Оптический модуль

Оптический модуль обычно представляет собой оптический приемопередатчик с возможностью горячей замены, используемый в приложениях передачи данных с высокой пропускной способностью. Оптические модули обычно имеют электрический интерфейс на стороне, которая подключается к внутренней части системы, и оптический интерфейс на стороне, который подключается к внешнему миру через оптоволоконный кабель. Форм-фактор и электрический интерфейс часто определяются заинтересованной группой с использованием соглашения с несколькими поставщиками (MSA). Оптические модули можно подключать либо к разъему на передней панели, либо к встроенному разъему. Иногда оптический модуль заменяется электрическим интерфейсным модулем, реализующим либо активное, либо пассивное электрическое соединение с внешним миром. Крупная промышленность поддерживает производство и использование оптических модулей.

Оптический модуль является фундаментальной частью оптоволоконной системы связи, работающей на физическом уровне модели OSI. Большинство компонентов составляют оптоэлектронные устройства (оптический передатчик и оптический приемник), функциональные схемы и оптические каналы. При передаче оптических сигналов их основной задачей является преобразование электрических и оптических сигналов.

Внутренний чип драйвера обрабатывает электрическую информацию, которую получает оптический канал передачи, с определенной скоростью передачи данных. После обработки модулированные оптические сигналы выдаются с соответствующей скоростью полупроводниковым лазерным диодом (LD) или светодиодом (LED) привода. Фотодетекторный диод преобразует оптические сигналы обратно в электрические сигналы, когда они попадают в полученный оптический канал через оптический кабель. Пройдя через предусилитель, электрические сигналы впоследствии производятся с соответствующей скоростью передачи данных.

Типы электрических интерфейсов

На протяжении многих лет использовалось множество вариантов электрического интерфейса оптических модулей.

Аналоговый прямой

Самые ранние формы оптических модулей имели аналоговый электрический интерфейс NRZ . В направлении передачи оптический модуль будет напрямую управлять лазером или светодиодом с помощью аналогового сигнала, поступающего с передней системной карты. В направлении приема модуль будет напрямую управлять электрическим интерфейсом приема с выходом аналоговой оптико-электрической схемы приемника.

цифровой (с ретаймом)

По мере увеличения скорости электрический интерфейс был заменен на измененный цифровой интерфейс. Общий электрический интерфейс (CEI), ^{[ 1 ]} определенный Форумом оптического межсетевого взаимодействия (OIF), служил центральным определяющим документом для этих интерфейсов. Рабочая группа IEEE 802.3 Ethernet также оказала влияние на определение интерфейса модуля.

Цифровой (без синхронизации)

В целях экономии энергии внутри модуля были созданы оптические модули, в которых использовалось определение цифрового интерфейса, такое как CEI, но без повторной синхронизации сигналов внутри модуля. Эти модули обеспечивали аналоговое соединение между двумя концами.

Аналоговая когерентная оптика (ACO)

Форум по оптическому межсетевому взаимодействию CFP2-ACO или CFP2 в 2016 году опубликовал Соглашение о совместимости модулей аналоговой когерентной оптики (IA). Этот IA поддерживает конфигурацию, в которой цифровой сигнальный процессор (DSP) находится на основной плате, а аналоговые оптические компоненты — на модуле. Этот IA полезен в случае, когда DSP превышает диапазон мощности модуля. ^{[ 2 ]} Интерфейс ACO можно использовать в приложениях когерентной оптики, когда канал обеспечивает гибкую полосу пропускания для системы, например, в сочетании с FlexE . Начальный ACO IA предназначен для модуля CFP2. Типичная используемая оптическая модуляция включает квадратурную фазовую манипуляцию с двойной поляризацией (DP-QPSK) и QAM-16.

Цифровая когерентная оптика (DCO)

Эти модули помещают DSP в модуль и используют обычный цифровой интерфейс с изменяемой синхронизацией. Эти модули могут использовать те же методы оптической модуляции, что и интерфейсы ACO.

Типы оптической модуляции и мультиплексирования

В оптических модулях используется множество различных форм оптической модуляции и мультиплексирования.

Прямая модуляция NRZ и PAM-4

Исторически наиболее распространенным методом модуляции была двухпозиционная манипуляция или NRZ. импульсно-амплитудная модуляция Также широко используется (ПАМ-4).

Когерентная модуляция

В 2010-х годах когерентная оптическая модуляция была использована . Методы включают квадратурную фазовую манипуляцию с двойной поляризацией (DP-QPSK) и QAM-16 .

Перестраиваемая оптическая частота

Перестраиваемые лазеры иногда используются, чтобы позволить модулю поддерживать различные формы сетевой оптической коммутации, например, необходимые в некоторых случаях для оптических ячеистых сетей или реконфигурируемого оптического мультиплексора ввода-вывода (ROADM). В них передающий лазер можно настроить на другую оптическую частоту/длину волны. Аналогично, приемник способен принимать разные оптические частоты.

Лямбда-мультиплексирование

Различные оптические длины волн, также называемые лямбда-волнами света, мультиплексируются в некоторых оптических модулях с использованием мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM). Варианты включают грубую WDM (CWDM), плотную WDM (DWDM).

Внутримодульные компоненты

Оптические модули содержат внутри себя ряд компонентов, некоторые из которых привлекли внимание организаций по разработке стандартов.

Внутримодульный редуктор

Во многих случаях скорость передачи оптического интерфейса не равна скорости передачи электрического интерфейса. В этих случаях внутри модуля используется редуктор для преобразования между двумя скоростями. Например, если модуль поддерживает 4 электрических входа по 25 Гбит/с и 2 длины волны оптического интерфейса 50 Гбит/с, то редуктор должен преобразовывать скорость от 25 до 50 ГБод.

Прямое исправление ошибок в модуле

В частности, на рынке модулей дальнего действия встроенная в модуль прямая коррекция ошибок была включена (FEC). Это происходило как в частной форме, так и в форме, основанной на стандартах.

Соглашения о внедрении внутримодульных оптических приемопередатчиков

OIF заключил соглашения о совместимости для обеспечения совместимости различных поставщиков для ряда внутримодульных компонентов, особенно ориентированных на когерентную передачу. К ним относятся

Широкополосные интегрированные поляризационные мультиплексированные квадратурные модуляторы ^{[ 3 ]}
Интегрированные передатчики с квадратурной модуляцией и поляризационным мультиплексированием ^{[ 4 ]}
Интегрированные микроинтрадинные когерентные приемники с двойной поляризацией ^{[ 5 ]}

Соглашения о внедрении внутримодульного перестраиваемого лазера

OIF заключил соглашения о совместимости для обеспечения совместимости различных поставщиков для настраиваемых лазеров, которые иногда используются в оптических модулях. К ним относятся

Соглашение с несколькими поставщиками интегрируемой перестраиваемой лазерной сборки ^{[ 6 ]}
Соглашение о внедрении микроинтегрируемой перестраиваемой лазерной сборки ^{[ 7 ]}

Передающий оптический узел

Оптический узел передачи или TOSA в оптическом модуле преобразует электрические сигналы в оптические сигналы для оптических передатчиков. ^{[ 8 ]}

Эквивалент электрического кабеля

Иногда оптический модуль заменяется электрическим интерфейсным модулем, реализующим либо активное, либо пассивное электрическое соединение с внешним миром. Это используется, когда канал короткий, особенно при подключении к коммутатору в верхней части стойки.

Оптический модуль передней панели MSA

множество соглашений с несколькими поставщиками За прошедшие годы в индустрии оптических модулей появилось и исчезло (MSA).

Модули передней панели семейства SFP и QSFP

Сменный трансивер малого форм-фактора (SFP) MSA за прошедшие годы определил множество форм-факторов оптических модулей.

Сменный трансивер малого форм-фактора (SFP)
QSFP — четырехкратный SFP ^{[ 9 ]}
QSFP28 — интерфейс 4 x 28 Гбит/с ^{[ 10 ]}
QSFP-DD - QSFP двойной плотности
МикроQSFP
Трансивер OSFP — стандартный трансивер 400GbE немного большего размера

Модули передней панели семейства CFP

Подключаемый модуль форм -фактора C ( CFP ) является MSA среди конкурирующих производителей за общий форм-фактор для передачи высокоскоростных цифровых сигналов. Буква «C» в названии означает латинскую букву C, используемую для обозначения числа 100 ( центум ), поскольку стандарт изначально разрабатывался для 100 Gigabit Ethernet . систем ^{[ 11 ]}

Первоначальная спецификация CFP была предложена в то время, когда сигналы со скоростью 10 Гбит/с были гораздо более достижимы, чем сигналы со скоростью 25 Гбит/с. Таким образом, для достижения скорости линии 100 Гбит/с наиболее доступным решением было использование 10 линий по 10 Гбит/с. Однако, как и ожидалось, усовершенствования в технологии позволили повысить производительность и плотность. Отсюда и разработка спецификаций CFP2 и CFP4. Несмотря на электрическую схожесть, они имеют форм-фактор, равный 1/2 и 1/4 соответственно от исходной спецификации. Обратите внимание, что модули CFP, CFP2 и CFP4 не являются взаимозаменяемыми (но совместимы через оптический интерфейс с соответствующими разъемами).

Модули передней панели XENPAK, XPAK и X2

О XENPAK MSA было публично объявлено 12 марта 2001 г., а первая редакция документа была публично опубликована 7 мая 2001 г. и представляла собой соглашение с участием нескольких источников (MSA), инициированное Agilent Technologies и Agere Systems , которое определяет оптоволоконные или модуль проводного приемопередатчика , соответствующий стандарту 10 Gigabit Ethernet (10GbE) рабочей группы Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) 802.3 . На смену XENPAK пришли более компактные устройства, обладающие той же функциональностью. Самая последняя версия MSA, выпуск 3.0, была опубликована 18 сентября 2002 г. Результат охватывал все типы, зависящие от физической среды (PMD), определенные IEEE на тот момент для 802.3ae 10GbE. ^{[ 12 ]} Вскоре после того, как стандарт был представлен в 2001 году, появились два родственных стандарта: XPAK и X2 . Эти два стандарта имели тот же электрический интерфейс, что и XENPAK (известный как XAUI ), но разные механические свойства.

Семейство модулей передней панели XFP

XFP (10-гигабитный модуль малого форм-фактора ) — это стандарт для приемопередатчиков для высокоскоростных компьютерных сетей и телекоммуникационных каналов, использующих оптоволокно . Он был определен промышленной группой в 2002 году вместе с его интерфейсом к другим электрическим компонентам, который называется XFI . XFP имеет немного больший форм-фактор, чем популярные подключаемые трансиверы малого форм-фактора SFP и SFP+.

Соглашение OIF с несколькими источниками для модуля передачи DWDM для дальней связи 100G

Оптический межсетевой форум определил модуль для оптики дальнего действия. Большинство других оптических MSA ориентированы на рынок центров обработки данных.

Другие модули передней панели

CPAK — специальный модуль Cisco ^{[ 13 ]}

Бортовой оптический модуль MSA

Недавней тенденцией стало размещение сменных модулей поверх печатной платы, а не на передней панели. Два MSA работают над соглашениями о внедрении для этого рынка.

Бортовые модули семейства COBO

Коалиция бортовой оптики (COBO) была создана в 2014 году с целью обеспечить стандартизацию оптических интерфейсов, расположенных в середине плат, а не на передней панели. ^{[ 14 ]}

Бортовые модули семейства CFP

Пользователи оптических модулей

Во многих стандартах используются оптические модули. Некоторые из этих наиболее известных стандартов обсуждаются ниже.

Инфинибэнд

InfiniBand (сокращенно IB) — это стандарт связи компьютерных сетей, используемый в высокопроизводительных вычислениях и обеспечивающий очень высокую пропускную способность и очень низкую задержку. Он используется для передачи данных как между компьютерами, так и внутри них. InfiniBand также используется в качестве прямого или коммутируемого соединения между серверами и системами хранения, а также в качестве соединения между системами хранения. Infiniband широко использует оптические модули. ^{[ 15 ]}

оптоволоконный канал

Fibre Channel (FC) — это высокоскоростная сетевая технология (обычно работающая со скоростями 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 128 гигабит в секунду), которая в основном используется для подключения компьютерных хранилищ данных к серверам. Fibre Channel в основном используется в сетях хранения данных (SAN) в коммерческих центрах обработки данных. Сети Fibre Channel образуют коммутируемую структуру , поскольку они работают согласованно как один большой коммутатор. Fibre Channel обычно работает по оптоволоконным кабелям внутри центров обработки данных и между ними. Fibre Channel широко использует оптические модули. ^{[ 16 ]}

Ethernet

Ethernet — это семейство компьютерных сетевых технологий, обычно используемых в локальных сетях (LAN), городских сетях (MAN) и глобальных сетях (WAN). Ethernet широко использует оптические модули в своих высокоскоростных интерфейсах. Типичные интерфейсы, которые обычно реализуются в оптических модулях, включают 100GBASE-SR4, 100GBASE-LR4 и 100GBASE-ER4.

Выставки, посвященные оптическим модулям

Основной выставкой индустрии крупных оптических модулей является Конференция по оптическому волокну (OFC), которая проводится ежегодно в южной Калифорнии. Другие известные выставки отрасли включают ECOC в Европе и FOE в Японии.

См. также

СХП (разъем)

Ссылки

^ «Общий электрический ввод-вывод (CEI) — соглашения об электрической совместимости и совместимости по джиттеру для ввода-вывода 6G+ бит/с, 11G+ бит/с и 25G+ бит/с» (PDF) . ОИФ. 8 февраля 2014 г. Архивировано из оригинала (PDF) 7 ноября 2017 г. . Проверено 20 июля 2017 г.
^ «OIF-CFP2-ACO-01.0» (PDF) . 22 января 2016 г. Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2017 г. Проверено 8 мая 2017 г.
^ «Соглашение о внедрении широкополосных интегрированных поляризационных мультиплексированных квадратурных модуляторов» (PDF) . 19 января 2017 г. Проверено 20 июля 2017 г.
^ «Соглашение о внедрении передатчиков с интегрированной поляризационным мультиплексированием и квадратурной модуляцией» (PDF) . 15 мая 2015 г. Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2016 г. Проверено 20 июля 2017 г.
^ «Соглашение о внедрении интегрированных микроинтрадинных когерентных приемников с двойной поляризацией» (PDF) . 31 марта 2015 г. Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2017 г. Проверено 20 июля 2017 г.
^ «Соглашение с несколькими источниками об интегрируемых перестраиваемых лазерных сборках» (PDF) . 13 июля 2015 г. Архивировано из оригинала (PDF) 7 ноября 2017 г. Проверено 21 июля 2017 г.
^ «Соглашение о внедрении интегрируемой перестраиваемой лазерной сборки IMicro от 13 июля 2015 г.» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 августа 2016 г. Проверено 21 июля 2017 г.
^ «Внутренние компоненты и структура оптического трансивера» . Мур . Проверено 24 апреля 2022 г.
^ Комитет СФФ. «Общественная спецификация QSFP» (PDF) . Комитет СФФ. п. 12 . Проверено 22 июня 2016 г.
^ Комитет СФФ. «Решение подключаемого приемопередатчика QSFP+ 28 Гбит/с 4X» (PDF) . п. 5 . Проверено 22 июня 2016 г.
^ «ЦФП МСА» .
^ «Добро пожаловать на XENPAK.org» . Архивировано из оригинала 18 декабря 2008 года . Проверено 7 мая 2011 г.
^ «Техническое описание модулей Cisco CPAK 100GBASE» .
^ «Коалиция за бортовую оптику» . 20 июля 2017 г. Проверено 20 июля 2017 г.
^ «ВСТРОЕННОЕ ХРАНИЛИЩЕ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ | SFA14K | DDN» .
^ Престон, В. Кертис (2002). «Архитектура оптоволоконных каналов». Использование SAN и NAS . Севастополь, Калифорния: O'Reilly Media . стр. 19–39. ISBN 978-0-596-00153-7 . OCLC 472853124 .

Внешние ссылки

[CEI31-1] «Общий электрический ввод-вывод (CEI) — соглашения об электрической совместимости и совместимости по джиттеру для ввода-вывода 6G+ бит/с, 11G+ бит/с и 25G+ бит/с» (PDF) . ОИФ. 8 февраля 2014 г. Архивировано из оригинала (PDF) 7 ноября 2017 г. . Проверено 20 июля 2017 г.

[2] «OIF-CFP2-ACO-01.0» (PDF) . 22 января 2016 г. Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2017 г. Проверено 8 мая 2017 г.

[3] «Соглашение о внедрении широкополосных интегрированных поляризационных мультиплексированных квадратурных модуляторов» (PDF) . 19 января 2017 г. Проверено 20 июля 2017 г.

[4] «Соглашение о внедрении передатчиков с интегрированной поляризационным мультиплексированием и квадратурной модуляцией» (PDF) . 15 мая 2015 г. Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2016 г. Проверено 20 июля 2017 г.

[5] «Соглашение о внедрении интегрированных микроинтрадинных когерентных приемников с двойной поляризацией» (PDF) . 31 марта 2015 г. Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2017 г. Проверено 20 июля 2017 г.

[6] «Соглашение с несколькими источниками об интегрируемых перестраиваемых лазерных сборках» (PDF) . 13 июля 2015 г. Архивировано из оригинала (PDF) 7 ноября 2017 г. Проверено 21 июля 2017 г.

[7] «Соглашение о внедрении интегрируемой перестраиваемой лазерной сборки IMicro от 13 июля 2015 г.» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 августа 2016 г. Проверено 21 июля 2017 г.

[8] «Внутренние компоненты и структура оптического трансивера» . Мур . Проверено 24 апреля 2022 г.

[9] Комитет СФФ. «Общественная спецификация QSFP» (PDF) . Комитет СФФ. п. 12 . Проверено 22 июня 2016 г.

[10] Комитет СФФ. «Решение подключаемого приемопередатчика QSFP+ 28 Гбит/с 4X» (PDF) . п. 5 . Проверено 22 июня 2016 г.

[cfp-11] «ЦФП МСА» .

[web-12] «Добро пожаловать на XENPAK.org» . Архивировано из оригинала 18 декабря 2008 года . Проверено 7 мая 2011 г.

[13] «Техническое описание модулей Cisco CPAK 100GBASE» .

[14] «Коалиция за бортовую оптику» . 20 июля 2017 г. Проверено 20 июля 2017 г.

[15] «ВСТРОЕННОЕ ХРАНИЛИЩЕ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ | SFA14K | DDN» .

[Preston-16] Престон, В. Кертис (2002). «Архитектура оптоволоконных каналов». Использование SAN и NAS . Севастополь, Калифорния: O'Reilly Media . стр. 19–39. ISBN 978-0-596-00153-7 . OCLC 472853124 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

v т и Ethernet Семейство локальных сетей технологий
Скорости	10 Мбит/с 100 Мбит/с 1 Гбит/с 2,5 и 5 Гбит/с 10 Гбит/с 25 и 50 Гбит/с 40 и 100 Гбит/с 200, 400, 800 и 1600 Гбит/с
Общий	Физический уровень Автосогласование Тип Эфира Управление потоком Рамки Джамбос
Организации	ИЭЭЭ 802.3 Ethernet Альянс
СМИ	Волокно Витая пара Коаксиальный Первая миля 10G-ЭПОН
Исторический	CSMA/CD СтарЛАН 10ШИРОКИЙ36 10BASE-ФБ 10BASE-ФЛ 10BASE5 10BASE2 ВСЕГДА ФОЙРЛ 100BaseVG ЛаттисНет Дальний охват
Приложения	Аудио Автомобильная промышленность Перевозчик Дата-центр Энергоэффективность Промышленный Метро Власть синхронный
Трансиверы	ГБИК СФП/СФП+/КСФП/КСФП+/ОСФП КСЕНПАК / X2 XFP CFP
Интерфейсы	АУИ ЕАД МДИ ТЫСЯЧА Вторая мировая война XGMII ХАУИ
Категория Коммонс