Optik Modül Tanıtımı

Optik iletişimin hızla gelişmesiyle birlikte iş ve yaşamımızın pek çok sahnesi artık "ışığın ilerlemesi ve bakırın geri çekilmesi"ni fark etti. Başka bir deyişle, koaksiyel kablolar ve ağ kabloları ile temsil edilen metal ortam iletişimlerinin yerini yavaş yavaş fiber optik ortamlar almaktadır.
Optik modül, optik fiber iletişim sisteminin temel bileşenlerinden biridir.

Optik modülün bileşim yapısı

Optik modül, İngilizce adı Optik Modül'dür. Optik "görme, görme, optik" anlamına gelir.

Daha kesin olmak gerekirse, optik modül çeşitli modül kategorileri için genel bir terimdir; bunlar arasında optik alıcı modül, optik iletim modülü, optik alıcı-verici entegre modülü ve optik iletme modülü vb. yer alır.

Optik Modül: Verici,Alıcı,Alıcı-verici,Transpomder

Bugün genellikle optik modüller dediğimiz şey, genel olarak entegre optik alıcı-verici modüllerini ifade eder (aynısı aşağıda da geçerlidir).

Optik modüller, OSI modelinde en alt katman olan fiziksel katmanda çalışır. İşlevi çok basittir, yani fotoelektrik dönüşümü gerçekleştirmek. Optik sinyalleri elektrik sinyallerine ve elektrik sinyallerini optik sinyallere dönüştürün.

Basit gibi görünse de uygulama sürecinin teknik içeriği az değildir.

Bir optik modül genellikle bir optik iletim cihazından (TOSA, bir lazer dahil), bir optik alıcı cihazdan (ROSA, bir fotodetektör dahil), fonksiyonel devrelerden ve optik (elektrik) arayüzlerden oluşur.

İletim ucunda, sürücü çipi orijinal elektrik sinyalini işler ve ardından modüle edilmiş bir optik sinyal yaymak için yarı iletken lazeri (LD) veya ışık yayan diyotu (LED) çalıştırır.

Alıcı uçta, optik sinyal geldikten sonra, ışık algılama diyotu tarafından bir elektrik sinyaline dönüştürülür ve ön yükselticiden geçtikten sonra elektrik sinyali çıkarılır.

Optik modüllerin ambalajlanması

Yeni başlayanlar için optik modüllerle ilgili en sinir bozucu şey, son derece karmaşık paket adı ve baş döndürücü parametrelerdir.

Ambalajlama basitçe bir stil standardı olarak anlaşılabilir. Optik modülleri ayırt etmenin en önemli yoludur.

Optik modüller için bu kadar çok farklı paketleme standartlarının bulunmasının nedeni, esas olarak fiber optik iletişim teknolojisinin gelişme hızının çok hızlı olmasıdır.

Optik modüllerin hızı artmaya ve boyutları küçülmeye devam ediyor; dolayısıyla her birkaç yılda bir yeni ambalaj standartları yayınlanacak. Eski ve yeni ambalaj standartları arasında uyum sağlamak çoğu zaman zordur.

Ayrıca optik modüllerin uygulama senaryolarının çeşitliliği de ambalaj standartlarının yükselmesine neden oluyor. Farklı iletim mesafeleri, bant genişliği gereksinimleri ve kullanım yerleri, farklı optik fiber ve optik modül türlerine karşılık gelir.

Paketleme ve sınıflandırmayı açıklamadan önce optik iletişimin standardizasyon organizasyonunu tanıtalım. Çünkü bu paketler standardizasyon kuruluşları tarafından belirlenmektedir.

Şu anda dünya çapında, tanıdık IEEE (Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü), ITU-T (Uluslararası Telekomünikasyon Birliği), MSA (Çok Kaynaklı Anlaşma) ve OIF (Optik Arabağlantı) gibi optik iletişimi standartlaştıran çeşitli kuruluşlar bulunmaktadır. . Forum), CCSA (Çin İletişim Standartları Birliği), vb.

Endüstride en çok kullanılanlar IEEE ve MSA'dır.

MSA'ya aşina olmayabilirsiniz. İngilizce adı Çoklu Kaynak Anlaşmasıdır. Çok satıcılı bir spesifikasyondur. IEEE ile karşılaştırıldığında özel ve resmi olmayan bir organizasyon biçimi olarak kabul edilir. Sektördeki işletmelerin ittifakı olarak anlaşılabilir.

Öncelikle çok eski veya nadir olan standartları göz ardı edip ortak paketlere odaklanacağız.

GBIC

GBIC, Giga Bit Hızı Arayüz Dönüştürücü anlamına gelir.

2000'den önce GBIC, en popüler optik modül paketi ve en yaygın kullanılan Gigabit modül formuydu.

SFP

GBIC nispeten büyük olduğundan SFP daha sonra ortaya çıktı ve GBIC'in yerini almaya başladı.

SFP, tam adı Küçük Form Faktörlü Takılabilir'dir ve çalışırken değiştirilebilir küçük bir optik modüldür. Küçük boyutu GBIC paketine göredir.

SFP'nin hacmi, GBIC modülüne kıyasla yarı yarıya azaltılır ve aynı panelde iki kattan fazla sayıda bağlantı noktası yapılandırılabilir. İşlevsellik açısından ikisi arasında pek bir fark yok ve her ikisi de çalışırken değiştirmeyi destekliyor. SFP maksimum 4 Gbps bant genişliğini destekler.

XFP

XFP, 10-Gigabit Küçük Form Faktörlü Takılabilir bir üründür. Bunun bir 10-Gigabit SFP olduğunu ilk bakışta anlayabilirsiniz.
XFP, XFI (10Gb seri arayüz) ile bağlanan tam hızlı tek kanallı bir seri modül kullanır ve Xenpak ve türevlerinin yerini alabilir.

SFP+

SFP+, XFP gibi 10G optik bir modüldür.
SFP+'ın boyutu SFP'ninkiyle aynıdır ve XFP'den daha kompakttır (yaklaşık %30 daha küçüktür) ve daha az güç tüketir (bazı sinyal kontrol işlevlerini azaltır).

SFP28

25Gbps hıza sahip SFP'nin temel nedeni, 40G ve 100G optik modüllerin o zamanlar çok pahalı olmasıydı, bu yüzden böylesine uzlaşmacı bir geçiş planı yaptık.

QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD

Dörtlü Küçük Form Faktörlü Takılabilir, dört kanallı SFP arayüzü. XFP'deki birçok olgun anahtar teknoloji bu tasarıma uygulanmıştır.
Hıza göre QSFP, 4×10G QSFP+, 4×25G QSFP28, 8×25G QSFP28-DD optik modüllere vb. bölünebilir.
Örnek olarak QSFP28'i ele alalım, 4x25GE erişim portlarına uygundur. QSFP28'i kullanarak, 40G'ye geçmeden doğrudan 25G'den 100G'ye yükseltme yapabilirsiniz, bu da kablolama zorluğunu büyük ölçüde basitleştirir ve maliyetleri azaltır.

QSFP-DD, Mart 2016'da kuruldu. DD, "Çift Yoğunluk" anlamına gelir. QSFP'nin 4 kanalı bir sıra kanal artırılarak 8 kanal haline gelir.
QSFP çözümüyle uyumludur. Orijinal QSFP28 modülü hala kullanılabilir, sadece başka bir modül takın. QSFP-DD'nin elektrikli altın parmaklarının sayısı QSFP28'in iki katıdır.

QSFP-DD'nin her kanalı 25 Gbps NRZ veya 50 Gbps PAM4 sinyal formatını kullanır. PAM4 kullanarak 400Gbps hızına kadar destekleyebilir.
NRZ ve PAM4 PAM4 (4 Darbe Genlik Modülasyonu) bir "ikiye katlama" teknolojisidir.

Optik modüllerde hızı artırmak istiyorsanız ya kanal sayısını artırmanız ya da tek kanalın hızını artırmanız gerekir.

Geleneksel dijital sinyaller çoğunlukla NRZ (Sıfıra Dönmeyen) sinyalleri kullanır, yani iletilecek dijital mantık sinyalinin 1 ve 0 bilgilerini temsil etmek için yüksek ve düşük sinyal seviyeleri kullanılır ve her sinyal sembol periyodu 1 bit mantıksal bilgi iletilebilir.

PAM sinyali, sinyal iletimi için 4 farklı sinyal seviyesi kullanır ve her sembol periyodu, 2 bitlik mantıksal bilgiyi (0, 1, 2, 3) temsil edebilir. Aynı kanalın fiziksel bant genişliği altında PAM4, NRZ sinyaline eşdeğer bilgi miktarının iki katını iletir, böylece hız iki katına çıkar.

CFP/CFP2/CFP4/CFP8

Centum gigabit Form Takılabilir, yoğun dalga boyu bölmeli optik iletişim modülü. İletim hızı 100-400Gbps'ye ulaşabilir.

CFP, daha büyük boyuta sahip olan ve 100 Gbps veri iletimini destekleyen SFP arayüzü temel alınarak tasarlanmıştır. CFP, tek bir 100G sinyalini ve bir veya daha fazla 40G sinyalini destekleyebilir.

CFP, CFP2 ve CFP4 arasındaki fark hacimde yatmaktadır. CFP2'nin hacmi CFP'nin yarısı kadardır ve CFP4, CFP'nin dörtte biridir.

CFP8, 400G için özel olarak önerilen bir ambalaj formudur ve boyutu CFP2'ye eşdeğerdir. 25Gbps ve 50Gbps kanal hızlarını destekler ve 16x25G veya 8x50 elektrik arayüzleri aracılığıyla 400Gbps modül hızlarına ulaşır.

OSFP

OSFP, Sekizli Küçük Form Faktörü Takılabilir, "O", "sekizli" anlamına gelir ve resmi olarak Kasım 2016'da piyasaya sürüldü.

QSFP-DD'den biraz daha büyük boyutta, daha yüksek watt'lı bir optik motora ve 400GbE'ye (8*56GbE, ancak 56GbE sinyali PAM4 modülasyonu altında 25G DML lazer tarafından oluşturulur) ulaşmak için 8 elektrik kanalı kullanacak şekilde tasarlanmıştır. alıcı-verici Isı dağıtım performansı biraz daha iyidir.

Yukarıdakiler bazı yaygın optik modül paketleme standartlarıdır.

400G optik modül

Bu makalede 400 Gbps'yi destekleyen üç tür optik modülden, yani QSFP-DD, CFP8 ve OSFP'den bahsedilmektedir.
400G şu anda optik iletişim endüstrisinin ana rekabet yönüdür. Artık 400G, büyük ölçekli ticari kullanımın da başlangıç ​​aşamasında.

Hepimizin bildiği gibi, 5G ağ inşaatının büyük ölçekli lansmanı, bulut bilişimin hızlı gelişimi ve büyük ölçekli veri merkezlerinin toplu inşaatı ile birleştiğinde, BİT sektörünün 400G'ye olan talebi giderek daha acil hale geldi.
İlk 400G optik modüller, 16-kanallı 25 Gbps NRZ uygulamasını kullanıyordu ve CDFP veya CFP8'de paketleniyordu.

Bu uygulamanın avantajı, 100G optik modüllerde olgun 25G NRZ teknolojisini ödünç alabilmesidir. Ancak dezavantajı, paralel iletim için 16 kanal sinyalin gerekli olması ve güç tüketiminin ve hacminin nispeten büyük olmasıdır, bu da veri merkezi uygulamaları için uygun değildir.
Daha sonra NRZ'nin yerine PAM4 kullanılmaya başlandı.

Optik port tarafında 400G sinyal iletimini gerçekleştirmek için 8 kanal 53Gbps PAM4 veya 4 kanal 106Gbps PAM4 kullanılırken, elektrik portu tarafında 8 kanal 53Gbps PAM4 elektrik sinyali kullanılır ve OSFP veya QSFP paket formu kullanılır. -DD ​​kabul edildi.

Karşılaştırıldığında, QSFP-DD paket boyutu daha küçüktür (geleneksel 100G optik modülün QSFP28 paketine benzer), bu da veri merkezi uygulamaları için daha uygundur. OSFP paket boyutu biraz daha büyüktür çünkü daha fazla güç tüketimi sağlayabilir, dolayısıyla telekom uygulamaları için daha uygundur.

Mevcut 400G optik alıcı-vericiler, ne tür bir pakette olursa olsun, oldukça pahalıdır ve kullanıcının beklentileri arasında hala büyük bir boşluk bulunmaktadır. Bu nedenle kapsamlı bir yaygınlaştırmanın hızlı bir şekilde gerçekleştirilmesi henüz mümkün değildir.

Bahsetmeye değer bir diğer şey ise sıklıkla silikon ışık olarak anılan silikon bazlı ışıktır.

Silikon fotonik teknolojisinin 400G çağında geniş uygulama olanaklarına ve rekabet gücüne sahip olduğu düşünülmektedir ve şu anda birçok şirket ve araştırma kurumunun dikkatini çekmektedir.

Optik Modüllerin Temel Kavramları

Paket bazında bazı parametrelerle birlikte optik modül için bir isim bulunacaktır.
Mesafe ve kanal sayısının yanı sıra merkez dalga boyu da vardır.

Işığın dalga boyu doğrudan fiziksel özelliklerini belirler. Şu anda optik fiberlerde kullandığımız ışığın merkezi dalga boyu 850 nm, 1310 nm ve 1550 nm'dir (nm, nanometredir). Bunlar arasında 850 nm esas olarak çoklu mod için kullanılırken, 1310 nm ve 1550 nm esas olarak tek mod için kullanılır.

Bu arada, CWDM ve DWDM . WDM, Dalga Boyu Bölmeli Çoğullama anlamına gelir. Basitçe söylemek gerekirse, farklı dalga boylarındaki optik sinyallerin iletim için aynı optik fibere çoğaltılmasıdır. Dalga boyu bölmeli çoğullama ve frekans bölmeli çoğullama Aslında, dalga boyu bölmeli çoğullama, bir tür frekans bölmeli çoğullamadır. Dalga boyu × frekans=ışık hızı (sabit değer), yani dalga boyuna bölmek aslında frekansa bölmek demektir. Optik iletişimde insanlar dalga boyuna göre adlandırmaya alışkındır.
DWDM, yoğun WDM, Yoğun WDM'dir. CWDM seyrek WDM, Kaba WDM'dir. Adından D-WDM'de dalga boyu aralığının daha küçük olduğunu anlamalısınız. WDM'nin avantajı büyük kapasiteye sahip olması ve uzun mesafelerde iletilebilmesidir.

Bu arada BiDi artık bu kavramdan da sıklıkla söz ediliyor. BiDi (İki Yönlü), tek fiber çift yönlü, tek optik fiber, çift yönlü gönderme ve almadır. Çalışma prensibi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Aslında bir filtre eklendi. Gönderme ve alma dalga boyları farklıdır, dolayısıyla eşzamanlı gönderme ve alma gerçekleştirilebilir.

Optik modüllerin temel göstergeleri
Optik modüllerin temel göstergeleri temel olarak aşağıdakileri içerir:

Çıkış optik gücü

Çıkış optik gücü, optik modülün verici ucundaki ışık kaynağının çıkış optik gücünü ifade eder. W veya mW veya dBm cinsinden ışığın yoğunluğu olarak anlaşılabilir. Burada W veya mW doğrusal bir birimdir ve dBm logaritmik bir birimdir. İletişimde genellikle optik gücü temsil etmek için dBm kullanırız.

Optik güç yarı yarıya zayıflatılır ve 3dB azaltılır. 0dBm'nin optik gücü 1 mW'a karşılık gelir.

Maksimum alım hassasiyeti

Alma hassasiyeti, belirli bir oran ve bit hata oranı altında optik modülün minimum alınan optik gücünü ifade eder, birim: dBm.

Genel olarak konuşursak, oran ne kadar yüksek olursa, alma hassasiyeti o kadar kötü olur, yani alınan minimum optik güç o kadar büyük olur ve optik modülün alıcı uç cihazlarına yönelik gereksinimler o kadar yüksek olur.

Yok Olma Oranı

Sönme oranı optik modüllerin kalitesini ölçmek için kullanılan önemli parametrelerden biridir.

Tam modülasyon koşulları altında sinyalin ortalama optik gücünün boş sinyalin ortalama optik gücüne oranının minimum değerini ifade eder ve 0 ile 1 sinyalleri arasında ayrım yapma yeteneğini gösterir. Optik modüldeki sönme oranını etkileyen iki faktör vardır: öngerilim akımı (bias) ve modülasyon akımı (Mod). Bunu ER=Önyargı/Mod olarak kabul edelim.

Söndürme oranının değeri, optik modül ne kadar büyükse o kadar iyi olması değil, sönme oranı 802.3 standardını karşılayan optik modülün daha iyi olmasıdır.

Lyüksek doygunluk

Doymuş optik güç olarak da bilinir, belirli bir bit hata oranını (10-10 ~ 10-12) belirli bir iletim hızında (birim: dBm) korurken maksimum giriş optik gücünü ifade eder.

Fotodetektörün güçlü ışığa maruz kaldığında foto akım doygunluğu yaşayacağına dikkat edilmelidir. Bu olay meydana geldiğinde dedektörün toparlanması için belirli bir süreye ihtiyacı vardır. Bu durumda alım hassasiyeti azalır ve alınan sinyal yanlış değerlendirilebilir. Bit hatalarına neden olacağı gibi, alıcı uç dedektörüne zarar vermek de çok kolaydır. Çalışma sırasında doymuş optik gücünü aşmamaya çalışmalısınız.