Optiskā moduļa ievads

Strauji attīstoties optiskajiem sakariem, daudzas mūsu darba un dzīves ainas tagad ir sapratušas "gaismas virzību uz priekšu un vara atkāpšanos". Citiem vārdiem sakot, metāla mediju komunikācijas, ko attēlo koaksiālie kabeļi un tīkla kabeļi, pakāpeniski tiek aizstātas ar optisko šķiedru datu nesējiem.
Optiskais modulis ir viens no optiskās šķiedras sakaru sistēmas galvenajiem komponentiem.

Optiskā moduļa sastāva struktūra

Optiskais modulis, angļu nosaukums ir Optical Module. Optiskais nozīmē "redze, redze, optika".

Precīzāk sakot, optiskais modulis ir vispārīgs termins dažādām moduļu kategorijām, tostarp: optiskais uztveršanas modulis, optiskais raidīšanas modulis, optiskā raiduztvērēja integrētais modulis un optiskais pārsūtīšanas modulis utt.

Optiskais modulis: raidītājs,Uztvērējs,Raiduztvērējs,Transpomderis

Tas, ko mēs parasti saucam par optiskajiem moduļiem, parasti attiecas uz integrētiem optisko raiduztvērēju moduļiem (tas pats attiecas uz tālāk).

Optiskie moduļi darbojas fiziskajā slānī, kas ir zemākais slānis OSI modelī. Tās funkcija ir ļoti vienkārša, tas ir, panākt fotoelektrisko pārveidi. Pārvērtiet optiskos signālus elektriskos signālos un elektriskos signālus optiskos signālos.

Lai gan šķiet vienkārši, ieviešanas procesa tehniskais saturs nav zems.

Optiskais modulis parasti sastāv no optiskās pārraides ierīces (TOSA, ieskaitot lāzeru), optiskās uztveršanas ierīces (ROSA, ieskaitot fotodetektoru), funkcionālās shēmas un optiskās (elektriskās) saskarnes.

Raidīšanas galā draivera mikroshēma apstrādā sākotnējo elektrisko signālu un pēc tam vada pusvadītāju lāzeru (LD) vai gaismas diode (LED), lai izstarotu modulētu optisko signālu.

Uztvērēja galā pēc optiskā signāla ienākšanas gaismas noteikšanas diode to pārvērš elektriskajā signālā, un elektriskais signāls tiek izvadīts pēc priekšpastiprinātāja izlaišanas.

Optisko moduļu iepakošana

Iesācējiem visnepatīkamākā lieta optiskajos moduļos ir to ārkārtīgi sarežģītais pakotnes nosaukums un žilbinošie parametri.

Iepakojumu var vienkārši saprast kā stila standartu. Tas ir vissvarīgākais veids, kā atšķirt optiskos moduļus.

Iemesls, kāpēc optiskajiem moduļiem ir tik daudz dažādu iepakojuma standartu, galvenokārt ir tāpēc, ka optisko šķiedru sakaru tehnoloģijas attīstības ātrums ir pārāk ātrs.

Optisko moduļu ātrums turpina palielināties un to izmēri turpina sarukt, tāpēc ik pēc dažiem gadiem tiks izdoti jauni iepakojuma standarti. Bieži vien ir grūti saskaņot vecos un jaunos iepakojuma standartus.

Turklāt optisko moduļu pielietojuma scenāriji ir dažādi, kas arī ir iemesls iepakojuma standartu pieaugumam. Dažādiem optisko šķiedru un optisko moduļu veidiem atbilst dažādi pārraides attālumi, joslas platuma prasības un izmantošanas vietas.

Pirms iesaiņojuma un klasifikācijas izskaidrošanas iepazīstināsim ar optiskās komunikācijas standartizācijas organizāciju. Jo šīs paketes nosaka standartizācijas organizācijas.

Pašlaik visā pasaulē ir vairākas organizācijas, kas standartizē optiskos sakarus, piemēram, pazīstamais IEEE (Elektrotehnikas un elektronikas inženieru institūts), ITU-T (Starptautiskā telekomunikāciju savienība), MSA (vairāku avotu līgums) un OIF (optiskais starpsavienojums). . Forums), CCSA (Ķīnas sakaru standartu asociācija) utt.

Nozarē visbiežāk izmantotie ir IEEE un MSA.

Jūs, iespējams, neesat pazīstams ar MSA. Tā nosaukums angļu valodā ir Multi Source Agreement. Tā ir vairāku piegādātāju specifikācija. Salīdzinājumā ar IEEE tā tiek uzskatīta par privātu un neoficiālu organizatorisku formu. To var saprast kā nozares uzņēmumu aliansi.

Pirmkārt, mēs ignorēsim tos standartus, kas ir pārāk veci vai reti, un koncentrēsimies uz parastajām pakotnēm.

GBIC

GBIC apzīmē Giga bitrate Interface Converter.

Pirms 2000. gada GBIC bija vispopulārākā optisko moduļu pakotne un visplašāk izmantotā Gigabit moduļa forma.

VM

Tā kā GBIC ir salīdzinoši liels, vēlāk parādījās SFP un sāka aizstāt GBIC.

SFP, pilnais nosaukums ir Small Form-factor Pluggable, kas ir mazs karstās maiņas optiskais modulis. Tā mazais izmērs ir saistīts ar GBIC paketi.

SFP apjoms ir samazināts uz pusi, salīdzinot ar GBIC moduli, un tajā pašā panelī var konfigurēt vairāk nekā divas reizes vairāk portu. Funkcionalitātes ziņā starp abiem nav daudz atšķirību, un abi atbalsta karsto maiņu. SFP atbalsta maksimālo joslas platumu 4Gbps.

XFP

XFP ir 10-Gigabit Small Form Factor Plugggable. Vienā mirklī varat saprast, ka tas ir 10-gigabitu SFP.
XFP izmanto pilna ātruma viena kanāla seriālo moduli, kas savienots ar XFI (10 Gb seriālais interfeiss), un var aizstāt Xenpak un tā atvasinājumus.

SFP+

SFP+, tas ir 10G optiskais modulis, piemēram, XFP.
SFP+ izmērs ir tāds pats kā SFP, un tas ir kompaktāks nekā XFP (apmēram par 30% mazāks) un patērē mazāk enerģijas (samazina dažas signāla vadības funkcijas).

SFP28

SFP ar ātrumu 25Gbps galvenokārt bija tāpēc, ka 40G un 100G optiskie moduļi tajā laikā bija pārāk dārgi, tāpēc mēs izveidojām šādu kompromisa pārejas plānu.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Quad Small Form Factor Pieslēdzams, četru kanālu SFP interfeiss. Šim dizainam ir izmantotas daudzas XFP nobriedušas galvenās tehnoloģijas.
Pēc ātruma QSFP var iedalīt 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD optiskajos moduļos utt.
Kā piemēru ņemiet QSFP28, tas ir piemērots 4x25GE piekļuves portiem. Izmantojot QSFP28, varat tieši jaunināt no 25G uz 100G, neizmantojot 40G, ievērojami vienkāršojot vadu savienošanas grūtības un samazinot izmaksas.

QSFP-DD tika izveidots 2016. gada martā. DD attiecas uz "Double Density". 4 QSFP kanāli tiek palielināti par vienu kanālu rindu un kļūst par 8 kanāliem.
Tas ir savietojams ar QSFP risinājumu. Oriģinālo QSFP28 moduli joprojām var izmantot, vienkārši pievienojiet citu moduli. QSFP-DD elektrisko zelta pirkstu skaits ir divreiz lielāks nekā QSFP28.

Katrs QSFP-DD kanāls izmanto 25 Gbps NRZ vai 50 Gbps PAM4 signāla formātu. Izmantojot PAM4, tas var atbalstīt ātrumu līdz 400 Gbps.
NRZ un PAM4 PAM4 (4 impulsu amplitūdas modulācija) ir "dubultošanās" tehnoloģija.

Optiskajiem moduļiem, ja vēlaties palielināt ātrumu, jums ir vai nu jāpalielina kanālu skaits, vai jāpalielina viena kanāla ātrums.

Tradicionālie digitālie signāli pārsvarā izmanto NRZ (Non-Return-to-Zero) signālus, tas ir, augsti un zemi signāla līmeņi tiek izmantoti, lai attēlotu pārraidāmā digitālā loģiskā signāla 1 un 0 informāciju un katru signālu. simbolu periods var būt Pārsūtiet 1 bitu loģiskās informācijas.

PAM signāls izmanto 4 dažādus signāla līmeņus signāla pārraidei, un katrs simbola periods var attēlot 2 bitus loģiskās informācijas (0, 1, 2, 3). Tajā pašā kanāla fiziskajā joslas platumā PAM4 pārraida divreiz lielāku informācijas daudzumu, kas līdzvērtīgs NRZ signālam, tādējādi dubultojot ātrumu.

KZP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabits Form Pieslēdzams, blīvs viļņu garuma dalīšanas optiskais sakaru modulis. Pārraides ātrums var sasniegt 100-400Gbps.

CFP ir izstrādāts uz SFP interfeisa bāzes, kam ir lielāks izmērs un kas atbalsta 100Gbps datu pārraidi. CFP var atbalstīt vienu 100G signālu, vienu vai vairākus 40G signālus.

Atšķirība starp CFP, CFP2 un CFP4 slēpjas apjomā. CFP2 apjoms ir puse no CFP, un CFP4 ir viena ceturtā daļa no CFP.

CFP8 ir iepakojuma forma, kas īpaši piedāvāta 400G, un tās izmērs ir līdzvērtīgs CFP2. Atbalsta 25Gbps un 50Gbps kanālu ātrumu un sasniedz 400Gbps moduļu ātrumu, izmantojot 16x25G vai 8x50 elektriskās saskarnes.

OSFP

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, "O" nozīmē "oktāls", tika oficiāli palaists 2016. gada novembrī.

Tas ir paredzēts 8 elektrisko kanālu izmantošanai, lai sasniegtu 400GbE (8*56GbE, bet 56GbE signālu veido 25G DML lāzers PAM4 modulācijā), ar nedaudz lielāku izmēru nekā QSFP-DD, lielākas jaudas optiskais dzinējs un raiduztvērējs Siltuma izkliedes veiktspēja ir nedaudz labāka.

Iepriekš minētie ir daži izplatīti optisko moduļu iepakojuma standarti.

400G optiskais modulis

Šajā rakstā ir minēti trīs veidu optiskie moduļi, kas atbalsta 400 Gbps, proti, QSFP-DD, CFP8 un OSFP.
400G šobrīd ir optisko sakaru nozares galvenais konkurences virziens. Tagad 400G ir arī liela mēroga komerciālas izmantošanas sākuma stadijā.

Kā mēs visi zinām, sakarā ar plašā mēroga 5G tīkla būvniecības uzsākšanu, kā arī mākoņdatošanas straujo attīstību un liela mēroga datu centru pakešu būvniecību, IKT nozares pieprasījums pēc 400G ir kļuvis arvien aktuālāks.
Agrīnie 400 G optiskie moduļi izmantoja 16-kanāla 25 Gb/s NRZ ieviešanu, un tie tika iepakoti CDFP vai CFP8.

Šīs ieviešanas priekšrocība ir tā, ka tā var aizņemties nobriedušu 25G NRZ tehnoloģiju 100G optiskajos moduļos. Bet trūkums ir tāds, ka paralēlai pārraidei ir nepieciešami 16 signālu kanāli, un elektroenerģijas patēriņš un apjoms ir salīdzinoši liels, kas nav piemērots datu centra lietojumprogrammām.
Vēlāk PAM4 sāka izmantot, lai aizstātu NRZ.

Optiskā porta pusē tiek izmantoti 8 kanāli 53 Gbps PAM4 vai 4 kanāli 106 Gbps PAM4, lai realizētu 400 G signāla pārraidi, un elektriskā porta pusē tiek izmantoti 8 kanāli ar 53 Gbps PAM4 elektriskajiem signāliem un OSFP vai QSFP pakotnes forma. -DD ​​ir pieņemts.

Salīdzinājumam, QSFP-DD pakotnes izmērs ir mazāks (līdzīgi tradicionālā 100G optiskā moduļa QSFP28 pakotnei), kas ir vairāk piemērots datu centra lietojumprogrammām. OSFP pakotnes izmērs ir nedaudz lielāks, jo tas var nodrošināt lielāku enerģijas patēriņu, tāpēc tas ir vairāk piemērots telekomunikāciju lietojumprogrammām.

Pašreizējie 400G optiskie raiduztvērēji, lai arī kādā iepakojumā tie būtu, ir ļoti dārgi, un joprojām ir liela atšķirība no lietotāja cerībām. Tāpēc vēl nav iespējams ātri veikt visaptverošu popularizēšanu.

Vēl viena lieta, ko vērts pieminēt, ir silīcija bāzes gaisma, kas bieži tiek minēta kā silīcija gaisma.

Tiek uzskatīts, ka silīcija fotoniskajai tehnoloģijai ir plašas pielietojuma perspektīvas un konkurētspēja 400G laikmetā, un šobrīd tā piesaista daudzu uzņēmumu un pētniecības iestāžu uzmanību.

Optisko moduļu galvenie jēdzieni

Pamatojoties uz pakotni, ar dažiem parametriem būs optiskā moduļa nosaukums.
Papildus attālumam un kanālu skaitam ir arī centra viļņa garums.

Gaismas viļņa garums tieši nosaka tās fizikālās īpašības. Pašlaik optiskajās šķiedrās izmantojamās gaismas centrālais viļņa garums ir 850 nm, 1310 nm un 1550 nm (nm ir nanometrs). Starp tiem 850 nm galvenokārt tiek izmantoti daudzrežīmiem, un 1310 nm un 1550 nm galvenokārt tiek izmantoti vienam režīmam.

Starp citu, CWDM un DWDM. WDM apzīmē viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanu. Vienkārši sakot, dažādu viļņu garumu optisko signālu multipleksēšana vienā optiskajā šķiedrā pārraidei. Viļņa garuma dalīšanas multipleksēšana un frekvences dalīšanas multipleksēšana Patiesībā viļņu garuma dalīšanas multipleksēšana ir sava veida frekvences dalīšanas multipleksēšana. Viļņa garums × frekvence=gaismas ātrums (fiksēta vērtība), tāpēc dalīšana ar viļņa garumu faktiski ir dalīšana ar frekvenci. Optiskajos sakaros cilvēki ir pieraduši nosaukt pēc viļņa garuma.
DWDM ir blīvs WDM, blīvs WDM. CWDM ir rets WDM, rupjš WDM. No nosaukuma jums vajadzētu saprast, ka D-WDM viļņa garuma intervāls ir mazāks. WDM priekšrocība ir tā, ka tai ir liela ietilpība un to var pārraidīt lielos attālumos.

Starp citu, BiDi, šis jēdziens arī tagad tiek bieži pieminēts. BiDi (BiDirectional) ir vienas šķiedras divvirzienu, viena optiskā šķiedra, divvirzienu sūtīšana un saņemšana. Darbības princips ir parādīts zemāk esošajā attēlā. Faktiski ir pievienots filtrs. Sūtīšanas un saņemšanas viļņu garumi ir atšķirīgi, tāpēc var panākt vienlaicīgu nosūtīšanu un saņemšanu.

Optisko moduļu pamatrādītāji
Optisko moduļu pamatrādītāji galvenokārt ietver:

Izejas optiskā jauda

Izejas optiskā jauda attiecas uz gaismas avota izejas optisko jaudu optiskā moduļa raidīšanas galā. To var saprast kā gaismas intensitāti W vai mW vai dBm. Kur W vai mW ir lineāra vienība un dBm ir logaritmiskā vienība. Komunikācijā mēs parasti izmantojam dBm, lai attēlotu optisko jaudu.

Optiskā jauda tiek vājināta uz pusi un samazināta par 3 dB. Optiskā jauda 0dBm atbilst 1mW.

Maksimālā uztveršanas jutība

Uztveršanas jutība attiecas uz optiskā moduļa minimālo saņemto optisko jaudu ar noteiktu ātrumu un bitu kļūdu līmeni, mērvienība: dBm .

Vispārīgi runājot, jo augstāks ir ātrums, jo sliktāka ir uztveršanas jutība, tas ir, jo lielāka ir minimālā saņemtā optiskā jauda un augstākas prasības optiskā moduļa uztveršanas gala ierīcēm.

Izzušanas koeficients

Ekstinkcijas koeficients ir viens no svarīgākajiem parametriem, ko izmanto optisko moduļu kvalitātes mērīšanai.

Tas attiecas uz signāla vidējās optiskās jaudas attiecības minimālo vērtību pret nulles signāla vidējo optisko jaudu pilnas modulācijas apstākļos, norādot spēju atšķirt 0 un 1 signālus. Ir divi faktori, kas ietekmē ekstinkcijas koeficientu optiskajā modulī: nobīdes strāva (nobīde) un modulācijas strāva (Mod). Uzskatīsim to par ER=Bias/Mod.

Ekstinkcijas koeficienta vērtība nav tāda, ka jo lielāks ir optiskais modulis, jo tas ir labāks, bet gan tas, ka optiskais modulis, kura ekstinkcijas koeficients atbilst 802.3 standartam, ir labāks.

Lgaišs piesātinājums

Zināms arī kā piesātinātā optiskā jauda, ​​tā attiecas uz maksimālo ieejas optisko jaudu, uzturot noteiktu bitu kļūdu līmeni (10-10 ~ 10-12) ar noteiktu pārraides ātrumu, mērvienība: dBm.

Jāņem vērā, ka fotodetektors piedzīvos fotostrāvas piesātinājumu, ja tiks pakļauts spēcīgai gaismai. Kad notiek šī parādība, detektoram ir nepieciešams zināms laiks, lai atjaunotos. Šajā laikā uztveršanas jutība samazinās, un uztvertais signāls var tikt nepareizi novērtēts. Tas radīs bitu kļūdas, kā arī ir ļoti viegli sabojāt uztveršanas gala detektoru. Darbības laikā jums jācenšas izvairīties no tā piesātinātās optiskās jaudas pārsniegšanas.