Gängige Formfaktoren für optische Module

Optische Module stellen ein spezialisiertes Segment dar, das aus der Entwicklung der Glasfaserkommunikationsbranche hervorgegangen ist und ein gewisses Fortschrittsstadium erreicht hat.

1960 wurde der Laser erfunden.

Ab 1962 wurden Halbleiter bereits in der Laserproduktion eingesetzt. Obwohl der elektrooptische Umwandlungswirkungsgrad extrem niedrig und die Lebensdauer sehr kurz war, waren die theoretischen Grundlagen für Halbleiterlaser gelegt.

Das Jahr 1966 markierte die Etablierung der Theorie, dass Glasfasern zur Kommunikation genutzt werden könnten.

Im Zeitraum von 1970 bis 1980 kam es zu Fortschritten bei der Herstellung von Glasfasern sowie zur Entwicklung von Theorien und Produktionstechniken für Halbleiterlaser.

Um 1985 begann die Industrialisierung der Glasfaserkommunikation.

Ab 1995 begann man mit der Massenproduktion optoelektronischer Signalkonverter für die Glasfaserkommunikation.

Die Aufgabe optischer Module besteht darin, optische Signale in elektrische Signale und umgekehrt umzuwandeln.

1995 war ein entscheidendes Jahr – die Ära, in der das Internet Einzug in die Haushalte hielt, Windows 95 eingeführt wurde und PCs alltäglich wurden. In dieser Ära wurden Aktivitäten wie das Versenden von E-Mails, das Betrachten von Bildern im Internet, soziale Interaktionen, das Diskutieren von Klatsch und Tratsch in Communitys und das Einkaufen im Internet möglich. Infolgedessen begann der Kommunikationsverkehr stark anzusteigen.

Die Konvertierungsschnittstelle für optoelektronische Signale entwickelte sich von Megabit- zu Gigabit-Geschwindigkeiten (1 Gbit/s). Dieser Entwicklung verdankt sich der Name GBIC:

Gigabit steht für 1 Gbit/s.

Konverter hebt die Umwandlung optischer und elektrischer Signale hervor.

Mit „Schnittstelle“ ist eine standardisierte Industrieschnittstelle gemeint, die optische, elektrische, Signal- und physikalische Verbindungen umfasst und so einen Strukturstandard ähnlich einer „Schraube“ des Industriestandards schafft.

Mit dem Branchenwachstum entstand der Wunsch nach mehr Modulanschlüssen auf gleichem Raum. Um das Jahr 2000 kam SFP auf – ein kleinerer Formfaktor als GBIC. Es ermöglichte die gleiche 1-Gbit/s-Signalkonvertierung, war jedoch kompakter.

Seit seiner Einführung hat SFP eine bemerkenswerte Langlebigkeit bewiesen. Ursprünglich für die Konvertierung im Gbit/s-Bereich konzipiert, was damals als Hochgeschwindigkeit galt, blieben Form und Größe des Moduls weitgehend unverändert, als die Geschwindigkeiten auf 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s und sogar 28 Gbit/s stiegen. Im Jahr 2019 wurde SFP28 zum vorherrschenden Formfaktor für optische Module für Front-Haul-Anwendungen in 5G-Mobilfunkbasisstationen (fünfte Generation). In den letzten zwei Jahren hat es sich kontinuierlich weiterentwickelt und unterstützt Geschwindigkeiten von bis zu 56 Gbit/s und 112 Gbit/s.

Das bestimmende Merkmal von SFP ist seine 1x-Struktur: ein Sendekanal und ein Empfangskanal.

Wenn man zwei Jahrzehnte zurückblickt, war das optische 1-Gbit/s-Ethernet-Modul bereits zum Standard geworden, während gleichzeitig Anstrengungen unternommen wurden, Standards für optische 10-Gbit/s-Module zu etablieren.

Der 2000 SFP-Standard wurde für 1 Gbit/s entwickelt.

Der Xenpak-Standard von 2001, der 10-Gbit/s-Ethernet-Module umfasste, wies einen deutlich größeren Formfaktor auf. Dies war damals ein notwendiger Kompromiss, der umfangreiche Zusatzdesigns und Mehrkanalkonfigurationen, insbesondere für elektrische Signaldesigns, erforderte, um die Komponenten, die eine 10-Gbit/s-Konvertierung ermöglichten, in einem so großen Gehäuse unterzubringen.

Das „X“ in Xenpak steht für die römische Zahl 10.

Nachfolgende Bemühungen konzentrierten sich auf die Miniaturisierung von 10-Gbit/s-Modulen. X2 stellte ein kleineres Design von Xenpak dar, während XFP einen noch kompakteren Formfaktor als X2 bot.

Die Entwicklung optischer Module verlief in unterschiedlichen Bahnen. Die Serien Xenpak, X2 und XFP haben ihre Entwicklung fortgesetzt, während auch frühere Designs wie GBIC und SFP Fortschritte gemacht haben.

Im Jahr 2009 wurde die verbesserte SFP-Version SFP+ eingeführt. Sie unterstützte eine Kapazität von 10 Gbit/s und war etwas kleiner als XFP. Dadurch konnte XFP nach und nach einen Teil seines Marktanteils in der Branche ersetzen.

Anschließend begann die Ära der 100G-Optikmodule. Im Jahr 2009 führte der Übergang der 10G-Module – vom großen Xenpak zu X2, XFP und SFP+ – zu immer kleineren Abmessungen. Gleichzeitig begann die Standardisierung von 100G-Optikmodulen mit 10 Kanälen unter dem Namen „100G Hot-Pluggable Packaging“, wobei das „C“ die römische Zahl für 100 darstellt.

Ein Größenvergleich mit dem Original-CFP offenbart dessen beachtliche Ausmaße.

Im Zuge der Weiterentwicklung der Branche wurden 2 und 4 die zweite und dritte Generation von CFP-Modulen definiert – allgemein als CFP2013 und CFP2014 bezeichnet.

Zwischen 2012 und 2014 erlebte der Markt für optische Module für Rechenzentren ein explosives Wachstum. Nach einer kurzen Phase mit 40G-Modulen vollzog sich ein Wandel hin zu optischen 100G-Modulen für Rechenzentren.

Das CFP4-Modul war damals relativ groß und speziell für 100G ausgelegt. Die Leistung seiner Steckverbinder war überlegen. Die QSFP+-Serie mit 4x SFP-Kanälen entwickelte sich jedoch schnell weiter, und die QSFP28 100G-Modul dominierte den Markt mit seinem einfachen, kostengünstigen Design.

Nach 2014 gewann die QSFP-Serie deutlich an Bedeutung. Unter Beibehaltung eines einheitlichen Formfaktors optimierte die Serie die Bandbreite und verbesserte die Bitratenkonvertierungskapazität für optische 100G-, 200G- und 400G-Rechenzentrumsmodule. Infolgedessen verlor der Modultyp CFP4 an Bedeutung.

Ab 2017 konzentrierte sich die Branche auf 400G-Module. Damals zeichneten sich mehrere Optionen ab:

Der CFP8, eine Erweiterung der CFP-Serie.

Das OSFP stellt eine neu definierte Struktur dar, wobei „O“ für 8x Kanäle steht.

Das QSFP-DD, ein Derivat der QSFP-Serie, wurde mit Double-Density-Funktionen entwickelt.

Die CFP-Serie war ursprünglich für 100G-Anwendungen konzipiert. Um 400G zu erreichen, bestand der traditionelle Ansatz der Branche darin, die Modulgröße zu vergrößern. Infolgedessen kehrte das CFP8-Modul zu einem Formfaktor zurück, der den Abmessungen des CFP2 nahekommt.

Das OSFP führte zu dieser Zeit ein neues Strukturdesign ein, während die QSFP-Serie die Double-Density-Funktionalität (DD) in ihren Rahmen integrierte.

Derzeit sind OSFP und QSFP-DD sind die beliebteste Wahl für 400G-Module, wobei CFP8 allmählich an Marktanteilen verliert.

Im 800G-Zeitalter stellt die kompakte Größe des QSFP-DD aufgrund der hohen Wärmedichte eine Herausforderung dar, was seine Nutzung einschränkt. Stattdessen haben sich OSFP und seine erweiterte Variante OSFP-XD zur primären Wahl für 800G-Module entwickelt.

Bei 1.6T Hot-Plug-fähigen Modulen ist OSFP-XD der dominierende Formfaktor.

In den Jahren 2021 und 2022 begannen die Standardisierungsbemühungen für optische 3.2-Tbit/s-CPO-Module, die für Switching mit höherer Dichte ausgelegt sind.

Die kompakte Größe von CPO-Modulen wird durch die Integration von Silizium-Photonik-Technologie erreicht. Viele Hersteller integrieren Laser- und Detektorkomponenten in das Modul oder platzieren Laser extern, um das Kapazitäts-Volumen-Verhältnis von CPO-Modulen zu maximieren.

Von 2011 bis 2012 begann die Entwicklung der kohärenten Modulindustrie. Frühe kohärente Module waren platinenmontierte Designs und benötigten große 300-Pin-Formfaktoren mit den Abmessungen 5 x 7 Zoll, um Modulatoren, Lichtquellen, Mischer, symmetrische Detektoren, DSPs und andere Komponenten für die kohärente Kommunikation unterzubringen. Diese 100G-kohärenten Module hatten einen Stromverbrauch von bis zu 80 W.

Im Laufe der Zeit reduzierten sich die Abmessungen kohärenter Module von 5 x 7 Zoll auf 4 x 5 Zoll. Die weitere Miniaturisierung von Halbleitermodulatoren, Halbleiter-ICR-Strukturen und DSP-Herstellungsprozessen erleichterte den Übergang zu Hot-Plug-fähigen CFP- und CFP2-Modulen.

Bis 2022 war das kohärente 400GZR-Modul im ultrakompakten QSFP-DD-Formfaktor verfügbar.