Überblick über die Entwicklung von Glasfaser-Transceivern

Einführung in Glasfaser-Transceiver

Glasfaser-Transceiver, auch optisches Modul genannt, werden verwendet, um die Umwandlung zwischen elektrischen und optischen Signalen zu realisieren. Es ist das Kerngerät zum Verbinden von Kommunikationsgeräten mit Glasfasern. Das optische Modul besteht normalerweise aus einer Transmitter Optical Subassembly (TOSA, die einen Laser-LD-Chip enthält), einer Receiver Optical Subassembly (ROSA, die einen Fotodetektor-PD-Chip enthält), einer Treiberschaltung und einer optischen und elektrischen Schnittstelle. Sein Schema ist in Abbildung dargestellt 1.

Abbildung 1 Internes Strukturdiagramm des optischen Moduls

Die Laser innerhalb des optischen Moduls können in oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), Fabry-Perot-Laser (FP), Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB), elektroabsorptionsmodulierte Laser (EML) und durchstimmbare Schmalbandlaser usw. unterteilt werden; Photodetektoren können in PIN-Junction-Dioden (PIN) und Avalanche-Photodioden (APD) eingeteilt werden. Unterschiedliche Arten von Lasern und Fotodetektoren weisen Unterschiede in Leistung und Kosten auf, sodass wir je nach ihren spezifischen Spezifikationen unterschiedliche Chiplösungen auswählen können.

Nehmen wir als Beispiel das graue optische 25G-Modul, um das grundlegende Funktionsblockdiagramm des optischen Moduls vorzustellen.

Abbildung 2 Grundlegendes Funktionsblockdiagramm des optischen Moduls

Am Sendeende wird das elektrische Signal mit einer bestimmten Rate vom Treiberchip verarbeitet, um den Laser (LD) anzusteuern, um ein moduliertes optisches Signal mit einer entsprechenden Rate zu emittieren, und das optische Signal mit stabiler Leistung wird durch die optische Leistungsautomatik ausgegeben Steuerkreis. Am Empfangsende wird nach dem Eintritt in das Modul das optische Signal mit einer bestimmten Rate von einem Fotodetektor (PD) in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann nach Durchlaufen eines Vorverstärkers ein elektrisches Signal mit einer entsprechenden Rate ausgegeben.

Neben Lasern und Detektoren enthält das optische Modul auch einige elektrische Chips, die spezifischen Funktionen sind in der folgenden Abbildung zu sehen.

Abbildung 3 Einführung in die Funktionen der internen Komponenten des optischen Moduls

Klassifizierung von optischen Modulen

 

Optische Module können auf viele Arten klassifiziert werden, z. B. nach Verpackungsmethode, Rate, Übertragungsentfernung, Modulationsformat und Unterstützung Wellenlängenmultiplex (WDM) Anwendungen, Arbeitsmodus der optischen Schnittstelle, Arbeitstemperaturbereich usw. Die spezifische Klassifizierung ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

Tabelle 1 Klassifizierung optischer Module

Klassifizierung optischer Module
Nach Formfaktor	SFP, SFP+, SFP28, QSFP28, CFP2, QSFP-DD, OSFP usw.
Nach Übertragungsdistanz	2.5Gb/s,10Gb/s,25Gb/s,40Gb/s,50Gb/s,100Gb/s,200Gb/s,400Gb/s,800Gb/s,etc.
Durch den Modulationsmodus	NRZ, PAM4, DP-QPSK/n-QAM usw.
Ob Wellenlängenmultiplexing (WDM) unterstützt wird	Graulichtmodul (WDM wird nicht unterstützt), optisches Farbmodul (WDM wird unterstützt)
Durch Arbeitsmodul der optischen Schnittstelle	Duplex, BiDi
Nach Betriebstemperaturbereich	Kommerzielle Qualität (0 ~ 70 ℃), Industriequalität (-40 ~ 85 ℃) usw

Die Entwicklung des Packungsverfahrens kann den Entwicklungstrend der Hochgeschwindigkeit und Miniaturisierung von optischen Modulen am intuitivsten widerspiegeln. Von SFP-Verpackung zu QSFP, QSFP-DD-Verpackung, die Rate optischer Module ist von 1 Gbit/s auf gestiegen 800Gbps, und die Verbesserung der Verpackungstechnologie hat es optischen Modulen ermöglicht, sich an höhere Ratenanforderungen mit geringer Volumenänderung anzupassen.

Abbildung 4 Entwicklung der Verpackung optischer Module

Mit dem Aufkommen von 5G haben Hersteller von optischen Modulen farbige optische Module auf den Markt gebracht, um höhere Bandbreitenanforderungen zu erfüllen. Das farbige optische Modul nimmt an WDM Technologie, die optische Signale verschiedener Wellenlängen auf einer optischen Faser zur Übertragung kombiniert, wodurch die Signalübertragungsbandbreite der Verbindung erheblich verbessert wird. Derzeit ist das farbige Modul hauptsächlich in CWDM, LWDM, MWDM und DWDM unterteilt.

Tabelle 2 Vergleich farbiger optischer Module

Haupttypen von optischen Farbmodulen	Kanalintervall	Schema	Kosten	Großes Gewerbegebiet
CWDM	20nm	ungekühlt DML+PIN	niedrig	China
LWDM	800GHz	gekühlt DML+PIN	mittlere	Japan und Südkorea
DWDM	100GHz	gekühltes EML+APD	Highs	Nordamerika, Japan und Südkorea
MWDM	CWDM-Wellenlänge +-3.5 nm	gekühlt DML+PIN	mittlere	China

Seine Wellenlängenverteilung ist wie folgt:

Abbildung 5: Wellenlängenverteilung des farbigen optischen Moduls

Hauptanwendungsgebiete optischer Module

Optische Module werden hauptsächlich im Bereich Telekommunikation und Rechenzentren eingesetzt. Im Bereich der Telekommunikation wird es hauptsächlich für drahtloses Fronthaul, Middle und Backhaul, Backbone-Übertragung, FTTX usw. verwendet. Im Bereich der Rechenzentren wird es häufig bei der internen Datenübertragung der Hauptrechenzentren und der Verbindung zwischen Rechenzentren verwendet.

 Anwendung von Glasfaser-Transceivern im Telekommunikationsbereich

Am Beispiel des 5G-Trägernetzes wird es im Allgemeinen in die Metro-Zugangsschicht, die Metro-Aggregationsschicht, die Metro-Kernschicht/Provinz-Amtsleitung unterteilt, um die Front-Haul- und Mid-Haul-Funktionen von 5G-Diensten zu realisieren. Die Geräte auf jeder Schicht sind hauptsächlich durch optische Module miteinander verbunden, und ihre typischen Anwendungsszenarien und Anforderungsanalysen sind in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3: Analyse der Anwendungsszenarien für optische 5G-Trägermodule und Nachfrage

Netzwerkschichtung	Metro-Zugriffsschicht		Metro-Konvergenzschicht	U-Bahn-Kernschicht/Trunk-Leitung
	5G-Front-Haul	5G Mid-and-Back-Haul	5G Mid-and-Backhaul+DCI	5G Mid-and-Backhaul+DCI
Übertragungsreichweite	<10/20km	<40 km	<40km-80km	<40km-80km/Hunderte km
Netzwerktopologie	Der Sterntyp ist dominant, mit Ringnetzwerkhilfsmittel	Es dominiert das Ringnetzwerk mit einer geringen Anzahl von Ketten- oder Sterngliedern	Ringnetzwerk oder duale Uplink-Verbindung	Ringnetzwerk oder duale Uplink-Verbindung
Kundenschnittstellenrate	eCPRI: 25 Gb/s, CPRI:N*10/25Gb/s	Frühes 5G: 10/25 Gb/s Geschäft skalieren: N*25/50 Gb/s	Frühes 5G: 10/25 Gb/s Geschäft skalieren: N*25/50/100 Gb/s	Frühes 5G: 25/50/100 Gb/s Geschäft skalieren: N*100/400 Gb/s
Leitungsschnittstellenrate	10/25/100 Gb/s Graulicht oder N*25/50 Gb/s WDM Farblicht	25/50/100 Gb/s Graulicht oder N*25/50 Gb/s WDM Farblicht	100/200 Gb/s Graulicht oder N*100 Gb/s WDM Farblicht	200/400 Gb/s Graulicht oder N*100/200/400 Gb/s WDM Farblicht

Typische Anforderungen an optische Module in 5G-Fronthaul-Anwendungsszenarien sind wie folgt:

(1) Innerhalb des industriellen Temperaturbereichs und Erfüllung hoher Zuverlässigkeitsanforderungen: In Anbetracht der vollständigen AAU-Außenanwendungsumgebung muss das optische Fronthaul-Modul innerhalb des industriellen Temperaturbereichs von -40 °C bis +85 °C liegen und die Staubschutzanforderungen erfüllen.
(2) Niedrige Kosten: Die Gesamtnachfrage nach optischen 5G-Modulen wird voraussichtlich die von 4G übersteigen, insbesondere die Nachfrage nach optischen Front-Haul-Modulen kann in der Größenordnung von mehreren zehn Millionen liegen. Niedrige Kosten sind eine der Hauptforderungen der Industrie für optische Module.

Tabelle 4 Aktuelle Situation der optischen 5G-Fronthaul-Module

Bewerten	Formfaktor	Übertragungsreichweite	Betriebswellenlänge	Modulationsformat	Optischer Chip
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(oder APD)
	SFP28	10km	CWDM	NRZ	ungekühlter DFB+PIN
	SFP28	15km	LWDM	NRZ	gekühlter DFB+PIN
	SFP28	10km	MWDM	NRZ	gekühlter DFB+PIN
	SFP28	10km	DWDM	NRZ	gekühltes EML+APD
	SFP28 abstimmbar	10km / 15km	DWDM	NRZ	gekühltes EML+APD

5G Medium und Backhaul decken die Zugangsschicht, die Aggregationsschicht und die Kernschicht des Ballungsraums ab. Die erforderliche optische Modultechnologie unterscheidet sich nicht wesentlich von der in bestehenden Übertragungsnetzen und Rechenzentren verwendeten. Die Zugriffsschicht wird hauptsächlich 25 Gb/s, 50 Gb/s, 100 Gb/s und andere Graulicht- oder Farblichtmodule verwenden, die Konvergenzschicht und höher werden hauptsächlich verwendet 100Gb / s, 200 Gb/s, 400 Gb/s und andere DWDM-Farblichtmodule.

Anwendung optischer Module in Rechenzentren

Ein Rechenzentrum ist eine riesige Rechenzentrumsgruppe, die aus mehreren Computerräumen besteht. Für die normale Nutzung von Internetdiensten ist es notwendig, den Betrieb von Rechenzentren zu koordinieren. Eine große Menge an Informationen zwischen Rechenzentren läuft gleichzeitig zusammen, was die Nachfrage nach Rechenzentrums-Verbindungsnetzwerken schafft, und die Glasfaserkommunikation ist eine notwendige Lösung, um die Netzwerkverbindung zu realisieren; Im Gegensatz zu herkömmlichen Übertragungsgeräten für Telekommunikationszugangsnetze muss die Verbindung von Rechenzentren eine größere und intensivere Übertragung von Informationen erreichen, was eine höhere Geschwindigkeit, einen geringeren Stromverbrauch und eine miniaturisiertere Leistung der Schaltgeräte erfordert. Glasfaser-Transceiver sind ein Kernfaktor, der bestimmt, ob diese Leistungen realisiert werden können.

Die Verbindungstypen von optischen Modulen in Datenzentren können in drei Typen unterteilt werden: interne Informationsübertragung in Datenzentren, Verbindung zwischen Datenzentren und Informationsübertragung von Datenzentren zu Benutzern. Gegenwärtig macht die interne Kommunikation von Rechenzentren den Großteil der Rechenzentrumskommunikation aus. Die große Entwicklung des Baus von Rechenzentren hat die Entwicklung von optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen vorangetrieben, und die Anwendungsaussichten von optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen werden immer besser.

Abbildung 6 Diagramm im Rechenzentrum

Industriekette für optische Module

Die Industriekette für optische Module besteht aus Upstream-Anbietern von optoelektronischen Chips, Midstream-Anbietern von optischen Modulen und Downstream-Telekommunikations-, Netzwerkausrüstungsanbietern, Internetdienstanbietern und Internetherstellern.

Abbildung 7 Industriekette optischer Module

Es gibt viele Anbieter von vorgelagerten optoelektronischen Chips, aber optische High-End-Chips und elektrische Chips haben hohe technische Barrieren und hohe F&E-Kosten. Die optische Modulindustrie ist in der Mitte der Industriekette angesiedelt, die zum Verpackungsglied mit relativ geringen technischen Barrieren gehört. Es steht unter dem Druck des oberen und unteren Endes der Kette, mit relativ schwacher Verhandlungsmacht und hartem Wettbewerb innerhalb der Branche. Nach Jahren der Entwicklung haben chinesische Unternehmen aufgrund ihrer Vorteile bei den Arbeitskosten, der Marktgröße und der Unterstützung durch Gerätehersteller und Betreiber die Hälfte des globalen Marktes für optische Module besetzt.

Entwicklungstrend von Fiber Optic Transceivern

Hochgeschwindigkeit ist der unvermeidliche Trend bei optischen Modulen. Mit der Entwicklung optischer Module zu hohen Geschwindigkeiten wie 400 G, 800 G und sogar 1.6 T stellt der Markt immer höhere Anforderungen an geringen Stromverbrauch, Miniaturisierung und niedrige Kosten. Es wird einen technischen Engpass für die traditionelle optische Modultechnologie geben. Aufgrund ihrer hohen Integration und ihres geringen Stromverbrauchs wird die Silizium-Photonik-Integrationstechnologie diesen Engpass durchbrechen und einen technologischen Durchbruch einleiten. Derzeit investieren immer mehr Hersteller aus dem In- und Ausland in die Forschung und Entwicklung von Silizium-Photonik-integrierten Modulen. Einige optische Hochgeschwindigkeitsmodule, die Silizium-Photonik-Integrationstechnologie verwenden, wurden in Massenproduktion hergestellt und in Rechenzentren eingesetzt.