¿Qué es un módulo óptico?
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Cuando se trata de módulos ópticos, estoy seguro de que todos están bastante familiarizados con ellos. Con el rápido desarrollo de la comunicación óptica, muchos escenarios en nuestro trabajo y la vida ahora han logrado "fibra que reemplaza el cobre". Es decir, comunicación de medio metal representada por cables coaxiales ycables de redse está reemplazando gradualmente por medios de fibra óptica. Los módulos ópticos son un componente central defibra ópticaSistemas de comunicación.
1. Composición de módulos ópticos
El módulo óptico, conocido como transceptor óptico en inglés, es un término general para varias categorías de módulos, incluidos módulos de receptores ópticos, módulos de transmisor óptico, módulos de transceptor óptico y módulos de reenvío óptico.
Hoy, cuando hablamos de módulos ópticos, generalmente nos referimos a transceptores ópticos (y este será el caso a lo largo del texto).
Los módulos ópticos funcionan en la capa física, que es la capa inferior del modelo OSI. Su función es bastante simple: logra la conversión fotoeléctrica. Convierte señales ópticas en señales eléctricas y señales eléctricas en señales ópticas.
Aunque parece simple, el contenido técnico en el proceso de implementación no es bajo.
Un módulo óptico típicamente consiste en un transmisor óptico (Tosa, subconjunto óptico del transmisor, que contiene un diodo láser), un receptor óptico (ROSA, subconjunto óptico del receptor, que contiene un fotodetector), circuitos funcionales e interfaces ópticas (electricales).
En el extremo de transmisión, el chip del controlador procesa la señal eléctrica original y luego conduce el diodo láser semiconductor (LD) o el diodo emisor de luz (LED) para emitir una señal óptica modulada.
En el extremo receptor, después de que ingresa la señal óptica, se convierte en una señal eléctrica por un fotodetector y luego sale después de ser amplificado por un preamplificador.
2. Embalaje de módulos ópticos
Para los principiantes, el aspecto más frustrante de los módulos ópticos son sus nombres de empaque extremadamente complejos y la desconcertante variedad de parámetros.
El embalaje puede entenderse simplemente como un estándar de factor de forma. Es la forma principal de distinguir módulos ópticos.
El rápido desarrollo de la tecnología de comunicación de fibra óptica es la razón principal de la multitud de estándares de envasado.
La velocidad de los módulos ópticos aumenta constantemente, y su tamaño también se reduce, por lo que se introducen nuevos estándares de empaque cada pocos años. La compatibilidad entre los estándares de embalaje antiguos y nuevos suele ser difícil.
Además, los diversos escenarios de aplicación de los módulos ópticos también son una razón para el aumento de los estándares de empaque. Diferentes distancias de transmisión, requisitos de ancho de banda y ubicaciones de uso corresponden a diferentes tipos de fibras ópticas y, por lo tanto, diferentes módulos ópticos.
He enumerado algunos métodos de clasificación de módulos ópticos, incluido el embalaje, como se muestra en la tabla a continuación:
3. Clasificación de módulos ópticos
Antes de explicar el embalaje y la clasificación, presentemos a las organizaciones de estandarización para la comunicación óptica. Porque estos estándares de envasado están determinados por las organizaciones de estandarización.
Actualmente, hay varias organizaciones globales que estandarizan la comunicación óptica, como el conocido IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos), ITU-T (Unión Internacional de Telecomunicaciones), MSA (Acuerdo de Multi Source), OIF (Foro de Objetivos de Internet ópticos), 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 un acuerdo de fuente múltiple. Es una especificación de múltiples proveedores, una forma de organización no oficial en comparación con IEEE, que puede entenderse como un comportamiento de la alianza de la industria.
Ahora, comencemos a introducir empaques.
Primero, puede echar un vistazo a la siguiente imagen, que describe con precisión el período de emergencia de diferentes envases y sus velocidades de trabajo correspondientes.
4. Embalaje común
GBIC
GBIC significa convertidor de interfaz de tasa de bits GIGA. Antes del 2000, GBIC era el empaque del módulo óptico más popular y la forma del módulo Gigabit más utilizada.
SFP
Debido al gran tamaño de GBIC, SFP apareció más tarde y comenzó a reemplazar la posición de GBIC. SFP, el nombre completo de factor de nombre completo enchufable, es un pequeño módulo óptico que se puede ver en caliente. Su pequeño tamaño es relativo al empaque GBIC.
El volumen de SFP se reduce a la mitad en comparación con los módulos GBIC, lo que permite más del doble del número de puertos que se configurarán en el mismo panel. En términos de funcionalidad, ambos admiten el encapotamiento caliente. SFP admite un ancho de banda máximo de 4 Gbps.
XFP
XFP es 10- gigabit pequeño factor de formato encogible. Utiliza un módulo de serie de un solo canal de velocidad con una conexión XFI (interfaz serie de 10 GB), que puede reemplazar Xenpak y sus productos derivados.
SFP
SFP+ también es un módulo óptico de 10 g. Su tamaño es consistente con SFP, más compacto (reducido en aproximadamente un 30%) que XFP, y consume menos potencia (reduce algunas funciones de control de señal).
SFP28
SFP28 con una velocidad de 25 Gbps se debió principalmente a que los precios de los módulos ópticos de 40 g y 100 g eran demasiado altos en ese momento, por lo que se introdujo esta solución de transición de compromiso.
QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP 28- DD
Quad pequeño de formulario pequeño factor enchufable, una interfaz SFP de cuatro canales. Se han aplicado muchas tecnologías clave maduras en XFP a este diseño.
QSFP se puede dividir en 4 × 10g QSFP+, 4 × 25g QSFP28, 8 × 25g QSFP 28- DD Módulos ópticos, etc.
Por ejemplo, QSFP28 es adecuado para puertos de acceso 4x25GE. Usando QSFP28, es posible actualizar de 25 g a 100 g sin pasar por 40 g, simplificando enormemente la dificultad de cableado y la reducción de los costos.
QSFP-DD
Fundada en marzo de 2016, DD significa "doble densidad". Aumenta los cuatro canales deQSFPa ocho canales.
Es compatible con las soluciones QSFP. Todavía se pueden usar los módulos QSFP28 originales, simplemente inserte otro módulo. El número de contactos eléctricos enQSFP-DDes el doble que el de QSFP28.
QSFP-DD utiliza 25 Gbps NRZ o 50 Gbps de formatos de señal PAM4 por canal. Usando PAM4, puede admitir hasta 400 Gbps.
Pam4
PAM4 (modulación de amplitud de 4 pulsos) es una tecnología de "duplicación".
Para los módulos ópticos, si desea lograr la mejora de la velocidad, aumenta el número de canales o aumenta la tasa de un solo canal.
Las señales digitales tradicionales usan principalmente señales NRZ (no retorno a cero), utilizando niveles de señal altos y bajos para representar la información de 1 y 0} de la señal lógica digital, con cada período de símbolo de señal que transmite 1 bit de información lógica.
Las señales PAM4 usan cuatro niveles de señal diferentes para la transmisión, con cada período de símbolo que representa 2 bits de información lógica (0, 1, 2, 3). Bajo el mismo ancho de banda físico del canal, Pam4 transmite el doble de la cantidad de información como señales NRZ, logrando así una duplicación de la tasa.
CFP/CFP2/CFP4/CFP8
Los gigabits de Centum forman un módulo de comunicación óptica de división de longitud de onda densa. La velocidad de transmisión puede alcanzar 100-400 GBPS.
CFP está diseñado en función de la interfaz SFP, con un tamaño más grande, que admite la transmisión de datos de 100 Gbps. CFP puede admitir una sola señal de 100 g, una o varias señales de 40 g.
La diferencia entre CFP, CFP2 y CFP4 se encuentra en su tamaño. El tamaño de CFP2 es la mitad de CFP, y CFP4 es un cuarto de CFP.
CFP8 es un formulario de embalaje propuesto específicamente para 400 g, con un tamaño similar a CFP2. Admite tasas de canal de 25 Gbps y 50 Gbps, logrando tasas del módulo de 400 Gbps a través de interfaces eléctricas de 16x25 g u 8x50.
OSFP
Esto se confunde algo fácilmente con elOSPFProtocolo de enrutamiento.
OSFP,Factor de forma pequeña octal en conflicto, "O" representa "Octal", se lanzó oficialmente en noviembre de 2016.
Está diseñado para usar ocho canales eléctricos para lograr 400GBE (8*56GBE, pero la señal de 56GBE está formada por un láser DML de 25 g bajo la modulación PAM4), ligeramente más grande que QSFP-DD, con motores ópticos y transceptores de mayor viento, y un rendimiento de disipación de calor ligeramente mejor mejor.
Estos son algunos de los estándares comunes de envasado de módulos ópticos.
5. 400 g de módulos ópticos
Como habrá notado, mencioné tres tipos de módulos ópticos que admiten 400 Gbps durante la introducción del empaque: QSFP-DD, CFP8 y OSFP.
400G es actualmente la principal dirección competitiva en la industria de la comunicación óptica. Ahora, 400G también se encuentra en las primeras etapas del uso comercial a gran escala.
Como es bien sabido, debido al lanzamiento a gran escala de la construcción de redes 5G y el rápido desarrollo de la computación en la nube y la construcción de centros de datos a gran escala, la demanda de la industria de las TIC por 400G se ha vuelto cada vez más urgente.
Los módulos ópticos de 400G temprano utilizaron un método de implementación {{1 1}} de carril 25gbps NRZ, utilizando el empaque CDFP o CFP8.
Este método de implementación se beneficia del uso de tecnología madura 25g NRZ desarrollada para módulos ópticos de 100 g. Sin embargo, la desventaja es que requiere 16 carriles de transmisión paralela, lo que resulta en un mayor consumo de energía y un tamaño mayor, lo que no es adecuado para aplicaciones de centros de datos.
Más tarde, Pam4 comenzó a reemplazar NRZ.
En el lado óptico, la transmisión de señal de 400 g se logra principalmente usando 8 carriles de 53 Gbps Pam4 o 4 carriles de 106 Gbps PAM4, y en el lado eléctrico, se utilizan 8 carriles de 53GBPS PAM4 Señales eléctricas, con formaciones OSFP o QSFP-DD.
Comparativamente hablando, el empaque QSFP-DD es más pequeño (similar al envasado tradicional del módulo óptico de 100G QSFP28), que es más adecuado para aplicaciones de centros de datos. El embalaje OSFP es un poco más grande, y dado que puede proporcionar más potencia, es más adecuado para aplicaciones de telecomunicaciones.
Actualmente, los módulos ópticos de 400 g, independientemente de los métodos de empaque, son muy costosos, lejos de cumplir con las expectativas de los usuarios. Por lo tanto, no se pueden popularizar rápidamente.
Otra tecnología notable es Silicon Photonics, comúnmente conocida como Silicon Photonics.
Se considera que Silicon Photonics tiene aplicaciones amplias y una fuerte competitividad en la era de 400G, y está recibiendo mucha atención de muchas empresas e instituciones de investigación.
6. Conceptos clave de módulos ópticos
Después de mencionar brevemente 400G, continuemos con la clasificación de módulos ópticos.
Según el embalaje, combinado con algunos parámetros, habrá el nombramiento de módulos ópticos.
Tomemos 100 g, por ejemplo, a menudo vemos los siguientes tipos de módulos ópticos:
Los estándares que comienzan con 100GBase son propuestos por el Grupo de Trabajo IEEE 802.3. PSM4 y CWDM4 son de MSA.
PSM4 (carriles paralelos de modo único 4, cuatro canales de modo único paralelo)
CWDM4 (Multiplexor de división de longitud de onda gruesa 4 carriles, multiplexación de división de longitud de onda gruesa de cuatro canales)
Veamos el nombramiento de IEEE 802.3:
Como se muestra en la figura anterior:
En el nombre 100GBase-LR4, LR significa alcance largo, es decir, 10 km y 4 significa cuatro canales, es decir, 4*25 g, combinados para formar un módulo óptico de 100 g que puede transmitir 10 km.
Las reglas de nombres para -r son las siguientes:
La razón por la cual son 100GBase de IEEE y PSM4 y CWDM4 de MSA es que la distancia respaldada por 100GBase-SR4 era demasiado corta y no podía satisfacer todas las necesidades de interconexión, mientras que el costo de 100GBase-LR4 era demasiado alto. PSM4 y CWDM4 proporcionaron mejores soluciones de distancia media.
Además de la distancia y el número de canales, echemos un vistazo a la longitud de onda central.
La longitud de onda de la luz determina directamente sus características físicas. Actualmente, las longitudes de onda centrales de la luz utilizadas en las fibras ópticas son principalmente de 850 nm, 1310 nm y 1550 nm (NM significa nanómetros).
Entre ellos, 850 nm se usan principalmente para multimodo, y 1310 nm y 1550 nm se usan principalmente para modo único.
Para obtener más detalles sobre modo único y multimodo, consulte nuestra discusión anterior sobre fibras ópticas.
Para modo único y multimodo, si el módulo desnudo no está marcado, es fácil de confundir.
Por lo tanto, los fabricantes generalmente los distinguen por el color del anillo de extracción:
Tire del anillo de azul y amarillo
Aquí también mencionamos WDM CWDM y DWDM, que a menudo debes ver.
WDM significa multiplexación por división de longitud de onda. En pocas palabras, multiplica diferentes señales ópticas de longitud de onda en la misma fibra óptica para la transmisión.
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 luz (valor fijo), por lo que dividir por la longitud de onda en realidad se divide por frecuencia. En la comunicación óptica, las personas están acostumbradas a nombrar por longitud de onda.
DWDM es denso WDM, y CWDM es WDM grueso. A partir de los nombres, debe comprender que el intervalo de longitud de onda en D-WDM es más pequeño.
La ventaja de WDM es de gran capacidad y se puede transmitir a largas distancias.
Por cierto, Bidi (bidireccional) es unidireccional, una fibra óptica, transmisión bidireccional y recepción. El principio de trabajo se muestra en la figura a continuación.
En realidad está agregando un filtro. Las longitudes de onda para la transmisión y la recepción son diferentes, lo que permite la transmisión y la recepción simultánea.
7. Indicadores básicos de módulos ópticos
Los indicadores básicos de los módulos ópticos incluyen principalmente lo siguiente:
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 de envío del módulo óptico. Se puede entender como la intensidad de la luz, con unidades de W o MW o DBM. Entre ellos, W o MW son unidades lineales, y DBM son unidades logarítmicas. En la comunicación, generalmente usamos DBM para representar la potencia óptica.
Una reducción de 3DB en la potencia óptica significa que está a la mitad, y 0 dbm corresponde a 1MW.
Sensibilidad de recepción máxima
La sensibilidad de recibir se refiere a la potencia óptica mínima recibida del módulo óptico bajo una cierta tasa y tasa de error, con unidades de DBM.
En general, cuanto mayor sea la tasa, peor será la sensibilidad receptora, es decir, mayor será la potencia óptica mínima y mayor será los requisitos para los dispositivos finales receptores del módulo óptico.
Relación de extinción
La relación de extinción es uno de los parámetros importantes utilizados para medir la calidad de un módulo óptico.
Se refiere a la relación mínima de la potencia óptica promedio de la señal en condiciones de modulación completa a la potencia óptica promedio de la señal espacial, lo que indica la capacidad de distinguir entre las señales 0 y 1. Dos factores que afectan la relación de extinción en los módulos ópticos son la corriente de sesgo (sesgo) y la corriente de modulación (mod), que puede considerarse como ER=BIAS/mod.
El valor de la relación de extinción no es necesariamente más alto, mejor; Un módulo óptico con una relación de extinción que cumple con el estándar 802.3 es bueno.
Saturación óptica
También conocido como potencia óptica de saturación, se refiere a la potencia óptica de entrada máxima bajo una cierta velocidad de transmisión mientras se mantiene una cierta tasa de error (10-10-10-12), con unidades de DBM.
Cabe señalar que el fotodetector exhibirá un fenómeno de saturación bajo una fuerte irradiación de luz. Cuando se produce este fenómeno, el detector necesita un cierto tiempo para recuperarse, durante el cual la sensibilidad de recepción disminuye, y la señal recibida puede ser juzgada mal, causando un fenómeno de error, y también es muy fácil dañar el detector final receptivo. Por lo tanto, debe evitarse exceder su potencia óptica de saturación durante el uso.
8. Cadena de la industria de módulos ópticos
Finalmente, hablemos brevemente sobre la cadena de la industria de los módulos ópticos.
Actualmente, el mercado de módulos ópticos es muy candente, principalmente debido a 5G ycentros de datos, como se mencionó anteriormente.
Los dos aspectos más costosos de la construcción de la red 5G son las estaciones base y la red de transporte óptico. En la red de transporte óptico, el contenido de agua de las fibras ópticas no es mucho, pero los módulos ópticos son bastante problemáticos.
En el corazón de los módulos ópticos, el componente más caro es el chip. Los chips en el láser y el fotodetector representan más de la mitad del costo.
En cuanto al chip, la situación actual es: los fabricantes extranjeros tienen una ventaja en los chips de alta gama, mientras que los fabricantes nacionales tienen una ventaja en los chips de mediana a menos. Sin embargo, los fabricantes nacionales están realizando continuamente avances en el mercado de alta gama. El margen de beneficio de los chips de alta gama es mayor que el de la gama baja, lo cual es obvio.
En general, hay más de 1000 compañías de comunicación óptica en China, pero los márgenes de ganancias son muy bajos. Además, en la estructura de la cadena industrial, los fabricantes de equipos enfrentados (Huawei, ZTE), las empresas de comunicación óptica también son relativamente "humildes" y no tienen poder de negociación.
La competencia de la industria es feroz, y los nuevos productos, productos de alta gama, tienen más ganancias, pero con el tiempo, las ganancias se reducirán.
De todos modos, es más o menos así.
