¿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 las comunicaciones ópticas, muchos escenarios en nuestro trabajo y vida han logrado que "la fibra reemplace al cobre". Es decir, medio metálico comunicación representado por cables coaxiales ycables de redestá siendo reemplazado gradualmente por medios de fibra óptica.Módulos ópticosson un componente central defibra ópticasistemas de comunicación.
1. Composición de los módulos ópticos
El módulo óptico, conocido como Transceptor Óptico en inglés, es un término general para varias categorías de módulos, incluidos módulos receptores ópticos, módulos transmisores ópticos, módulos transceptores ópticos y módulos de reenvío óptico.
Hoy en día, cuando hablamos de módulos ópticos, normalmente nos referimos a transceptores ópticos (y así será a lo largo del texto).
Los módulos ópticos operan en la capa física, que es la capa inferior del modelo OSI. Su función es bastante sencilla: consigue la conversión fotoeléctrica. Convierte señales ópticas en señales eléctricas y señales eléctricas en señales ópticas.
Aunque parezca sencillo, el contenido técnico en el proceso de implementación no es bajo.
Un módulo óptico normalmente consta de un transmisor óptico (TOSA, Sub{0}}conjunto óptico del transmisor, que contiene un diodo láser), un receptor óptico (ROSA, Sub-conjunto óptico del receptor, que contiene un fotodetector), circuitos funcionales e interfaces ópticas (eléctricas).
En el extremo transmisor, el chip controlador procesa la señal eléctrica original y luego activa el diodo láser semiconductor (LD) o el diodo emisor de luz (LED) para emitir una señal óptica modulada.
En el extremo receptor, una vez que ingresa la señal óptica, un fotodetector la convierte en una señal eléctrica y luego se emite después de ser amplificada 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 factor de forma estándar. Es la forma principal de distinguir los módulos ópticos.
El rápido desarrollo de la tecnología de comunicación por fibra óptica es la razón principal de la multitud de estándares de embalaje.
La velocidad de los módulos ópticos aumenta constantemente y su tamaño también se reduce, por lo que cada pocos años se introducen nuevos estándares de embalaje. La compatibilidad entre los estándares de embalaje nuevos y antiguos suele ser difícil.
Además, los diversos escenarios de aplicación de los módulos ópticos también son una razón para el aumento de los estándares de embalaje. Diferentes distancias de transmisión, requisitos de ancho de banda y ubicaciones de uso corresponden a diferentes tipos de fibras ópticas y, por tanto, a diferentes módulos ópticos.
He enumerado algunos métodos de clasificación de módulos ópticos, incluido el embalaje, como se muestra en la siguiente tabla:
3. Clasificación de Módulos Ópticos
Antes de explicar el empaquetado y la clasificación, presentemos las organizaciones de estandarización para la comunicación óptica. Porque estos estándares de embalaje están determinados por organizaciones de estandarización.
Actualmente, existen varias organizaciones globales que estandarizan las comunicaciones ópticas, como el conocido-IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos), ITU-T (Unión Internacional de Telecomunicaciones), MSA (Multi Source Agreement), OIF (Optical Internetworking Forum), CCSA (China Communications Standards Association), etc.
Los más utilizados en la industria son IEEE y MSA.
Quizás no estés familiarizado con MSA. Su nombre en inglés es Acuerdo de fuentes múltiples. Es una especificación de múltiples-proveedores, una forma de organización no-oficial en comparación con IEEE, que puede entenderse como un comportamiento de alianza industrial.
Ahora comencemos a presentar el embalaje.
En primer lugar, puedes echar un vistazo a la siguiente imagen, que describe con precisión el período de aparición de diferentes envases y sus correspondientes velocidades de trabajo.
4. Embalaje común
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 la forma de módulo gigabit más utilizada.
SFP
Debido al gran tamaño del GBIC, la SFP apareció más tarde y comenzó a reemplazar la posición del GBIC. SFP, el nombre completo Small Form-factor Pluggable, es un pequeño módulo óptico-conectable en caliente. Su pequeño tamaño es relativo al embalaje GBIC.
El volumen de SFP se reduce a la mitad en comparación con los módulos GBIC, lo que permite configurar más del doble de puertos en el mismo panel. En términos de funcionalidad, ambos admiten conexión en caliente-. SFP admite un ancho de banda máximo de 4 Gbps.
XFP
XFP es un factor conectable de 10-formato pequeño Gigabit-. Utiliza un módulo serial de un solo canal de velocidad completa-con una conexión XFI (interfaz serial de 10 Gb), que puede reemplazar a Xenpak y sus productos derivados.
SFP+
SFP+ también es un módulo óptico 10G. Su tamaño es consistente con SFP, más compacto (reducido aproximadamente un 30%) que XFP y consume menos energía (se redujeron 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 40G y 100G eran demasiado altos en ese momento, por lo que se introdujo esta solución de transición de compromiso.
QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD
Factor de forma-pequeño cuádruple conectable, una interfaz SFP de cuatro-canales. A este diseño se han aplicado muchas tecnologías clave maduras en XFP.
QSFP se puede dividir en módulos ópticos 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD, etc.
Por ejemplo, QSFP28 es adecuado para puertos de acceso 4x25GE. Con QSFP28, es posible actualizar de 25G a 100G sin pasar por 40G, lo que simplifica enormemente la dificultad del cableado y reduce los costos.
QSFP-DD
Fundada en marzo de 2016, DD significa "Doble Densidad". Aumenta los cuatro canales deQSFPa ocho canales.
Es compatible con soluciones QSFP. Los módulos QSFP28 originales aún se pueden utilizar, simplemente inserte otro módulo. El número de contactos eléctricos enQSFP-DDes el doble que el de QSFP28.
QSFP-DD utiliza formatos de señal NRZ de 25 Gbps o PAM4 de 50 Gbps por canal. Usando PAM4, puede admitir velocidades de hasta 400 Gbps.
PAM4
PAM4 (modulación de amplitud de 4 pulsos) es una tecnología de "duplicación".
Para los módulos ópticos, si desea lograr una mejora de la velocidad, puede 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), que utilizan niveles de señal altos y bajos para representar la información 1 y 0 de la señal lógica digital, y cada período de símbolo de señal transmite 1 bit de información lógica.
Las señales PAM4 utilizan cuatro niveles de señal diferentes para la transmisión, y cada período de símbolo representa 2 bits de información lógica (0, 1, 2, 3). Con el mismo ancho de banda físico del canal, PAM4 transmite el doble de información que las señales NRZ, logrando así duplicar la velocidad.
PPC/PPC2/PPC4/PPC8
Centum gigabits Form Pluggable, un módulo de comunicación óptica por división de longitud de onda densa. La velocidad de transmisión puede alcanzar 100-400 Gbps.
CFP está diseñado en base a la interfaz SFP, con un tamaño más grande, que admite transmisión de datos de 100 Gbps. CFP puede admitir una única señal de 100G, una o varias señales de 40G.
La diferencia entre CFP, CFP2 y CFP4 radica en su tamaño. El tamaño de la CFP2 es la mitad de la CFP y el de la CFP4 es una cuarta parte de la CFP.
CFP8 es un formato de envase específicamente propuesto para 400G, con un tamaño similar al CFP2. Admite velocidades de canal de 25 Gbps y 50 Gbps, logrando velocidades de módulo de 400 Gbps a través de interfaces eléctricas de 16x25G u 8x50.
OSFP
Esto se confunde fácilmente con elOSPFprotocolo de enrutamiento.
OSFP,Factor de forma pequeño octal conectable, "O" significa "octal", lanzado oficialmente en noviembre de 2016.
Está diseñado para utilizar ocho canales eléctricos para lograr 400 GbE (8*56 GbE, pero la señal de 56 GbE está formada por un láser DML de 25 G bajo modulación PAM4), ligeramente más grande que QSFP-DD, con motores ópticos y transceptores de mayor-vataje, y un rendimiento de disipación de calor ligeramente mejor.
Estos son algunos de los estándares comunes de empaquetado de módulos ópticos.
5. 400Módulos ópticos G
Como habrás notado, mencioné tres tipos de módulos ópticos que admiten 400 Gbps durante la introducción del paquete: QSFP-DD, CFP8 y OSFP.
400G es actualmente la principal dirección competitiva en la industria de las comunicaciones ópticas. Ahora, 400G también se encuentra en las primeras etapas de uso comercial a gran-escala.
Como es bien sabido, debido al lanzamiento a gran-escala de la construcción de redes 5G y al rápido desarrollo de la computación en la nube y la construcción de centros de datos a gran-escala, la demanda de 400G por parte de la industria de las TIC se ha vuelto cada vez más urgente.
Los primeros módulos ópticos de 400G utilizaban un método de implementación NRZ de 25 Gbps de 16 carriles, utilizando paquetes CDFP o CFP8.
Este método de implementación se beneficia del uso de tecnología madura NRZ de 25G desarrollada para módulos ópticos de 100G. Sin embargo, la desventaja es que requiere 16 carriles de transmisión paralela, lo que resulta en un mayor consumo de energía y un mayor tamaño, lo que no es adecuado para aplicaciones de centros de datos.
Más tarde, PAM4 comenzó a reemplazar a NRZ.
En el lado óptico, la transmisión de señales de 400G se logra principalmente utilizando 8 carriles de PAM4 de 53 Gbps o 4 carriles de PAM4 de 106 Gbps, y en el lado eléctrico, se utilizan 8 carriles de señales eléctricas de PAM4 de 53 Gbps, con formas de empaquetado OSFP o QSFP-DD.
En comparación, el 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 paquete OSFP es un poco más grande y, dado que puede proporcionar más energía, es más adecuado para aplicaciones de telecomunicaciones.
Actualmente, los módulos ópticos de 400G, independientemente del método de embalaje, son muy caros y están lejos de satisfacer las expectativas de los usuarios. Por lo tanto, no pueden popularizarse rápidamente.
Otra tecnología destacable es la fotónica de silicio, comúnmente conocida como fotónica de silicio.
Se considera que la fotónica de silicio tiene amplias aplicaciones y una fuerte competitividad en la era 400G, y está recibiendo mucha atención de muchas empresas e instituciones de investigación.
6. Conceptos clave de módulos ópticos
Después de mencionar brevemente los 400G, sigamos con la clasificación de los módulos ópticos.
Según el embalaje, combinado con algunos parámetros, se denominarán los módulos ópticos.
Tomemos como ejemplo 100G, 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 (modo único paralelo de 4 carriles, modo único-paralelo de cuatro-canales)
CWDM4 (multiplexor por división de longitud de onda gruesa de 4 carriles, multiplexación por división de longitud de onda gruesa de cuatro-canales)
Veamos el nombre de IEEE 802.3:
Como se muestra en la figura anterior:
En el nombre 100GBASE-LR4, LR significa largo alcance, es decir, 10 km, y 4 significa cuatro canales, es decir, 4*25G, combinados para formar un módulo óptico de 100G que puede transmitir 10 km.
Las reglas de nomenclatura para -R son las siguientes:
La razón por la que existen 100GBASE de IEEE y PSM4 y CWDM4 de MSA es que la distancia admitida 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 media-distancia.
Además de la distancia y la cantidad 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 850 nm, 1310 nm y 1550 nm (nm significa nanómetros).
Entre ellos, 850 nm se utilizan principalmente para modo multimodo, y 1310 nm y 1550 nm se utilizan 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 básico no está marcado, es fácil confundirse.
Por lo tanto, los fabricantes generalmente los distinguen por el color del anillo de tracción:
Tirador de anilla azul y amarillo.
Aquí también mencionamos WDM CWDM y DWDM, que debería ver con frecuencia.
WDM significa Multiplexación por división de longitud de onda. En pocas palabras, multiplexa señales ópticas de diferentes longitudes de onda en la misma fibra óptica para su 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 la luz (valor fijo), por lo que dividir por longitud de onda en realidad es dividir por frecuencia. En la comunicación óptica, la gente está acostumbrada a nombrar por longitud de onda.
DWDM es WDM denso y CWDM es WDM grueso. Por los nombres, debes entender que el intervalo de longitud de onda en D-WDM es menor.
La ventaja de WDM es su gran capacidad y puede transmitirse a largas distancias.
Por cierto, BiDi (BiDirectional) es unidireccional, una fibra óptica, transmisión y recepción bidireccional. El principio de funcionamiento se muestra en la siguiente figura.
En realidad, está agregando un filtro. Las longitudes de onda para transmisión y recepción son diferentes, permitiendo transmisión y recepción simultáneas.
7. 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 emisor del módulo óptico. Puede entenderse 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 comunicación, normalmente utilizamos dBm para representar la potencia óptica.
Una reducción de 3 dB en la potencia óptica significa que se reduce a la mitad y 0 dBm 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 cierta tasa y tasa de error, con unidades de dBm.
Generalmente, 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.
Proporción de extinción
El índice de extinción es uno de los parámetros importantes que se utilizan para medir la calidad de un módulo óptico.
Se refiere a la relación mínima entre la potencia óptica promedio de la señal en condiciones de modulación completa y la potencia óptica promedio de la señal espacial, lo que indica la capacidad de distinguir entre señales 0 y 1. Dos factores que afectan la relación de extinción en los módulos ópticos son la corriente de polarización (bias) y la corriente de modulación (Mod), que pueden considerarse como ER=Bias/Mod.
El valor del índice de extinción no es necesariamente mayor cuanto mejor; un módulo óptico con una relación de extinción que cumpla con el estándar 802.3 es bueno.
Saturación óptica
También conocida como potencia óptica de saturación, se refiere a la potencia óptica de entrada máxima bajo una determinada velocidad de transmisión manteniendo una determinada tasa de error (10-10-10-12), con unidades de dBm.
Cabe señalar que el fotodetector mostrará un fenómeno de saturación bajo una fuerte irradiación de luz. Cuando ocurre este fenómeno, el detector necesita un cierto tiempo para recuperarse, durante el cual la sensibilidad de recepción disminuye y la señal recibida puede juzgarse incorrectamente, provocando un fenómeno de error y también es muy fácil dañar el detector del extremo receptor. Por lo tanto, se debe evitar exceder su potencia óptica de saturación durante su uso.
8. Cadena industrial de módulos ópticos
Finalmente, hablemos brevemente sobre la cadena industrial de módulos ópticos.
Actualmente, el mercado de módulos ópticos está muy activo, principalmente debido a 5G ycentros de datos, como se mencionó anteriormente.
Los dos aspectos más costosos de la construcción de una 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 del láser y del fotodetector representan más de la mitad del coste.
En cuanto al chip, la situación actual es la siguiente: los fabricantes extranjeros tienen una ventaja en chips de gama alta-, mientras que los fabricantes nacionales tienen una ventaja en chips de gama media-a-baja-. Sin embargo, los fabricantes nacionales están logrando avances continuos en el mercado de gama alta-. El margen de beneficio de los chips de gama alta-es mayor que el de los de gama baja-, lo cual es obvio.
En total, hay más de 1.000 empresas de comunicaciones ópticas en China, pero los márgenes de beneficio son todos muy bajos. Además, en la estructura de la cadena industrial, frente a los fabricantes de equipos (Huawei, ZTE), las empresas de comunicaciones ópticas también son relativamente "humildes" y no tienen poder de negociación.
La competencia en la industria es feroz y los productos nuevos, los productos-de alta gama, generan más ganancias, pero con el tiempo, las ganancias se reducirán.
De todos modos, es más o menos así.
