Perdavimo įrangoje veikia optiniai moduliai
Nov 04, 2025|
Perdavimo įrangos optiniai moduliai konvertuoja elektrinius signalus į optinius signalus, skirtus duomenims perduoti šviesolaidiniais kabeliais, o tada vėl paverčia juos elektriniais signalais priėmimo gale. Šie įjungiami-siųstuvai-imtuvai palaiko dvikryptį ryšį per specializuotus vidinius komponentus, vadinamus TOSA ir ROSA.
Pagrindinė optinių modulių architektūra
Aparatūros lygiu optiniuose moduliuose yra trys pagrindinės posistemės, veikiančios kartu. Siųstuvo optiniame mazge (TOSA) yra lazerinis diodas, generuojantis moduliuotus šviesos impulsus, atitinkančius dvejetainius duomenis. Imtuvo optiniame mazge (ROSA) yra fotodetektorius, kuris įeinančius optinius signalus paverčia atgal į elektros srovę. Tarp šių mazgų yra PCBA plokštė, kuri valdo signalo apdorojimą, laiką ir automatinį galios valdymą.
TOSA viduje esantis lazerinis diodas veikia slenksčio principu-jis skleidžia šviesą tik tada, kai tiesioginė srovė viršija tam tikrą slenkstinę vertę (Ith). Šiuolaikiniuose moduliuose naudojami paskirstyto grįžtamojo ryšio lazeriniai diodai (DFB-LD), o ne senesni Fabry-Pérot tipai, nes DFB lazeriai sukuria siaurą bangos ilgio spektrą, paprastai nukreiptą ties 1310 nm prieš srovę arba 1490 nm pasroviui. Automatinė galios valdymo grandinė stebi išvestį per fotodiodą ir reguliuoja pavaros srovę, kad išlaikytų pastovius optinės galios lygius, paprastai matuojamus dBm.
Priėmimo pusėje ROSA naudoja PIN fotodiodus arba lavinų fotodiodus (APD), suporuotus su transimpedanso stiprintuvais (TIA). PIN diodai veikia esant žemesnei įtampai ir kainuoja pigiau, todėl tinkami naudoti trumpu{1}} atstumu. APD imtuvai generuoja daugiau elektronų vienam fotonui, todėl pasiekiamas didesnis jautrumo įvertinimas-mažiausia optinė galia, reikalinga priimtinam bitų klaidų dažniui palaikyti. TIA nedelsdama paverčia silpną fotosrovę įtampos signalu, kurį vėlesnės stiprintuvo pakopos keičia ir išlygina prieš perduodant tinklo įrangą.
Signalo konvertavimo mechanizmas
Fotoelektrinės konversijos procesas vyksta nanosekundėmis. Kai tinklo įranga siunčia elektrinius duomenis į modulį, PCBA tvarkyklės lustas apdoroja signalą ir moduliuoja lazerinį diodą greičiu nuo 1,25 Gbps iki 800 Gbps, priklausomai nuo modulio specifikacijų. Lazeris įtampos svyravimus paverčia greitais įjungimo-išjungimo šviesos impulsais-aukšti signalo lygiai reiškia dvejetainį 1, žemi lygiai reiškia 0 tradicinėje NRZ koduotėje.
Šie šviesos impulsai sklinda per šviesolaidinį kabelį su minimaliu slopinimu dėl stiklo šerdies lūžio savybių. 1550 nm bangos ilgio vieno-modo skaidulos nuostoliai yra mažiausi – maždaug 0,2 dB vienam kilometrui, todėl signalai gali nukeliauti 40–80 km be stiprinimo. Daugiamodis pluoštas, kurio bangos ilgis yra 850 nm, palaiko didesnį dažnių juostos plotį trumpesniais atstumais, paprastai 100–300 metrų, nes platesnis šerdis leidžia keliauti šviesos kelius, kurie galiausiai sukelia modalinę sklaidą.
Paskirties vietoje ROSA fotodetektorius fiksuoja fotonus ir išleidžia elektronus proporcingai gautai optinei galiai. Jautrumo specifikacija-, išreikšta kaip neigiama dBm reikšmė, pvz., -18 dBm, nurodo, koks silpnas signalas imtuvas vis tiek gali iššifruoti. Didesnis jautrumas leidžia pasiekti ilgesnius perdavimo atstumus. Po fotosrovės konvertavimo sprendimų grandinės lygina įtampos lygius su slenksčiais, kad atkurtų švarius skaitmeninius signalus ir kompensuotų perdavimo metu susikaupusį triukšmą.
Bangos ilgio padalijimo tankinimas
Šiuolaikiniai optiniai moduliai padidina skaidulų talpą per bangos ilgio padalijimo tankinimą (WDM), kai keli duomenų kanalai egzistuoja skirtingais optiniais dažniais. Grubus WDM (CWDM) moduliai 1270-1610 nm spektro erdvėje 20 nm atstumu vienas nuo kito palaiko 8–18 bangų ilgių viename pluošte. Tankūs WDM (DWDM) moduliai sujungia kanalus tik 0,4–0,8 nm atstumu vienas nuo kito C juostoje (1530–1565 nm), todėl vienoje juostoje yra 40–96 kanalai.
BiDi (dvikrypčiai) moduliai yra elegantiškas WDM principų pritaikymas. Naudodami skirtingus bangos ilgius perdavimo ir priėmimo funkcijoms-dažniausiai 1310 nm / 1550 nm arba 1270 nm / 1330 nm poromis-BiDi moduliai užtikrina pilną-dvipusį ryšį per vieną skaidulą, o ne du. Vidiniai WDM filtrai atskiria bangos ilgius: 45{11}}laipsnio dichroinis filtras atspindi perdavimo bangos ilgį pluošto link, o priėmimo bangos ilgį perduoda fotodetektoriui. Šis BOSA (dviejų krypčių optinis sub{13}}agregatas) dizainas perpus sumažina skaidulinės infrastruktūros sąnaudas, o tai ypač naudinga diegiant šviesolaidinį{14}}į{15}}namą.
Optinis multiplekseris perdavimo gale sujungia kelis bangos ilgio kanalus, naudodamas plonasluoksnius{0}}plėvelės filtrus arba išdėstytas bangolaidžių groteles. Priėmimo gale demultiplekseris padalija sudėtinį signalą atgal į atskirus bangos ilgius, nukreipdamas kiekvieną į atskirą fotodetektorių. Ši architektūra padidina pralaidumą nereikalaujant papildomų skaidulų paleidimų-100G QSFP28 modulis iš tikrųjų perduoda keturis 25G kanalus lygiagrečiai, per keturis atskirus pluoštus arba keturis bangos ilgius viename pluošte.
Formos veiksniai ir sąsajos standartai
Fizinė pakuotė nustato, kaip moduliai jungiasi prie perdavimo įrangos. Mažos formos-faktorių prijungiamas (SFP) standartas, sukurtas pagal kelių šaltinių sutartis, yra maždaug 13 mm × 8,5 mm ir palaiko spartą nuo 100 Mbps iki 10 Gbps. SFP28 moduliai naudoja identiškus matmenis, bet apdoroja 25 Gbps per patobulintą elektroniką ir optiką. Šie moduliai jungiami prie priekinių{11}}skydelių su LC skaidulų jungtimis, leidžiančiomis keisti karštuoju{12}}neišjungiant pagrindinio įrenginio maitinimo.
Siekiant didesnio greičio, QSFP (keturių mažų formų{0}}pajungimo faktoriaus) pakuotė suteikia keturis nepriklausomus kanalus, kurių plotas yra šiek tiek didesnis. QSFP+ valdo 40G per 4×10G juostas, o QSFP28 pasiekia 100G naudodamas 4×25G juostas. QSFP-DD (dvigubo tankio) standartas padvigubina elektros juostas iki aštuonių, palaikydamas 400 G su 8 × 50 G PAM4 signalizavimu. Kiekviena karta palaiko atgalinį suderinamumą tame pačiame lizde, nors ir mažesniu greičiu.
CFP (Centum form{0}}factor Pluggable) moduliai skirti tolimųjų nuotolių{1}}telekomunikacijoms, o ne duomenų centrams. Originalus CFP palaikė 100 G, naudojant 10 × 10 G elektros juostas, tačiau vėlesni CFP2 ir CFP4 variantai paketą sumažino atitinkamai iki pusės ir ketvirčio dydžio. OSFP (aštuonių formų -prijungiamas faktorius) atsirado 400G-800G programoms, kurioms reikia daugiau energijos nei suteikia QSFP-DD, ypač silicio fotonikos diegimams.
Elektrinė sąsaja tarp modulio ir pagrindinės plokštės išsivystė nuo paprasto NRZ signalizacijos iki sudėtingų protokolų. Bendrosios elektrinės sąsajos (CEI) specifikacijos apibrėžia elektrinius parametrus, tokius kaip įtampos svyravimai, varža ir virpėjimo tolerancija. Šiuolaikiniai 400G moduliai naudoja PAM4 (4-lygio impulsų amplitudės moduliacijos) kodavimą, kai kiekvienas simbolis turi 2 bitus, o ne 1, todėl pralaidumas padvigubėja nedidinant duomenų perdavimo spartos. Elektros jungtis paprastai naudoja didelės spartos nuosekliąsias 25 Gbps arba 50 Gbps juostas, suderintas su pagrindinio jungiklio ASIC galimybėmis.
Transmisijos įrangos integravimas
Optiniai moduliai yra keliose perdavimo tinklų vietose. Duomenų centro -viršuje- stovo jungikliai, 25G SFP28 moduliai sujungia serverius, kad perjungtų audinius, valdydami rytų-vakarų srautą tarp skaičiavimo mazgų. Stuburo sluoksnyje 100 G QSFP28 arba 400 G QSFP{10}}DD moduliai kaupia aukštyn siunčiamus ryšius. Duomenų centrų sujungimui, apimančiam 2–80 km, nuoseklūs prijungiami moduliai, tokie kaip 400 ZR, naudoja pažangias moduliavimo schemas ir skaitmeninį signalo apdorojimą, kad maksimaliai padidintų skaidulų talpą.
Telekomunikacijų įranga įdiegia optinius modulius prieigos, metro{0}}ir tolimojo susisiekimo segmentuose. 5G priekinio perdavimo tinkluose 25G CWDM moduliai jungia nuotolinius radijo įrenginius prie paskirstytų įrenginių telkinių, dažnai veikiančių atšiaurioje lauko aplinkoje su padidintais temperatūros įvertinimais (-nuo 40 laipsnių iki +85 laipsnių). Metro tinklai naudoja DWDM modulius, kad sukurtų lanksčius optinius tinklus, kuriuose perkonfigūruojami pridėti{9}}drop multiplekseriai (ROADM) dinamiškai nukreipia bangos ilgius pagal eismo poreikį. Tolimųjų nuotolių sistemose sujungti didelės galios koherentiniai moduliai su optiniais stiprintuvais, išdėstytais kas 80–100 km, kad būtų išvengta skaidulų praradimo.
Fizinis įrengimas reikalauja kruopštaus dėmesio optinės galios biudžetui. Dėl kiekvieno jungties taško-pluošto sandūros, jungiamosios plokštės, jungtys-atsiranda įterpimo praradimas, paprastai 0,3-0,5 dB. Apskaičiuojant nuorodos biudžetą, visi nuostoliai atimami iš perdavimo galios, kad būtų patikrinta, ar gaunama galia viršija jautrumą atitinkama riba, paprastai 3-5 dB. Viršijus imtuvo perkrovos specifikaciją – maksimalią optinę galią prieš prisotinimą – gali atsirasti bitų klaidų, todėl trumpuose ryšiuose su galingais siųstuvais gali prireikti kintamų optinių slopintuvų.
Pažangūs moduliavimo metodai
Norėdami pasiekti daugiau nei 100 G vienam bangos ilgiui, optiniai moduliai priėmė sudėtingus moduliavimo formatus. Tradicinis įjungimo{2}}išjungimo klavišas (OOK) koduoja duomenis kaip šviesos buvimą arba nebuvimą. Diferencialinis fazinis -pamaininis raktas (DPSK) koduoja informaciją optinėje fazėje, todėl reikalingas interferometrinis aptikimas, bet 3 dB didesnis jautrumas. Kvadratūrinės fazės{7}}slinkimo raktas (QPSK) naudoja keturias fazes, kad perneštų 2 bitus vienam simboliui.
Nuoseklus aptikimas sukėlė revoliuciją tolimųjų nuotolių{0}}perdavimui aptikdamas optinio lauko amplitudę ir fazę. Vietinis osciliatorius lazeris susimaišo su gautu signalu, o subalansuoti fotodetektoriai išskiria fazės ir kvadratūros komponentus. Tada skaitmeniniai signalų procesoriai taiko išlyginimo algoritmus, kad kompensuotų chromatinę dispersiją ir poliarizacijos režimo sklaidą, susikaupusią per šimtus kilometrų. Šiuolaikiniai 400G koherentiniai moduliai naudoja 16QAM arba 64QAM moduliaciją, supakuodami 4–6 bitus vienam simboliui dvigubos poliarizacijos būsenose.
Šuolis iki 800 G ir 1,6 Tbps modulių 2024 m Silicio fotonikos integracija sumažina komponentų skaičių gamindama lazerius, moduliatorius ir detektorius viename luste. Linijinė prijungiama optika (LPO) pašalina energijos reikalaujančius DSP retmerius iš trumpo nuotolio Naudojant kartu supakuotą optiką (CPO) optiniai varikliai yra tiesiai ant jungiklio ASIC, pašalinant elektros SerDes kliūtis. Pradiniai 1.6T moduliai, patenkantys į gamybą, naudoja 8 × 200 G juostas su 106 Gbps PAM4 elektriniu signalizavimu.
Veikimo specifikacijos ir bandymai
Modulio duomenų lapuose nurodyti keli svarbūs parametrai. Išvesties optinė galia, matuojama dBm arba mW, rodo perdavimo stiprumo{1}} tipines vertes nuo -10 dBm iki +4 dBm, atsižvelgiant į pasiekiamumo reikalavimus. Išnykimo koeficientas palygina optinės galios skirtumą tarp dvejetainių 1 ir 0 būsenų; Didesni nei 8,5 dB santykiai užtikrina aiškų signalo diferencijavimą. Imtuvo jautrumas apibrėžia minimalią įvesties galią esant nurodytam bitų klaidų dažniui, paprastai 1 × 10⁻¹² klaidų vienam bitui.
Veikimo bangos ilgio tikslumas yra svarbus WDM sistemose, kur kanalai turi išsilyginti ±0,1 nm nuo centrinio dažnio. Chromatinės dispersijos tolerancija-išmatuota ps/nm-nurodo, kiek nuo bangos ilgio-priklausomų vėlavimo pokyčių modulis gali apdoroti prieš įvykstant klaidoms. Daugiamodiai moduliai nustato minimalius efektyvaus modalinio dažnių juostos pločio reikalavimus, pateiktus MHz·km, o tai riboja maksimalų perdavimo atstumą pagal skaidulų tipą (OM3, OM4, OM5).
Temperatūros stabilumas turi įtakos lazerio bangos ilgiui ir išėjimo galiai. Komercinio-laipsnio moduliai veikia nuo 0 laipsnių iki +70 laipsnio, o pramoniniai variantai veikia nuo -40 laipsnių iki +85 laipsnių. Termoelektriniai aušintuvai palaiko lazerio temperatūrą kontroliuojamo -bangos ilgio moduliuose, sunaudoja 1-3 W, tačiau užtikrina, kad bangos ilgio poslinkis būtų mažesnis nei 0,01 nm/laipsnis. Skaitmeninis diagnostikos stebėjimas (DDM) teikia realiojo laiko telemetriją per I2C sąsają – temperatūrą, įtampą, poslinkio srovę, perdavimo galią ir priėmimo galią, leidžiančią nuspėti techninę priežiūrą.
Rinkos tendencijos ir ateities kryptys
Optinių siųstuvų-imtuvų rinka 2024 m. pasiekė 13,6 mlrd. USD, o iki 2029 m. planuojama iki 25 mlrd. 2024 m. buvo išsiųsta daugiau nei 20 milijonų 400 G ir 800 G modulių, o 800 G siuntų skaičius turėtų padidėti 60 % 2025 m., nes hiperskaleriai pritaikys šią optiką GPU jungtims. Didesnis-nei 400 Gbps segmentas auga iki 16,3 % CAGR, nes AI mokymo klasteriai reikalauja precedento neturinčio pralaidumo tankio.
Duomenų centrai sudaro 61 % optinių modulių pajamų 2024 m., o iki 2030 m. išaugo iki 14,9 % CAGR. Perėjimas nuo 100 G prie 400 G jungčių paspartėjo 2023–2024 m., o 800 G diegimas prasidėjo rimtai „Google“, „Amazon“ ir „Microsoft“. Pirmieji 1,6 Tb/s moduliai buvo išbandyti 2024 m. pabaigoje. Jie buvo skirti komerciniam išleidimui H{11}} pradinėmis kainomis apie 2 000 USD, o gamybos apimtis sumažėjo iki maždaug 1 500 USD.
Silicio fotonikos moduliai užėmė maždaug 10 % 800G rinkos H2 2024, o skverbtis iki 2025 m. turėtų siekti 20-30 %. Ši technologija sprendžia lazerio tiekimo apribojimus EML ir VCSEL komponentams, kurių reikia įprastiems moduliams. Supakuota optika ir toliau kuriama, o „Nvidia“ bendradarbiauja kurdama CPO sprendimus, siekdama iki 2026 m. pradėti gaminti pirminį kiekį. Linijinė prijungiama optika 2024 m. įgijo trauką, kai naudojama ribota galia, nors ir toliau kyla sunkumų dėl perdavimo toli.
5G diegimas skatina telekomunikacijų optinio modulio poreikį, o 25G SFP28 CWDM siųstuvai-imtuvai yra naudojami lauko spintelėse, kuriose veikia ekstremalios temperatūros sąlygos. „Fronthaul“ optikos pajamos 2025 m. pasiekė maždaug 630 mln. USD, o buvo pristatyta 10 mln. 50G PAM4 vidutinio nuotolio įrenginių. Operatoriai pereina iš taško{10}}į-tašką atgal prie x-traukos tinklo architektūrų, naudodami 10G–100G pramoninio{15}}klasės modulius, atitinkančius griežtas delsos sutartis.
Dažnai užduodami klausimai
Kuo skiriasi vienmodžiai{0}} ir daugiamodžiai optiniai moduliai?
Vieno{0}}režimo moduliai veikia esant 1 310 nm arba 1 550 nm bangos ilgiui, viršijančiam 9 μm šerdies skaidulą, palaikydami atstumus nuo 2 km iki 80 km ar daugiau. Daugiamodiai moduliai naudoja 850 nm bangos ilgį virš 50 μm arba 62,5 μm šerdies pluošto, ribojamą iki 100{12}}550 metrų, priklausomai nuo pralaidumo. Vieno{13}}režimo pasiekiamumas yra ilgesnis, bet kainuoja daugiau; multimode suteikia mažesnes išlaidas trumpiems atstumams, pvz., jungčiai tarp stovo.
Ar tame pačiame jungiklio prievade gali veikti skirtingi greičio moduliai?
Prievadai, sukurti didesnio{0}}greičio moduliams, dažnai priima lėtesnius variantus su mažesniu našumu. 25G SFP28 prievadas paprastai gali paleisti 10G SFP+ modulį 10G greičiu, o SFP+ prievadai priima 1G SFP modulius. Tačiau atvirkščiai, neveikia{10}}negalite prijungti 25G modulio prie tik 10G{13}}prievado. Abu pluošto jungties galai turi atitikti greičio ir bangos ilgio specifikacijas.
Kodėl optiniai moduliai turi skirtingus bangos ilgius?
Bangos ilgio pasirinkimas subalansuoja atstumą, kainą ir pluošto charakteristikas. 850 nm bangos ilgis gerai veikia su ekonomiškais{2}}VCSEL lazeriais trumpoms daugiamodėms nuorodoms. 1310 nm bangos ilgis siūlo minimalią dispersiją vienmode{5}}šviesolaidyje metro atstumu. 1550 nm bangos ilgis pasiekia žemiausią šviesolaidžio silpninimo tašką, todėl galima perduoti tolimus{8}} atstumus. WDM sistemos naudoja tikslius bangos ilgio tarpus, kad būtų galima sutvirtinti daug kanalų viename pluošte.
Kaip temperatūra veikia optinio modulio veikimą?
Lazerio bangos ilgis svyruoja maždaug 0,1 nm per 10 laipsnių temperatūros pokytį be aktyvaus aušinimo. Darbinės temperatūros diapazone išėjimo galia skiriasi 3-5 %. Imtuvo jautrumas šiek tiek pablogėja esant kraštutinėms temperatūroms. Komerciniai moduliai nurodo 0-70 laipsnių operaciją; pramoniniai moduliai išplečiami nuo -40 laipsnių iki +85 laipsnių, naudojant termoelektrinius aušintuvus ir didesnės tolerancijos komponentus. Skaitmeninė diagnostika stebi temperatūrą realiuoju laiku, kad nuspėtų gedimus dar prieš jiems atsirandant.
Raktai išsinešti
Optiniai moduliai atlieka fotoelektrinę konversiją per TOSA siųstuvus naudojant lazerinius diodus ir ROSA imtuvus naudojant fotodetektorius
Keli bangos ilgiai gali dalytis vienu pluoštu per CWDM arba DWDM technologiją su BiDi moduliais, leidžiančiais dvikryptį ryšį vienoje grandinėje
Formos veiksniai nuo SFP iki QSFP{0}}DD palaiko nuo 1G iki 800G, o 1,6T moduliai bus pradėti gaminti 2025 m.
2024 m. rinka pasiekė 13,6 mlrd.
Silicio fotonika ir{0}}supakuota optika yra nauja evoliucija, pagerinanti energijos vartojimo efektyvumą ir integravimo tankį
Duomenų šaltiniai
„Cignal AI“ optinių komponentų ataskaita - 2025 m. sausio mėn. (cignal.ai)
„Mordor Intelligence“ optinių siųstuvų-imtuvų rinkos ataskaita - 2025 m. birželio mėn. (mordorintelligence.com)
Kognityvinės rinkos tyrimo optinių modulių studija - 2024 m. rugsėjo mėn. (cognitivemarketresearch.com)
„Yole Group“ optiniai siųstuvai-imtuvai, skirti „Datacom“ ataskaitai - 2024 m. gegužės mėn. (yolegroup.com)
IEEE 802.3 optinių komponentų naujinys - 2024 m. spalio mėn. (ieee802.org)