Распространенные форм-факторы оптических модулей

Оптические модули представляют собой специализированный сегмент, возникший в результате развития отрасли оптоволоконной связи и достигший определенной стадии развития.

В 1960 году был изобретен лазер.

К 1962 году полупроводники стали использоваться в производстве лазеров. Хотя эффективность электрооптического преобразования была крайне низкой, а срок службы — очень коротким, теоретическая основа для полупроводниковых лазеров была создана.

1966 год ознаменовался созданием теории о возможности использования оптических волокон для связи.

В период с 1970 по 1980 год наблюдался прогресс в процессах производства оптического волокна, а также развитие теорий и технологий производства полупроводниковых лазеров.

Примерно в 1985 году началась индустриализация оптоволоконной связи.

К 1995 году началось массовое производство оптоэлектронных преобразователей сигналов, используемых для оптоволоконной связи.

Роль оптических модулей заключается в преобразовании оптических сигналов в электрические и наоборот.

1995 год стал поворотным — эпохой, когда Интернет вошел в дома, была представлена ​​Windows 95, а персональные компьютеры стали обычным явлением. В эту эпоху появились такие виды деятельности, как отправка электронных писем, просмотр изображений в сети, участие в социальных взаимодействиях, обсуждение сплетен в сообществах и покупки в сети. В результате трафик связи начал расти.

Интерфейс преобразования оптоэлектронных сигналов эволюционировал от мегабитных скоростей до гигабитных скоростей (1 Гбит/с). Этот прогресс привел к названию GBIC:

Гигабит означает 1 Гбит/с.

Преобразователь обеспечивает преобразование оптических сигналов и электрических сигналов.

Интерфейс означает стандартизированный отраслевой интерфейс, охватывающий оптические, электрические, сигнальные и физические соединения, создавая структурный стандарт, подобный «винту» отраслевого стандарта.

С ростом отрасли возникла потребность в увеличении количества соединений модулей в том же пространстве. Около 2000 года появился SFP — меньший форм-фактор, чем GBIC. Он обеспечивал такое же преобразование сигнала 1 Гбит/с, но имел более компактную конструкцию.

С момента своего появления SFP продемонстрировал замечательную долговечность. Первоначально разработанный для достижения преобразования на уровне Гбит/с, что в то время считалось высокой скоростью, форма и размер модуля оставались в значительной степени неизменными, когда скорости увеличивались до 2.5 Гбит/с, 10 Гбит/с и даже 28 Гбит/с. В 2019 году SFP28 стал преобладающим форм-фактором оптического модуля для приложений front-haul в мобильных базовых станциях 5G (пятого поколения). За последние два года он продолжал развиваться, поддерживая скорости до 56 Гбит/с и 112 Гбит/с.

Определяющей особенностью SFP является его структура 1x: один канал передачи и один канал приема.

Оглядываясь назад на два десятилетия, можно сказать, что оптический модуль Ethernet 1 Гбит/с уже стал стандартом, в то время как велись работы по созданию стандартов для оптических модулей 10 Гбит/с.

Стандарт SFP 2000 был разработан для скорости 1 Гбит/с.

Стандарт Xenpak 2001 года, представляющий модули Ethernet 10 Гбит/с, продемонстрировал значительно больший форм-фактор. В то время это был необходимый компромисс, требующий обширных вспомогательных конструкций и многоканальных конфигураций, особенно для конструкций электрических сигналов, для размещения компонентов, обеспечивающих преобразование 10 Гбит/с в таком большом корпусе.

Буква «X» в аббревиатуре Xenpak обозначает римскую цифру 10.

Последующие усилия были сосредоточены на миниатюризации модулей 10 Гбит/с. X2 представлял собой уменьшенную версию Xenpak, тогда как XFP предлагал еще более компактный форм-фактор, чем X2.

Развитие оптических модулей шло по разным траекториям: серии Xenpak, X2 и XFP продолжали развиваться, в то время как более ранние конструкции, такие как GBIC и SFP, также совершенствовались.

К 2009 году была представлена ​​модернизированная версия SFP, SFP+. Она поддерживала пропускную способность 10 Гбит/с и была немного меньше XFP, постепенно вытесняя часть доли XFP на рынке отрасли.

После этого началась эра оптических модулей 100G. В 2009 году переход модулей 10G — от большого Xenpak к X2, XFP и SFP+ — привел к постепенному уменьшению размеров. Одновременно началась стандартизация оптических модулей 100G с 10 каналами под названием «горячая замена 100G», где «C» представляет собой римскую цифру 100.

Сравнение размеров оригинального CFP показывает его значительные размеры.

По мере развития отрасли в 2 и 4 годах были разработаны второе и третье поколения модулей CFP, обычно называемые CFP2013 и CFP2014.

В период с 2012 по 2014 год рынок оптических модулей для центров обработки данных пережил взрывной рост. После короткой фазы оптических модулей 40G рынок перешел на оптические модули для центров обработки данных 100G.

В то время модуль CFP4 имел относительно больший размер, который был специально разработан для 100G. Производительность его разъемов была превосходной. Однако серия QSFP+, имеющая 4x SFP-канала, быстро развивалась, и Модуль QSFP28 100G занял лидирующее положение на рынке благодаря своей простой и экономичной конструкции.

После 2014 года серия QSFP приобрела значительную популярность. В рамках ограничений по поддержанию постоянного форм-фактора серия оптимизировала пропускную способность и повысила возможности преобразования битрейта для оптических модулей ЦОД 100G, 200G и 400G. Соответственно, тип модуля CFP4 стал менее заметным.

Начиная с 2017 года, отрасль начала фокусироваться на модулях 400G. В то время появилось несколько вариантов:

CFP8, расширение серии CFP.

OSFP, представляющая собой недавно определенную структуру, где «O» относится к 8x каналам.

QSFP-DD, производная серия QSFP, разработанная с возможностью удвоения плотности.

Серия CFP изначально была определена для приложений 100G. Для достижения 400G традиционный подход отрасли заключался в увеличении размера модуля. В результате модуль CFP8 вернулся к форм-фактору, близкому к размерам CFP2.

В это время OSFP представила новую структурную конструкцию, в то время как серия QSFP включила в свою структуру функциональность двойной плотности (DD).

В настоящее время OSFP и QSFP-DD являются наиболее популярным выбором для модулей 400G, при этом CFP8 постепенно теряет долю рынка.

В эпоху 800G компактный размер QSFP-DD создает проблемы из-за высокой тепловой плотности, что снижает его использование. Вместо этого OSFP и его вариант расширенного размера, OSFP-XD, стали основными вариантами форм-фактора для модулей 800G.

Для модулей с возможностью горячей замены 1.6 Тбит/с OSFP-XD является доминирующим форм-фактором.

В 2021 и 2022 годах начались работы по стандартизации оптических модулей CPO со скоростью 3.2 Тбит/с, предназначенных для коммутации более высокой плотности.

Компактный размер модулей CPO достигается за счет интеграции технологии кремниевой фотоники. Многие производители предпочитают встраивать лазерные и детекторные компоненты в модуль или размещать лазеры снаружи, максимизируя соотношение емкости к объему модулей CPO.

С 2011 по 2012 год индустрия когерентных модулей начала свою начальную фазу. Ранние когерентные модули представляли собой конструкции, монтируемые на плате, требующие больших 300-контактных форм-факторов размером 5 x 7 дюймов для размещения модуляторов, источников света, смесителей, сбалансированных детекторов, DSP и других компонентов для когерентной связи. Эти когерентные модули 100G имели потребляемую мощность, достигающую 80 Вт.

Со временем размеры когерентных модулей уменьшились с 5 дюймов x 7 дюймов до 4 дюймов x 5 дюймов. Дальнейшая миниатюризация полупроводниковых модуляторов, полупроводниковых ICR-структур и процессов производства DSP облегчила переход к модулям CFP и CFP2 с возможностью горячей замены.

К 2022 году когерентный модуль 400GZR стал доступен в сверхкомпактном форм-факторе QSFP-DD.