Was ist ein optisches Modul?

Wenn es um optische Module geht, bin ich sicher, dass jeder mit ihnen vertraut ist. Mit der rasanten Entwicklung der optischen Kommunikation haben viele Szenarien in unserer Arbeit und unserem Leben mittlerweile dazu geführt, dass „Kupfer durch Glasfasern ersetzt wird“. Das heißt, Metallkommunikationsmedien, dargestellt durch Koaxialkabel undNetzwerkkabelwird nach und nach durch Glasfasermedien ersetzt.Optische Modulesind ein zentraler Bestandteil vonoptische FaserKommunikationssysteme.

 

 

1. Zusammensetzung optischer Module

 

Das optische Modul, im Englischen als Optical Transceiver bekannt, ist ein allgemeiner Begriff für verschiedene Modulkategorien, darunter optische Empfängermodule, optische Sendermodule, optische Transceivermodule und optische Weiterleitungsmodule.

Wenn wir heute von optischen Modulen sprechen, meinen wir meist optische Transceiver (und das wird im gesamten Text so sein).

Optische Module arbeiten auf der physikalischen Schicht, der untersten Schicht des OSI-Modells. Seine Funktion ist ganz einfach: Es erfolgt eine fotoelektrische Umwandlung. Es wandelt optische Signale in elektrische Signale und elektrische Signale in optische Signale um.

Obwohl es einfach erscheint, ist der technische Inhalt im Implementierungsprozess nicht gering.

 

Ein optisches Modul besteht typischerweise aus einem optischen Sender (TOSA, Transmitter Optical Sub-Assembly, der eine Laserdiode enthält), einem optischen Empfänger (ROSA, Receiver Optical Sub-Assembly, der einen Fotodetektor enthält), Funktionsschaltkreisen und optischen (elektrischen) Schnittstellen.

 

Auf der Sendeseite verarbeitet der Treiberchip das ursprüngliche elektrische Signal und treibt dann die Halbleiterlaserdiode (LD) oder die Leuchtdiode (LED) an, um ein moduliertes optisches Signal auszusenden.

Am Empfangsende wird das optische Signal nach dem Eingang von einem Fotodetektor in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann nach Verstärkung durch einen Vorverstärker ausgegeben.

 

2. Verpackung optischer Module

 

Der frustrierendste Aspekt optischer Module für Anfänger sind ihre extrem komplexen Verpackungsnamen und die verwirrende Vielfalt an Parametern.

Verpackung kann einfach als Formfaktorstandard verstanden werden. Dies ist die primäre Methode zur Unterscheidung optischer Module.

Die rasante Entwicklung der Glasfaser-Kommunikationstechnologie ist der Hauptgrund für die Vielzahl an Verpackungsstandards.

Die Geschwindigkeit optischer Module nimmt ständig zu und gleichzeitig schrumpft ihre Größe, sodass alle paar Jahre neue Verpackungsstandards eingeführt werden. Die Kompatibilität zwischen alten und neuen Verpackungsstandards ist meist schwierig.

Darüber hinaus sind auch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten optischer Module ein Grund für die Erhöhung der Verpackungsstandards. Unterschiedliche Übertragungsentfernungen, Bandbreitenanforderungen und Einsatzorte entsprechen unterschiedlichen Arten von Glasfasern und damit unterschiedlichen optischen Modulen.

Ich habe einige Klassifizierungsmethoden für optische Module, einschließlich der Verpackung, aufgelistet, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

3. Klassifizierung optischer Module

 

Bevor wir Verpackung und Klassifizierung erläutern, stellen wir uns die Standardisierungsorganisationen für die optische Kommunikation vor. Denn diese Verpackungsstandards werden von Standardisierungsorganisationen festgelegt.

Derzeit gibt es mehrere globale Organisationen, die die optische Kommunikation standardisieren, beispielsweise das bekannte IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ITU-T (International Telecommunication Union), MSA (Multi Source Agreement), OIF (Optical Internetworking Forum), CCSA (China Communications Standards Association) usw.

Die in der Branche am häufigsten verwendeten sind IEEE und MSA.

Möglicherweise sind Sie mit MSA nicht vertraut. Sein englischer Name ist Multi Source Agreement. Dabei handelt es sich um eine Multi-Vendor-Spezifikation, eine nicht-offizielle Organisationsform im Vergleich zu IEEE, die als Verhalten einer Branchenallianz verstanden werden kann.

Beginnen wir nun mit der Einführung der Verpackung.

Zunächst können Sie einen Blick auf das folgende Bild werfen, das die Entstehungszeit verschiedener Verpackungen und ihre entsprechenden Arbeitsgeschwindigkeiten genau beschreibt.

 

4. Gemeinsame Verpackung

 

GBIC

GBIC steht für Giga Bitrate Interface Converter. Vor dem Jahr 2000 war GBIC die beliebteste Verpackung für optische Module und die am weitesten verbreitete Form von Gigabit-Modulen.

SFP

Aufgrund der Größe von GBIC erschien SFP später und begann, die Position von GBIC zu ersetzen. SFP, der vollständige Name Small Form-Factor Pluggable, ist ein kleines Hot-steckbares optisches Modul. Seine geringe Größe ist im Vergleich zur GBIC-Verpackung gering.

Das Volumen von SFP ist im Vergleich zu GBIC-Modulen um die Hälfte reduziert, sodass mehr als die doppelte Anzahl von Ports auf demselben Panel konfiguriert werden kann. Von der Funktionalität her unterstützen beide Hot--Plugging. SFP unterstützt eine maximale Bandbreite von 4 Gbit/s.

XFP

XFP ist 10-Gigabit Small Form-pluggable. Es verwendet ein serielles Einkanalmodul mit voller Geschwindigkeit und einer XFI-Verbindung (10 GB serielle Schnittstelle), das Xenpak und seine abgeleiteten Produkte ersetzen kann.

SFP+

SFP+ ist auch ein optisches 10G-Modul. Seine Größe entspricht der von SFP, ist kompakter (um etwa 30 % reduziert) als XFP und verbraucht weniger Strom (einige Signalsteuerungsfunktionen wurden reduziert).

SFP28

SFP28 mit einer Geschwindigkeit von 25 Gbit/s war hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass die Preise für optische 40G- und 100G-Module zu dieser Zeit zu hoch waren, weshalb diese Kompromissübergangslösung eingeführt wurde.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Vierfach kleiner Form-faktor, steckbar, eine SFP-Schnittstelle mit vier-Kanälen. Bei diesem Design wurden viele ausgereifte Schlüsseltechnologien in XFP angewendet.

QSFP kann in 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD optische Module usw. unterteilt werden.

QSFP28 eignet sich beispielsweise für 4x25GE-Zugangsports. Mit QSFP28 ist ein Upgrade von 25G auf 100G möglich, ohne 40G nutzen zu müssen, was die Verkabelungsschwierigkeiten erheblich vereinfacht und die Kosten senkt.

QSFP-DD

DD wurde im März 2016 gegründet und steht für „Double Density“. Es vergrößert die vier Kanäle vonQSFPauf acht Kanäle.

Es ist mit QSFP-Lösungen kompatibel. Die originalen QSFP28-Module können weiterhin verwendet werden, einfach ein weiteres Modul einsetzen. Die Anzahl der elektrischen KontakteQSFP-DDist doppelt so groß wie QSFP28.

 

QSFP-DD verwendet 25-Gbit/s-NRZ- oder 50-Gbit/s-PAM4-Signalformate pro Kanal. Mit PAM4 können Geschwindigkeiten von bis zu 400 Gbit/s unterstützt werden.

PAM4

PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) ist eine „Verdoppelungs“-Technologie.

Wenn Sie bei optischen Modulen eine Ratenverbesserung erreichen möchten, erhöhen Sie entweder die Anzahl der Kanäle oder die Rate eines einzelnen Kanals.

Herkömmliche digitale Signale verwenden meist NRZ-Signale (Non-Return-to-Zero), wobei hohe und niedrige Signalpegel verwendet werden, um die 1- und 0-Informationen des digitalen Logiksignals darzustellen, wobei jede Signalsymbolperiode 1 Bit logischer Informationen überträgt.

PAM4-Signale verwenden zur Übertragung vier verschiedene Signalpegel, wobei jede Symbolperiode 2 Bits logischer Informationen (0, 1, 2, 3) darstellt. Bei gleicher physikalischer Kanalbandbreite überträgt PAM4 doppelt so viele Informationen wie NRZ-Signale und erreicht so eine Verdoppelung der Rate.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum Gigabits Form Pluggable, ein optisches Kommunikationsmodul mit dichter Wellenlängenteilung. Die Übertragungsrate kann 100–400 Gbit/s erreichen.

CFP basiert auf der SFP-Schnittstelle, ist größer und unterstützt eine Datenübertragung mit 100 Gbit/s. CFP kann ein einzelnes 100G-Signal, ein oder mehrere 40G-Signale unterstützen.

Der Unterschied zwischen CFP, CFP2 und CFP4 liegt in ihrer Größe. Die Größe von CFP2 beträgt die Hälfte von CFP und CFP4 beträgt ein Viertel von CFP.

CFP8 ist eine speziell für 400G vorgeschlagene Verpackungsform mit einer ähnlichen Größe wie CFP2. Es unterstützt Kanalraten von 25 Gbit/s und 50 Gbit/s und erreicht Modulraten von 400 Gbit/s über 16 x 25 G oder 8 x 50 elektrische Schnittstellen.

OSFP

Dies ist leicht mit dem zu verwechselnOSPFRouting-Protokoll.

OSFP,Oktaler kleiner Formfaktor, steckbar„O“ steht für „Oktal“ und wurde im November 2016 offiziell eingeführt.

Es ist darauf ausgelegt, acht elektrische Kanäle zu nutzen, um 400 GbE zu erreichen (8*56 GbE, aber das 56-GbE-Signal wird von einem 25G-DML-Laser unter PAM4-Modulation gebildet), etwas größer als QSFP-DD, mit optischen Engines und Transceivern mit höherer-Wattleistung und etwas besserer Wärmeableitungsleistung.

Dies sind einige der gängigen Verpackungsstandards für optische Module.

 

5. 400G Optische Module

 

Wie Sie vielleicht bemerkt haben, habe ich bei der Paketeinführung drei Arten von optischen Modulen erwähnt, die 400 Gbit/s unterstützen: QSFP-DD, CFP8 und OSFP.

400G ist derzeit die wichtigste Wettbewerbsrichtung in der optischen Kommunikationsbranche. Mittlerweile befindet sich 400G auch im Anfangsstadium einer groß angelegten kommerziellen Nutzung.

Bekanntermaßen ist die Nachfrage der IKT-Branche nach 400G aufgrund der groß angelegten Einführung des 5G-Netzwerkaufbaus und der rasanten Entwicklung von Cloud Computing und des Baus großer Rechenzentren immer dringlicher geworden.

Frühe optische 400G-Module verwendeten eine 16-spurige 25-Gbit/s-NRZ-Implementierungsmethode unter Verwendung von CDFP- oder CFP8-Gehäusen.

Diese Implementierungsmethode profitiert von der Verwendung ausgereifter 25G-NRZ-Technologie, die für optische 100G-Module entwickelt wurde. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass 16 parallele Übertragungsspuren erforderlich sind, was zu einem höheren Stromverbrauch und einer größeren Größe führt, was für Rechenzentrumsanwendungen nicht geeignet ist.

Später begann PAM4, NRZ zu ersetzen.

Auf der optischen Seite wird die 400G-Signalübertragung hauptsächlich mithilfe von 8 Spuren von 53 Gbit/s PAM4 oder 4 Spuren von 106 Gbit/s PAM4 erreicht, und auf der elektrischen Seite werden 8 Spuren von elektrischen 53 Gbit/s PAM4-Signalen mit OSFP- oder QSFP-DD-Verpackungsformen verwendet.

Im Vergleich dazu ist die QSFP-DD-Verpackung kleiner (ähnlich der herkömmlichen QSFP28-Verpackung für optische 100G-Module) und eignet sich besser für Rechenzentrumsanwendungen. Das OSFP-Gehäuse ist etwas größer und da es mehr Leistung liefern kann, eignet es sich besser für Telekommunikationsanwendungen.

Derzeit sind optische 400G-Module unabhängig von der Verpackungsmethode sehr teuer und erfüllen bei weitem nicht die Erwartungen der Benutzer. Daher können sie nicht schnell populär gemacht werden.

 

Eine weitere bemerkenswerte Technologie ist die Siliziumphotonik, allgemein bekannt als Siliziumphotonik.

 

Der Siliziumphotonik werden im 400G-Zeitalter breite Anwendungsmöglichkeiten und eine starke Wettbewerbsfähigkeit zugeschrieben, und sie erfährt von vielen Unternehmen und Forschungseinrichtungen große Aufmerksamkeit.

 

6. Schlüsselkonzepte optischer Module

 

Nachdem wir kurz 400G erwähnt haben, fahren wir mit der Klassifizierung optischer Module fort.

Basierend auf der Verpackung, kombiniert mit einigen Parametern, erfolgt die Benennung optischer Module.

Nehmen wir zum Beispiel 100G, wir sehen oft die folgenden Arten von optischen Modulen:

Die mit 100GBASE beginnenden Standards werden von der IEEE 802.3-Arbeitsgruppe vorgeschlagen. PSM4 und CWDM4 stammen von MSA.

PSM4 (Parallel Single Mode 4 Spuren, paralleler Single-Mode vier-Kanäle)

CWDM4 (Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 Lanes, vier-Kanal Grobwellenlängenmultiplexing)

Schauen wir uns die Benennung von IEEE 802.3 an:

Wie in der Abbildung oben gezeigt:

Im Namen 100GBASE-LR4 bedeutet LR große Reichweite, also 10 km, und 4 bedeutet vier Kanäle, also 4*25G, kombiniert zu einem optischen 100G-Modul, das 10 km übertragen kann.

Die Benennungsregeln für -R lauten wie folgt:

Der Grund, warum es 100GBASE von IEEE und PSM4 und CWDM4 von MSA gibt, liegt darin, dass die von 100GBASE-SR4 unterstützte Entfernung zu kurz war und nicht alle Verbindungsanforderungen erfüllen konnte, während die Kosten von 100GBASE-LR4 zu hoch waren. PSM4 und CWDM4 boten bessere Lösungen für mittlere Entfernungen.

Schauen wir uns neben Entfernung und Anzahl der Kanäle auch die Zentralwellenlänge an.

Die Wellenlänge des Lichts bestimmt direkt seine physikalischen Eigenschaften. Derzeit liegen die zentralen Wellenlängen des in optischen Fasern verwendeten Lichts hauptsächlich bei 850 nm, 1310 nm und 1550 nm (nm steht für Nanometer).

Unter diesen werden 850 nm hauptsächlich für Multimode und 1310 nm und 1550 nm hauptsächlich für Singlemode verwendet.

Weitere Einzelheiten zu Singlemode und Multimode finden Sie in unserer früheren Diskussion über optische Fasern.

Bei Singlemode und Multimode kann es leicht zu Verwechslungen kommen, wenn das bloße Modul nicht markiert ist.

Daher unterscheiden die Hersteller sie im Allgemeinen anhand der Farbe des Zugrings:

Ziehring aus Blau und Gelb

 

Hier erwähnen wir auch WDM, CWDM und DWDM, die Sie häufig sehen sollten.

WDM steht für Wavelength Division Multiplexing. Einfach ausgedrückt multiplext es optische Signale unterschiedlicher Wellenlänge zur Übertragung in dieselbe Glasfaser.

Tatsächlich ist Wellenlängenmultiplex eine Art Frequenzmultiplex. Wellenlänge × Frequenz=Lichtgeschwindigkeit (fester Wert), daher ist die Division durch die Wellenlänge tatsächlich eine Division durch die Frequenz. In der optischen Kommunikation ist man es gewohnt, nach Wellenlänge zu benennen.

DWDM ist dichtes WDM und CWDM ist grobes WDM. Anhand der Namen sollten Sie erkennen, dass das Wellenlängenintervall in D-WDM kleiner ist.

Der Vorteil von WDM liegt in der großen Kapazität und der Möglichkeit der Übertragung über große Entfernungen.

BiDi (BiDirectional) ist übrigens unidirektional, eine Glasfaser, bidirektionales Senden und Empfangen. Das Funktionsprinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Es wird tatsächlich ein Filter hinzugefügt. Die Wellenlängen für Senden und Empfangen sind unterschiedlich, sodass gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich ist.

 

7. Grundindikatoren optischer Module

 

Zu den Grundindikatoren optischer Module zählen vor allem die folgenden:

Optische Ausgangsleistung

Die optische Ausgangsleistung bezieht sich auf die optische Ausgangsleistung der Lichtquelle am Sendeende des optischen Moduls. Darunter kann die Intensität des Lichts verstanden werden, mit der Einheit W, mW oder dBm. Dabei sind W oder mW lineare Einheiten und dBm logarithmische Einheiten. In der Kommunikation verwenden wir normalerweise dBm, um die optische Leistung darzustellen.

Eine Reduzierung der optischen Leistung um 3 dB bedeutet eine Halbierung, und 0 dBm entsprechen 1 mW.

Maximale Empfangsempfindlichkeit

Die Empfangsempfindlichkeit bezieht sich auf die minimal empfangene optische Leistung des optischen Moduls bei einer bestimmten Rate und Fehlerrate, in der Einheit dBm.

Im Allgemeinen gilt: Je höher die Rate, desto schlechter ist die Empfangsempfindlichkeit, dh desto größer ist die minimal empfangene optische Leistung und desto höher sind die Anforderungen an die Empfangsendgeräte des optischen Moduls.

Aussterbeverhältnis

Das Extinktionsverhältnis ist einer der wichtigen Parameter zur Messung der Qualität eines optischen Moduls.

Es bezieht sich auf das minimale Verhältnis der durchschnittlichen optischen Leistung des Signals unter Vollmodulationsbedingungen zur durchschnittlichen optischen Leistung des Raumsignals und zeigt die Fähigkeit an, zwischen 0- und 1-Signalen zu unterscheiden. Zwei Faktoren, die das Extinktionsverhältnis in optischen Modulen beeinflussen, sind der Vorspannungsstrom (Bias) und der Modulationsstrom (Mod), die als ER=Bias/Mod betrachtet werden können.

Der Wert des Extinktionsverhältnisses ist nicht unbedingt umso höher, je besser; Ein optisches Modul mit einem Extinktionsverhältnis, das dem 802.3-Standard entspricht, ist gut.

Optische Sättigung

Sie wird auch als optische Sättigungsleistung bezeichnet und bezieht sich auf die maximale optische Eingangsleistung bei einer bestimmten Übertragungsrate unter Beibehaltung einer bestimmten Fehlerrate (10-10-10-12), in der Einheit dBm.

Es ist zu beachten, dass der Fotodetektor bei starker Lichteinstrahlung ein Sättigungsphänomen zeigt. Wenn dieses Phänomen auftritt, benötigt der Detektor eine gewisse Zeit, um sich zu erholen. Während dieser Zeit nimmt die Empfangsempfindlichkeit ab, und das empfangene Signal kann falsch eingeschätzt werden, was zu einem Fehlerphänomen führt, und es ist auch sehr leicht, den Detektor auf der Empfangsseite zu beschädigen. Daher sollte vermieden werden, dass die optische Sättigungsleistung während des Gebrauchs überschritten wird.

 

8. Industriekette optischer Module

 

Lassen Sie uns abschließend noch kurz auf die Industriekette optischer Module eingehen.

Derzeit ist der Markt für optische Module sehr heiß, vor allem aufgrund von 5G undRechenzentren, wie bereits erwähnt.

 

Die beiden kostspieligsten Aspekte des 5G-Netzaufbaus sind Basisstationen und das optische Transportnetz. Im optischen Transportnetz ist der Wassergehalt von Lichtwellenleitern nicht groß, aber optische Module sind ziemlich problematisch.

Das Herzstück optischer Module ist die teuerste Komponente: der Chip. Die Chips im Laser und Fotodetektor machen mehr als die Hälfte der Kosten aus.

Was den Chip anbelangt, ist die aktuelle Situation so: Ausländische Hersteller haben einen Vorteil bei Chips der oberen Preisklasse, während inländische Hersteller bei Chips der mittleren Preisklasse bis {{2}{3} einen Vorteil haben. Allerdings erzielen inländische Hersteller kontinuierlich Durchbrüche im High-End-Markt. Die Gewinnspanne von High-End-Chips ist höher als die von Low-End-Chips, was offensichtlich ist.

Insgesamt gibt es in China über 1000 Unternehmen für optische Kommunikation, die Gewinnmargen sind jedoch alle sehr niedrig. Darüber hinaus stehen in der industriellen Kettenstruktur Geräteherstellern (Huawei, ZTE) sind optische Kommunikationsunternehmen ebenfalls relativ „bescheiden“ und haben keine Verhandlungsmacht.

Der Wettbewerb in der Branche ist hart und neue Produkte, -hochwertige Produkte, bringen mehr Gewinn, aber mit der Zeit wird der Gewinn schrumpfen.

Jedenfalls ist es ungefähr so.