Aperçu du développement des émetteurs-récepteurs à fibre optique

Introduction aux émetteurs-récepteurs à fibre optique

L'émetteur-récepteur à fibre optique, également appelé module optique, est utilisé pour réaliser la conversion entre les signaux électriques et optiques. C'est le dispositif central pour connecter les équipements de communication aux fibres optiques. Le module optique est généralement composé d'un sous-ensemble optique émetteur (TOSA, contenant une puce laser LD), d'un sous-ensemble optique récepteur (ROSA, contenant une puce photodétecteur PD), d'un circuit de commande et d'une interface optique et électrique. Son schéma est illustré à la figure 1.

Figure 1 Schéma de structure interne du module optique

Les lasers à l'intérieur du module optique peuvent être divisés en lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), lasers Fabry-Perot (FP), lasers à rétroaction distribuée (DFB), lasers modulés à électro-absorption (EML) et lasers accordables à bande étroite, etc. ; Les photodétecteurs peuvent être classés en diodes à jonction PIN (PIN) et en photodiodes à avalanche (APD). Différents types de lasers et de photodétecteurs ont des performances et des coûts différents, nous pouvons donc choisir différentes solutions de puces en fonction de leurs spécifications spécifiques.

Prenons l'exemple du module optique gris 25G pour introduire le schéma fonctionnel de base du module optique.

Figure 2 Schéma fonctionnel de base du module optique

À l'extrémité d'envoi, le signal électrique à un certain débit est traité par la puce de pilote pour conduire le laser (LD) à émettre un signal optique modulé à un débit correspondant, et le signal optique avec une puissance stable est émis via la puissance optique automatique circuit de contrôle. À l'extrémité de réception, après être entré dans le module, le signal optique à un certain taux est converti en un signal électrique par un photodétecteur (PD), puis émet un signal électrique d'un taux correspondant après avoir traversé un préamplificateur.

En plus des lasers et des détecteurs, le module optique contient également des puces électriques, les fonctions spécifiques peuvent être vues dans la figure ci-dessous.

Figure 3 Introduction aux fonctions des composants internes du module optique

Classification des modules optiques

 

Les modules optiques peuvent être classés de plusieurs manières, par exemple selon la méthode d'emballage, le débit, la distance de transmission, le format de modulation, s'il faut prendre en charge multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) applications, mode de fonctionnement de l'interface optique, plage de température de fonctionnement, etc. La classification spécifique est indiquée dans le tableau suivant.

Tableau 1 Classification des modules optiques

Classification des modules optiques
Par facteur de forme	SFP, SFP +, SFP28, QSFP28, CFP2, QSFP-DD, OSFP, etc.
Par distance de transmission	2.5Gb/s,10Gb/s,25Gb/s,40Gb/s,50Gb/s,100Gb/s,200Gb/s,400Gb/s,800Gb/s,etc.
Par mode Modulation	NRZ, PAM4, DP-QPSK/n-QAM, etc.
Si le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) est pris en charge	module de lumière grise (WDM non pris en charge), module optique couleur (WDM pris en charge)
Par module de travail d'interface optique	Duplex, BiDi
Par plage de température de fonctionnement	Qualité commerciale (0~70℃), qualité industrielle (-40~85℃), etc.

L'évolution du procédé de conditionnement peut refléter de la manière la plus intuitive la tendance à l'évolution du haut débit et à la miniaturisation des modules optiques. De l'emballage SFP à l'emballage QSFP, QSFP-DD, le taux de modules optiques est passé de 1 Gbps à 800Gbps, et l'amélioration de la technologie d'emballage a permis aux modules optiques de s'adapter à des exigences de débit plus élevées avec peu de changement de volume.

Figure 4 Évolution du conditionnement des modules optiques

Avec l'avènement de la 5G, les fabricants de modules optiques ont lancé des modules optiques colorés pour prendre en charge des exigences de bande passante plus élevées. Le module optique coloré adopte WDM technologie, qui combine des signaux optiques de différentes longueurs d'onde sur une fibre optique pour la transmission, ce qui améliore considérablement la bande passante de transmission du signal du lien. À l'heure actuelle, le module coloré est principalement divisé en CWDM, LWDM, MWDM et DWDM.

Tableau 2 Comparaison des modules optiques colorés

Principaux types de modules optiques couleur	Intervalle de canal	Schème	Prix	Grande zone commerciale
CWDM	20nm	non refroidi DML+PIN	faible	Chine
LWDM	800GHz	refroidi DML+PIN	moyenne	Le Japon et la Corée du Sud
DWDM	100GHz	refroidi EML+APD	Élevée	Amérique du Nord, Japon et Corée du Sud
MWDM	Longueur d'onde CWDM + -3.5nm	refroidi DML+PIN	moyenne	Chine

Sa distribution en longueur d'onde est la suivante :

Figure 5 : répartition des longueurs d'onde du module optique coloré

Principaux domaines d'application des modules optiques

Les modules optiques sont principalement utilisés dans le domaine des télécommunications et des centres de données. Dans le domaine des télécommunications, il est principalement utilisé dans les transmissions sans fil fronthaul, middle et backhaul, backbone, FTTX, etc. Dans le domaine des centres de données, il est souvent utilisé dans la transmission de données interne des principaux centres de données et l'interconnexion entre les centres de données.

 Application des émetteurs-récepteurs à fibre optique dans le domaine des télécommunications

Prenant l'exemple du réseau porteur 5G, il est généralement divisé en couche d'accès métropolitain, couche d'agrégation métropolitaine, couche centrale métropolitaine/ligne interurbaine provinciale pour réaliser les fonctions de première et moyenne distance des services 5G. Les dispositifs de chaque couche sont interconnectés principalement via des modules optiques, et leurs scénarios d'application typiques et l'analyse des exigences sont présentés dans le tableau 3.

Tableau 3 : Analyse des scénarios d'application et de la demande du module optique porteur 5G

Superposition réseau	Couche d'accès au métro		Couche de convergence métro	Couche centrale/ligne principale du métro
	Front-haul 5G	5G moyen et long-courrier	Moyenne et longue distance 5G+DCI	Moyenne et longue distance 5G+DCI
La distance de transmission	<10/20km	<40 km	<40km-80km	<40km-80km/des centaines de km
Topologie de mise en réseau	Le type en étoile est dominant, avec un réseau en anneau auxiliaire	Le réseau en anneau domine, avec un petit nombre de maillons en chaîne ou en étoile	Réseau en anneau ou double liaison montante	Réseau en anneau ou double liaison montante
Taux d'interface client	eCPRI : 25 Go/s, CPRI : N*10/25 Gb/s	Début de la 5G : 10/25 Gb/s Échelle commerciale：N*25/50Gb/s	Début de la 5G : 10/25 Gb/s Échelle commerciale：N*25/50/100Gb/s	Début de la 5G : 25/50/100 Gb/s Échelle commerciale：N*100/400Gb/s
Taux d'interface de ligne	Lumière grise 10/25/100Gb/s ou lumière couleur N*25/50Gb/s WDM	Lumière grise 25/50/100Gb/s ou lumière couleur N*25/50Gb/s WDM	Lumière grise 100/200 Gb/s ou lumière couleur N*100 Gb/s WDM	Lumière grise 200/400Gb/s ou lumière couleur N*100/200/400Gb/s WDM

Les exigences typiques pour les modules optiques dans les scénarios d'application front-haul 5G sont les suivantes :

(1) Dans la plage de température industrielle et satisfaisant aux exigences de fiabilité élevées : compte tenu de l'environnement d'application extérieur complet de l'AAU, le module optique frontal doit se situer dans la plage de température industrielle de -40 °C à +85 °C et répondre aux exigences anti-poussière.
(2) Faible coût : la demande totale de modules optiques 5G devrait dépasser celle de la 4G, en particulier la demande de modules optiques front-haul pourrait être de l'ordre de dizaines de millions. Le faible coût est l'une des principales demandes de l'industrie pour les modules optiques.

Tableau 4 Situation actuelle des modules optiques fronthaul 5G

Tarif	Facteur de forme	La distance de transmission	Longueur d'onde de fonctionnement	Format de modulation	Puce optique
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	10km/15km/20km	1270 / 1330nm	NRZ/PAM4	DFB + PIN (ou APD)
	SFP28	10km	CWDM	NRZ	non refroidi DFB+PIN
	SFP28	15km	LWDM	NRZ	refroidi DFB+PIN
	SFP28	10km	MWDM	NRZ	refroidi DFB+PIN
	SFP28	10km	DWDM	NRZ	refroidi EML+APD
	Réglable SFP28	10km / 15km	DWDM	NRZ	refroidi EML+APD

Le support et le backhaul 5G couvrent la couche d'accès, la couche d'agrégation et la couche centrale de la zone métropolitaine. La technologie de module optique requise n'est pas très différente de celle utilisée dans le réseau de transmission et les centres de données existants. La couche d'accès utilisera principalement 25 Gb/s, 50 Gb/s, 100 Gb/s et d'autres modules de lumière grise ou de lumière colorée, la couche de convergence et au-dessus utilisera principalement 100Gb / s, 200Gb/s, 400Gb/s et autres modules de lumière colorée DWDM.

Application de modules optiques dans les centres de données

Un centre de données est un immense groupe de centres de données composé de plusieurs salles informatiques. Pour l'utilisation normale des services Internet, il est nécessaire de coordonner le fonctionnement des centres de données. Une grande quantité d'informations entre les centres de données converge en même temps, ce qui crée une demande de réseau d'interconnexion de centres de données, et la communication par fibre optique est une solution nécessaire pour réaliser l'interconnexion de réseaux ; Différent des équipements de transmission de réseau d'accès de télécommunications traditionnels, l'interconnexion des centres de données doit permettre une transmission d'informations plus importante et plus intensive, ce qui nécessite que les équipements de commutation aient une vitesse plus élevée, une consommation d'énergie inférieure et des performances plus miniaturisées. L'émetteur-récepteur à fibre optique est un facteur essentiel qui détermine si ces performances peuvent être réalisées.

Les types de connexion des modules optiques dans les centres de données peuvent être divisés en trois types : transmission d'informations interne dans les centres de données, interconnexion entre les centres de données et transmission d'informations des centres de données aux utilisateurs. À l'heure actuelle, la communication interne des centres de données représente la grande majorité des communications des centres de données. Le grand développement de la construction de centres de données a favorisé le développement de modules optiques à grande vitesse, et les perspectives d'application des modules optiques à grande vitesse s'améliorent de plus en plus.

Figure 6 Diagramme à l'intérieur du centre de données

Chaîne industrielle des modules optiques

La chaîne industrielle des modules optiques se compose de fournisseurs de puces optoélectroniques en amont, de fournisseurs de modules optiques intermédiaires et de télécommunications en aval, de fournisseurs d'équipements de réseau, de fournisseurs de services Internet et de fabricants Internet.

Figure 7 Chaîne industrielle des modules optiques

Il existe de nombreux fournisseurs de puces optoélectroniques en amont, mais les puces optiques et les puces électriques haut de gamme présentent des barrières techniques élevées et des coûts de R&D élevés. L'industrie des modules optiques se situe au milieu de la chaîne industrielle, qui appartient au maillon de l'emballage avec des barrières techniques relativement faibles. Il est sous la pression du haut et du bas de la chaîne, avec un pouvoir de négociation relativement faible et une concurrence féroce au sein de l'industrie. Après des années de développement, les entreprises chinoises ont occupé la moitié du marché mondial des modules optiques en raison de leurs avantages en termes de coûts de main-d'œuvre, de taille du marché et de soutien des fabricants et des opérateurs d'équipements.

Tendance de développement des émetteurs-récepteurs à fibre optique

Le haut débit est la tendance incontournable des modules optiques. Avec l'évolution des modules optiques vers des débits élevés tels que 400G, 800G et même 1.6T, le marché a des exigences de plus en plus élevées en matière de faible consommation d'énergie, de miniaturisation et de faible coût. Il y aura un goulot d'étranglement technique pour la technologie des modules optiques traditionnels. En raison de sa forte intégration et de sa faible consommation d'énergie, la technologie d'intégration de la photonique sur silicium va briser ce goulot d'étranglement et inaugurer une percée technologique. À l'heure actuelle, de plus en plus de fabricants nationaux et étrangers investissent dans la recherche et le développement de modules intégrés photoniques au silicium. Certains modules optiques à grande vitesse utilisant la technologie d'intégration photonique au silicium ont été produits en série et mis en service dans des centres de données.