عوامل شكل الوحدة البصرية الشائعة

تمثل الوحدات البصرية قطاعًا متخصصًا مشتقًا من تطور صناعة الاتصالات بالألياف البصرية، حيث وصل إلى مرحلة معينة من التقدم.

في عام 1960، تم اختراع الليزر.

بحلول عام ١٩٦٢، استُخدمت أشباه الموصلات في إنتاج الليزر. ورغم أن كفاءة التحويل الكهروضوئي كانت منخفضة للغاية وعمرها التشغيلي قصير جدًا، فقد وُضع الأساس النظري لليزر أشباه الموصلات.

شهد عام 1966 تأسيس نظرية مفادها أنه من الممكن استخدام الألياف الضوئية في الاتصالات.

وشهدت الفترة من عام 1970 إلى عام 1980 تقدماً في عمليات تصنيع الألياف الضوئية، إلى جانب تطوير نظريات الليزر شبه الموصل وتقنيات الإنتاج.

حوالي عام 1985، بدأت صناعة الاتصالات بالألياف الضوئية.

بحلول عام 1995، بدأ إنتاج محولات الإشارة الضوئية الإلكترونية، المستخدمة في الاتصالات عبر الألياف الضوئية، بكميات كبيرة.

دور الوحدات البصرية هو تحويل الإشارات البصرية إلى إشارات كهربائية والعكس.

كان عام ١٩٩٥ عامًا محوريًا، إذ شهد دخول الإنترنت إلى المنازل، وظهور نظام التشغيل ويندوز ٩٥، وانتشار الحواسيب الشخصية. وشهد هذا العصر أنشطةً مثل إرسال البريد الإلكتروني، وعرض الصور على الإنترنت، والتفاعل الاجتماعي، ومناقشة الأحاديث في المجتمعات، والتسوق عبر الإنترنت. ونتيجةً لذلك، بدأت حركة الاتصالات في الارتفاع.

تطورت واجهة تحويل الإشارات الضوئية الإلكترونية من سرعات ميغابت إلى سرعات جيجابت (1 جيجابت في الثانية). وقد أدى هذا التطور إلى ظهور اسم GBIC.

يشير Giga Bit إلى 1Gbps.

يسلط المحول الضوء على تحويل الإشارات الضوئية والإشارات الكهربائية.

تشير الواجهة إلى واجهة صناعية موحدة تشمل الاتصالات البصرية والكهربائية والإشارية والفيزيائية - مما يخلق معيارًا هيكليًا يشبه "برغي" المعيار الصناعي.

مع نمو الصناعة، ازدادت الرغبة في زيادة توصيلات الوحدات في نفس المساحة. حوالي عام 2000، ظهر SFP، وهو أصغر حجمًا من GBIC. مكّن من تحويل الإشارة بسرعة 1 جيجابت في الثانية، ولكنه جاء بتصميم أصغر حجمًا.

منذ طرحها، أظهرت تقنية SFP عمرًا افتراضيًا طويلًا بشكل ملحوظ. صُممت في البداية لتحقيق تحويل بمستوى جيجابت في الثانية، والذي كان يُعتبر عالي السرعة آنذاك، وظل شكل وحجم الوحدة دون تغيير يُذكر مع زيادة السرعات إلى 2.5 جيجابت في الثانية، و10 جيجابت في الثانية، وحتى 28 جيجابت في الثانية. في عام 2019، أصبحت SFP28 عامل الشكل السائد للوحدة الضوئية لتطبيقات النقل الأمامي في محطات القاعدة المتنقلة لشبكات الجيل الخامس (5G). وعلى مدار العامين الماضيين، استمرت في التطور، داعمةً سرعات تصل إلى 56 جيجابت في الثانية و112 جيجابت في الثانية.

الميزة المميزة لـ SFP هي بنيته 1x: قناة إرسال واحدة وقناة استقبال واحدة.

بعد مرور عقدين من الزمن، أصبحت وحدة الإيثرنت الضوئية بسرعة 1 جيجابت في الثانية بالفعل معيارًا، في حين كانت الجهود جارية لوضع معايير لوحدات الإيثرنت الضوئية بسرعة 10 جيجابت في الثانية.

تم تصميم معيار 2000 SFP لـ 1 جيجابت في الثانية.

تميّز معيار Xenpak لعام 2001، الذي يُمثّل وحدات إيثرنت بسرعة 10 جيجابت في الثانية، بحجم أكبر بكثير. في ذلك الوقت، كان هذا حلاً وسطًا ضروريًا، إذ تطلّب تصميمات مساعدة شاملة وتكوينات متعددة القنوات، خاصةً لتصاميم الإشارات الكهربائية، لاستيعاب المكونات التي تُمكّن من تحويل البيانات بسرعة 10 جيجابت في الثانية في حاوية كبيرة كهذه.

يشير الحرف "X" في Xenpak إلى الرقم الروماني 10.

ركزت الجهود اللاحقة على تصغير وحدات 10 جيجابت في الثانية. مثّل X2 تصميمًا أصغر حجمًا من Xenpak، بينما قدّم XFP عامل شكل أكثر إحكامًا من X2.

لقد اتبع تطوير الوحدات البصرية مسارات متميزة، مع استمرار سلسلة Xenpak وX2 وXFP في تقدمها بينما تقدمت أيضًا التصميمات السابقة، مثل GBIC وSFP.

بحلول عام ٢٠٠٩، طُرح الإصدار المُحسّن من SFP، SFP+، والذي يدعم سرعة نقل بيانات تصل إلى ١٠ جيجابت في الثانية، وكان أصغر قليلاً من XFP، مما أدى تدريجيًا إلى استحواذ XFP على جزء من حصتها السوقية في هذا القطاع.

بعد ذلك، بدأ عصر وحدات 100G الضوئية. في عام 2009، أدى انتقال وحدات 10G - من Xenpak الكبيرة إلى X2 وXFP وSFP+ - إلى أبعاد أصغر تدريجيًا. بالتزامن مع ذلك، بدأ توحيد معايير وحدات 100G الضوئية ذات 10 قنوات، تحت مسمى "تغليف 100G سريع التركيب"، حيث يرمز الحرف "C" إلى الرقم الروماني 100.

إن مقارنة حجم CFP الأصلي يكشف عن أبعاده الكبيرة.

مع تطور الصناعة، تم تعريف الجيل الثاني والثالث من وحدات CFP - والتي يشار إليها عادة باسم CFP2 وCFP4 - في عامي 2013 و2014.

بين عامي ٢٠١٢ و٢٠١٤، شهد سوق الوحدات الضوئية لمراكز البيانات نموًا هائلًا. بعد المرحلة القصيرة لوحدات ٤٠ جيجابت في الثانية، انتقل السوق إلى وحدات ١٠٠ جيجابت في الثانية لمراكز البيانات.

في ذلك الوقت، كانت وحدة CFP4 أكبر حجمًا نسبيًا، وصُممت خصيصًا لـ 100 جيجابت. وكان أداء موصلاتها متفوقًا. ومع ذلك، تطورت سلسلة QSFP+، التي تضم 4 قنوات SFP، بسرعة، و وحدة QSFP28 100G سيطرت على السوق بتصميمها البسيط والفعال من حيث التكلفة.

بعد عام ٢٠١٤، اكتسبت سلسلة QSFP رواجًا كبيرًا. وضمن قيود الحفاظ على عامل شكل ثابت، حسّنت السلسلة عرض النطاق الترددي وسعة تحويل معدل البت لوحدات بصرية لمراكز البيانات بسعات ١٠٠ و٢٠٠ و٤٠٠ جيجابايت. ونتيجةً لذلك، تراجعت شعبية نوع وحدة CFP2014.

ابتداءً من عام ٢٠١٧، بدأ القطاع بالتركيز على وحدات ٤٠٠ جيجابت. في ذلك الوقت، ظهرت عدة خيارات:

CFP8، امتداد لسلسلة CFP.

OSFP، يمثل بنية محددة حديثًا، حيث يشير "O" إلى 8x قنوات.

QSFP-DD، مشتق من سلسلة QSFP، مصمم بقدرات كثافة مزدوجة.

صُممت سلسلة CFP في البداية لتطبيقات 100G. وللوصول إلى 400G، كان النهج التقليدي في الصناعة هو تكبير حجم الوحدة. ونتيجةً لذلك، عادت وحدة CFP8 إلى عامل شكل قريب من أبعاد CFP2.

قدم مشروع OSFP تصميمًا هيكليًا جديدًا خلال هذا الوقت، في حين تضمنت سلسلة QSFP وظيفة الكثافة المزدوجة (DD) ضمن إطارها.

حاليا، OSFP و QSFP-DD تعد الخيارات الأكثر شعبية لوحدات 400G، حيث تفقد CFP8 حصتها في السوق تدريجيًا.

في عصر 800G، يُمثل الحجم الصغير لـ QSFP-DD تحديًا بسبب كثافته الحرارية العالية، مما يُقلل من استخدامه. لذا، أصبح OSFP ونسخته ذات الحجم المُوسّع، OSFP-XD، الخيارين الرئيسيين لوحدات 800G.

بالنسبة لوحدات 1.6T القابلة للتوصيل السريع، فإن OSFP-XD تقود الطريق باعتبارها عامل الشكل المهيمن.

في عامي 2021 و2022، بدأت جهود التوحيد القياسي لوحدات CPO الضوئية بسرعة 3.2 تيرابت في الثانية والمصممة للتبديل عالي الكثافة.

يتم تحقيق الحجم الصغير لوحدات CPO من خلال دمج تقنية فوتونيات السيليكون. يختار العديد من المصنّعين دمج مكونات الليزر والكاشف داخل الوحدة أو وضع الليزر خارجيًا، مما يزيد من نسبة السعة إلى الحجم في وحدات CPO.

بين عامي ٢٠١١ و٢٠١٢، بدأت صناعة الوحدات المتماسكة مرحلتها الأولى. كانت الوحدات المتماسكة المبكرة عبارة عن تصاميم مثبتة على لوحات، تتطلب عوامل شكل كبيرة ذات ٣٠٠ سن، بأبعاد ٥ بوصات × ٧ بوصات، لاستيعاب المُعدِّلات، ومصادر الضوء، والخلاطات، والكاشفات المتوازنة، ومعالجات الإشارة الرقمية، وغيرها من المكونات اللازمة للاتصال المتماسك. بلغ استهلاك الطاقة لهذه الوحدات المتماسكة ١٠٠ جيجابت ٨٠ واط.

مع مرور الوقت، تقلصت أبعاد الوحدات المتماسكة من 5 بوصات × 7 بوصات إلى 4 بوصات × 5 بوصات. وقد سهّل تصغير مُعدّلات أشباه الموصلات، وهياكل ICR لأشباه الموصلات، وعمليات تصنيع DSP الانتقال إلى وحدات CFP وCFP2 القابلة للتوصيل السريع.

بحلول عام 2022، أصبحت الوحدة المتماسكة 400GZR متاحة في عامل الشكل QSFP-DD فائق الصغر.