Giới thiệu mô-đun quang học

Với sự phát triển nhanh chóng của truyền thông quang học, nhiều cảnh trong công việc và cuộc sống của chúng ta giờ đây đã nhận ra sự “ánh sáng tiến lên và sự rút lui của đồng”. Nói cách khác, phương tiện truyền thông kim loại được thể hiện bằng cáp đồng trục và cáp mạng đang dần được thay thế bằng phương tiện truyền thông cáp quang.
Mô-đun quang là một trong những thành phần cốt lõi của hệ thống thông tin cáp quang.

Cấu trúc thành phần của module quang

Optical module, tên tiếng Anh là Optical Module. Quang học có nghĩa là "thị giác, tầm nhìn, quang học".

Nói chính xác, mô-đun quang là thuật ngữ chung cho các loại mô-đun khác nhau, bao gồm: mô-đun thu quang, mô-đun truyền quang, mô-đun tích hợp thu phát quang và mô-đun chuyển tiếp quang, v.v.

Mô-đun quang học: Máy phát,Người nhận,Bộ thu phát,Bộ phát sóng

Những gì chúng ta thường gọi là mô-đun quang ngày nay thường đề cập đến các mô-đun thu phát quang tích hợp (áp dụng tương tự bên dưới).

Các mô-đun quang hoạt động ở lớp vật lý, là lớp thấp nhất trong mô hình OSI. Chức năng của nó rất đơn giản, đó là thực hiện chuyển đổi quang điện. Biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện và tín hiệu điện thành tín hiệu quang.

Tuy có vẻ đơn giản nhưng nội dung kỹ thuật trong quá trình thực hiện không hề thấp.

Một mô-đun quang thường bao gồm một thiết bị truyền quang (TOSA, bao gồm cả laser), thiết bị thu quang (ROSA, bao gồm bộ tách sóng quang), các mạch chức năng và giao diện quang (điện).

Ở đầu phát, chip điều khiển xử lý tín hiệu điện ban đầu, sau đó điều khiển tia laser bán dẫn (LD) hoặc điốt phát sáng (LED) để phát ra tín hiệu quang được điều chế.

Ở đầu nhận, sau khi tín hiệu quang đi vào, nó được chuyển đổi thành tín hiệu điện bằng diode phát hiện ánh sáng và tín hiệu điện được phát ra sau khi đi qua bộ tiền khuếch đại.

Đóng gói mô-đun quang học

Đối với người mới bắt đầu, điều khó chịu nhất về mô-đun quang học là tên gói cực kỳ phức tạp và các thông số chói mắt.

Bao bì có thể hiểu đơn giản là một tiêu chuẩn về phong cách. Đây là cách quan trọng nhất để phân biệt các mô-đun quang học.

Sở dĩ có nhiều tiêu chuẩn đóng gói khác nhau cho mô-đun quang học chủ yếu là do tốc độ phát triển của công nghệ truyền thông cáp quang quá nhanh.

Tốc độ của các mô-đun quang tiếp tục tăng và kích thước của chúng tiếp tục giảm, do đó cứ sau vài năm, các tiêu chuẩn đóng gói mới sẽ được ban hành. Thường khó có thể tương thích giữa các tiêu chuẩn đóng gói cũ và mới.

Ngoài ra, các kịch bản ứng dụng của mô-đun quang học rất đa dạng, đây cũng là lý do khiến tiêu chuẩn đóng gói ngày càng tăng. Khoảng cách truyền khác nhau, yêu cầu băng thông và nơi sử dụng khác nhau tương ứng với các loại sợi quang và mô-đun quang khác nhau.

Trước khi giải thích về cách đóng gói và phân loại, hãy giới thiệu về tổ chức tiêu chuẩn hóa của truyền thông quang học. Bởi vì các gói này được xác định bởi các tổ chức tiêu chuẩn hóa.

Hiện nay trên thế giới có một số tổ chức tiêu chuẩn hóa truyền thông quang học, chẳng hạn như IEEE (Viện Kỹ sư Điện và Điện tử), ITU-T (Liên minh Viễn thông Quốc tế), MSA (Thỏa thuận Đa nguồn) và OIF (Kết nối Quang học) quen thuộc. . Diễn đàn), CCSA (Hiệp hội Tiêu chuẩn Truyền thông Trung Quốc), v.v.

Được sử dụng nhiều nhất trong ngành là IEEE và MSA.

Có thể bạn chưa quen với MSA. Tên tiếng Anh của nó là Thỏa thuận đa nguồn. Nó là một đặc điểm kỹ thuật của nhiều nhà cung cấp. So với IEEE, nó được coi là một hình thức tổ chức riêng tư và không chính thức. Có thể hiểu là sự liên minh của các doanh nghiệp trong ngành.

Đầu tiên, chúng ta sẽ bỏ qua những tiêu chuẩn quá cũ hoặc hiếm mà tập trung vào các gói phổ biến.

GBIC

GBIC là viết tắt của Bộ chuyển đổi giao diện tốc độ bit Giga.

Trước năm 2000, GBIC là gói mô-đun quang phổ biến nhất và là dạng mô-đun Gigabit được sử dụng rộng rãi nhất.

SFP

Vì GBIC tương đối lớn nên sau này SFP xuất hiện và bắt đầu thay thế GBIC.

SFP, tên đầy đủ là Small Form-factor Pluggable, là một mô-đun quang nhỏ có thể tráo đổi nóng. Kích thước nhỏ của nó tương ứng với gói GBIC.

Khối lượng SFP giảm một nửa so với mô-đun GBIC và số lượng cổng có thể được cấu hình trên cùng một bảng tăng hơn gấp đôi. Về chức năng, không có nhiều khác biệt giữa hai loại này và cả hai đều hỗ trợ trao đổi nóng. SFP hỗ trợ băng thông tối đa 4Gbps.

XFP

XFP là 10-Có thể cắm hệ số dạng nhỏ Gigabit. Nhìn thoáng qua bạn có thể hiểu ngay rằng đó là 10-Gigabit SFP.
XFP sử dụng mô-đun nối tiếp một kênh tốc độ đầy đủ được kết nối bằng XFI (giao diện nối tiếp 10Gb) và có thể thay thế Xenpak và các dẫn xuất của nó.

SFP+

SFP+, đây là mô-đun quang 10G giống như XFP.
Kích thước của SFP+ tương tự như SFP và nhỏ gọn hơn XFP (nhỏ hơn khoảng 30%) và tiêu thụ ít điện năng hơn (giảm một số chức năng điều khiển tín hiệu).

SFP28

SFP với tốc độ 25Gbps chủ yếu là do mô-đun quang 40G và 100G vào thời điểm đó quá đắt nên chúng tôi đã thực hiện một kế hoạch chuyển đổi thỏa hiệp như vậy.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Giao diện SFP bốn kênh có thể cắm được theo yếu tố hình thức nhỏ Quad. Nhiều công nghệ then chốt trưởng thành trong XFP đã được áp dụng cho thiết kế này.
Theo tốc độ, QSFP có thể được chia thành các mô-đun quang 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD, v.v.
Lấy QSFP28 làm ví dụ, nó phù hợp với các cổng truy cập 4x25GE. Sử dụng QSFP28, bạn có thể nâng cấp trực tiếp từ 25G lên 100G mà không cần qua 40G, giúp đơn giản hóa đáng kể độ khó nối dây và giảm chi phí.

QSFP-DD được thành lập vào tháng 3 năm 2016. DD đề cập đến "Mật độ kép". 4 kênh QSFP được tăng thêm một hàng kênh và trở thành 8 kênh.
Nó tương thích với giải pháp QSFP. Mô-đun QSFP28 ban đầu vẫn có thể được sử dụng, chỉ cần cắm mô-đun khác vào. Số lượng ngón tay vàng điện của QSFP-DD gấp đôi QSFP28.

Mỗi kênh của QSFP-DD sử dụng định dạng tín hiệu PAM4 25Gbps NRZ hoặc 50Gbps. Sử dụng PAM4, nó có thể hỗ trợ tốc độ lên tới 400Gbps.
NRZ và PAM4 PAM4 (Điều chế biên độ 4 xung) là công nghệ "nhân đôi".

Đối với mô-đun quang, nếu muốn tăng tốc độ, bạn phải tăng số lượng kênh hoặc tăng tốc độ của một kênh.

Tín hiệu số truyền thống chủ yếu sử dụng tín hiệu NRZ (Non-Return-to-Zero), nghĩa là mức tín hiệu cao và thấp được sử dụng để biểu thị thông tin 1 và 0 của tín hiệu logic kỹ thuật số được truyền đi và mỗi tín hiệu Chu kỳ ký hiệu có thể truyền 1 bit thông tin logic.

Tín hiệu PAM sử dụng 4 mức tín hiệu khác nhau để truyền tín hiệu và mỗi chu kỳ ký hiệu có thể biểu thị 2 bit thông tin logic (0, 1, 2, 3). Trong cùng một băng thông vật lý kênh, PAM4 truyền gấp đôi lượng thông tin tương đương với tín hiệu NRZ, do đó tăng gấp đôi tốc độ.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabit Mẫu Mô-đun truyền thông quang phân chia bước sóng dày đặc, có thể cắm được. Tốc độ truyền có thể đạt tới 100-400Gbps.

CFP được thiết kế trên cơ sở giao diện SFP, có kích thước lớn hơn và hỗ trợ truyền dữ liệu 100Gbps. CFP có thể hỗ trợ một tín hiệu 100G, một hoặc nhiều tín hiệu 40G.

Sự khác biệt giữa CFP, CFP2 và CFP4 nằm ở khối lượng. Khối lượng của CFP2 bằng một nửa so với CFP và CFP4 bằng 1/4 so với CFP.

CFP8 là dạng đóng gói được đề xuất đặc biệt cho 400G và kích thước của nó tương đương với CFP2. Hỗ trợ tốc độ kênh 25Gbps và 50Gbps và đạt tốc độ mô-đun 400Gbps thông qua giao diện điện 16x25G hoặc 8x50.

OSFP

OSFP, Octal Small Form Factor Pluggable, “O” là viết tắt của “octal”, được ra mắt chính thức vào tháng 11 năm 2016.

Nó được thiết kế để sử dụng 8 kênh điện để đạt được 400GbE (8 * 56GbE, nhưng tín hiệu 56GbE được hình thành bởi laser DML 25G dưới sự điều chế PAM4), với kích thước lớn hơn một chút so với QSFP-DD, động cơ quang có công suất cao hơn và thu phát Hiệu suất tản nhiệt tốt hơn một chút.

Trên đây là một số tiêu chuẩn đóng gói mô-đun quang phổ biến.

Mô-đun quang 400G

Bài viết này đề cập đến ba loại mô-đun quang hỗ trợ 400Gbps, đó là QSFP-DD, CFP8 và OSFP.
400G hiện là hướng cạnh tranh chính của ngành truyền thông quang học. Hiện 400G cũng đang trong giai đoạn đầu sử dụng thương mại quy mô lớn.

Như chúng ta đã biết, do việc triển khai xây dựng mạng 5G trên quy mô lớn, cùng với sự phát triển nhanh chóng của điện toán đám mây và việc xây dựng hàng loạt các trung tâm dữ liệu quy mô lớn, nhu cầu 400G của ngành CNTT ngày càng trở nên cấp thiết.
Mô-đun quang 400G ban đầu sử dụng 16-triển khai NRZ kênh 25Gbps và được đóng gói trong CDFP hoặc CFP8.

Ưu điểm của việc triển khai này là nó có thể mượn công nghệ 25G NRZ hoàn thiện trên các mô-đun quang 100G. Nhưng nhược điểm là cần có 16 kênh tín hiệu để truyền song song, mức tiêu thụ điện năng và âm lượng tương đối lớn, không phù hợp cho các ứng dụng trung tâm dữ liệu.
Sau đó, PAM4 bắt đầu được sử dụng để thay thế NRZ.

Về phía cổng quang, 8 kênh PAM4 53Gbps hoặc 4 kênh PAM4 106Gbps được sử dụng để thực hiện truyền tín hiệu 400G và về phía cổng điện, 8 kênh tín hiệu điện PAM4 53Gbps được sử dụng và dạng gói OSFP hoặc QSFP -DD ​​được thông qua.

Để so sánh, kích thước gói QSFP-DD nhỏ hơn (tương tự gói QSFP28 của mô-đun quang 100G truyền thống), phù hợp hơn cho các ứng dụng trung tâm dữ liệu. Kích thước gói OSFP lớn hơn một chút vì nó có thể cung cấp nhiều điện năng tiêu thụ hơn nên phù hợp hơn cho các ứng dụng viễn thông.

Các bộ thu phát quang 400G hiện tại, cho dù chúng ở dạng gói nào, đều rất đắt tiền và vẫn còn một khoảng cách lớn so với mong đợi của người dùng. Vì vậy, chưa thể nhanh chóng thực hiện phổ biến toàn diện.

Một điều đáng nói nữa là ánh sáng làm từ silicon, thường được gọi là ánh sáng silicon.

Công nghệ quang tử silicon được coi là có triển vọng ứng dụng rộng rãi và khả năng cạnh tranh trong kỷ nguyên 400G, hiện đang thu hút sự chú ý của nhiều công ty và tổ chức nghiên cứu.

Các khái niệm chính của mô-đun quang học

Trên cơ sở gói, với một số thông số, sẽ có tên cho mô-đun quang.
Ngoài khoảng cách và số lượng kênh còn có bước sóng trung tâm.

Bước sóng của ánh sáng quyết định trực tiếp đến tính chất vật lý của nó. Hiện nay, ánh sáng chúng ta sử dụng trong sợi quang có bước sóng trung tâm là 850nm, 1310nm và 1550nm (nm là nanomet). Trong số đó, 850nm chủ yếu được sử dụng cho đa chế độ, còn 1310nm và 1550nm chủ yếu được sử dụng cho chế độ đơn.

Nhân tiện, CWDM và DWDM . WDM là viết tắt của Ghép kênh phân chia theo bước sóng. Nói một cách đơn giản, đó là ghép các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau vào cùng một sợi quang để truyền. Ghép kênh phân chia theo bước sóng và ghép kênh phân chia theo tần số Trên thực tế, ghép kênh phân chia theo bước sóng là một loại ghép kênh phân chia theo tần số. Bước sóng × tần số=tốc độ ánh sáng (giá trị cố định), do đó chia cho bước sóng thực chất là chia cho tần số. Trong truyền thông quang học, người ta đã quen với việc đặt tên theo bước sóng.
DWDM là WDM dày đặc, WDM dày đặc. CWDM là WDM thưa thớt, WDM thô. Ngay từ cái tên, bạn nên hiểu rằng khoảng bước sóng trong D-WDM nhỏ hơn. Ưu điểm của WDM là có dung lượng lớn và có thể truyền đi khoảng cách xa.

Nhân tiện, BiDi, khái niệm này cũng được nhắc đến thường xuyên. BiDi (BiDirectional) là một sợi quang hai chiều, một sợi quang, gửi và nhận hai chiều. Nguyên lý làm việc được thể hiện trong hình dưới đây. Trong thực tế, một bộ lọc được thêm vào. Bước sóng gửi và nhận là khác nhau nên có thể gửi và nhận đồng thời.

Các chỉ số cơ bản của mô-đun quang
Các chỉ số cơ bản của mô-đun quang học chủ yếu bao gồm:

Công suất quang đầu ra

Công suất quang đầu ra đề cập đến công suất quang đầu ra của nguồn sáng ở đầu phát của mô-đun quang. Nó có thể được hiểu là cường độ ánh sáng, tính bằng W hoặc mW hoặc dBm. Trong đó W hoặc mW là đơn vị tuyến tính và dBm là đơn vị logarit. Trong truyền thông, chúng ta thường sử dụng dBm để biểu thị công suất quang.

Công suất quang giảm đi một nửa và giảm 3dB. Công suất quang 0dBm tương ứng với 1mW.

Độ nhạy thu tối đa

Độ nhạy thu đề cập đến công suất quang tối thiểu nhận được của mô-đun quang theo một tốc độ và tỷ lệ lỗi bit nhất định, đơn vị: dBm.

Nói chung, tốc độ càng cao thì độ nhạy thu càng kém, nghĩa là công suất quang nhận được tối thiểu càng lớn và yêu cầu đối với thiết bị đầu thu của mô-đun quang càng cao.

Tỷ lệ tuyệt chủng

Tỷ lệ tuyệt chủng là một trong những thông số quan trọng được sử dụng để đo chất lượng của mô-đun quang.

Nó đề cập đến giá trị tối thiểu của tỷ lệ công suất quang trung bình của tín hiệu với công suất quang trung bình của tín hiệu null trong điều kiện điều chế hoàn toàn, biểu thị khả năng phân biệt giữa tín hiệu 0 và 1. Có hai yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ tắt trong mô-đun quang: dòng điện phân cực (bias) và dòng điều chế (Mod). Hãy coi đó là ER=Xu hướng/Mod.

Giá trị của tỷ lệ tuyệt chủng không phải là mô-đun quang càng lớn thì càng tốt mà là mô-đun quang có tỷ lệ tuyệt chủng đáp ứng tiêu chuẩn 802.3 thì tốt hơn.

Lđộ bão hòa ánh sáng

Còn được gọi là công suất quang bão hòa, nó đề cập đến công suất quang đầu vào tối đa khi duy trì tỷ lệ lỗi bit nhất định (10-10 ~ 10-12) ở tốc độ truyền nhất định, đơn vị: dBm.

Cần lưu ý rằng bộ tách sóng quang sẽ bị bão hòa dòng quang khi tiếp xúc với ánh sáng mạnh. Khi hiện tượng này xảy ra, máy dò cần một khoảng thời gian nhất định để phục hồi. Tại thời điểm này, độ nhạy thu giảm và tín hiệu nhận được có thể bị đánh giá sai. Nó sẽ gây ra lỗi bit và cũng rất dễ làm hỏng bộ dò đầu thu. Trong quá trình hoạt động, bạn nên cố gắng tránh vượt quá công suất quang bão hòa của nó.