Factores de forma comunes de módulos ópticos

Los módulos ópticos representan un segmento especializado derivado del desarrollo de la industria de las comunicaciones por fibra óptica, alcanzando un cierto estadio de avance.

En 1960 se inventó el láser.

Para 1962, se utilizaban semiconductores en la producción de láseres. Si bien la eficiencia de conversión electroóptica era extremadamente baja y la vida útil muy corta, se sentaron las bases teóricas de los láseres semiconductores.

1966 marcó el establecimiento de la teoría de que las fibras ópticas podrían utilizarse para la comunicación.

El período comprendido entre 1970 y 1980 fue testigo de avances en los procesos de fabricación de fibra óptica, junto con el desarrollo de teorías y técnicas de producción de láseres semiconductores.

Alrededor de 1985, comenzó la industrialización de la comunicación por fibra óptica.

En 1995, los convertidores de señales optoelectrónicos, utilizados para la comunicación por fibra óptica, comenzaron a producirse en masa.

La función de los módulos ópticos es convertir señales ópticas en señales eléctricas y viceversa.

1995 fue un año crucial: la época en que internet llegó a los hogares, se introdujo Windows 95 y las computadoras personales se popularizaron. Esta era fue testigo de actividades como enviar correos electrónicos, ver imágenes en línea, interactuar socialmente, compartir chismes en comunidades y comprar en línea. Como resultado, el tráfico de comunicaciones comenzó a dispararse.

La interfaz de conversión de señales optoelectrónicas evolucionó de velocidades de megabit a gigabit (1 Gbps). Esta progresión dio origen al nombre GBIC.

Giga Bit se refiere a 1 Gbps.

El convertidor destaca la conversión de señales ópticas y señales eléctricas.

Interfaz significa una interfaz industrial estandarizada que abarca conexiones ópticas, eléctricas, de señal y físicas, creando un estándar estructural similar a un “tornillo” del estándar de la industria.

Con el crecimiento de la industria, surgió la necesidad de más conexiones de módulos en el mismo espacio. Alrededor del año 2000, surgió el SFP, un factor de forma más pequeño que el GBIC. Permitía la misma conversión de señal de 1 Gbps, pero con un diseño más compacto.

Desde su introducción, el SFP ha demostrado una longevidad notable. Inicialmente diseñado para lograr una conversión a nivel de Gbps, considerada de alta velocidad en aquel entonces, la forma y el tamaño del módulo se mantuvieron prácticamente sin cambios a medida que las velocidades aumentaban a 2.5 Gbps, 10 Gbps e incluso 28 Gbps. En 2019, el SFP28 se convirtió en el formato de módulo óptico predominante para aplicaciones de front-haul en estaciones base móviles 5G (quinta generación). En los últimos dos años, ha seguido evolucionando, alcanzando velocidades de hasta 56 Gbps y 112 Gbps.

La característica definitoria de SFP es su estructura 1x: un canal de transmisión y un canal de recepción.

Si miramos dos décadas atrás, el módulo óptico Ethernet de 1 Gbps ya se había convertido en un estándar, mientras se realizaban esfuerzos para establecer estándares para módulos ópticos de 10 Gbps.

El estándar SFP 2000 fue diseñado para 1 Gbps.

El estándar Xenpak de 2001, que representaba módulos Ethernet de 10 Gbps, presentaba un factor de forma significativamente mayor. En aquel entonces, esto suponía un compromiso necesario, ya que requería diseños auxiliares extensos y configuraciones de múltiples canales, especialmente para diseños de señales eléctricas, para alojar los componentes que permitían la conversión de 10 Gbps en una carcasa tan grande.

La “X” en Xenpak significa el número romano 10.

Los esfuerzos posteriores se centraron en la miniaturización de módulos de 10 Gbps. X2 representaba un diseño más pequeño de Xenpak, mientras que XFP ofrecía un formato aún más compacto.

El desarrollo de módulos ópticos ha seguido trayectorias distintas: las series Xenpak, X2 y XFP continuaron su progresión, mientras que los diseños anteriores, como GBIC y SFP, también avanzaron.

En 2009, se introdujo la versión mejorada de SFP, SFP+. Admitía una capacidad de 10 Gbps y era ligeramente más pequeño que XFP, lo que le quitó gradualmente parte de la cuota de mercado en la industria.

Posteriormente, comenzó la era de los módulos ópticos de 100G. En 2009, la transición de los módulos de 10G —del gran Xenpak a X2, XFP y SFP+— resultó en dimensiones cada vez más pequeñas. Simultáneamente, comenzó la estandarización de los módulos ópticos de 100G con 10 canales, bajo el nombre de "encapsulado conectable en caliente de 100G", donde la "C" representa el número romano 100.

Comparando el tamaño del CFP original se revelan sus sustanciales dimensiones.

A medida que la industria se desarrolló, la segunda y tercera generación de módulos CFP, comúnmente denominadas CFP2 y CFP4, se definieron en 2013 y 2014.

Entre 2012 y 2014, el mercado de módulos ópticos para centros de datos experimentó un crecimiento explosivo. Tras una breve fase de módulos ópticos de 40G, el mercado se transformó en módulos ópticos para centros de datos de 100G.

En aquel entonces, el módulo CFP4 tenía un tamaño relativamente mayor, diseñado específicamente para 100G. El rendimiento de sus conectores era superior. Sin embargo, la serie QSFP+, con 4 canales SFP, evolucionó rápidamente y... Módulo QSFP28 100G dominó el mercado con su diseño simple y rentable.

Después de 2014, la serie QSFP cobró una gran popularidad. Con la limitación de mantener un factor de forma consistente, la serie optimizó el ancho de banda y mejoró la capacidad de conversión de velocidad de bits para módulos ópticos de centros de datos de 100G, 200G y 400G. En consecuencia, el tipo de módulo CFP4 perdió protagonismo.

A partir de 2017, la industria comenzó a centrarse en los módulos de 400G. En ese momento, surgieron varias opciones:

El CFP8, una extensión de la serie CFP.

El OSFP, que representa una estructura recién definida, donde “O” se refiere a 8 canales.

El QSFP-DD, un derivado de la serie QSFP, diseñado con capacidades de doble densidad.

La serie CFP se definió inicialmente para aplicaciones de 100G. Para alcanzar los 400G, el enfoque tradicional de la industria consistía en ampliar el tamaño del módulo. Como resultado, el módulo CFP8 recuperó un formato cercano a las dimensiones del CFP2.

Durante este tiempo, el OSFP introdujo un nuevo diseño estructural, mientras que la serie QSFP incorporó la funcionalidad de doble densidad (DD) dentro de su marco.

Actualmente, OSFP y QSFP-DD son las opciones más populares para los módulos 400G, y el CFP8 está perdiendo gradualmente participación de mercado.

En la era de 800G, el tamaño compacto del QSFP-DD presenta desafíos debido a su alta densidad térmica, lo que reduce su uso. En cambio, el OSFP y su variante de tamaño extendido, OSFP-XD, se han convertido en las principales opciones de formato para módulos de 800G.

Para módulos enchufables de 1.6 T, el OSFP-XD lidera el camino como factor de forma dominante.

En 2021 y 2022, comenzaron los esfuerzos de estandarización para los módulos ópticos CPO de 3.2 Tbps diseñados para conmutación de mayor densidad.

El tamaño compacto de los módulos CPO se logra mediante la integración de tecnología fotónica de silicio. Muchos fabricantes optan por incorporar componentes láser y detectores dentro del módulo o colocar láseres externamente, maximizando así la relación capacidad-volumen de los módulos CPO.

Entre 2011 y 2012, la industria de módulos coherentes comenzó su fase inicial. Los primeros módulos coherentes eran diseños montados en placa, que requerían grandes formatos de 300 pines de 5 x 7 pulgadas para alojar moduladores, fuentes de luz, mezcladores, detectores balanceados, DSP y otros componentes para la comunicación coherente. Estos módulos coherentes de 100G tenían un consumo de energía que alcanzaba los 80 W.

Con el tiempo, las dimensiones de los módulos coherentes se redujeron de 5 x 7 pulgadas a 4 x 5 pulgadas. La mayor miniaturización de los moduladores semiconductores, las estructuras ICR semiconductoras y los procesos de fabricación de DSP facilitó la transición a módulos CFP y CFP2 conectables en caliente.

En 2022, el módulo coherente 400GZR estuvo disponible en el factor de forma ultracompacto QSFP-DD.