Um módulo óptico é um módulo de conexão que serve como um dispositivo de conversão óptico-elétrico. Na extremidade do transmissor, ele converte sinais elétricos em sinais ópticos, que são então transmitidos através de fibras ópticas. Na extremidade do receptor, os sinais ópticos são reconvertidos em sinais elétricos.
Um módulo óptico é composto de componentes optoeletrônicos, circuitos funcionais e interfaces ópticas. Os componentes optoeletrônicos consistem em elementos de transmissão e recepção.
Seção de transmissão: Depois de processar sinais elétricos de entrada em uma taxa de dados específica usando um chip de driver interno, ele aciona um diodo laser semicondutor (LD) ou diodo emissor de luz (LED) para emitir um sinal óptico modulado na taxa de dados correspondente. Inclui um circuito interno de controle automático de potência (APC) para manter a estabilidade da potência do sinal óptico de saída.
Seção de recebimento: Sinais ópticos em uma taxa de dados específica são inseridos no módulo e convertidos em sinais elétricos pelo diodo de detecção óptica. Depois de passar por um amplificador frontal, os sinais elétricos de taxa de dados correspondentes são emitidos.
Aqui estão algumas das principais métricas de desempenho usadas para medir o desempenho dos módulos ópticos (o seguinte conteúdo é esperado da documentação da Huawei):
A potência óptica transmitida média refere-se à potência óptica de saída da fonte de luz na extremidade de transmissão do módulo óptico sob condições normais de operação e pode ser entendida como a intensidade da luz.
A potência óptica transmitida está relacionada à proporção de “1s” no sinal de dados transmitido; quanto mais “1s” houver, maior será a potência óptica.
Quando o transmissor envia um sinal de sequência pseudo-aleatória, com “1s” e “0s” distribuídos aproximadamente uniformemente, a potência medida neste caso é a potência óptica média transmitida, medida em dBm.
A taxa de extinção é definida como o valor mínimo da razão entre a potência óptica média emitida pelo laser sob modulação completa de código “1” e a potência óptica média emitida sob modulação completa de código “0”, sob todas as condições de modulação, medida em dB .
Ao converter sinais elétricos em sinais ópticos, este processo é realizado pelo diodo laser na porção de transmissão do módulo óptico, que modula o sinal óptico de acordo com a taxa de dados do sinal de entrada.
A potência óptica média sob modulação de código “1” completo representa a potência média de emissão do laser, enquanto a potência óptica média sob modulação de código “0” completo representa a potência média do laser quando não está emitindo luz. A taxa de extinção caracteriza a capacidade de distinguir entre sinais o e 1 e, portanto, pode ser considerada como uma medida da eficiência operacional do laser. A faixa mínima típica para taxa de extinção é entre 8.2 dB e 10 dB.
No espectro de emissão, o comprimento de onda correspondente ao ponto médio do segmento de linha que conecta o valor de amplitude máxima de 50%. Diferentes tipos de lasers ou mesmo dois lasers do mesmo tipo podem apresentar variações em seus comprimentos de onda centrais devido a fatores como processos de fabricação, variações de produção e até mesmo condições operacionais diferentes para o mesmo laser.
Geralmente, os fabricantes de componentes ópticos e módulos ópticos fornecem aos usuários um parâmetro, que é o comprimento de onda central (por exemplo, 850 nm). Esse parâmetro normalmente vem com um intervalo especificado. Atualmente, os comprimentos de onda centrais comumente usados para módulos ópticos se enquadram principalmente em três categorias principais: comprimento de onda de 850 nm, comprimento de onda de 1310 e comprimento de onda de 1550 nm.
A potência óptica de sobrecarga, também conhecida como potência óptica de saturação, refere-se à potência óptica média de entrada máxima que o componente final receptor pode receber sob certas condições de taxa de erro de bit, medida em dBm.
É importante observar que os detectores ópticos podem sofrer saturação de corrente fotoelétrica por um certo período de tempo para se recuperarem, resultando em diminuição da sensibilidade de recepção. Isso pode levar à má interpretação do sinal e à ocorrência de erros de bit.
Simplificando, exceder a potência óptica de sobrecarga pode danificar potencialmente o equipamento. Na utilização prática, é importante evitar a exposição do equipamento à luz intensa para não ultrapassar a potência de sobrecarga.
A sensibilidade do receptor refere-se à potência óptica de entrada média mínima que o componente final de recepção de um módulo óptico pode receber sob uma determinada condição de taxa de erro de bit. Se a potência óptica transmitida se refere à intensidade óptica na extremidade emissora, então a sensibilidade do receptor se refere à intensidade óptica que o módulo óptico pode detectar. A unidade é dBm.
Em geral, em circunstâncias normais, quanto maior for a taxa de dados, menor será a sensibilidade de recepção. Isto significa que é necessária uma potência óptica recebida mínima mais elevada e também impõe maiores exigências aos componentes do receptor do módulo óptico.
A potência óptica recebida refere-se à faixa média de potência óptica que o componente final de recepção de um módulo óptico pode receber sob certas condições de taxa de erro de bit e é medida em dBm. O limite superior da potência óptica recebida é a potência óptica de sobrecarga e o limite inferior é a sensibilidade máxima do receptor.
Em resumo, quando a potência óptica recebida é inferior à sensibilidade do receptor, pode não ser possível receber o sinal adequadamente porque a potência óptica é muito fraca. Por outro lado, quando a potência óptica recebida excede a potência óptica de sobrecarga, também pode resultar na incapacidade de receber o sinal corretamente devido à presença de erros de bit.
As principais métricas de desempenho que afetam o desempenho dos módulos ópticos incluem potência óptica de transmissão média, taxa de extinção, comprimento de onda central do sinal óptico, potência óptica de sobrecarga, sensibilidade do receptor e potência óptica recebida. Ao verificar se esses valores estão dentro da faixa normal, você pode avaliar o desempenho do módulo óptico.
Na verdade, a distância de transmissão dos módulos ópticos é limitada principalmente pela perda e pela dispersão.
A razão da perda é que, durante a transmissão da luz nas fibras ópticas, há perda de energia óptica devido à absorção, espalhamento e vazamento do meio, e essa energia se dissipa a uma certa taxa à medida que a distância de transmissão aumenta.
As restrições de perda podem ser estimadas usando a fórmula: Distância limitada por perda = (Potência óptica de transmissão – Sensibilidade do receptor)/Atenuação da fibra. Quanto maior a perda, menor será a distância de transmissão do módulo óptico. E, inversamente, quanto menor for a perda, maior será a distância de transmissão.
A principal causa da dispersão são as velocidades desiguais nas quais as ondas eletromagnéticas de diferentes comprimentos de onda se propagam no mesmo meio. Isto faz com que diferentes componentes de comprimento de onda do sinal óptico cheguem ao receptor em momentos diferentes devido às distâncias de transmissão cumulativas, resultando no alargamento do pulso e na incapacidade de distinguir os valores do sinal.
O processo de combinar sinais ópticos de diferentes comprimentos de onda em uma única fibra óptica para transmissão e, subsequentemente, usar um demultiplexador para separar esses sinais de volta em suas múltiplas formas de onda ópticas originais, é comumente referido como Wavelength Division Multiplexing (WDM) tecnologia.
Dependendo do espaçamento do comprimento de onda, os módulos ópticos podem utilizar tecnologias como CWDM, LWDM e SWDM.
CWDM, que significa Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda Grossa, é uma tecnologia com comprimento de onda variando entre 1270nm e 1610nm, com espaçamento de comprimento de onda de 20nm. Permite a multiplexação de aproximadamente 8 a 16 comprimentos de onda na mesma fibra óptica. Os módulos ópticos representativos incluem QSFP+ LR4 e QSFP28 CWDM4.
LWDM, ou Long Wavelength Division Multiplexing, é uma tecnologia que opera na faixa de comprimento de onda de 1269 nm a 1332 nm, enquadrando-se na banda O. Tem um espaçamento de comprimento de onda de 4 nm, com comprimentos de onda de trabalho normalmente definidos em 1295 nm, 1300 nm, 1304 nm e 1309 nm. Módulos ópticos representativos para LWDM incluem QSFP28 LR4, QSFP28 ER4 e QSFP28 ZR4, entre outros.
SWDM, ou Short Wavelengt4h Division Multiplexing, é uma tecnologia que opera dentro do comprimento de onda de 850nm a 950nm, com espaçamento de comprimento de onda de 30nm. Ele utiliza quatro bandas de comprimento de onda com janelas de 850nm, 880nm, 910nm e 940nm. Módulos ópticos representativos para SWDM incluem 40G SWDM4 multimodo e 100G SWDM4.
Ao aumentar o número de canais de transmissão de sinal e utilizar vários comprimentos de onda idênticos para transmissão de sinal, ela é chamada de tecnologia de óptica paralela. Ele opera em comprimentos de onda de trabalho de 850 nm e 1310 nm, fornecendo uma solução econômica e eficiente para aplicações 4x 25G, 4x 50G e 8x 50G. Módulos ópticos representativos para óptica paralela incluem QSFP+ SR4, QSFP28 SR4 e QSFP-DD SR4, entre outros.
As portas ópticas do módulo óptico vêm em versões de 12 e 16 núcleos, com conectores de fibra óptica correspondentes MPO-12 e MPO-16.
PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4-Level) e NRZ (Non-Return-to-Zero) são atualmente tecnologias cruciais e fundamentais no campo da comunicação óptica. Como uma tecnologia de transmissão de interconexão de sinal de alta velocidade de próxima geração, PAM4 atinge taxas de transmissão de dados mais altas por canal de sinal dentro de uma unidade de tempo, empregando mais níveis de sinal. Com o mesmo número de canais e dispositivos ópticos existentes, a taxa de interface de rede pode ser duplicada através da atualização dos chipsets internos dos módulos ópticos. Os módulos ópticos representativos incluem 50G SFP56-DD SR (1x 50G PAM4), 200G QSFP56 FR4 (4x 50G PAM4), e 400G QSFP-DD SR8 (8x50G PAM4).
Os sinais PAM4 usam dois níveis de tensão adicionais para transmissão de sinal em comparação com os sinais NRZ tradicionais, resultando em uma taxa de bits duas vezes mais rápida que os sinais NRZ dentro do mesmo período de símbolo.
