Visão geral do desenvolvimento de transceptores de fibra óptica

14 de fevereiro de 2023

Catherine

Engenheiro de Comunicações Ópticas

Conteúdo

Introdução aos Transceptores de Fibra Óptica

O transceptor de fibra óptica, também chamado de módulo óptico, é usado para realizar a conversão entre sinais elétricos e ópticos. É o dispositivo principal para conectar equipamentos de comunicação com fibras ópticas. O módulo óptico é geralmente composto de subconjunto óptico do transmissor (TOSA, contendo um chip LD de laser), subconjunto óptico do receptor (ROSA, contendo um chip PD fotodetector), um circuito de acionamento e uma interface óptica e elétrica. Seu esquema é mostrado na Figura 1.

Figura 1 Diagrama da estrutura interna do módulo óptico

Os lasers dentro do módulo óptico podem ser divididos em lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSEL), lasers Fabry-Perot (FP), lasers de feedback distribuído (DFB), lasers modulados por eletroabsorção (EML) e lasers sintonizáveis de banda estreita, etc.; Os fotodetectores podem ser classificados em diodos de junção PIN (PIN) e fotodiodos de avalanche (APD). Diferentes tipos de lasers e fotodetectores têm diferenças de desempenho e custo, portanto, podemos escolher diferentes soluções de chip de acordo com suas especificações específicas.

Vamos usar o módulo óptico cinza 25G como exemplo para apresentar o diagrama de blocos funcional básico do módulo óptico.

Figura 2 Diagrama de blocos funcional básico do módulo óptico

No final do envio, o sinal elétrico a uma determinada taxa é processado pelo chip do driver para acionar o laser (LD) para emitir um sinal óptico modulado a uma taxa correspondente, e o sinal óptico com potência estável é emitido através da potência óptica automática circuito de controle. Na extremidade receptora, depois de entrar no módulo, o sinal óptico a uma determinada taxa é convertido em sinal elétrico por um fotodetector (PD) e, em seguida, emite um sinal elétrico de taxa correspondente após passar por um pré-amplificador.

Além de lasers e detectores, o módulo óptico também contém alguns chips elétricos, cujas funções específicas podem ser vistas na figura abaixo.

Figura 3 Introdução às funções dos componentes internos do módulo óptico

Classificação de módulos ópticos

Os módulos ópticos podem ser classificados de várias maneiras, como de acordo com o método de embalagem, taxa, distância de transmissão, formato de modulação, suporte ou não multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) aplicações, modo de trabalho da interface óptica, faixa de temperatura de trabalho, etc. A classificação específica é mostrada na tabela a seguir.

Tabela 1 Classificação dos módulos ópticos

Classificação de Módulos Ópticos
Por fator de forma	SFP, SFP+, SFP28, QSFP28, CFP2, QSFP-DD, OSFP, etc.
Por distância de transmissão	2.5Gb/s,10Gb/s,25Gb/s,40Gb/s,50Gb/s,100Gb/s,200Gb/s,400Gb/s,800Gb/s,etc.
Por modo de modulação	NRZ, PAM4, DP-QPSK/n-QAM, etc.
Se a multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) é suportada	módulo de luz cinza (WDM não suportado), módulo ótico colorido (WDM suportado)
Por módulo de trabalho de interface ótica	Duplex, BiDi
Por faixa de temperatura operacional	Grau comercial (0~70℃), grau industrial (-40~85℃), etc.

A evolução do método de embalagem pode refletir de forma mais intuitiva a tendência de evolução de alta velocidade e miniaturização de módulos ópticos. Do empacotamento SFP ao empacotamento QSFP, QSFP-DD, a taxa de módulos ópticos aumentou de 1 Gbps para 800Gbps, e a melhoria da tecnologia de embalagem permitiu que os módulos ópticos se adaptassem a requisitos de taxas mais altas com pouca alteração no volume.

Figura 4 Evolução da embalagem do módulo óptico

Com o advento do 5G, os fabricantes de módulos ópticos lançaram módulos ópticos coloridos para atender a requisitos de largura de banda mais altos. O módulo óptico colorido adota WDM tecnologia, que combina sinais ópticos de diferentes comprimentos de onda em uma fibra óptica para transmissão, o que melhora muito a largura de banda de transmissão do sinal do link. Atualmente, o módulo colorido é dividido principalmente em CWDM, LWDM, MWDM e DWDM.

Tabela 2 Comparação de módulos ópticos coloridos

Principais tipos de módulos ópticos coloridos	Intervalo do canal	Esquema	Custo	Grande área comercial
CWDM	20nm	DML+PIN não refrigerado	baixo	China
LWDM	800GHz	resfriado DML+PIN	média	Japão e Coreia do Sul
DWDM	100GHz	EML+APD resfriado	Alto	América do Norte, Japão e Coreia do Sul
MWDM	Comprimento de onda CWDM +-3.5 nm	resfriado DML+PIN	média	China

Sua distribuição de comprimento de onda é a seguinte:

Figura 5: distribuição de comprimento de onda do módulo óptico colorido

Principais campos de aplicação dos módulos ópticos

Os módulos ópticos são usados principalmente na área de telecomunicações e data centers. No campo das telecomunicações, é usado principalmente em fronthaul sem fio, meio e backhaul, transmissão de backbone, FTTX, etc.; Na área de data centers, é frequentemente utilizado na transmissão interna de dados dos principais data centers e na interconexão entre data centers.

Aplicação de Transceptores de Fibra Óptica no Campo de Telecomunicações

Tomando a rede portadora 5G como exemplo, ela é geralmente dividida em camada de acesso metropolitano, camada de agregação metropolitana, camada central metropolitana/linha tronco provincial para realizar as funções front-haul e mid-haul dos serviços 5G. Os dispositivos em cada camada são interconectados principalmente por meio de módulos ópticos, e seus cenários típicos de aplicação e análise de requisitos são mostrados na Tabela 3.

Tabela 3: Análise de cenários e demanda de aplicação do módulo óptico portador 5G

Camadas de rede	Camada de acesso metropolitano		Camada de convergência metropolitana	Camada do núcleo metropolitano/linha tronco
	Front-haul 5G	5G no meio e no verso	5G mid-and-back-haul+DCI	5G mid-and-back-haul+DCI
A distância de transmissão	<10/20km	<40km	<40km-80km	<40km-80km/centenas de km
topologia de rede	O tipo de estrela é dominante, com auxiliar de rede em anel	A rede em anel domina, com um pequeno número de elos em cadeia ou em estrela	Rede de anel ou link de uplink duplo	Rede de anel ou link de uplink duplo
Taxa de interface com o cliente	eCPRI: 25 Gb/s, CPRI:N*10/25Gb/s	5G inicial: 10/25 Gb/s Escala de negócios: N*25/50 Gb/s	5G inicial: 10/25 Gb/s Escala de negócios: N*25/50/100 Gb/s	5G inicial: 25/50/100 Gb/s Escala de negócios: N*100/400 Gb/s
Taxa de interface de linha	10/25/100 Gb/s luz cinza ou N*25/50 Gb/s luz colorida WDM	25/50/100 Gb/s luz cinza ou N*25/50 Gb/s luz colorida WDM	Luz cinza 100/200Gb/s ou luz colorida N*100Gb/s WDM	Luz cinza de 200/400 Gb/s ou luz colorida N*100/200/400 Gb/s WDM

Os requisitos típicos para módulos ópticos em cenários de aplicativos front-haul 5G são os seguintes:

(1) Dentro da faixa de temperatura industrial e satisfazendo os requisitos de alta confiabilidade: Considerando o ambiente de aplicação externa AAU, o módulo óptico fronthaul precisa estar dentro da faixa de temperatura industrial de -40°C~+85°C e atender aos requisitos à prova de poeira.
(2) Baixo custo: Espera-se que a demanda total por módulos ópticos 5G exceda a de 4G, especialmente a demanda por módulos ópticos front-haul pode ser da ordem de dezenas de milhões. O baixo custo é uma das principais demandas da indústria para módulos ópticos.

Tabela 4 Situação atual dos módulos ópticos fronthaul 5G

Taxa	Fator de forma	A distância de transmissão	Comprimento de onda operacional	Formato de modulação	Chip óptico
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 BID	10km/15km/20km	1270 / 1330nm	NRZ/PAM4	DFB+PIN (ou APD)
	SFP28	10km	CWDM	NRZ	DFB+PIN não refrigerado
	SFP28	15km	LWDM	NRZ	DFB+PIN refrigerado
	SFP28	10km	MWDM	NRZ	DFB+PIN refrigerado
	SFP28	10km	DWDM	NRZ	EML+APD resfriado
	SFP28 ajustável	10km / 15km	DWDM	NRZ	EML+APD resfriado

O meio 5G e o backhaul cobrem a camada de acesso, a camada de agregação e a camada central da área metropolitana. A tecnologia de módulo óptico necessária não é muito diferente daquela usada na rede de transmissão e centros de dados existentes. A camada de acesso usará principalmente 25Gb/s, 50Gb/s, 100Gb/s e outros módulos de luz cinza ou luz colorida, a camada de convergência e acima usará principalmente 100Gb / s, 200 Gb/s, 400 Gb/s e outros módulos de luz colorida DWDM.

Aplicação de módulos ópticos em data centers

Um data center é um enorme grupo de data centers composto por várias salas de computadores. Para o uso normal dos serviços de Internet, é necessário coordenar a operação dos data centers. Uma grande quantidade de informações entre data centers converge ao mesmo tempo, o que cria a demanda por rede de interconexão de data centers, e a comunicação por fibra óptica é uma solução necessária para realizar a interconexão de rede; Diferentemente dos equipamentos de transmissão de rede de acesso de telecomunicações tradicionais, a interconexão do data center precisa alcançar uma transmissão de informações maior e mais intensiva, o que exige que os equipamentos de comutação tenham maior velocidade, menor consumo de energia e desempenho mais miniaturizado. O transceptor de fibra óptica é um fator central que determina se esses desempenhos podem ser realizados.

Os tipos de conexão de módulos ópticos em datacenter podem ser divididos em três tipos: transmissão de informações internas em datacenters, interconexão entre datacenters e transmissão de informações de datacenters para usuários. Atualmente, a comunicação interna dos data centers responde pela grande maioria das comunicações do data center. O grande desenvolvimento da construção do data center promoveu o desenvolvimento de módulos ópticos de alta velocidade, e as perspectivas de aplicação de módulos ópticos de alta velocidade estão ficando cada vez melhores.

Figura 6 Diagrama dentro do data center

Cadeia da indústria de módulos ópticos

A cadeia da indústria de módulos ópticos consiste em fornecedores de chips optoeletrônicos upstream, fornecedores de módulos ópticos midstream e telecomunicações downstream, fornecedores de equipamentos de rede, provedores de serviços de Internet e fabricantes de Internet.

Figura 7 Cadeia industrial de módulos ópticos

Existem muitos fornecedores de chips optoeletrônicos upstream, mas os chips ópticos e elétricos de ponta têm altas barreiras técnicas e altos custos de P&D. A indústria de módulos ópticos está localizada no meio da cadeia industrial, que pertence ao elo de embalagem com barreiras técnicas relativamente baixas. Está sob pressão do topo e da base da cadeia, com poder de barganha relativamente fraco e competição acirrada dentro do setor. Após anos de desenvolvimento, as empresas chinesas ocuparam metade do mercado global de módulos ópticos em virtude de suas vantagens em custos de mão-de-obra, tamanho do mercado e suporte de fabricantes e operadores de equipamentos.

Tendência de desenvolvimento de Transceptores de Fibra Óptica

Alta velocidade é a tendência inevitável dos módulos ópticos. Com a evolução dos módulos ópticos para altas velocidades como 400G, 800G e até 1.6T, o mercado tem exigências cada vez mais altas de baixo consumo de energia, miniaturização e baixo custo. Haverá um gargalo técnico para a tecnologia tradicional de módulos ópticos. Devido à sua alta integração e baixo consumo de energia, a tecnologia de integração fotônica de silício romperá esse gargalo e dará início a um avanço tecnológico. Atualmente, cada vez mais fabricantes nacionais e estrangeiros estão investindo na pesquisa e desenvolvimento de módulos integrados de fotônica de silício. Alguns módulos ópticos de alta velocidade que usam tecnologia de integração fotônica de silício foram produzidos em massa e colocados em uso em data centers.