نظرة عامة على تطوير أجهزة الإرسال والاستقبال من الألياف البصرية

مقدمة في أجهزة الإرسال والاستقبال الألياف البصرية

يستخدم جهاز الإرسال والاستقبال من الألياف الضوئية ، والذي يسمى أيضًا الوحدة الضوئية ، لتحقيق التحويل بين الإشارات الكهربائية والبصرية. إنه الجهاز الأساسي لتوصيل معدات الاتصال بالألياف الضوئية. تتكون الوحدة الضوئية عادة من جهاز الإرسال الفرعي البصري (TOSA ، الذي يحتوي على رقاقة LD بالليزر) ، والتجميع البصري الفرعي للمستقبل (ROSA ، الذي يحتوي على كاشف ضوئي PD Chip) ، ودائرة قيادة ، وواجهة بصرية وكهربائية. يظهر التخطيطي في الشكل 1.

الشكل 1 الشكل XNUMX مخطط الهيكل الداخلي للوحدة الضوئية

يمكن تقسيم الليزرات الموجودة داخل الوحدة الضوئية إلى ليزر انبعاث لسطح التجويف العمودي (VCSEL) ، ليزر Fabry-Perot (FP) ، ليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFB) ، ليزر معدل الامتصاص الكهربائي (EML) وليزر ضيق النطاق قابل للضبط ، إلخ ؛ يمكن تصنيف أجهزة الكشف الضوئية إلى صمامات ثنائية تقاطع PIN (PIN) وثنائيات ضوئية الانهيار الجليدي (APD). تختلف الأنواع المختلفة من أجهزة الليزر وأجهزة الكشف الضوئي في الأداء والتكلفة ، لذلك يمكننا اختيار حلول شرائح مختلفة وفقًا لمواصفاتها المحددة.

لنأخذ الوحدة الضوئية الرمادية 25G كمثال لتقديم مخطط الكتلة الوظيفية الأساسي للوحدة الضوئية.

الشكل 2 الرسم التخطيطي الأساسي الوظيفي للوحدة البصرية

في نهاية الإرسال ، تتم معالجة الإشارة الكهربائية بمعدل معين بواسطة شريحة السائق لدفع الليزر (LD) لإصدار إشارة ضوئية معدلة بمعدل مماثل ، ويتم إخراج الإشارة الضوئية ذات الطاقة المستقرة من خلال الطاقة الضوئية تلقائيًا دائرة التحكم. في الطرف المستقبل ، بعد دخول الوحدة النمطية ، يتم تحويل الإشارة الضوئية بمعدل معين إلى إشارة كهربائية بواسطة جهاز كشف ضوئي (PD) ، ثم يتم إخراج إشارة كهربائية بمعدل مماثل بعد المرور عبر مضخم.

بالإضافة إلى الليزر وأجهزة الكشف ، تحتوي الوحدة الضوئية أيضًا على بعض الرقائق الكهربائية ، ويمكن رؤية الوظائف المحددة في الشكل أدناه.

الشكل 3 مقدمة عن وظائف المكونات الداخلية للوحدة الضوئية

تصنيف الوحدات البصرية

 

يمكن تصنيف الوحدات الضوئية بعدة طرق ، مثل طريقة التغليف ، والمعدل ، ومسافة الإرسال ، وتنسيق التشكيل ، وما إذا كان سيتم دعمه مضاعفة تقسيم الطول الموجي (WDM) التطبيقات ، طريقة عمل الواجهة الضوئية ، نطاق درجة حرارة العمل ، إلخ. التصنيف المحدد موضح في الجدول التالي.

الجدول 1 تصنيف الوحدات البصرية

تصنيف الوحدات البصرية
حسب عامل الشكل	SFP ، SFP + ، SFP28 ، QSFP28 ، CFP2 ، QSFP-DD ، OSFP ، إلخ.
من خلال مسافة الإرسال	2.5Gb/s,10Gb/s,25Gb/s,40Gb/s,50Gb/s,100Gb/s,200Gb/s,400Gb/s,800Gb/s,etc.
عن طريق وضع التعديل	NRZ ، PAM4 ، DP-QPSK / n-QAM ، إلخ.
ما إذا كان تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي مدعومًا أم لا	وحدة الضوء الرمادي (WDM غير مدعومة) ، وحدة بصرية ملونة (دعم WDM)
من خلال وحدة العمل للواجهة ptical	دوبلكس ، ثنائي الاتجاه
من خلال نطاق درجة حرارة التشغيل	درجة تجارية (0 ~ 70 درجة مئوية) ، درجة صناعية (-40 ~ 85 درجة مئوية) ، إلخ

يمكن أن يعكس تطور طريقة التغليف بشكل حدسي اتجاه التطور للسرعة العالية وتصغير الوحدات الضوئية. من عبوات SFP إلى QSFP و QSFP-DD ، زاد معدل الوحدات البصرية من 1 جيجابت في الثانية إلى 800Gbps، وقد مكّن تحسين تقنية التغليف الوحدات الضوئية من التكيف مع متطلبات المعدل الأعلى مع تغيير طفيف في الحجم.

الشكل 4 تطور تغليف الوحدة البصرية

مع ظهور 5G ، أطلقت الشركات المصنعة للوحدات البصرية وحدات بصرية ملونة لدعم متطلبات النطاق الترددي الأعلى. تتبنى الوحدة البصرية الملونة WDM التكنولوجيا ، التي تجمع الإشارات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة على ألياف بصرية واحدة للإرسال ، مما يحسن بشكل كبير عرض النطاق الترددي لإرسال الإشارة للرابط. في الوقت الحاضر ، تنقسم الوحدة الملونة بشكل أساسي إلى CWDM و LWDM و MWDM و DWDM.

الجدول 2 مقارنة بين الوحدات البصرية الملونة

الأنواع الرئيسية للوحدات البصرية الملونة	الفاصل الزمني للقناة	مخطط	التكلفة	منطقة تجارية رئيسية
CWDM	20nm	غير مبرد DML + PIN	منخفض	الصين
LWDM	800GHz	تبريد DML + PIN	متوسط	اليابان وكوريا الجنوبية
DWDM	100GHz	مبرد EML + APD	عالي	أمريكا الشمالية واليابان وكوريا الجنوبية
مودم	الطول الموجي CWDM + -3.5 نانومتر	تبريد DML + PIN	متوسط	الصين

توزيع الطول الموجي على النحو التالي:

الشكل 5: توزيع الطول الموجي للوحدة الضوئية الملونة

مجالات التطبيق الرئيسية للوحدات البصرية

تستخدم الوحدات البصرية بشكل أساسي في مجال الاتصالات ومراكز البيانات. في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية ، يتم استخدامه بشكل أساسي في الإرسال الأمامي اللاسلكي ، والوسطى والخلفي ، ونقل العمود الفقري ، و FTTX ، وما إلى ذلك ؛ في مجال مراكز البيانات ، غالبًا ما يتم استخدامه في نقل البيانات الداخلية لمراكز البيانات الرئيسية والترابط بين مراكز البيانات.

 تطبيق أجهزة الإرسال والاستقبال من الألياف البصرية في مجال الاتصالات

بأخذ شبكة 5G كمثال ، يتم تقسيمها عمومًا إلى طبقة الوصول إلى المترو وطبقة تجميع المترو وطبقة المترو الأساسية / خط جذع المقاطعة لتحقيق وظائف المسافات الأمامية والمتوسطة لخدمات 5G. الأجهزة في كل طبقة مترابطة بشكل أساسي من خلال الوحدات البصرية ، ويرد في الجدول 3 سيناريوهات التطبيق النموذجية وتحليل المتطلبات.

الجدول 3: تحليل سيناريوهات تطبيق الوحدة الضوئية لحامل 5G والطلب

طبقات الشبكة	طبقة الوصول إلى المترو		طبقة التقارب المترو	طبقة المترو الأساسية / خط الجذع
	5G مسافة أمامية	شبكة 5G للمسافات المتوسطة والخلفية	شبكة 5G للمسافات المتوسطة والخلفية + DCI	شبكة 5G للمسافات المتوسطة والخلفية + DCI
بعد انتقال	<10/20 كم	<40 كم	<40 كم - 80 كم	<40 كم - 80 كم / مئات كم
طوبولوجيا الشبكات	نوع النجم هو المسيطر ، مع شبكة الحلقة المساعدة	تهيمن الشبكة الحلقية ، مع عدد صغير من روابط السلسلة أو النجم	شبكة الحلقة أو ارتباط الإرسال المزدوج	شبكة الحلقة أو ارتباط الإرسال المزدوج
معدل واجهة العميل	eCPRI: 25 جيجابت / ثانية ، CPRI: N * 10 / 25Gb / s	أوائل 5G: 10 / 25Gb / s نطاق الأعمال N * 25 / 50Gb / s	أوائل 5G: 10 / 25Gb / s نطاق الأعمال N * 25/50 / 100Gb / s	أوائل 5G: 25/50 / 100Gb / s نطاق الأعمال N * 100 / 400Gb / s
معدل واجهة الخط	10/25 / 100Gb / s ضوء رمادي أو ضوء ملون N * 25 / 50Gb / s WDM	25/50 / 100Gb / s ضوء رمادي أو ضوء ملون N * 25 / 50Gb / s WDM	ضوء رمادي 100 / 200Gb / s أو ضوء ملون N * 100Gb / s WDM	ضوء رمادي 200 / 400Gb / s أو ضوء ألوان N * 100/200 / 400Gb / s WDM

المتطلبات النموذجية للوحدات البصرية في سيناريوهات تطبيقات الجيل الخامس هي كما يلي:

(1) ضمن نطاق درجة الحرارة الصناعية وتلبية متطلبات الموثوقية العالية: بالنظر إلى بيئة التطبيق الخارجية الكاملة AAU ، يجب أن تكون الوحدة البصرية الأمامية ضمن نطاق درجة الحرارة الصناعية من -40 درجة مئوية ~ + 85 درجة مئوية وتلبية متطلبات الغبار.
(2) التكلفة المنخفضة: من المتوقع أن يتجاوز إجمالي الطلب على الوحدات الضوئية 5G الطلب على 4G ، خاصة أن الطلب على الوحدات البصرية للمسافات الأمامية قد يصل إلى عشرات الملايين. التكلفة المنخفضة هي أحد المتطلبات الرئيسية للصناعة للوحدات البصرية.

الجدول 4 الوضع الحالي للوحدات البصرية 5G Fronthaul

معدل	شكل عامل	بعد انتقال	تشغيل الطول الموجي	تنسيق التحوير	رقاقة بصرية
25Gb / ثانية (eCPRI / CPRI)	SFP28	70-100m	850nm	NRZ	VCSEL + PIN
	SFP28	300m	1310nm	NRZ	FP / DFB + PIN
	SFP28	10km	1310nm	NRZ	DFB + PIN
	SFP28 بيدي	10 كم / 15 كم / 20 كم	1270 / 1330nm	NRZ / PAM4	DFB + PIN (أو APD)
	SFP28	10km	CWDM	NRZ	DFB + PIN غير مبرد
	SFP28	15km	LWDM	NRZ	مبرد DFB + PIN
	SFP28	10km	مودم	NRZ	مبرد DFB + PIN
	SFP28	10km	DWDM	NRZ	مبرد EML + APD
	SFP28 قابل للضبط	10km / 15km	DWDM	NRZ	مبرد EML + APD

يغطي وسيط 5G والوصلة الخلفية طبقة الوصول وطبقة التجميع والطبقة الأساسية لمنطقة العاصمة. لا تختلف تقنية الوحدة الضوئية المطلوبة كثيرًا عن تلك المستخدمة في شبكة الإرسال ومراكز البيانات الحالية. ستستخدم طبقة الوصول بشكل أساسي 25 جيجابت / ثانية و 50 جيجابت / ثانية و 100 جيجابت / ثانية وغيرها من وحدات الضوء الرمادي أو وحدات الإضاءة الملونة ، وستستخدم طبقة التقارب وما فوقها في الغالب 100Gb / ثانية، 200Gb / s ، 400Gb / s وغيرها من وحدات الإضاءة الملونة DWDM.

تطبيق الوحدات الضوئية في مراكز البيانات

مركز البيانات هو مجموعة ضخمة من مراكز البيانات تتكون من عدة غرف كمبيوتر. من أجل الاستخدام العادي لخدمات الإنترنت ، من الضروري تنسيق تشغيل مراكز البيانات. تتقارب كمية كبيرة من المعلومات بين مراكز البيانات في نفس الوقت ، مما يخلق طلبًا على شبكة ربط مركز البيانات ، ويعد اتصال الألياف الضوئية حلاً ضروريًا لتحقيق الترابط الشبكي ؛ تختلف عن معدات نقل شبكة الوصول إلى الاتصالات التقليدية ، يحتاج التوصيل البيني لمركز البيانات إلى تحقيق نقل أكبر وأكثر كثافة للمعلومات ، الأمر الذي يتطلب معدات التحويل للحصول على سرعة أعلى ، واستهلاك أقل للطاقة ، وأداء أكثر تصغيرًا. يعد جهاز الإرسال والاستقبال من الألياف الضوئية عاملاً أساسيًا يحدد ما إذا كان يمكن تحقيق هذه العروض.

يمكن تقسيم أنواع اتصال الوحدات الضوئية في مركز البيانات إلى ثلاثة أنواع: نقل المعلومات الداخلية في مراكز البيانات ، والترابط بين مراكز البيانات ، ونقل المعلومات من مراكز البيانات إلى المستخدمين. في الوقت الحاضر ، يمثل الاتصال الداخلي لمراكز البيانات الغالبية العظمى من اتصالات مراكز البيانات. عزز التطور الكبير لبناء مركز البيانات من تطوير وحدات بصرية عالية السرعة ، كما أن آفاق تطبيق الوحدات الضوئية عالية السرعة تتحسن وأفضل.

الشكل 6 رسم تخطيطي داخل مركز البيانات

سلسلة صناعة الوحدات البصرية

تتكون سلسلة صناعة الوحدات الضوئية من موردي شرائح الإلكترونيات الضوئية المنبع ، وموردي الوحدات الضوئية في منتصف الطريق ، والاتصالات السلكية واللاسلكية ، وبائعي معدات الشبكات ، وموفري خدمات الإنترنت ، ومصنعي الإنترنت.

الشكل 7 سلسلة صناعة الوحدات البصرية

هناك العديد من موردي الرقائق الإلكترونية الضوئية المنبع ، لكن الرقائق الضوئية والرقائق الكهربائية عالية الجودة لها حواجز تقنية عالية وتكاليف عالية للبحث والتطوير. تقع صناعة الوحدات الضوئية في منتصف سلسلة الصناعة ، والتي تنتمي إلى رابط التعبئة مع حواجز تقنية منخفضة نسبيًا. إنها تحت ضغط أعلى وأسفل السلسلة ، مع قوة تفاوضية ضعيفة نسبيًا ومنافسة شرسة داخل الصناعة. بعد سنوات من التطوير ، احتلت الشركات الصينية نصف سوق الوحدات الضوئية العالمية بفضل مزاياها في تكاليف العمالة ، وحجم السوق ، والدعم من مصنعي المعدات والمشغلين.

اتجاه تطوير أجهزة الإرسال والاستقبال من الألياف البصرية

السرعة العالية هي الاتجاه الحتمي للوحدات البصرية. مع تطور الوحدات الضوئية إلى سرعات عالية مثل 400G و 800 G وحتى 1.6T ، فإن السوق لديه متطلبات عالية بشكل متزايد لاستهلاك منخفض للطاقة ، وتصغير ، وتكلفة منخفضة. سيكون هناك عنق زجاجة تقني لتكنولوجيا الوحدات البصرية التقليدية. نظرًا لتكاملها العالي واستهلاكها المنخفض للطاقة ، فإن تقنية تكامل فوتونات السليكون سوف تخترق هذا الاختناق وتؤدي إلى اختراق تكنولوجي. في الوقت الحاضر ، يستثمر المزيد والمزيد من الشركات المصنعة من الداخل والخارج في البحث والتطوير للوحدات النمطية المتكاملة لضوئيات السيليكون. تم إنتاج بعض الوحدات الضوئية عالية السرعة باستخدام تقنية تكامل فوتونات السيليكون بكميات كبيرة واستخدامها في مراكز البيانات.