Qu'est-ce qu'un module optique ?
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En ce qui concerne les modules optiques, je suis sûr que tout le monde les connaît bien. Avec le développement rapide de la communication optique, de nombreux scénarios dans notre travail et dans notre vie ont désormais permis de « remplacer le cuivre par la fibre ». C'est-à-dire que la communication à support métallique est représentée par des câbles coaxiaux etcâbles réseauest progressivement remplacé par les fibres optiques.Modules optiquessont un élément essentiel defibre optiquesystèmes de communication.
1. Composition des modules optiques
Le module optique, connu sous le nom d'émetteur-récepteur optique en anglais, est un terme général désignant diverses catégories de modules, notamment les modules récepteurs optiques, les modules émetteurs optiques, les modules émetteurs-récepteurs optiques et les modules de transfert optique.
Aujourd'hui, lorsque l'on parle de modules optiques, nous entendons généralement des émetteurs-récepteurs optiques (et ce sera le cas tout au long du texte).
Les modules optiques fonctionnent au niveau de la couche physique, qui est la couche inférieure du modèle OSI. Sa fonction est assez simple : il réalise la conversion photoélectrique. Il convertit les signaux optiques en signaux électriques et les signaux électriques en signaux optiques.
Bien que cela semble simple, le contenu technique du processus de mise en œuvre n'est pas faible.
Un module optique se compose généralement d'un émetteur optique (TOSA, transmetteur optique sous-assemblage, contenant une diode laser), d'un récepteur optique (ROSA, récepteur optique sous-assemblage, contenant un photodétecteur), de circuits fonctionnels et d'interfaces optiques (électriques).
À l'extrémité de transmission, la puce pilote traite le signal électrique d'origine, puis commande la diode laser à semi-conducteur (LD) ou la diode électroluminescente -diode électroluminescente (LED) pour émettre un signal optique modulé.
À l'extrémité de réception, une fois le signal optique entré, il est converti en signal électrique par un photodétecteur puis émis après avoir été amplifié par un préamplificateur.
2. Emballage des modules optiques
Pour les débutants, l’aspect le plus frustrant des modules optiques réside dans leurs noms d’emballage extrêmement complexes et dans la gamme ahurissante de paramètres.
L’emballage peut être simplement compris comme une norme de facteur de forme. C'est le principal moyen de distinguer les modules optiques.
Le développement rapide de la technologie de communication par fibre optique est la principale raison de la multitude de normes d'emballage.
La vitesse des modules optiques augmente constamment et leur taille diminue également, de sorte que de nouvelles normes d'emballage sont introduites toutes les quelques années. La compatibilité entre les anciennes et les nouvelles normes d'emballage est généralement difficile.
En outre, les divers scénarios d'application des modules optiques expliquent également l'augmentation des normes d'emballage. Différentes distances de transmission, exigences de bande passante et emplacements d'utilisation correspondent à différents types de fibres optiques, et donc à différents modules optiques.
J'ai répertorié quelques méthodes de classification des modules optiques, y compris l'emballage, comme indiqué dans le tableau ci-dessous :
3. Classification des modules optiques
Avant d'expliquer l'emballage et la classification, présentons les organismes de normalisation pour la communication optique. Parce que ces normes d'emballage sont déterminées par des organismes de normalisation.
Actuellement, plusieurs organisations mondiales normalisent la communication optique, telles que l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), l'ITU-T (Union internationale des télécommunications), le MSA (Multi Source Agreement), l'OIF (Optical Internetworking Forum), le CCSA (China Communications Standards Association), etc.
Les plus couramment utilisés dans l’industrie sont IEEE et MSA.
Vous n'êtes peut-être pas familier avec MSA. Son nom anglais est Multi Source Agreement. Il s'agit d'une spécification multi-fournisseurs, d'une forme d'organisation non-officielle par rapport à l'IEEE, qui peut être comprise comme un comportement d'alliance industrielle.
Commençons maintenant à présenter l’emballage.
Tout d’abord, vous pouvez jeter un œil à l’image suivante, qui décrit avec précision la période d’émergence des différents emballages et leurs vitesses de travail correspondantes.
4. Emballage commun
GBIC
GBIC signifie Giga Bitrate Interface Converter. Avant 2000, le GBIC était le conditionnement de modules optiques le plus populaire et la forme de module gigabit la plus utilisée.
SFP
En raison de la grande taille du GBIC, le SFP est apparu plus tard et a commencé à remplacer le poste du GBIC. SFP, le nom complet Small Form-factor Pluggable, est un petit module optique-enfichable à chaud. Sa petite taille est relative à un emballage GBIC.
Le volume du SFP est réduit de moitié par rapport aux modules GBIC, permettant de configurer plus du double du nombre de ports sur le même panneau. En termes de fonctionnalités, les deux prennent en charge le branchement à chaud. SFP prend en charge une bande passante maximale de 4 Gbit/s.
XFP
XFP est pluggable avec un facteur de forme réduite de 10 {{1}Gigabits-. Il utilise un module série monocanal pleine vitesse avec une connexion XFI (interface série 10 Go), qui peut remplacer Xenpak et ses produits dérivés.
SFP+
SFP+ est également un module optique 10G. Sa taille est conforme au SFP, plus compacte (réduite d'environ 30%) que XFP, et consomme moins d'énergie (réduit certaines fonctions de contrôle du signal).
SFP28
SFP28 avec une vitesse de 25 Gbit/s était principalement dû au fait que les prix des modules optiques 40G et 100G étaient trop élevés à l'époque, c'est pourquoi cette solution de transition de compromis a été introduite.
QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD
Quad Small Form-facteur enfichable, une interface SFP à quatre-canaux. De nombreuses technologies clés matures de XFP ont été appliquées à cette conception.
QSFP peut être divisé en modules optiques 4 × 10G QSFP+, 4 × 25G QSFP28, 8 × 25G QSFP28-DD, etc.
Par exemple, QSFP28 convient aux ports d'accès 4x25GE. Grâce à QSFP28, il est possible de passer de 25G à 100G sans passer par 40G, ce qui simplifie considérablement les difficultés de câblage et réduit les coûts.
QSFP-DD
Fondée en mars 2016, DD signifie « Double Densité ». Il augmente les quatre canaux deQSFPà huit canaux.
Il est compatible avec les solutions QSFP. Les modules QSFP28 d'origine peuvent toujours être utilisés, il suffit d'insérer un autre module. Le nombre de contacts électriques surQSFP-DDest le double de celui de QSFP28.
QSFP-DD utilise les formats de signal NRZ à 25 Gbit/s ou PAM4 à 50 Gbit/s par canal. Grâce à PAM4, il peut prendre en charge des débits allant jusqu'à 400 Gbit/s.
PAM4
PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) est une technologie de « doublement ».
Pour les modules optiques, si vous souhaitez améliorer le débit, vous augmentez le nombre de canaux ou augmentez le débit d'un seul canal.
Les signaux numériques traditionnels utilisent principalement des signaux NRZ (Non-Retour-à-Zéro), en utilisant des niveaux de signal hauts et bas pour représenter les informations 1 et 0 du signal logique numérique, chaque période de symbole de signal transmettant 1 bit d'informations logiques.
Les signaux PAM4 utilisent quatre niveaux de signal différents pour la transmission, chaque période de symbole représentant 2 bits d'informations logiques (0, 1, 2, 3). Avec la même bande passante physique du canal, PAM4 transmet deux fois plus d'informations que les signaux NRZ, permettant ainsi de doubler le débit.
CFP/CFP2/CFP4/CFP8
Centum gigabits Form Pluggable, un module de communication optique à division de longueur d'onde dense. Le taux de transmission peut atteindre 100 à 400 Gbit/s.
CFP est conçu sur la base de l'interface SFP, avec une taille plus grande, prenant en charge la transmission de données à 100 Gbit/s. CFP peut prendre en charge un seul signal 100G, un ou plusieurs signaux 40G.
La différence entre CFP, CFP2 et CFP4 réside dans leur taille. La taille du CFP2 représente la moitié du CFP et celle du CFP4 un quart du CFP.
Le CFP8 est un conditionnement spécifiquement proposé en 400G, de taille similaire au CFP2. Il prend en charge des débits de canal de 25 Gbit/s et 50 Gbit/s, atteignant des débits de module de 400 Gbit/s via des interfaces électriques 16x25G ou 8x50.
OSFP
Ceci est assez facilement confondu avec leOSPFprotocole de routage.
OSFP,Petit facteur de forme octal enfichable, « O » signifie « octal », officiellement lancé en novembre 2016.
Il est conçu pour utiliser huit canaux électriques pour atteindre 400 GbE (8*56 GbE, mais le signal 56 GbE est formé par un laser DML 25 G sous modulation PAM4), légèrement plus grand que QSFP-DD, avec des moteurs optiques et des émetteurs-récepteurs de puissance -plus élevés, et des performances de dissipation thermique légèrement meilleures.
Voici quelques-unes des normes courantes en matière d'emballage de modules optiques.
5. 400Modules optiques G
Comme vous l'avez peut-être remarqué, j'ai mentionné trois types de modules optiques prenant en charge 400 Gbit/s lors de l'introduction du packaging : QSFP-DD, CFP8 et OSFP.
Le 400G est actuellement la principale direction concurrentielle dans le secteur des communications optiques. Aujourd'hui, la 400G en est également aux premiers stades d'une utilisation commerciale à grande échelle.
Comme chacun le sait, en raison du lancement à grande échelle de la construction de réseaux 5G, du développement rapide du cloud computing et de la construction de centres de données à grande échelle, la demande du secteur des TIC en 400G est devenue de plus en plus urgente.
Les premiers modules optiques 400G utilisaient une méthode de mise en œuvre NRZ à 16 voies à 25 Gbit/s, utilisant un conditionnement CDFP ou CFP8.
Cette méthode de mise en œuvre bénéficie de l'utilisation de la technologie mature 25G NRZ développée pour les modules optiques 100G. Cependant, l'inconvénient est qu'il nécessite 16 voies de transmission parallèle, ce qui entraîne une consommation d'énergie plus élevée et une taille plus grande, ce qui ne convient pas aux applications de centres de données.
Plus tard, PAM4 a commencé à remplacer NRZ.
Du côté optique, la transmission du signal 400G est principalement réalisée à l'aide de 8 voies de PAM4 à 53 Gbit/s ou de 4 voies de PAM4 à 106 Gbit/s, et du côté électrique, 8 voies de signaux électriques PAM4 à 53 Gbit/s sont utilisées, avec des formes d'emballage OSFP ou QSFP-DD.
Comparativement, le boîtier QSFP-DD est plus petit (similaire au boîtier QSFP28 du module optique 100 G traditionnel), ce qui est plus adapté aux applications de centre de données. Le boîtier OSFP est légèrement plus grand et, comme il peut fournir plus de puissance, il est plus adapté aux applications de télécommunications.
Actuellement, les modules optiques 400G, quelle que soit la méthode de conditionnement, sont très chers, loin de répondre aux attentes des utilisateurs. Ils ne peuvent donc pas être rapidement popularisés.
Une autre technologie remarquable est la photonique sur silicium, communément appelée photonique sur silicium.
La photonique sur silicium est considérée comme ayant de nombreuses applications et une forte compétitivité à l’ère du 400G, et elle suscite beaucoup d’attention de la part de nombreuses entreprises et instituts de recherche.
6. Concepts clés des modules optiques
Après avoir brièvement évoqué le 400G, continuons avec la classification des modules optiques.
Sur la base du packaging, combiné à certains paramètres, il y aura la dénomination des modules optiques.
Prenez le 100G par exemple, nous voyons souvent les types de modules optiques suivants :
Les normes commençant par 100GBASE sont proposées par le groupe de travail IEEE 802.3. PSM4 et CWDM4 proviennent de MSA.
PSM4 (Parallel Single Mode 4 voies, parallèle monomode-quatre-canaux)
CWDM4 (multiplexeur à répartition en longueur d'onde grossière à 4 voies, multiplexage par répartition en longueur d'onde grossière à quatre - canaux)
Regardons le nom de IEEE 802.3 :
Comme le montre la figure ci-dessus :
Dans le nom 100GBASE-LR4, LR signifie longue portée, c'est-à-dire 10 km, et 4 signifie quatre canaux, c'est-à-dire 4*25G, combinés ensemble pour former un module optique 100G pouvant transmettre 10 km.
Les règles de dénomination pour -R sont les suivantes :
La raison pour laquelle il existe le 100GBASE de l'IEEE et le PSM4 et le CWDM4 de MSA est que la distance prise en charge par 100GBASE-SR4 était trop courte et ne pouvait pas répondre à tous les besoins d'interconnexion, tandis que le coût du 100GBASE-LR4 était trop élevé. PSM4 et CWDM4 ont fourni de meilleures solutions à moyenne distance-.
En plus de la distance et du nombre de canaux, intéressons-nous à la longueur d'onde centrale.
La longueur d'onde de la lumière détermine directement ses caractéristiques physiques. Actuellement, les longueurs d'onde centrales de la lumière utilisées dans les fibres optiques sont principalement 850 nm, 1 310 nm et 1 550 nm (nm signifie nanomètres).
Parmi eux, 850 nm sont principalement utilisés pour le multimode, et 1310 nm et 1550 nm sont principalement utilisés pour le mode unique.
Pour plus de détails sur le mode monomode et le multimode, reportez-vous à notre discussion précédente sur les fibres optiques.
Pour le mode monomode et le multimode, si le module nu n'est pas marqué, il est facile de confondre.
Ainsi, les fabricants les distinguent généralement par la couleur de l’anneau de traction :
Anneau de traction bleu et jaune
Ici, nous mentionnons également WDM CWDM et DWDM, que vous devriez souvent voir.
WDM signifie Wavelength Division Multiplexing. En termes simples, il multiplexe les signaux optiques de différentes longueurs d'onde dans la même fibre optique pour la transmission.
En fait, le multiplexage par répartition en longueur d’onde est une sorte de multiplexage par répartition en fréquence. Longueur d'onde × fréquence=vitesse de la lumière (valeur fixe), donc diviser par longueur d'onde équivaut en fait à diviser par fréquence. Dans la communication optique, les gens sont habitués à nommer par longueur d'onde.
DWDM est un WDM dense et CWDM est un WDM grossier. D'après les noms, vous devez comprendre que l'intervalle de longueur d'onde dans D-WDM est plus petit.
L’avantage du WDM est sa grande capacité et sa transmission sur de longues distances.
À propos, BiDi (BiDirectional) est unidirectionnel, une fibre optique, une transmission et une réception bidirectionnelles. Le principe de fonctionnement est illustré dans la figure ci-dessous.
Il s'agit en fait d'ajouter un filtre. Les longueurs d'onde d'émission et de réception sont différentes, permettant une émission et une réception simultanées.
7. Indicateurs de base des modules optiques
Les indicateurs de base des modules optiques sont principalement les suivants :
Puissance optique de sortie
La puissance optique de sortie fait référence à la puissance optique de sortie de la source lumineuse à l'extrémité d'envoi du module optique. Cela peut être compris comme l’intensité de la lumière, avec des unités de W ou mW ou dBm. Parmi eux, W ou mW sont des unités linéaires et dBm sont des unités logarithmiques. En communication, nous utilisons généralement le dBm pour représenter la puissance optique.
Une réduction de 3 dB de la puissance optique signifie qu'elle est divisée par deux, et 0 dBm correspond à 1 mW.
Sensibilité de réception maximale
La sensibilité de réception fait référence à la puissance optique minimale reçue du module optique sous un certain taux et taux d'erreur, avec des unités de dBm.
Généralement, plus le débit est élevé, plus la sensibilité de réception est mauvaise, c'est-à-dire plus la puissance optique minimale reçue est grande et plus les exigences pour les dispositifs d'extrémité de réception du module optique sont élevées.
Taux d'extinction
Le taux d'extinction est l'un des paramètres importants utilisés pour mesurer la qualité d'un module optique.
Il fait référence au rapport minimum entre la puissance optique moyenne du signal dans des conditions de modulation complète et la puissance optique moyenne du signal spatial, indiquant la capacité de distinguer les signaux 0 et 1. Deux facteurs affectant le taux d'extinction dans les modules optiques sont le courant de polarisation (bias) et le courant de modulation (Mod), qui peuvent être considérés comme ER=Bias/Mod.
La valeur du taux d’extinction n’est pas nécessairement plus élevée, mieux c’est ; un module optique avec un taux d'extinction conforme à la norme 802.3 est bon.
Saturation optique
Également connue sous le nom de puissance optique de saturation, elle fait référence à la puissance optique d'entrée maximale sous un certain taux de transmission tout en maintenant un certain taux d'erreur (10-10-10-12), avec des unités de dBm.
Il est à noter que le photodétecteur présentera un phénomène de saturation sous forte irradiation lumineuse. Lorsque ce phénomène se produit, le détecteur a besoin d'un certain temps pour récupérer, pendant lequel la sensibilité de réception diminue, et le signal reçu peut être mal évalué, provoquant un phénomène d'erreur, et il est également très facile d'endommager le détecteur d'extrémité de réception. Il faut donc éviter de dépasser sa puissance optique de saturation lors de son utilisation.
8. Chaîne industrielle des modules optiques
Enfin, parlons brièvement de la chaîne industrielle des modules optiques.
Actuellement, le marché des modules optiques est très en vogue, principalement à cause de la 5G etcentres de données, comme mentionné précédemment.
Les deux aspects les plus coûteux de la construction du réseau 5G sont les stations de base et le réseau de transport optique. Dans le réseau de transport optique, la teneur en eau des fibres optiques n'est pas grande, mais les modules optiques sont assez gênants.
Au cœur des modules optiques, le composant le plus cher est la puce. Les puces du laser et du photodétecteur représentent plus de la moitié du coût.
En ce qui concerne les puces, la situation actuelle est la suivante : les fabricants étrangers ont un avantage dans les puces haut de gamme-, tandis que les fabricants nationaux ont un avantage dans les puces de milieu-à-bas de gamme-. Cependant, les fabricants nationaux font continuellement des percées sur le marché haut de gamme. La marge bénéficiaire des puces haut de gamme-est supérieure à celle des puces bas de gamme-, ce qui est évident.
Au total, il existe plus de 1 000 entreprises de communications optiques en Chine, mais les marges bénéficiaires sont toutes très faibles. Par ailleurs, dans la structure de la chaîne industrielle, face aux équipementiers (Huawei, ZTE), les entreprises de communications optiques sont également relativement « modestes » et n'ont aucun pouvoir de négociation.
La concurrence dans le secteur est féroce et les nouveaux produits,-les produits haut de gamme, génèrent plus de bénéfices, mais avec le temps, les bénéfices diminueront.
Quoi qu'il en soit, c'est à peu près comme ça.
