光モジュールの紹介
Sep 04, 2023
光通信の急速な発展により、私たちの仕事や生活の多くの場面で「光の進歩と銅の後退」が実現しています。 つまり、同軸ケーブルやネットワークケーブルに代表されるメタルメディア通信が、徐々に光ファイバーメディアに置き換わっていくのです。
光モジュールは、光ファイバー通信システムの中核コンポーネントの 1 つです。
光モジュールの構成構造
光モジュール、英語名は Optical Module です。 オプティカルとは「視覚、視覚、光学」を意味します。
正確に言うと、光モジュールとは、光受信モジュール、光送信モジュール、光トランシーバ一体型モジュール、光転送モジュールなどを含む各種モジュールの総称です。
光モジュール: 送信機,受信機,トランシーバー,トランスポンダ
現在、私たちが光モジュールと呼んでいるものは、一般に集積化された光送受信モジュールを指します（以下同様）。
光モジュールは、OSI モデルの最下位層である物理層で動作します。 その機能は非常に単純で、光電変換を実現するだけです。 光信号を電気信号に、電気信号を光信号に変換します。
単純そうに見えますが、実装プロセスの技術的な内容は低くありません。
光モジュールは通常、光送信デバイス（TOSA、レーザーを含む）、光受信デバイス（ROSA、フォトディテクタを含む）、機能回路、および光（電気）インターフェースで構成されます。
送信側では、ドライバー チップが元の電気信号を処理し、半導体レーザー (LD) または発光ダイオード (LED) を駆動して変調された光信号を放射します。
受信側では、光信号が入力されると、光検出ダイオードによって電気信号に変換され、プリアンプを通過して出力されます。
光モジュールの梱包
初心者にとって、光学モジュールに関して最もイライラするのは、その非常に複雑なパッケージ名と眩しいパラメータです。
パッケージングは、単純にスタイルの標準として理解できます。 光モジュールを区別する最も重要な方法です。
光モジュールのパッケージング規格がこれほど多く存在する理由は、主に光ファイバー通信技術の開発速度が速すぎるためです。
光モジュールの速度は向上し続けており、そのサイズは縮小し続けているため、数年ごとに新しいパッケージング規格がリリースされます。 古いパッケージ規格と新しいパッケージ規格の間で互換性を持たせることは多くの場合困難です。
さらに、光モジュールのアプリケーションシナリオは多様であり、これもパッケージング規格の増加の理由です。 光ファイバや光モジュールの種類によって、伝送距離、帯域幅要件、使用場所が異なります。
パッケージングと分類を説明する前に、光通信の標準化団体について紹介しましょう。 これらのパッケージは標準化組織によって決定されるためです。
現在、光通信を標準化する組織が世界中にいくつかあります。たとえば、おなじみの IEEE (電気電子学会)、ITU-T (国際電気通信連合)、MSA (Multi-Source Award)、OIF (Optical Interconnection) などです。 。 フォーラム）、CCSA（中国通信標準協会）など
業界で最もよく使用されているのは IEEE と MSA です。
MSA についてはあまり馴染みがないかもしれません。 英語名はマルチソースアグリーメントです。 マルチベンダー仕様です。 IEEE と比較すると、民間の非公式な組織形態とみなされます。 これは、業界内の企業のアライアンスとして理解できます。
まず、古すぎる標準や珍しい標準を無視し、一般的なパッケージに焦点を当てます。
GBICの
GBIC はギガ ビットレート インターフェイス コンバーターの略です。
2000 年以前は、GBIC が最も人気のある光モジュール パッケージであり、最も広く使用されているギガビット モジュール形式でした。
SFPの
GBIC は比較的大きいため、後に SFP が登場し、GBIC を置き換え始めました。
SFP、正式名は Small Form-factor Pluggable で、小型のホットスワップ可能な光モジュールです。 GBIC パッケージに比べてサイズが小さいです。
GBICモジュールと比較してSFPの体積は半分になり、同一パネル上に2倍以上のポートを構成できます。 機能面では、両者に大きな違いはなく、どちらもホットスワップをサポートしています。 SFP は最大 4Gbps の帯域幅をサポートします。
XFPの
XFP は、10-ギガビット スモール フォーム ファクタのプラガブルです。 ひと目で10-ギガビットSFPであることがわかります。
XFP は、XFI (10Gb シリアル インターフェイス) で接続されたフルスピードのシングル チャネル シリアル モジュールを使用し、Xenpak とその派生製品を置き換えることができます。
SFP+
SFP+は、XFPと同様の10G光モジュールです。
SFP+のサイズはSFPと同じで、XFPよりも小型（約30％小型）で消費電力も低い（信号制御機能の一部を削減）。
SFP28 (SFP28)
25Gbps の速度の SFP は主に、当時 40G および 100G の光モジュールが高価すぎたため、このような妥協的な移行計画を立てました。
QSFP/QSFP+/QSFP28/QSFP28-DD
クアッド スモール フォーム ファクターのプラグイン可能な 4 チャネル SFP インターフェイス。 XFP の多くの成熟した主要テクノロジーがこの設計に適用されています。
速度に応じて、QSFPは4×10G QSFP+、4×25G QSFP28、8×25G QSFP28-DD光モジュールなどに分けることができます。
QSFP28 を例にとると、4x25GE アクセス ポートに適しています。 QSFP28 を使用すると、40G を経由せずに 25G から 100G に直接アップグレードできるため、配線の難しさが大幅に簡素化され、コストが削減されます。
QSFP-DDは2016年3月に制定されました。DDとは「Double Density」のことです。 QSFP の 4 チャネルは 1 列増加して 8 チャネルになります。
QSFP ソリューションと互換性があります。 元の QSFP28 モジュールは引き続き使用でき、別のモジュールを接続するだけです。 QSFP-DD の電気ゴールド フィンガーの数は QSFP28 の 2 倍です。
QSFP-DD の各チャネルは 25Gbps NRZ または 50Gbps PAM4 信号形式を使用します。 PAM4 を使用すると、最大 400Gbps のレートをサポートできます。
NRZ と PAM4 PAM4 (4 パルス振幅変調) は「倍増」テクノロジーです。
光モジュールの場合、レートを上げたい場合は、チャネル数を増やすか、単一チャネルのレートを上げる必要があります。
従来のデジタル信号は主に NRZ (Non-Return-to-Zero) 信号を使用します。つまり、高信号レベルと低信号レベルは、送信されるデジタル論理信号の 1 と 0 情報を表すために使用され、各信号はシンボル期間は、1 ビットの論理情報を送信できます。
PAM 信号は信号伝送に 4 つの異なる信号レベルを使用し、各シンボル期間は 2 ビットの論理情報 (0、1、2、3) を表すことができます。 同じチャネル物理帯域幅の下で、PAM4 は NRZ 信号に相当する 2 倍の量の情報を送信するため、レートが 2 倍になります。
CFP/CFP2/CFP4/CFP8
Centum ギガビット フォーム プラグイン可能な高密度波長分割光通信モジュール。 伝送速度は 100-400Gbps に達することがあります。
CFP は SFP インターフェイスに基づいて設計されており、サイズが大きく、100Gbps のデータ伝送をサポートします。 CFP は、単一の 100G 信号、1 つ以上の 40G 信号をサポートできます。
CFP、CFP2、CFP4 の違いはボリュームにあります。 CFP2 の体積は CFP の 2 分の 1、CFP4 は CFP の 1/4 です。
CFP8は400G向けに特別に提案された実装形態であり、サイズはCFP2と同等です。 25Gbps および 50Gbps のチャネル レートをサポートし、16x25G または 8x50 電気インターフェイスを通じて 400Gbps のモジュール レートを実現します。
OSFPの
OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable) は、「O」は「8 進数」を表し、2016 年 11 月に正式に発売されました。
8 つの電気チャネルを使用して 400GbE (8*56GbE ですが、56GbE 信号は PAM4 変調下の 25G DML レーザーによって形成されます) を達成するように設計されており、QSFP-DD よりわずかに大きいサイズ、高ワット数の光学エンジン、およびトランシーバー 放熱性能が若干良くなりました。
上記は、一般的な光モジュールのパッケージング規格の一部です。
400G光モジュール
この記事では、400Gbps をサポートする 3 種類の光モジュール、つまり QSFP-DD、CFP8、および OSFP について説明します。
400G は現在、光通信業界の主要な競争方向です。 現在、400G も大規模商用利用の初期段階にあります。
周知のとおり、5G ネットワーク構築の大規模な開始と、クラウド コンピューティングの急速な発展および大規模データセンターの一括構築により、ICT 業界の 400G 需要はますます緊急になっています。
初期の 400G 光モジュールは、16- チャネル 25 Gbps NRZ 実装を使用し、CDFP または CFP8 にパッケージ化されていました。
この実装の利点は、100G 光モジュールで成熟した 25G NRZ テクノロジーを利用できることです。 ただし、並列伝送には16チャンネルの信号が必要であり、消費電力と容量が比較的大きいため、データセンター用途には適さないという欠点があります。
その後、NRZ の代わりに PAM4 が使用され始めました。
光ポート側は53Gbps PAM4 8チャンネルまたは106Gbps PAM4 4チャンネルを使用して400G信号伝送を実現、電気ポート側は53Gbps PAM4電気信号を8チャンネル使用し、OSFPまたはQSFPのパッケージ形態を採用●DDを採用しています。
比較すると、QSFP-DD パッケージ サイズは小さく (従来の 100G 光モジュールの QSFP28 パッケージと同様)、データセンター アプリケーションにより適しています。 OSFP パッケージ サイズは、より多くの電力消費を提供できるため、わずかに大きく、通信アプリケーションにより適しています。
現在の400G光トランシーバは、どのようなパッケージであっても非常に高価であり、ユーザーの期待とは依然として大きなギャップがあります。 このため、早急に総合的な普及を図ることがまだできていない。
もう一つ特筆すべきは、シリコン光とよく言われるシリコン系の光です。
シリコンフォトニクス技術は、400G時代における幅広い応用可能性と競争力があると考えられており、現在多くの企業や研究機関から注目を集めています。
光モジュールの主要な概念
パッケージに基づいて、いくつかのパラメータを指定して、光モジュールの名前が付けられます。
距離とチャネル数に加えて、中心波長もあります。
光の波長はその物理的特性を直接決定します。 現在、私たちが光ファイバーで使用している光の中心波長は850nm、1310nm、1550nm（nmはナノメートル）です。 このうち、850nmは主にマルチモードに使用され、1310nmと1550nmは主にシングルモードに使用されます。
ちなみにCWDMとDWDM。 WDM は波長分割多重化の略です。 簡単に言うと、異なる波長の光信号を同じ光ファイバ内に多重して伝送することです。 波長分割多重と周波数分割多重 実際、波長分割多重は周波数分割多重の一種です。 波長 × 周波数=光の速度 (固定値) であるため、波長で除算することは実際には周波数で除算することになります。 光通信では、人々は波長によって名前を付けることに慣れています。
DWDM は高密度 WDM、高密度 WDM です。 CWDM はスパース WDM、コース WDM です。 名前からわかるように、D-WDM の方が波長間隔が狭いことがわかります。 WDM の利点は、大容量で長距離伝送が可能なことです。
ちなみにBiDi、このコンセプトも今よく言われます。 BiDi（BiDirectional）とは、1本の光ファイバーで双方向に送受信する1本の光ファイバーです。 動作原理は次の図に示されています。 実際にはフィルターが追加されています。 送信と受信の波長が異なるため、同時送信と受信が可能です。
光モジュールの基本指標
光モジュールの基本的な指標には主に次のようなものがあります。
出力光パワー
出力光パワーとは、光モジュールの送信端における光源の出力光パワーを指す。 これは、W、mW、または dBm 単位の光の強度として理解できます。 ここで、W または mW は線形単位、dBm は対数単位です。 通信では、通常、光パワーを表すために dBm を使用します。
光パワーは半分に減衰し、3dB 減少します。 0dBm の光パワーは 1mW に相当します。
最大受信感度
受信感度とは、一定のレートおよびビット誤り率の下での光モジュールの最小受信光パワーを指します、単位: dBm 。
一般に、レートが高くなるほど受信感度は悪くなり、つまり最小受信光パワーが大きくなり、光モジュールの受信側デバイスに対する要求が高くなります。
消光比
消光比は、光モジュールの品質を測定するために使用される重要なパラメータの 1 つです。
これは、完全な変調条件下での信号の平均光パワーとヌル信号の平均光パワーの比の最小値を指し、0 信号と 1 信号を区別できる能力を示します。 光モジュールの消光比に影響を与える要因は、バイアス電流 (bias) と変調電流 (Mod) の 2 つです。 それを ER=Bias/Mod とみなしましょう。
消光比の値は、光モジュールが大きいほど優れているということではなく、消光比が 802.3 規格を満たす光モジュールが優れているという意味です。
L夜間飽和
飽和光パワーとも呼ばれ、特定の伝送レートで特定のビット誤り率 (10-10 ～ 10-12) を維持するときの最大入力光パワーを指します (単位: dBm)。
光検出器は強い光にさらされると光電流が飽和することに注意してください。 この現象が発生した場合、検出器が回復するまでにある程度の時間を要します。 このとき、受信感度が低下し、受信信号を誤判定する可能性があります。 ビットエラーが発生し、受信側の検出器が損傷しやすくなります。 動作中は、飽和光パワーを超えないようにする必要があります。
