Descripción general del desarrollo de transceptores de fibra óptica

Introducción a los transceptores de fibra óptica

El transceptor de fibra óptica, también llamado módulo óptico, se utiliza para realizar la conversión entre señales eléctricas y ópticas. Es el dispositivo central para conectar equipos de comunicación con fibras ópticas. El módulo óptico generalmente se compone de un subconjunto óptico del transmisor (TOSA, que contiene un chip LD láser), un subconjunto óptico del receptor (ROSA, que contiene un chip PD fotodetector), un circuito de conducción y una interfaz óptica y eléctrica. Su esquema se muestra en la figura 1.

Figura 1 Diagrama de estructura interna del módulo óptico

Los láseres dentro del módulo óptico se pueden dividir en láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), láseres Fabry-Perot (FP), láseres de retroalimentación distribuida (DFB), láseres modulados por electroabsorción (EML) y láseres sintonizables de banda estrecha, etc.; Los fotodetectores se pueden clasificar en diodos de unión PIN (PIN) y fotodiodos de avalancha (APD). Los diferentes tipos de láseres y fotodetectores tienen diferencias en rendimiento y costo, por lo que podemos elegir diferentes soluciones de chips según sus especificaciones específicas.

Tomemos el módulo óptico gris 25G como ejemplo para presentar el diagrama de bloques funcional básico del módulo óptico.

Figura 2 Diagrama de bloques funcional básico del módulo óptico

En el extremo de envío, el chip controlador procesa la señal eléctrica a una determinada velocidad para impulsar el láser (LD) para emitir una señal óptica modulada a la velocidad correspondiente, y la señal óptica con potencia estable se emite a través de la potencia óptica automática. circuito de control. En el extremo receptor, después de ingresar al módulo, la señal óptica a una determinada velocidad se convierte en una señal eléctrica mediante un fotodetector (PD), y luego emite una señal eléctrica de una velocidad correspondiente después de pasar por un preamplificador.

Además de láseres y detectores, el módulo óptico también contiene algunos chips eléctricos, las funciones específicas se pueden ver en la figura a continuación.

Figura 3 Introducción a las funciones de los componentes internos del módulo óptico

Clasificación de los módulos ópticos

 

Los módulos ópticos se pueden clasificar de muchas maneras, por ejemplo, según el método de empaquetado, la velocidad, la distancia de transmisión, el formato de modulación, si admiten multiplexación por división de longitud de onda (WDM) aplicaciones, modo de trabajo de interfaz óptica, rango de temperatura de trabajo, etc. La clasificación específica se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 1 Clasificación de módulos ópticos

Clasificación de módulos ópticos
Por factor de forma	SFP, SFP+, SFP28, QSFP28, CFP2, QSFP-DD, OSFP, etc.
Por distancia de transmisión	2.5Gb/s,10Gb/s,25Gb/s,40Gb/s,50Gb/s,100Gb/s,200Gb/s,400Gb/s,800Gb/s,etc.
Por modo de modulación	NRZ, PAM4, DP-QPSK/n-QAM, etc.
Si se admite la multiplexación por división de longitud de onda (WDM)	módulo de luz gris (no compatible con WDM), módulo óptico de color (compatible con WDM)
Por módulo de trabajo de interfaz ptical	Dúplex, BiDi
Por rango de temperatura de funcionamiento	Grado comercial (0~70℃), grado industrial (-40~85℃), etc.

La evolución del método de empaquetado puede reflejar más intuitivamente la tendencia de evolución de la alta velocidad y la miniaturización de los módulos ópticos. Desde el paquete SFP hasta el paquete QSFP, QSFP-DD, la tasa de módulos ópticos ha aumentado de 1 Gbps a 800Gbps, y la mejora de la tecnología de empaque ha permitido que los módulos ópticos se adapten a los requisitos de mayor velocidad con pocos cambios en el volumen.

Figura 4 Evolución del empaquetado de módulos ópticos

Con la llegada de 5G, los fabricantes de módulos ópticos han lanzado módulos ópticos de colores para admitir requisitos de mayor ancho de banda. El módulo óptico coloreado adopta WDM tecnología, que combina señales ópticas de diferentes longitudes de onda en una fibra óptica para la transmisión, lo que mejora en gran medida el ancho de banda de transmisión de la señal del enlace. En la actualidad, el módulo de color se divide principalmente en CWDM, LWDM, MWDM y DWDM.

Tabla 2 Comparación de módulos ópticos de colores

Principales tipos de módulos ópticos de color	Intervalo de canal	Esquema	Cost	importante zona comercial
CWDM	20nm	DML+PIN no refrigerado	bajo	China
LWDM	800GHz	refrigerado DML+PIN	mediano	Japón y Corea del Sur
DWDM	100GHz	enfriado EML+APD	high	América del Norte, Japón y Corea del Sur
mwdm	Longitud de onda CWDM+-3.5nm	refrigerado DML+PIN	mediano	China

Su distribución de longitud de onda es la siguiente:

Figura 5: distribución de longitud de onda del módulo óptico coloreado

Principales campos de aplicación de los módulos ópticos

Los módulos ópticos se utilizan principalmente en el campo de las telecomunicaciones y los centros de datos. En el campo de las telecomunicaciones, se utiliza principalmente en fronthaul inalámbrico, backhaul medio y backhaul, transmisión troncal, FTTX, etc.; En el campo de los centros de datos, a menudo se utiliza en la transmisión interna de datos de los principales centros de datos y la interconexión entre centros de datos.

 Aplicación de transceptores de fibra óptica en el campo de las telecomunicaciones

Tomando como ejemplo la red portadora 5G, generalmente se divide en la capa de acceso metropolitano, la capa de agregación metropolitana, la capa central metropolitana/línea troncal provincial para realizar las funciones de recorrido frontal y de recorrido medio de los servicios 5G. Los dispositivos en cada capa están interconectados principalmente a través de módulos ópticos, y sus escenarios de aplicación típicos y análisis de requisitos se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3: Análisis de escenarios de aplicación y demanda del módulo óptico portador 5G

Capas de red	Capa de acceso metropolitano		Capa de convergencia metropolitana	Capa central/línea troncal de metro
	Front-haul 5G	Medio y retorno 5G	5G de media distancia y de retorno+DCI	5G de media distancia y de retorno+DCI
Distancia de transmisión	<10/20km	<40 km	<40km-80km	<40km-80km/cientos de km
topología de red	El tipo de estrella es dominante, con red de anillo auxiliar	Domina la red en anillo, con una pequeña cantidad de enlaces en cadena o en estrella	Red de anillo o enlace ascendente dual	Red de anillo o enlace ascendente dual
Tasa de interfaz de cliente	eCPRI: 25 Gb/s, CPRI:N*10/25Gb/s	Primeros 5G: 10/25 Gb/s Negocio a escala: N*25/50 Gb/s	Primeros 5G: 10/25 Gb/s Negocio a escala: N*25/50/100Gb/s	5G temprano: 25/50/100 Gb/s Negocio a escala: N*100/400 Gb/s
Tasa de interfaz de línea	Luz gris de 10/25/100 Gb/s o luz de color WDM N*25/50 Gb/s	Luz gris de 25/50/100 Gb/s o luz de color WDM N*25/50 Gb/s	Luz gris de 100/200 Gb/s o luz de color WDM N*100 Gb/s	Luz gris de 200/400 Gb/s o luz de color WDM N*100/200/400 Gb/s

Los requisitos típicos para los módulos ópticos en escenarios de aplicaciones de 5G de transmisión frontal son los siguientes:

(1) Dentro del rango de temperatura industrial y que satisfaga los requisitos de alta confiabilidad: considerando el entorno de aplicación exterior total de AAU, el módulo óptico frontal debe estar dentro del rango de temperatura industrial de -40°C~+85°C y cumplir con los requisitos a prueba de polvo.
(2) Bajo costo: se espera que la demanda total de módulos ópticos 5G supere la de 4G, especialmente la demanda de módulos ópticos de transmisión frontal puede ser del orden de decenas de millones. El bajo costo es una de las principales demandas de la industria para los módulos ópticos.

Tabla 4 Situación actual de los módulos ópticos 5G fronthaul

Rate	Factor de forma	Distancia de transmisión	Longitud de onda de funcionamiento	Formato de modulación	chip óptico
25Gb / s (eCPRI/CPRI)	SFP28	70-100m	850nm	NRZ	VCSEL+PIN
	SFP28	300m	1310nm	NRZ	FP/DFB+PIN
	SFP28	10km	1310nm	NRZ	DFB+PIN
	SFP28 BIDI	10 km/15 km/20 km	1270 / 1330nm	NRZ/PAM4	DFB+PIN (o APD)
	SFP28	10km	CWDM	NRZ	DFB+PIN no refrigerado
	SFP28	15km	LWDM	NRZ	refrigerado DFB+PIN
	SFP28	10km	mwdm	NRZ	refrigerado DFB+PIN
	SFP28	10km	DWDM	NRZ	enfriado EML+APD
	SFP28 sintonizable	10km / 15km	DWDM	NRZ	enfriado EML+APD

El backhaul y el medio 5G cubren la capa de acceso, la capa de agregación y la capa central del área metropolitana. La tecnología del módulo óptico requerida no es muy diferente de la que se usa en la red de transmisión y los centros de datos existentes. La capa de acceso utilizará principalmente 25 Gb/s, 50 Gb/s, 100 Gb/s y otros módulos de luz gris o de color, la capa de convergencia y superior utilizará principalmente 100Gb / s, 200 Gb/s, 400 Gb/s y otros módulos de luz de colores DWDM.

Aplicación de módulos ópticos en centros de datos

Un centro de datos es un enorme grupo de centros de datos compuesto por varias salas de ordenadores. Para el uso normal de los servicios de Internet, es necesario coordinar la operación de los centros de datos. Una gran cantidad de información entre los centros de datos converge al mismo tiempo, lo que crea la demanda de una red de interconexión de centros de datos, y la comunicación por fibra óptica es una solución necesaria para realizar la interconexión de redes; A diferencia de los equipos de transmisión de red de acceso de telecomunicaciones tradicionales, la interconexión del centro de datos debe lograr una transmisión de información más grande e intensiva, lo que requiere que los equipos de conmutación tengan mayor velocidad, menor consumo de energía y un rendimiento más miniaturizado. El transceptor de fibra óptica es un factor central que determina si se pueden realizar estas actuaciones.

Los tipos de conexión de los módulos ópticos en el centro de datos se pueden dividir en tres tipos: transmisión de información interna en los centros de datos, interconexión entre centros de datos y transmisión de información de los centros de datos a los usuarios. En la actualidad, la comunicación interna de los centros de datos representa la gran mayoría de las comunicaciones de los centros de datos. El gran desarrollo de la construcción del centro de datos ha promovido el desarrollo de módulos ópticos de alta velocidad, y las perspectivas de aplicación de los módulos ópticos de alta velocidad son cada vez mejores.

Figura 6 Diagrama dentro del centro de datos

Cadena industrial de módulos ópticos

La cadena de la industria de módulos ópticos consta de proveedores de chips optoelectrónicos upstream, proveedores de módulos ópticos midstream y telecomunicaciones downstream, proveedores de equipos de red, proveedores de servicios de Internet y fabricantes de Internet.

Figura 7 Cadena industrial de módulos ópticos

Hay muchos proveedores de chips optoelectrónicos upstream, pero los chips ópticos y eléctricos de gama alta tienen grandes barreras técnicas y altos costos de investigación y desarrollo. La industria de módulos ópticos se encuentra en el medio de la cadena de la industria, que pertenece al eslabón del embalaje con barreras técnicas relativamente bajas. Está bajo la presión de la parte superior e inferior de la cadena, con un poder de negociación relativamente débil y una competencia feroz dentro de la industria. Después de años de desarrollo, las empresas chinas han ocupado la mitad del mercado mundial de módulos ópticos en virtud de sus ventajas en costos de mano de obra, tamaño del mercado y apoyo de los fabricantes y operadores de equipos.

Tendencia de desarrollo de transceptores de fibra óptica.

La alta velocidad es la tendencia inevitable de los módulos ópticos. Con la evolución de los módulos ópticos a altas velocidades como 400G, 800G e incluso 1.6T, el mercado tiene requisitos cada vez más altos de bajo consumo de energía, miniaturización y bajo costo. Habrá un cuello de botella técnico para la tecnología tradicional de módulos ópticos. Debido a su alta integración y bajo consumo de energía, la tecnología de integración de fotónica de silicio superará este cuello de botella y marcará el comienzo de un gran avance tecnológico. En la actualidad, cada vez más fabricantes nacionales y extranjeros están invirtiendo en la investigación y el desarrollo de módulos integrados de fotónica de silicio. Algunos módulos ópticos de alta velocidad que utilizan tecnología de integración fotónica de silicio se han producido en masa y se han puesto en uso en centros de datos.