Optiskie moduļi darbojas pārraides iekārtās
Nov 04, 2025|
Optiskie moduļi pārraides iekārtās pārveido elektriskos signālus optiskajos signālos datu pārraidei, izmantojot optisko šķiedru kabeļus, un pēc tam pārvērš tos atpakaļ elektriskos signālos uztveršanas galā. Šie karstie-pieslēdzamie raiduztvērēji nodrošina divvirzienu saziņu, izmantojot specializētus iekšējos komponentus, ko sauc par TOSA un ROSA.
Optisko moduļu pamata arhitektūra
Aparatūras līmenī optiskie moduļi satur trīs galvenās apakšsistēmas, kas darbojas saskaņoti. Raidītāja optiskajā mezglā (TOSA) ir lāzerdiode, kas ģenerē modulētus gaismas impulsus, kas atbilst binārajiem datiem. Uztvērēja optiskajā apakš-agregātā (ROSA) ir fotodetektors, kas pārvērš ienākošos optiskos signālus atpakaļ elektriskā strāvā. Starp šiem mezgliem atrodas PCBA shēmas plate, kas pārvalda signāla apstrādi, laiku un automātisku jaudas kontroli.
Lāzera diode TOSA iekšpusē darbojas pēc sliekšņa principa -tā izstaro gaismu tikai tad, ja tiešā strāva pārsniedz noteiktu sliekšņa vērtību (Ith). Mūsdienu moduļos tiek izmantotas sadalītās atgriezeniskās saites lāzerdiodes (DFB-LD), nevis vecāki Fabry-Pérot tipi, jo DFB lāzeri rada šauru viļņu garuma spektru, kas parasti ir centrēts pie 1310 nm augšupējai pārraidei vai 1490 nm pakārtotai pārraidei. Automātiskā jaudas vadības ķēde uzrauga izvadi caur fotodiode un pielāgo piedziņas strāvu, lai uzturētu konsekventu optiskās jaudas līmeni, ko parasti mēra dBm.
Uztvērēja pusē ROSA izmanto vai nu PIN fotodiodes, vai lavīnu fotodiodes (APD), kas savienotas pārī ar transimpedances pastiprinātājiem (TIA). PIN diodes darbojas ar zemāku spriegumu un maksā mazāk, tāpēc tās ir piemērotas lietošanai nelielā attālumā. APD uztvērēji ģenerē vairāk elektronu uz vienu fotonu, sasniedzot augstākus jutības rādītājus-minimālo optisko jaudu, kas nepieciešama, lai uzturētu pieņemamu bitu kļūdu līmeni. TIA nekavējoties pārveido vājo fotostrāvu sprieguma signālā, kas nākamie pastiprinātāja posmi pārveido un izlīdzina pirms pārejas uz tīkla aprīkojumu.
Signāla pārveidošanas mehānisms
Fotoelektriskās pārveidošanas process notiek nanosekundēs. Kad tīkla aprīkojums nosūta elektriskos datus modulim, PCBA draivera mikroshēma apstrādā signālu un modulē lāzerdiodi ar ātrumu no 1,25 Gbps līdz 800 Gbps atkarībā no moduļa specifikācijām. Lāzers pārveido sprieguma svārstības ātros ieslēgtos-izslēgtos gaismas impulsos-augsti signāla līmeņi apzīmē bināro 1, zemie līmeņi apzīmē 0 tradicionālajā NRZ kodējumā.
Šie gaismas impulsi pārvietojas pa optisko šķiedru kabeli ar minimālu vājināšanos stikla kodola refrakcijas īpašību dēļ. Viena -režīmu šķiedra, kas darbojas ar viļņa garumu 1550 nm, piedzīvo vismazākos zudumus — aptuveni 0,2 dB uz kilometru, ļaujot signāliem pārvietoties 40–80 km bez pastiprinājuma. Daudzmodu šķiedra pie 850 nm viļņa garuma atbalsta lielāku joslas platumu īsākos attālumos, parasti 100–300 metri, jo tās platāks kodols nodrošina vairākus gaismas ceļus, kas galu galā izraisa modālu izkliedi.
Galamērķī ROSA fotodetektors uztver fotonus un atbrīvo elektronus proporcionāli saņemtajai optiskajai jaudai. Jutības specifikācija-, kas izteikta kā negatīva dBm vērtība, piemēram, -18 dBm, norāda, cik vāju signālu uztvērējs joprojām var atšifrēt. Labāka jutība nodrošina lielākus pārraides attālumus. Pēc fotostrāvas pārveidošanas lēmumu shēmas salīdzina sprieguma līmeņus ar sliekšņiem, lai atjaunotu tīrus digitālos signālus, kompensējot pārraides laikā uzkrātos trokšņus.
Viļņa garuma dalīšanas multipleksēšana
Mūsdienu optiskie moduļi pavairo šķiedru kapacitāti, izmantojot viļņa garuma dalīšanas multipleksēšanu (WDM), kur līdzās pastāv vairāki datu kanāli dažādās optiskajās frekvencēs. Rupjie WDM (CWDM) moduļi kosmosa kanālus 20 nm attālumā viens no otra 1270-1610 nm spektrā, atbalstot 8–18 viļņu garumus uz vienu šķiedru. Blīvie WDM (DWDM) moduļi satur kanālus tikai 0,4–0,8 nm attālumā viens no otra C joslā (1530–1565 nm), nodrošinot 40–96 kanālus vienā daļā.
BiDi (divvirzienu) moduļi ir elegants WDM principu pielietojums. Izmantojot dažādus viļņu garumus pārraides un saņemšanas funkcijām, -parasti 1310 nm/1550 nm vai 1270 nm/1330 nm pāri-BiDi moduļi nodrošina pilnu-duplekso komunikāciju, izmantojot vienu šķiedru, nevis divas. Iekšējie WDM filtri atdala viļņu garumus: 45{11}}grādu dihromiskais filtrs atspoguļo pārraides viļņa garumu šķiedras virzienā, vienlaikus nododot uztveršanas viļņa garumu fotodetektoram. Šis BOSA (divvirzienu optiskais apakš{13}}agregāts) dizains samazina optiskās šķiedras infrastruktūras izmaksas uz pusi, un tas ir īpaši vērtīgs šķiedru-uz{15}}izvietošanai mājās.
Optiskais multiplekseris raidīšanas galā apvieno vairākus viļņu garuma kanālus, izmantojot plānās{0}}plēves filtrus vai masīvas viļņvada režģus. Uztvērēja galā demultiplekseris sadala salikto signālu atpakaļ atsevišķos viļņu garumos, katru novirzot uz atsevišķu fotodetektoru. Šī arhitektūra palielina joslas platumu, neprasot papildu šķiedru palaišanu-
Formas faktori un saskarnes standarti
Fiziskais iepakojums nosaka, kā moduļi savienojas ar pārraides aprīkojumu. Small Form-factor Pluggable (SFP) standarts, kas izstrādāts, izmantojot vairāku-avotu līgumus, ir aptuveni 13 mm × 8,5 mm un atbalsta ātrumu no 100 Mb/s līdz 10 Gb/s. SFP28 moduļi izmanto identiskus izmērus, bet apstrādā 25 Gbps, izmantojot uzlabotu elektroniku un optiku. Šie moduļi tiek pievienoti priekšējos{11}}paneļa korpusos ar LC šķiedru savienotājiem, kas ļauj veikt karstu{12}}maiņu, neizslēdzot resursdatora aprīkojumu.
Lielākam ātrumam QSFP (Quad Small Form{0}}factor Pluggable) iepakojums nodrošina četrus neatkarīgus kanālus nedaudz lielākā platībā. QSFP+ apstrādā 40G, izmantojot 4×10G joslas, savukārt QSFP28 sasniedz 100G, izmantojot 4×25G joslas. QSFP-DD (Double Density) standarts dubulto elektrisko joslu skaitu līdz astoņām, atbalstot 400 G ar 8 × 50 G PAM4 signālu. Katra paaudze saglabā atpakaļejošu saderību tajā pašā ligzdā, lai gan ar mazāku ātrumu.
CFP (Centum form{0}}factor Pluggable) moduļi ir paredzēti tālsatiksmes{1}}telekomunikācijām, nevis datu centriem. Sākotnējais CFP atbalstīja 100 G, izmantojot 10 × 10 G elektriskās joslas, bet vēlāk CFP2 un CFP4 varianti saruka iepakojumu attiecīgi uz pusi un ceturtdaļu. OSFP (Octal Small Form-factor Pluggable) parādījās 400G-800G lietojumprogrammām, kurām nepieciešama lielāka jauda nekā QSFP-DD nodrošina, jo īpaši silīcija fotonikas ieviešanai.
Elektriskā saskarne starp moduli un resursdatora plati attīstījās no vienkāršas NRZ signalizācijas līdz sarežģītiem protokoliem. Kopējās elektriskās saskarnes (CEI) specifikācijas nosaka elektriskos parametrus, piemēram, sprieguma svārstības, pretestību un trīces toleranci. Mūsdienu 400G moduļos tiek izmantots PAM4 (4-līmeņu impulsa amplitūdas modulācijas) kodējums, kur katram simbolam ir 2 biti, nevis 1, tādējādi dubultojot caurlaidspēju, nepalielinot datu pārraides ātrumu. Elektriskais savienojums parasti izmanto ātrgaitas seriālās joslas ar ātrumu 25 Gb/s vai 50 Gb/s, kas ir saskaņotas ar resursdatora slēdža ASIC iespējām.
Transmisijas iekārtu integrācija
Optiskie moduļi atrodas vairākās pozīcijās pārvades tīklos. Datu centra -skaldņu Mugurkaula slānī 100 G QSFP28 vai 400 G QSFP{10}}DD moduļi apkopo augšupsaites. Datu centru starpsavienojumiem, kas aptver 2–80 km, saskaņoti pievienojamie moduļi, piemēram, 400ZR, izmanto uzlabotas modulācijas shēmas un digitālo signālu apstrādi, lai palielinātu šķiedras jaudu.
Telekomunikāciju aprīkojums izvieto optiskos moduļus piekļuves, metro{0}} un tālsatiksmes segmentos. 5G frontālajos tīklos 25G CWDM moduļi savieno attālās radioierīces ar sadalītiem blokiem, kas bieži darbojas skarbā āra vidē ar paaugstinātiem temperatūras rādītājiem (-40 grādi līdz +85 grādi). Metro tīkli izmanto DWDM moduļus, lai izveidotu elastīgus optiskos tīklus, kur pārkonfigurējami pievienošanas{9}}multiplekseri (ROADM) dinamiski maršrutē viļņu garumus, pamatojoties uz satiksmes pieprasījumu. Tālajos{10}}pārlidojumos ir apvienoti lieljaudas koherenti moduļi ar optiskajiem pastiprinātājiem, kas izvietoti ik pēc 80–100 km, lai novērstu šķiedru zudumu.
Fiziskā instalācija prasa rūpīgu uzmanību optiskās jaudas budžetiem. Katrs savienojuma punkts-šķiedru savienojumi, plākstera paneļi, savienotāji-izraisa ievietošanas zudumu, parasti 0,3-0,5 dB. Saites budžeta aprēķins atņem visus zudumus no pārraides jaudas, lai pārbaudītu, ka saņemtā jauda pārsniedz jutību par atbilstošu rezervi, parasti 3-5 dB. Uztvērēja pārslodzes specifikācijas pārsniegšana — maksimālā optiskā jauda pirms piesātinājuma — var izraisīt bitu kļūdas, tāpēc īsos savienojumos ar jaudīgiem raidītājiem var būt nepieciešami mainīgi optiskie vājinātāji.
Uzlabotas modulācijas metodes
Lai sasniegtu vairāk nekā 100 G uz viļņa garumu, optiskie moduļi pieņēma sarežģītus modulācijas formātus. Tradicionālā ieslēgšanas -izslēgšanas atslēga (OOK) kodē datus kā gaismas klātbūtni vai neesamību. Diferenciālā fāzes-nobīdes atslēga (DPSK) kodē informāciju optiskajā fāzē, kam nepieciešama interferometriskā noteikšana, taču tiek nodrošināta par 3 dB labāka jutība. Kvadratūras fāzes{7}}nobīdes atslēga (QPSK) izmanto četrus fāzes stāvokļus, lai pārnestu 2 bitus uz vienu simbolu.
Saskaņota noteikšana mainīja tālsatiksmes{0}}pārraidi, nosakot gan optiskā lauka amplitūdu, gan fāzi. Vietējais oscilatora lāzers sajaucas ar saņemto signālu, un līdzsvaroti fotodetektori ekstrahē fāzes un kvadratūras komponentus. Pēc tam digitālie signālu procesori izmanto izlīdzināšanas algoritmus, lai kompensētu simtiem kilometru uzkrāto hromatisko izkliedi un polarizācijas režīma izkliedi. Mūsdienu 400G koherentie moduļi izmanto 16QAM vai 64QAM modulāciju, iesaiņojot 4-6 bitus uz vienu simbolu divos polarizācijas stāvokļos.
Lēciens līdz 800 G un 1,6 Tb/s moduļiem 2024. -2025. gadā apvieno vairākus sasniegumus. Silīcija fotonikas integrācija samazina komponentu skaitu, izgatavojot lāzerus, modulatorus un detektorus vienā mikroshēmā. Lineārā pieslēdzamā optika (LPO) noņem jaudas{6}}izsalkušos DSP retimerus no īstermiņa{10}}attiecības moduļiem, samazinot patēriņu no 15 W līdz 6 W. Kopā iepakotā optika (CPO) novieto optiskos dzinējus tieši virs slēdžu ASIC, novēršot elektriskās SerDes vājās vietas. Sākotnējie 1.6T moduļi, kas nonāk ražošanā, izmanto 8 × 200 G joslas ar 106 Gbps PAM4 elektrisko signālu.
Veiktspējas specifikācijas un testēšana
Moduļu datu lapās ir norādīti vairāki kritiskie parametri. Izejas optiskā jauda, kas mērīta dBm vai mW, norāda pārraides stipruma -tipiskās vērtības diapazonā no -10 dBm līdz +4 dBm atkarībā no sasniedzamības prasībām. Ekstinkcijas koeficients salīdzina optiskās jaudas starpību starp binārajiem 1 un 0 stāvokļiem; koeficienti virs 8,5 dB nodrošina skaidru signālu diferenciāciju. Uztvērēja jutība nosaka minimālo ievades jaudu noteiktam bitu kļūdu līmenim, parasti 1 × 10⁻¹² kļūdas uz bitu.
Darbības viļņa garuma precizitātei ir nozīme WDM sistēmās, kur kanāliem ir jāsaskaņo ±0,1 nm robežās no centrālās frekvences. Hromatiskās dispersijas tolerance -mērīta ps/nm-norāda, cik lielu no viļņa garuma-atkarīgu aizkaves variāciju modulis var apstrādāt, pirms rodas kļūdas. Daudzmodu moduļi nosaka minimālās efektīvās modālā joslas platuma prasības, kas norādītas MHz·km, kas ierobežo maksimālo pārraides attālumu atkarībā no šķiedras veida (OM3, OM4, OM5).
Temperatūras stabilitāte ietekmē lāzera viļņa garumu un izejas jaudu. Komerciālās-pakāpes moduļi darbojas no 0 līdz +70 grādiem, savukārt industriālie varianti darbojas no -no 40 grādiem līdz +85 grādiem. Termoelektriskie dzesētāji uztur lāzera temperatūru kontrolētos{11}}viļņa garuma moduļos, patērējot 1-3 W, taču nodrošinot, ka viļņa garuma novirze paliek zem 0,01 nm/grādi. Digitālā diagnostikas uzraudzība (DDM) nodrošina reāllaika{14}}telemetriju, izmantojot I2C saskarni — temperatūra, spriegums, novirzes strāva, pārraides jauda un saņemšanas jauda, kas nodrošina paredzamo apkopi.
Tirgus tendences un nākotnes virzieni
Optisko raiduztvērēju tirgus 2024. gadā sasniedza 13,6 miljardus ASV dolāru, un līdz 2029. gadam tas sasniegs 25 miljardus ASV dolāru, galvenokārt pateicoties AI datu centru izveidei. 2024. gadā tika piegādāti vairāk nekā 20 miljoni 400 G un 800 G moduļu, un paredzams, ka 800 G sūtījumi 2025. gadā pieaugs par 60%, jo hiperskalori pieņems šo optiku GPU starpsavienojumiem. Segments, kas ir lielāks-nekā 400 Gbps, pieaug par 16,3% CAGR, jo AI apmācības klasteriem ir nepieciešams vēl nebijušs joslas platuma blīvums.
Datu centri veido 61% no optisko moduļu ieņēmumiem 2024. gadā, palielinoties līdz 14,9% CAGR līdz 2030. gadam. Pāreja no 100 G uz 400 G saitēm paātrinājās 2023.–2024. gadā, un 800 G izvietošana sākās nopietni Google, Amazon un Microsoft. Pirmie 1,6 Tb/s moduļi tika izmēģināti 2024. gada beigās, un tie bija paredzēti komerciālai izlaišanai H{11}} par sākotnējām cenām, kas ir aptuveni 2000 ASV dolāru, un ražošanas apjomi samazinājās līdz aptuveni 1500 ASV dolāriem.
Silīcija fotonikas moduļi aizņēma aptuveni 10% no 800G tirgus H2 2024, un izplatības prognoze līdz 2025. gadam būs 20-30%. Šī tehnoloģija novērš lāzera piegādes ierobežojumus EML un VCSEL komponentiem, kas nepieciešami tradicionālajos moduļos. Kopā-pakotās optika joprojām tiek izstrādāta, Nvidia sadarbojoties CPO risinājumu izstrādē, lai līdz 2026. gadam sāktu ražošanas apjomu. Lineārā pievienojamā optika ieguva vilci 2024. gadā saistībā ar ierobežotu jaudu, lai gan joprojām pastāv problēmas ar pārraidi lielos attālumos.
5G ieviešana veicina telekomunikāciju optisko moduļu pieprasījumu, un 25G SFP28 CWDM raiduztvērēji ir izvietoti āra skapjos, kas saskaras ar ekstremāliem temperatūras apstākļiem. Fronthaul optikas ieņēmumi 2025. gadā sasniedza aptuveni 630 miljonus ASV dolāru, un tika piegādāti 10 miljoni 50G PAM4 vidusceļa ierīču. Operatori migrē no punkta{10}}uz-punkta atvilces maršrutēšanas uz x-izvilkšanas tīkla arhitektūrām, izmantojot 10G līdz 100G rūpnieciskās{15}}pakāpes moduļus, kas atbilst stingriem latentuma līgumiem.
Bieži uzdotie jautājumi
Kāda ir atšķirība starp vienmodu{0}}un daudzmodu optiskajiem moduļiem?
Viena{0}}režīma moduļi darbojas 1310 nm vai 1550 nm viļņu garumā virs 9 μm kodolšķiedras, atbalstot attālumus no 2 km līdz 80 km vai vairāk. Daudzmodu moduļi izmanto 850 nm viļņa garumu virs 50 μm vai 62,5 μm kodolšķiedras, ierobežots līdz 100{12}}550 metriem atkarībā no joslas platuma. Viens{13}}režīms piedāvā ilgāku sasniedzamību, bet maksā vairāk; Multirežīms nodrošina zemākas izmaksas nelielos attālumos, piemēram, savienojumos starp plauktiem.
Vai vienā slēdža portā var darboties dažādi ātruma moduļi?
Porti, kas paredzēti lielāka{0}}ātruma moduļiem, bieži pieņem lēnākus variantus ar samazinātu veiktspēju. 25G SFP28 ports parasti var darbināt 10G SFP+ moduli ar 10G ātrumu, un SFP+ porti pieņem 1G SFP moduļus. Taču otrādi nedarbojas,{10}}jūs nevarat pievienot 25G moduli tikai 10G{13}}portam. Abiem šķiedras saites galiem ir jāatbilst ātruma un viļņa garuma specifikācijām.
Kāpēc optiskajiem moduļiem ir dažādi viļņu garumi?
Viļņa garuma izvēle līdzsvaro attālumu, izmaksas un šķiedras īpašības. 850 nm viļņa garums labi darbojas ar rentablajiem VCSEL lāzeriem{2}}īsām daudzmodu saitēm. 1310 nm viļņa garums nodrošina minimālu izkliedi viena -moda šķiedrā metro attālumos. 1550 nm viļņa garums sasniedz zemāko vājinājuma punktu šķiedrā, nodrošinot tālsatiksmes{8}}pārraidi. WDM sistēmas izmanto precīzu viļņu garuma atstarpi, lai multipleksētu daudzus kanālus vienā šķiedrā.
Kā temperatūra ietekmē optiskā moduļa veiktspēju?
Lāzera viļņa garums novirzās aptuveni par 0,1 nm uz 10 grādu temperatūras izmaiņām bez aktīvas dzesēšanas. Izejas jauda mainās par 3-5% darba temperatūras diapazonā. Uztvērēja jutība nedaudz pasliktinās ekstremālos temperatūras apstākļos. Komerciālajos moduļos ir norādīta 0-70 grādu darbība; industriālie moduļi sniedzas līdz -40 grādiem līdz +85 grādiem, izmantojot termoelektriskos dzesētājus un plašākas pielaides komponentus. Digitālā diagnostika izseko reāllaika temperatūru, lai prognozētu kļūmes pirms to rašanās.
Key Takeaways
Optiskie moduļi veic fotoelektrisko pārveidošanu, izmantojot TOSA raidītājus, izmantojot lāzera diodes un ROSA uztvērējus, izmantojot fotodetektorus
Vairāki viļņu garumi var koplietot vienu šķiedru, izmantojot CWDM vai DWDM tehnoloģiju, ar BiDi moduļiem, kas nodrošina divvirzienu komunikāciju vienā daļā
Veidlapas faktori no SFP līdz QSFP-DD atbalsta ātrums no 1 G līdz 800 G — 1,6 T moduļi tiks ražoti 2025. gadā
Tirgus 2024. gadā sasniedza 13,6 miljardus ASV dolāru, ko veicināja mākslīgā intelekta datu centri, kas izvietoja 400 G un 800 G moduļus vēl nebijušā mērogā
Silīcija fotonika un kopā{0}}iepakotā optika ir nākamā attīstība, uzlabojot enerģijas efektivitāti un integrācijas blīvumu
Datu avoti
Cignal AI optisko komponentu pārskats - 2025. gada janvāris (cignal.ai)
Mordor Intelligence optisko raiduztvērēju tirgus pārskats - 2025. gada jūnijs (mordorintelligence.com)
Kognitīvā tirgus izpētes optisko moduļu pētījums - 2024. gada septembris (cognitivemarketresearch.com)
Yole Group optiskie raiduztvērēji Datacom pārskatam - 2024. gada maijs (yolegroup.com)
IEEE 802.3 optisko komponentu atjauninājums - 2024. gada oktobris (ieee802.org)