Fatores de forma de módulo óptico comum

Os módulos ópticos representam um segmento especializado derivado do desenvolvimento da indústria de comunicação por fibra óptica, atingindo um certo estágio de avanço.

Em 1960, o laser foi inventado.

Em 1962, semicondutores foram utilizados na produção de laser. Embora a eficiência de conversão eletro-óptica fosse extremamente baixa e a vida útil operacional muito curta, a fundação teórica para lasers semicondutores foi estabelecida.

1966 marcou o estabelecimento da teoria de que fibras ópticas poderiam ser usadas para comunicação.

O período de 1970 a 1980 viu avanços nos processos de fabricação de fibras ópticas, juntamente com o desenvolvimento de teorias de laser semicondutor e técnicas de produção.

Por volta de 1985, teve início a industrialização da comunicação por fibra óptica.

Em 1995, conversores de sinais optoeletrônicos, usados ​​para comunicação por fibra óptica, começaram a ser produzidos em massa.

A função dos módulos ópticos é converter sinais ópticos em sinais elétricos e vice-versa.

1995 foi um ano crucial — a era em que a internet entrou nas casas, o Windows 95 foi introduzido e os computadores pessoais se tornaram comuns. Essa era testemunhou atividades como enviar e-mails, visualizar imagens online, se envolver em interações sociais, discutir fofocas em comunidades e fazer compras na web. Como resultado, o tráfego de comunicação começou a aumentar.

A interface de conversão para sinais optoeletrônicos evoluiu de velocidades de megabit para velocidades de gigabit (1Gbps). Essa progressão deu origem ao nome GBIC:

Giga Bit refere-se a 1 Gbps.

Conversor destaca a conversão de sinais ópticos e sinais elétricos.

Interface significa uma interface padronizada da indústria que abrange conexões ópticas, elétricas, de sinal e físicas, criando um padrão estrutural semelhante a um “parafuso” do padrão da indústria.

Com o crescimento da indústria, havia um desejo por conexões de módulos maiores dentro do mesmo espaço. Por volta de 2000, surgiu o SFP — um fator de forma menor que o GBIC. Ele permitiu a mesma conversão de sinal de 1 Gbps, mas veio em um design mais compacto.

Desde sua introdução, o SFP demonstrou notável longevidade. Inicialmente projetado para atingir conversão de nível de Gbps, que era considerada alta velocidade na época, o formato e o tamanho do módulo permaneceram praticamente inalterados conforme as velocidades aumentaram para 2.5 Gbps, 10 Gbps e até 28 Gbps. Em 2019, o SFP28 se tornou o fator de forma de módulo óptico predominante para aplicações front-haul em estações base móveis 5G (Quinta Geração). Nos últimos dois anos, ele continuou a evoluir, suportando velocidades de até 56 Gbps e 112 Gbps.

A característica definidora do SFP é sua estrutura 1x: um canal de transmissão e um canal de recepção.

Olhando para trás, duas décadas, o módulo óptico Ethernet de 1 Gbps já havia se tornado um padrão, enquanto esforços estavam em andamento para estabelecer padrões para módulos ópticos de 10 Gbps.

O padrão SFP 2000 foi projetado para 1 Gbps.

O padrão Xenpak de 2001, representando módulos Ethernet de 10 Gbps, apresentou um fator de forma significativamente maior. Naquela época, esse era um compromisso necessário, exigindo projetos auxiliares extensivos e configurações de múltiplos canais, particularmente para projetos de sinais elétricos, para acomodar os componentes que permitiam a conversão de 10 Gbps em um gabinete tão grande.

O “X” em Xenpak significa o numeral romano para 10.

Esforços subsequentes se concentraram na miniaturização de módulos de 10 Gbps. O X2 representava um design menor do Xenpak, enquanto o XFP oferecia um fator de forma ainda mais compacto do que o X2.

O desenvolvimento de módulos ópticos seguiu trajetórias distintas, com as séries Xenpak, X2 e XFP continuando sua progressão, enquanto projetos anteriores, como GBIC e SFP, também avançaram.

Em 2009, a versão SFP atualizada, SFP+, foi introduzida. Ela suportava uma capacidade de 10 Gbps e era um pouco menor que o XFP, gradualmente substituindo parte da participação de mercado do XFP na indústria.

Depois disso, a era dos módulos ópticos 100G começou. Em 2009, a transição dos módulos 10G — do grande Xenpak para X2, XFP e SFP+ — resultou em dimensões progressivamente menores. Ao mesmo tempo, a padronização dos módulos ópticos 100G com 10 canais começou, sob o nome de “embalagem hot-pluggable 100G”, onde o “C” representa o numeral romano para 100.

Comparando o tamanho do CFP original, revelamos suas dimensões substanciais.

À medida que a indústria se desenvolveu, a segunda e terceira gerações de módulos CFP — comumente chamados de CFP2 e CFP4 — foram definidas em 2013 e 2014.

Entre 2012 e 2014, o mercado de módulos ópticos para data centers experimentou um crescimento explosivo. Após a breve fase de módulos ópticos de 40G, o mercado fez a transição para módulos ópticos de data center de 100G.

Na época, o módulo CFP4 tinha um tamanho relativamente maior, que foi projetado especificamente para 100G. O desempenho de seus conectores era superior. No entanto, a série QSFP+, com 4 canais SFP, evoluiu rapidamente, e o Módulo QSFP28 100G dominou o mercado com seu design simples e econômico.

Após 2014, a série QSFP ganhou tração substancial. Dentro das restrições de manter um fator de forma consistente, a série otimizou a largura de banda e aprimorou a capacidade de conversão de taxa de bits para módulos ópticos de data center de 100G, 200G e 400G. Consequentemente, o tipo de módulo CFP4 se tornou menos proeminente.

A partir de 2017, a indústria começou a focar em módulos 400G. Na época, várias opções surgiram:

O CFP8, uma extensão da série CFP.

O OSFP, representando uma estrutura recém-definida, onde “O” se refere a 8 canais.

O QSFP-DD, um derivado da série QSFP, foi projetado com recursos de densidade dupla.

A série CFP foi inicialmente definida para aplicações de 100G. Para atingir 400G, a abordagem tradicional da indústria era aumentar o tamanho do módulo. Como resultado, o módulo CFP8 retornou a um fator de forma próximo às dimensões do CFP2.

O OSFP introduziu um novo design estrutural durante esse período, enquanto a série QSFP incorporou a funcionalidade de densidade dupla (DD) em sua estrutura.

Atualmente, OSFP e QSFP-DD são as escolhas mais populares para módulos 400G, com o CFP8 gradualmente perdendo participação de mercado.

Na era 800G, o tamanho compacto do QSFP-DD apresenta desafios devido à alta densidade térmica, reduzindo seu uso. Em vez disso, o OSFP e sua variante de tamanho estendido, OSFP-XD, tornaram-se as principais escolhas de fator de forma para módulos 800G.

Para módulos hot-pluggable de 1.6 T, o OSFP-XD lidera como o fator de forma dominante.

Em 2021 e 2022, os esforços de padronização começaram para módulos ópticos CPO de 3.2 Tbps projetados para comutação de alta densidade.

O tamanho compacto dos módulos CPO é obtido por meio da integração da tecnologia fotônica de silício. Muitos fabricantes optam por incorporar componentes de laser e detector dentro do módulo ou colocar lasers externamente, maximizando a relação capacidade-volume dos módulos CPO.

De 2011 a 2012, a indústria de módulos coerentes começou sua fase inicial. Os primeiros módulos coerentes eram projetos montados em placas, exigindo grandes fatores de forma de 300 pinos medindo 5 polegadas x 7 polegadas para acomodar moduladores, fontes de luz, mixers, detectores balanceados, DSPs e outros componentes para comunicação coerente. Esses módulos coerentes de 100G tinham consumo de energia atingindo 80W.

Com o tempo, as dimensões dos módulos coerentes foram reduzidas de 5 polegadas x 7 polegadas para 4 polegadas x 5 polegadas. A miniaturização adicional de moduladores semicondutores, estruturas ICR semicondutoras e processos de fabricação de DSP facilitaram a transição para módulos CFP e CFP2 hot-pluggable.

Em 2022, o módulo coerente 400GZR estará disponível no formato ultracompacto QSFP-DD.