Обзор разработки оптоволоконных приемопередатчиков

Введение в оптоволоконные приемопередатчики

Волоконно-оптический приемопередатчик, также называемый оптическим модулем, используется для преобразования электрических и оптических сигналов. Это основное устройство для соединения коммуникационного оборудования с оптическими волокнами. Оптический модуль обычно состоит из оптического подузла передатчика (TOSA, содержащего лазерный LD-чип), приемного оптического подузла (ROSA, содержащего чип фотодетектора PD), схемы возбуждения, а также оптического и электрического интерфейса. Его схема показана на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема внутренней структуры оптического модуля

Лазеры внутри оптического модуля можно разделить на лазеры с вертикальным резонатором с поверхностным излучением (VCSEL), лазеры Фабри-Перо (FP), лазеры с распределенной обратной связью (DFB), лазеры с электроабсорбционной модуляцией (EML) и узкополосные перестраиваемые лазеры и т. д.; Фотодетекторы можно разделить на диоды с контактным переходом (PIN) и лавинные фотодиоды (APD). Различные типы лазеров и фотодетекторов имеют разную производительность и стоимость, поэтому мы можем выбрать различные чиповые решения в соответствии с их конкретными характеристиками.

Давайте возьмем серый оптический модуль 25G в качестве примера, чтобы представить базовую функциональную блок-схему оптического модуля.

Рис. 2. Базовая функциональная блок-схема оптического модуля

На передающем конце электрический сигнал с определенной скоростью обрабатывается микросхемой драйвера для управления лазером (LD) для излучения модулированного оптического сигнала с соответствующей скоростью, а оптический сигнал со стабильной мощностью выводится через автоматическую оптическую мощность. цепь управления. На приемном конце, после входа в модуль, оптический сигнал с определенной частотой преобразуется в электрический сигнал фотодетектором (ФД), а затем выдается электрический сигнал соответствующей скорости после прохождения через предварительный усилитель.

В дополнение к лазерам и детекторам оптический модуль также содержит некоторые электрические микросхемы, конкретные функции которых можно увидеть на рисунке ниже.

Рис. 3 Знакомство с функциями внутренних компонентов оптического модуля

Классификация оптических модулей

 

Оптические модули можно классифицировать по-разному, например, по способу упаковки, скорости передачи, дальности передачи, формату модуляции, необходимости поддержки мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) приложения, режим работы оптического интерфейса, диапазон рабочих температур и т. д. Конкретная классификация показана в следующей таблице.

Таблица 1 Классификация оптических модулей

Классификация оптических модулей
По форм-фактору	SFP,SFP+,SFP28,QSFP28,CFP2,QSFP-DD,OSFP и т.д.
По дальности передачи	2.5Gb/s,10Gb/s,25Gb/s,40Gb/s,50Gb/s,100Gb/s,200Gb/s,400Gb/s,800Gb/s,etc.
По режиму модуляции	НРЗ, PAM4, DP-QPSK/n-QAM и т. д.
Поддерживается ли мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)	модуль серого света (WDM не поддерживается), цветной оптический модуль (поддерживается WDM)
По рабочему модулю оптического интерфейса	Дуплекс, БиДи
По диапазону рабочих температур	Товарный сорт (0~70℃), промышленный сорт (-40~85℃) и т.д.

Эволюция метода упаковки может наиболее интуитивно отражать тенденцию развития высокой скорости и миниатюризации оптических модулей. От упаковки SFP к упаковке QSFP, упаковке QSFP-DD скорость оптических модулей увеличилась с 1 Гбит/с до 800Gbps, а совершенствование технологии упаковки позволило оптическим модулям адаптироваться к более высоким требованиям скорости с небольшим изменением объема.

Рис. 4. Эволюция упаковки оптических модулей

С появлением 5G производители оптических модулей выпустили цветные оптические модули для поддержки более высоких требований к пропускной способности. Цветной оптический модуль принимает WDM технология, которая объединяет оптические сигналы разных длин волн по одному оптическому волокну для передачи, что значительно улучшает пропускную способность канала передачи сигнала. В настоящее время цветной модуль в основном делится на CWDM, LWDM, MWDM и DWDM.

Таблица 2 Сравнение цветных оптических модулей

Основные типы цветных оптических модулей	Интервал канала	Схема	Цена	Основная коммерческая площадь
CWDM	20nm	неохлаждаемый ДМЛ+ПИН	низкокачественными	Китай
LWDM	800GHz	охлаждаемый ДМЛ+ПИН	средний	Япония и Южная Корея
DWDM	100GHz	охлаждаемый ЭМЛ+АПД	высокая	Северная Америка, Япония и Южная Корея
МВДМ	Длина волны CWDM +-3.5 нм	охлаждаемый ДМЛ+ПИН	средний	Китай

Его распределение по длинам волн выглядит следующим образом:

Рисунок 5: Распределение длины волны цветного оптического модуля

Основные области применения оптических модулей

Оптические модули в основном используются в сфере телекоммуникаций и центров обработки данных. В области телекоммуникаций он в основном используется в беспроводных передних, средних и транзитных сетях, магистральной передаче, FTTX и т. Д .; В области центров обработки данных он часто используется для внутренней передачи данных основных центров обработки данных и взаимосвязи между центрами обработки данных.

 Применение оптоволоконных приемопередатчиков в телекоммуникационной сфере

Если взять в качестве примера транспортную сеть 5G, то она обычно делится на городской уровень доступа, городской уровень агрегации, базовый городской уровень/провинциальную магистральную линию для реализации функций переднего и среднего расстояния услуг 5G. Устройства на каждом уровне связаны между собой в основном через оптические модули, а их типовые сценарии применения и анализ требований приведены в таблице 3.

Таблица 3: Анализ сценариев применения и спроса оптических модулей несущей сети 5G

Сеть слоев	Уровень доступа к метро		Слой конвергенции Metro	Основной уровень/магистральная линия метро
	5G на переднем крае	5G на промежуточных и обратных участках	5G для среднего и обратного трафика + DCI	5G для среднего и обратного трафика + DCI
Расстояние передачи	<10/20км	<40 км	<40км-80км	<40км-80км/сотни км
Топология сети	Звездный тип доминирующий, с вспомогательной кольцевой сетью	Преобладает кольцевая сеть с небольшим количеством звеньев цепи или звезды.	Кольцевая сеть или двойной восходящий канал	Кольцевая сеть или двойной восходящий канал
Скорость взаимодействия с клиентом	eCPRI: 25 Гб/с, CPRI:N*10/25Гбит/с	Ранний 5G: 10/25 Гбит/с Масштаб бизнеса: N*25/50 Гбит/с	Ранний 5G: 10/25 Гбит/с Масштаб бизнеса: N*25/50/100 Гбит/с	Ранний 5G: 25/50/100 Гбит/с Масштаб бизнеса: N*100/400 Гбит/с
Скорость интерфейса линии	10/25/100 Гбит/с серый светлый или N*25/50 Гбит/с цветной WDM светлый	25/50/100 Гбит/с серый светлый или N*25/50 Гбит/с цветной WDM светлый	100/200 Гбит/с серый свет или N*100 Гбит/с цветной WDM свет	200/400 Гбит/с серый свет или N*100/200/400 Гбит/с цветной WDM свет

Типичные требования к оптическим модулям в сценариях применения 5G на переднем крае следующие:

(1) В пределах промышленного температурного диапазона и в соответствии с высокими требованиями к надежности: принимая во внимание полностью наружную среду применения AAU, передний оптический модуль должен находиться в промышленном температурном диапазоне от -40°C до +85°C и соответствовать требованиям пыленепроницаемости.
(2) Низкая стоимость: ожидается, что общий спрос на оптические модули 5G превысит спрос на 4G, особенно спрос на передние оптические модули может составлять порядка десятков миллионов. Низкая стоимость является одним из основных требований отрасли к оптическим модулям.

Таблица 4 Текущая ситуация с оптическими модулями 5G Fronthaul

Обменный курс	Фактор формы	Расстояние передачи	Рабочая длина волны	Формат модуляции	Оптический чип
25Gb / s (eCPRI/CPRI)	SFP28	70-100m	850nm	NRZ	ВКСЕЛ+ПИН-код
	SFP28	300m	1310nm	NRZ	FP/DFB+ПИН
	SFP28	10km	1310nm	NRZ	DFB+ПИН
	SFP28 БИДИ	10км/15км/20км	1270 / 1330nm	НРЗ/ПАМ4	DFB+PIN (или APD)
	SFP28	10km	CWDM	NRZ	неохлаждаемый DFB+PIN
	SFP28	15km	LWDM	NRZ	охлаждаемый DFB+PIN
	SFP28	10km	МВДМ	NRZ	охлаждаемый DFB+PIN
	SFP28	10km	DWDM	NRZ	охлаждаемый ЭМЛ+АПД
	SFP28 настраиваемый	10km / 15km	DWDM	NRZ	охлаждаемый ЭМЛ+АПД

Среда 5G и транзитная связь охватывают уровень доступа, уровень агрегации и базовый уровень городской зоны. Требуемая технология оптического модуля мало чем отличается от той, что используется в существующих сетях передачи и центрах обработки данных. Уровень доступа в основном будет использовать 25 Гбит/с, 50 ​​Гбит/с, 100 Гбит/с и другие модули серого или цветного света, уровень конвергенции и выше будут в основном использовать 100Gb / s, 200Gb/s, 400Gb/s и другие цветные световые модули DWDM.

Применение оптических модулей в дата-центрах

Центр обработки данных — это огромная группа центров обработки данных, состоящая из нескольких компьютерных залов. Для нормального использования интернет-услуг необходимо координировать работу дата-центров. Одновременно сходится большой объем информации между центрами обработки данных, что создает потребность в сети взаимосвязи центров обработки данных, а оптоволоконная связь является необходимым решением для реализации межсетевого взаимодействия; В отличие от традиционного передающего оборудования телекоммуникационной сети доступа, межсоединение центра обработки данных должно обеспечивать более крупную и интенсивную передачу информации, что требует от коммутационного оборудования более высокой скорости, более низкого энергопотребления и более миниатюрной производительности. Волоконно-оптический трансивер является ключевым фактором, который определяет, могут ли быть реализованы эти характеристики.

Типы подключения оптических модулей в центре обработки данных можно разделить на три типа: внутренняя передача информации в центрах обработки данных, взаимосвязь между центрами обработки данных и передача информации из центров обработки данных пользователям. В настоящее время внутренняя связь центров обработки данных составляет подавляющее большинство коммуникаций центров обработки данных. Большое развитие строительства центров обработки данных способствовало развитию высокоскоростных оптических модулей, и перспективы применения высокоскоростных оптических модулей становятся все лучше и лучше.

Рис. 6 Схема внутри ЦОД

Сеть производителей оптических модулей

Промышленная цепочка оптических модулей состоит из поставщиков оптоэлектронных микросхем вверх по течению, поставщиков оптических модулей среднего уровня и нижестоящих телекоммуникационных компаний, поставщиков сетевого оборудования, интернет-провайдеров и производителей интернета.

Рис. 7. Отраслевая цепочка оптических модулей

Есть много поставщиков оптоэлектронных чипов, но высокотехнологичные оптические и электрические чипы имеют высокие технические барьеры и высокие затраты на НИОКР. Индустрия оптических модулей находится в середине производственной цепочки, относящейся к звену упаковки с относительно низкими техническими барьерами. Он находится под давлением верхушки и низа цепочки, с относительно слабой переговорной силой и жесткой конкуренцией внутри отрасли. После многих лет развития китайские компании заняли половину мирового рынка оптических модулей благодаря своим преимуществам в стоимости рабочей силы, размере рынка и поддержке со стороны производителей оборудования и операторов.

Тенденция развития волоконно-оптических приемопередатчиков

Высокая скорость — неизбежный тренд оптических модулей. С переходом оптических модулей на высокие скорости, такие как 400G, 800G и даже 1.6T, рынок предъявляет все более высокие требования к низкому энергопотреблению, миниатюризации и низкой стоимости. Традиционная технология оптических модулей будет техническим узким местом. Благодаря высокой степени интеграции и низкому энергопотреблению технология интеграции кремниевой фотоники преодолеет это узкое место и откроет технологический прорыв. В настоящее время все больше и больше производителей в стране и за рубежом инвестируют в исследования и разработки интегрированных модулей кремниевой фотоники. Некоторые высокоскоростные оптические модули, использующие технологию интеграции кремниевой фотоники, производятся серийно и используются в центрах обработки данных.