twee, en beide ondersteunen hot swapping. SFP ondersteunt een maximale bandbreedte van 4Gbps.

XFP

XFP is een 10-Gigabit Small Form-factor Pluggable. U begrijpt in één oogopslag dat het een 10-Gigabit SFP is.
XFP maakt gebruik van een seriële module met één kanaal op volledige snelheid, verbonden door XFI (seriële interface van 10 Gb) en kan Xenpak en zijn derivaten vervangen.

SFP%2miljard

SFP+, het is een 10G optische module zoals XFP.
De grootte van SFP+ is hetzelfde als die van SFP, en is compacter dan XFP (ongeveer 30% kleiner) en verbruikt minder stroom (waardoor sommige signaalcontrolefuncties worden verminderd).

Bekijk materiaal SFP28

De SFP met een snelheid van 25Gbps kwam vooral doordat de 40G en 100G optische modules destijds te duur waren, dus hebben we zo’n compromis transitieplan gemaakt.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Quad Small Form-factor Plugbare, vierkanaals SFP-interface. Op dit ontwerp zijn veel volwassen sleuteltechnologieën in XFP toegepast.
Afhankelijk van de snelheid kan QSFP worden onderverdeeld in 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD optische modules, enz.
Neem QSFP28 als voorbeeld, deze is geschikt voor 4x25GE-toegangspoorten. Met behulp van QSFP28 kunt u direct upgraden van 25G naar 100G zonder tussenkomst van 40G, waardoor de bedradingsproblemen aanzienlijk worden vereenvoudigd en de kosten worden verlaagd.

QSFP-DD werd opgericht in maart 2016. DD verwijst naar "Double Density". De 4 kanalen van QSFP worden vergroot met één rij kanalen en worden 8 kanalen.
Het is compatibel met de QSFP-oplossing. De originele QSFP28-module kan nog steeds worden gebruikt, sluit gewoon een andere module aan. Het aantal elektrische gouden vingers van QSFP-DD is tweemaal zo groot als dat van QSFP28.

Elk kanaal van QSFP-DD gebruikt het 25Gbps NRZ- of 50Gbps PAM4-signaalformaat. Met behulp van PAM4 kan het een snelheid tot 400 Gbps ondersteunen.
NRZ en PAM4 PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) is een "verdubbelende" technologie.

Als u bij optische modules de snelheid wilt verhogen, moet u het aantal kanalen verhogen of de snelheid van één enkel kanaal verhogen.

Traditionele digitale signalen maken meestal gebruik van NRZ-signalen (Non-Return-to-Zero), dat wil zeggen dat hoge en lage signaalniveaus worden gebruikt om de 1- en 0-informatie van het te verzenden digitale logische signaal weer te geven, en elk signaal symboolperiode kan 1 bit logische informatie verzenden.

Het PAM-signaal gebruikt 4 verschillende signaalniveaus voor signaaloverdracht, en elke symboolperiode kan 2 bits logische informatie vertegenwoordigen (0, 1, 2, 3). Onder dezelfde fysieke bandbreedte van het kanaal verzendt PAM4 tweemaal de hoeveelheid informatie die equivalent is aan het NRZ-signaal, waardoor de snelheid wordt verdubbeld.

GVB/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits-vorm Inplugbare optische communicatiemodule met dichte golflengteverdeling. De transmissiesnelheid kan oplopen tot 100-400Gbps.

CFP is ontworpen op basis van een SFP-interface, die groter is en 100 Gbps datatransmissie ondersteunt. CFP kan een enkel 100G-signaal, een of meer 40G-signalen ondersteunen.

Het verschil tussen CFP, CFP2 en CFP4 ligt in het volume. Het volume van CFP2 is de helft van dat van CFP, en CFP4 is een vierde van dat van CFP.

CFP8 is een verpakkingsvorm die speciaal is voorgesteld voor 400G en de grootte is gelijk aan CFP2. Ondersteunt kanaalsnelheden van 25 Gbps en 50 Gbps en bereikt modulesnelheden van 400 Gbps via 16x25G of 8x50 elektrische interfaces.

OSFP

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, "O" staat voor "octal", werd officieel gelanceerd in november 2016.

Het is ontworpen om 8 elektrische kanalen te gebruiken om 400GbE te bereiken (8*56GbE, maar het 56GbE-signaal wordt gevormd door een 25G DML-laser onder de modulatie van PAM4), met een iets groter formaat dan QSFP-DD, een optische engine met een hoger wattage en transceiver De warmteafvoerprestaties zijn iets beter.

Het bovenstaande zijn enkele algemene verpakkingsnormen voor optische modules.

400G optische module

In dit artikel worden drie soorten optische modules genoemd die 400Gbps ondersteunen, namelijk QSFP-DD, CFP8 en OSFP.
400G is momenteel de belangrijkste concurrentierichting van de optische communicatie-industrie. Nu bevindt 400G zich ook in de beginfase van grootschalig commercieel gebruik.

Zoals we allemaal weten, is de vraag van de ICT-industrie naar 400G door de grootschalige lancering van de aanleg van 5G-netwerken, in combinatie met de snelle ontwikkeling van cloud computing en de batchconstructie van grootschalige datacenters, steeds urgenter geworden.
Vroege 400G optische modules gebruikten een 16-kanaal 25Gbps NRZ-implementatie en waren verpakt in CDFP of CFP8.

Het voordeel van deze implementatie is dat het volwassen 25G NRZ-technologie kan lenen op 100G optische modules. Maar het nadeel is dat er 16 signaalkanalen nodig zijn voor parallelle transmissie, en dat het stroomverbruik en het volume relatief groot zijn, wat niet geschikt is voor datacentertoepassingen.
Later werd PAM4 gebruikt om NRZ te vervangen.

Aan de optische poortzijde worden 8 kanalen van 53Gbps PAM4 of 4 kanalen van 106Gbps PAM4 gebruikt om 400G-signaaloverdracht te realiseren, en aan de elektrische poortzijde worden 8 kanalen van 53Gbps PAM4 elektrische signalen gebruikt, en de pakketvorm van OSFP of QSFP -DD ​​wordt aangenomen.

Ter vergelijking: de QSFP-DD-pakketgrootte is kleiner (vergelijkbaar met het QSFP28-pakket van de traditionele 100G optische module), wat meer geschikt is voor datacentertoepassingen. De OSFP-pakketgrootte is iets groter, omdat deze meer stroom kan verbruiken en dus geschikter is voor telecomtoepassingen.

De huidige 400G optische transceivers zijn, ongeacht het soort pakket waarin ze zitten, erg duur, en er is nog steeds een groot verschil met de verwachtingen van de gebruiker. Daarom is het nog niet mogelijk om snel een alomvattende popularisering door te voeren.

Iets anders dat het vermelden waard is, is licht op basis van silicium, dat vaak siliciumlicht wordt genoemd.

Er wordt aangenomen dat siliciumfotonische technologie brede toepassingsmogelijkheden en concurrentievermogen heeft in het 400G-tijdperk, en trekt momenteel de aandacht van veel bedrijven en onderzoeksinstellingen.

Sleutelconcepten van optische modules

Op basis van het pakket, met enkele parameters, zal er een naam zijn voor de optische module.
Naast de afstand en het aantal kanalen is er ook de middengolflengte.

De golflengte van licht bepaalt rechtstreeks de fysieke eigenschappen ervan. Momenteel heeft het licht dat we in optische vezels gebruiken een centrale golflengte van 850 nm, 1310 nm en 1550 nm (nm is nanometer). Onder hen wordt 850 nm voornamelijk gebruikt voor multimode, en 1310 nm en 1550 nm worden voornamelijk gebruikt voor single mode.

Trouwens, CWDM en DWDM. WDM staat voor Wavelength Division Multiplexing. Simpel gezegd gaat het om het multiplexen van optische signalen van verschillende golflengten naar dezelfde optische vezel voor transmissie. Golflengteverdelingsmultiplex en frequentieverdelingsmultiplexing In feite is golflengteverdelingsmultiplex een soort frequentieverdelingsmultiplexing. Golflengte × frequentie=lichtsnelheid (vaste waarde), dus delen door golflengte is feitelijk delen door frequentie. Bij optische communicatie zijn mensen gewend om te benoemen op golflengte.
DWDM is dichte WDM, dichte WDM. CWDM is schaarse WDM, grove WDM. Uit de naam moet u begrijpen dat het golflengte-interval in D-WDM kleiner is. Het voordeel van WDM is dat het een grote capaciteit heeft en over lange afstanden kan worden verzonden.

Overigens, BiDi, dit concept wordt ook nu veelvuldig genoemd. BiDi (BiDirectional) is een enkele vezel bidirectioneel, één optische vezel, bidirectioneel verzenden en ontvangen. Het werkingsprincipe wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. Er wordt feitelijk een filter toegevoegd. De golflengten van verzenden en ontvangen zijn verschillend, dus gelijktijdig verzenden en ontvangen kan worden bereikt.

Basisindicatoren van optische modules
De basisindicatoren van optische modules omvatten hoofdzakelijk het volgende:

Uitgang optisch vermogen

Het optische uitgangsvermogen verwijst naar het optische uitgangsvermogen van de lichtbron aan het zendende uiteinde van de optische module. Het kan worden opgevat als de intensiteit van het licht, in W of mW of dBm. Waarbij W of mW een lineaire eenheid is en dBm een ​​logaritmische eenheid. In communicatie gebruiken we meestal dBm om optisch vermogen weer te geven.

Het optische vermogen wordt gehalveerd en met 3 dB verminderd. Het optische vermogen van 0dBm komt overeen met 1 mW.

Maximale ontvangstgevoeligheid

Ontvangstgevoeligheid verwijst naar het minimaal ontvangen optische vermogen van de optische module onder een bepaalde snelheid en bitfoutsnelheid, eenheid: dBm.

Over het algemeen geldt dat hoe hoger de snelheid, hoe slechter de ontvangstgevoeligheid, dat wil zeggen hoe groter het minimaal ontvangen optische vermogen, en hoe hoger de vereisten voor de ontvangende eindapparaten van de optische module.

Uitstervingsratio

De uitdovingsratio is een van de belangrijke parameters die worden gebruikt om de kwaliteit van optische modules te meten.

Het verwijst naar de minimumwaarde van de verhouding tussen het gemiddelde optische vermogen van het signaal en het gemiddelde optische vermogen van het nulsignaal onder volledige modulatieomstandigheden, wat het vermogen aangeeft om onderscheid te maken tussen 0- en 1-signalen. Er zijn twee factoren die de uitdovingsverhouding in de optische module beïnvloeden: biasstroom (bias) en modulatiestroom (Mod). Laten we het beschouwen als ER=Bias/Mod.

De waarde van de uitdovingsratio is niet dat hoe groter de optische module is, hoe beter deze is, maar dat de optische module waarvan de uitstervingsratio voldoet aan de 802.3-standaard beter is.

Llichte verzadiging

Dit wordt ook wel verzadigd optisch vermogen genoemd en verwijst naar het maximale optische ingangsvermogen bij het handhaven van een bepaald bitfoutpercentage (10-10 ~ 10-12) bij een bepaalde transmissiesnelheid, eenheid: dBm.

Opgemerkt moet worden dat de fotodetector fotostroomverzadiging zal ervaren wanneer hij wordt blootgesteld aan sterk licht. Wanneer dit fenomeen optreedt, heeft de detector een bepaalde hoeveelheid tijd nodig om te herstellen. Op dit moment neemt de ontvangstgevoeligheid af en kan het ontvangen signaal verkeerd worden beoordeeld. Dit veroorzaakt bitfouten en het is ook heel gemakkelijk om de detector aan het ontvangende uiteinde te beschadigen. Tijdens het gebruik moet u proberen te voorkomen dat het verzadigde optische vermogen wordt overschreden.