Facteurs de forme courants des modules optiques

Les modules optiques représentent un segment spécialisé issu du développement de l'industrie de la communication par fibre optique, atteignant un certain stade d'avancement.

En 1960, le laser a été inventé.

En 1962, les semi-conducteurs étaient utilisés dans la production de lasers. Malgré un rendement de conversion électro-optique extrêmement faible et une durée de vie opérationnelle très courte, les bases théoriques des lasers à semi-conducteurs étaient établies.

1966 a marqué l’établissement de la théorie selon laquelle les fibres optiques pourraient être utilisées pour la communication.

La période de 1970 à 1980 a vu des progrès dans les procédés de fabrication de fibres optiques, ainsi que le développement des théories et des techniques de production des lasers à semi-conducteurs.

Vers 1985, l’industrialisation de la communication par fibre optique a commencé.

En 1995, les convertisseurs de signaux optoélectroniques, utilisés pour la communication par fibre optique, ont commencé à être produits en masse.

Le rôle des modules optiques est de convertir les signaux optiques en signaux électriques et vice versa.

1995 fut une année charnière : l'arrivée d'Internet dans les foyers, l'introduction de Windows 95 et la banalisation des ordinateurs personnels. Cette époque vit naître des activités telles que l'envoi d'e-mails, la consultation d'images en ligne, les interactions sociales, les discussions en communauté et les achats en ligne. Le trafic de communication commença alors à exploser.

L'interface de conversion des signaux optoélectroniques a évolué, passant de vitesses de l'ordre du mégabit à des vitesses de l'ordre du gigabit (1 Gbit/s). Cette évolution a donné naissance au nom GBIC :

Giga Bit fait référence à 1 Gbps.

Le convertisseur met en évidence la conversion des signaux optiques et des signaux électriques.

Interface signifie une interface industrielle standardisée englobant des connexions optiques, électriques, de signal et physiques, créant ainsi une norme structurelle semblable à une « vis » de la norme industrielle.

Avec la croissance du secteur, le besoin de connexions de modules plus nombreuses dans un même espace s'est fait sentir. Vers 2000, le SFP est apparu, un format plus compact que le GBIC. Il permettait la même conversion de signal à 1 Gbit/s, mais présentait un format plus compact.

Depuis son lancement, le SFP a démontré une longévité remarquable. Initialement conçu pour une conversion de l'ordre du Gbit/s, considérée à l'époque comme un haut débit, sa forme et sa taille sont restées quasiment inchangées, les débits atteignant 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s, et même 28 Gbit/s. En 2019, le SFP28 est devenu le format de module optique prédominant pour les applications front-haul des stations de base mobiles 5G (cinquième génération). Au cours des deux dernières années, il a continué d'évoluer, prenant en charge des débits allant jusqu'à 56 Gbit/s et 112 Gbit/s.

La caractéristique déterminante du SFP est sa structure 1x : un canal de transmission et un canal de réception.

Il y a deux décennies, le module optique Ethernet 1 Gbit/s était déjà devenu une norme, tandis que des efforts étaient en cours pour établir des normes pour les modules optiques 10 Gbit/s.

La norme SFP 2000 a été conçue pour 1 Gbit/s.

La norme Xenpak de 2001, qui représentait les modules Ethernet 10 Gbit/s, présentait un format nettement plus grand. À l'époque, ce compromis était nécessaire, nécessitant des conceptions auxiliaires complexes et des configurations multicanaux, notamment pour les signaux électriques, afin d'intégrer les composants permettant la conversion 10 Gbit/s dans un boîtier aussi grand.

Le « X » dans Xenpak signifie le chiffre romain pour 10.

Les efforts ultérieurs se sont concentrés sur la miniaturisation des modules 10 Gbit/s. Le X2 représentait une conception plus petite du Xenpak, tandis que le XFP offrait un format encore plus compact que le X2.

Le développement des modules optiques a suivi des trajectoires distinctes, les séries Xenpak, X2 et XFP poursuivant leur progression tandis que les conceptions antérieures, telles que GBIC et SFP, ont également progressé.

En 2009, la version améliorée du SFP, le SFP+, a été introduite. Elle prenait en charge une capacité de 10 Gbit/s et était légèrement plus petite que le XFP, remplaçant progressivement une partie de la part de marché du XFP dans le secteur.

C'est alors qu'a débuté l'ère des modules optiques 100G. En 2009, la transition des modules 10G – du grand Xenpak aux X2, XFP et SFP+ – a entraîné des dimensions de plus en plus réduites. Parallèlement, la standardisation des modules optiques 100G à 10 canaux a débuté, sous le nom de « package 100G enfichable à chaud », où le « C » représente le chiffre romain 100.

La comparaison de la taille du CFP original révèle ses dimensions substantielles.

À mesure que l’industrie s’est développée, les deuxième et troisième générations de modules CFP, communément appelés CFP2 et CFP4, ont été définies en 2013 et 2014.

Entre 2012 et 2014, le marché des modules optiques pour centres de données a connu une croissance fulgurante. Après une brève période d'expansion des modules optiques 40G, le marché est passé aux modules optiques 100G pour centres de données.

À l'époque, le module CFP4 était relativement plus grand, spécialement conçu pour le 100G. Les performances de ses connecteurs étaient supérieures. Cependant, la série QSFP+, dotée de quatre canaux SFP, a rapidement évolué, et le Module QSFP28 100G a dominé le marché avec sa conception simple et économique.

Après 2014, la série QSFP a connu un succès considérable. Tout en maintenant un format cohérent, elle a optimisé la bande passante et amélioré la capacité de conversion du débit binaire pour les modules optiques de centres de données 100G, 200G et 400G. Par conséquent, le type de module CFP4 a perdu de sa popularité.

À partir de 2017, l'industrie s'est concentrée sur les modules 400G. Plusieurs options se sont alors présentées :

Le CFP8, une extension de la série CFP.

L'OSFP, représentant une structure nouvellement définie, où « O » fait référence à 8 canaux.

Le QSFP-DD, un dérivé de la série QSFP, conçu avec des capacités de double densité.

La série CFP a été initialement conçue pour les applications 100G. Pour atteindre 400G, l'approche traditionnelle de l'industrie consistait à agrandir la taille du module. Le module CFP8 est ainsi revenu à un format proche de celui du CFP2.

L'OSFP a introduit une nouvelle conception structurelle au cours de cette période, tandis que la série QSFP incorporait une fonctionnalité de double densité (DD) dans son cadre.

Actuellement, OSFP et QSFP-DD sont les choix les plus populaires pour les modules 400G, le CFP8 perdant progressivement des parts de marché.

À l'ère du 800G, la compacité du QSFP-DD pose des défis en raison de sa densité thermique élevée, ce qui réduit son utilisation. L'OSFP et sa variante de taille étendue, l'OSFP-XD, sont devenus les principaux formats de choix pour les modules 800G.

Pour les modules enfichables à chaud 1.6 T, l'OSFP-XD ouvre la voie en tant que facteur de forme dominant.

En 2021 et 2022, les efforts de normalisation ont commencé pour les modules optiques CPO 3.2 Tbit/s conçus pour une commutation à plus haute densité.

La compacité des modules CPO est obtenue grâce à l'intégration de la technologie photonique sur silicium. De nombreux fabricants choisissent d'intégrer les composants laser et détecteurs au module ou de placer les lasers à l'extérieur, optimisant ainsi le rapport capacité/volume des modules CPO.

De 2011 à 2012, l'industrie des modules cohérents a entamé sa phase initiale. Les premiers modules cohérents étaient des modèles montés sur carte, nécessitant de grands formats à 300 broches mesurant 5 pouces x 7 pouces pour accueillir des modulateurs, des sources lumineuses, des mélangeurs, des détecteurs équilibrés, des DSP et d'autres composants nécessaires à la communication cohérente. Ces modules cohérents 100G consommaient jusqu'à 80 W.

Au fil du temps, les dimensions des modules cohérents sont passées de 5 pouces x 7 pouces à 4 pouces x 5 pouces. La miniaturisation des modulateurs semi-conducteurs, des structures ICR semi-conductrices et des procédés de fabrication DSP a facilité la transition vers les modules CFP et CFP2 enfichables à chaud.

D'ici 2022, le module cohérent 400GZR est devenu disponible dans le facteur de forme ultra-compact QSFP-DD.