Оптический модуль – это соединительный модуль, служащий устройством оптико-электрического преобразования. На стороне передатчика он преобразует электрические сигналы в оптические сигналы, которые затем передаются по оптическим волокнам. На приемном конце оптические сигналы преобразуются в электрические сигналы.
Оптический модуль состоит из оптоэлектронных компонентов, функциональных схем и оптических интерфейсов. Оптоэлектронные компоненты состоят как из передающих, так и из приемных элементов.
Передающая секция: После обработки входных электрических сигналов с определенной скоростью передачи данных с использованием внутреннего чипа драйвера он приводит в действие полупроводниковый лазерный диод (LD) или светодиод (LED) для излучения модулированного оптического сигнала с соответствующей скоростью передачи данных. Он включает в себя внутреннюю схему автоматического регулирования мощности (APC) для поддержания стабильности мощности выходного оптического сигнала.
Приемная секция: Оптические сигналы с определенной скоростью передачи данных вводятся в модуль и преобразуются в электрические сигналы оптическим диодом обнаружения. После прохождения через входной усилитель выводятся электрические сигналы с соответствующей скоростью передачи данных.
Вот некоторые ключевые показатели производительности, используемые для измерения производительности оптических модулей (следующее содержимое ожидается из документации Huawei):
Средняя передаваемая оптическая мощность относится к выходной оптической мощности источника света на передающем конце оптического модуля при нормальных рабочих условиях и может пониматься как интенсивность света.
Передаваемая оптическая мощность связана с долей единиц в передаваемом сигнале данных; чем больше единиц, тем выше оптическая мощность.
Когда передатчик отправляет сигнал псевдослучайной последовательности с примерно равномерно распределенными «1» и «0», измеренная мощность в этом случае представляет собой среднюю передаваемую оптическую мощность, измеренную в дБм.
Коэффициент затухания определяется как минимальное значение отношения средней оптической мощности, излучаемой лазером при полной кодовой модуляции «1», к средней оптической мощности, излучаемой при полной кодовой модуляции «0», при всех условиях модуляции, измеренное в дБ. .
При преобразовании электрических сигналов в оптические этот процесс осуществляется лазерным диодом в передающей части оптического модуля, который модулирует оптический сигнал в соответствии со скоростью передачи данных входного сигнала.
Средняя оптическая мощность при полной кодовой модуляции «1» представляет собой среднюю мощность излучения лазера, тогда как средняя оптическая мощность при полной кодовой модуляции «0» представляет собой среднюю мощность лазера, когда он не излучает свет. Коэффициент затухания характеризует способность различать сигналы o и 1 и, следовательно, может рассматриваться как мера эффективности работы лазера. Типичный минимальный диапазон коэффициента затухания составляет от 8.2 дБ до 10 дБ.
В спектре излучения длина волны соответствует середине отрезка линии, соединяющего максимальное значение амплитуды 50%. Лазеры разных типов или даже два лазера одного типа могут иметь различия в своих центральных длинах волн из-за таких факторов, как производственные процессы, вариации производства и даже разные условия эксплуатации одного и того же лазера.
Обычно производители оптических компонентов и оптических модулей предоставляют пользователям параметр, которым является центральная длина волны (например, 850 нм). Обычно этот параметр имеет указанный диапазон. В настоящее время обычно используемые центральные длины волн для оптических модулей в основном делятся на три основные категории: длина волны 850 нм, длина волны 1310 нм и длина волны 1550 нм.
Оптическая мощность перегрузки, также известная как оптическая мощность насыщения, относится к максимальной входной средней оптической мощности, которую компонент принимающей стороны может принять при определенных условиях частоты ошибок по битам, измеряемой в дБм.
Важно отметить, что оптические детекторы могут испытывать насыщение фотоэлектрическим током в течение определенного периода времени для восстановления, что приводит к снижению чувствительности приема. Это может привести к неправильной интерпретации сигнала и возникновению битовых ошибок.
Проще говоря, превышение перегрузки оптической мощности может привести к повреждению оборудования. При практическом использовании важно избегать воздействия на оборудование яркого света, чтобы не допустить превышения мощности перегрузки.
Чувствительность приемника относится к минимальной средней входной оптической мощности, которую компонент приемной стороны оптического модуля может принять при определенном уровне ошибок по битам. Если передаваемая оптическая мощность относится к оптической интенсивности на передающей стороне, то чувствительность приемника относится к оптической интенсивности, которую может обнаружить оптический модуль. Единица измерения — дБм.
В целом, при нормальных обстоятельствах, чем выше скорость передачи данных, тем ниже чувствительность приема. Это означает, что требуется более высокая минимальная принимаемая оптическая мощность, а также предъявляются более высокие требования к компонентам приемника оптического модуля.
Полученная оптическая мощность относится к среднему диапазону оптической мощности, который компонент приемной стороны оптического модуля может принимать при определенных условиях частоты ошибок по битам, и измеряется в дБм. Верхний предел принимаемой оптической мощности — это оптическая мощность перегрузки, а нижний предел — максимальная чувствительность приемника.
Таким образом, когда принимаемая оптическая мощность ниже, чем чувствительность приемника, он может быть не в состоянии правильно принять сигнал, поскольку оптическая мощность слишком слаба. И наоборот, когда полученная оптическая мощность превышает оптическую мощность перегрузки, это также может привести к невозможности правильного приема сигнала из-за наличия битовых ошибок.
Ключевые показатели производительности, влияющие на производительность оптических модулей, включают среднюю оптическую мощность передачи, коэффициент затухания, центральную длину волны оптического сигнала, оптическую мощность перегрузки, чувствительность приемника и принимаемую оптическую мощность. Проверив, находятся ли эти значения в пределах нормы, можно оценить работоспособность оптического модуля.
Фактически, дальность передачи оптических модулей в основном ограничивается как потерями, так и дисперсией.
Причина потерь заключается в том, что при передаче света в оптических волокнах происходит потеря оптической энергии из-за поглощения, рассеяния и утечки среды, и эта энергия рассеивается с определенной скоростью по мере увеличения расстояния передачи.
Ограничения потерь можно оценить по формуле: Расстояние, ограниченное потерями = (оптическая мощность передачи – чувствительность приемника)/затухание волокна. Чем больше потери, тем короче расстояние передачи оптического модуля. И наоборот, чем меньше потери, тем больше дальность передачи.
Основной причиной дисперсии являются неодинаковые скорости распространения электромагнитных волн разной длины в одной и той же среде. Это приводит к тому, что компоненты оптического сигнала с разными длинами волн достигают приемника в разное время из-за совокупных расстояний передачи, что приводит к уширению импульса и невозможности различения значений сигнала.
Процесс объединения оптических сигналов разных длин волн в одно оптическое волокно для передачи с последующим использованием демультиплексора для разделения этих сигналов обратно на исходные несколько оптических сигналов обычно называется Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) технология.
В зависимости от расстояния между длинами волн оптические модули могут использовать такие технологии, как CWDM, LWDM и SWDM.
CWDM, что означает грубое мультиплексирование с разделением по длине волны, представляет собой технологию с диапазоном длин волн от 1270 до 1610 нм с расстоянием между длинами волн 20 нм. Это позволяет мультиплексировать примерно от 8 до 16 длин волн в одном оптическом волокне. Типичные оптические модули включают QSFP+ LR4 и QSFP28 CWDM4.
LWDM, или мультиплексирование с разделением длинных волн, представляет собой технологию, которая работает в диапазоне длин волн от 1269 до 1332 нм, попадая в O-диапазон. Расстояние между длинами волн составляет 4 нм, при этом рабочие длины волн обычно устанавливаются на значениях 1295, 1300, 1304 и 1309 нм. Типичные оптические модули для LWDM включают, среди прочего, QSFP28 LR4, QSFP28 ER4 и QSFP28 ZR4.
SWDM, или коротковолновое мультиплексирование с разделением 4h, представляет собой технологию, которая работает в диапазоне длин волн от 850 до 950 нм с расстоянием между длинами волн 30 нм. Он использует четыре диапазона длин волн с окнами 850, 880, 910 и 940 нм. Типичные оптические модули для SWDM включают многомодовые 40G SWDM4 и 100G SWDM4.
Увеличение количества каналов передачи сигнала и использование нескольких одинаковых длин волн для передачи сигнала называется технологией параллельной оптики. Он работает на рабочих длинах волн 850 и 1310 нм, обеспечивая экономичное и эффективное решение для приложений 4x 25G, 4x 50G и 8x 50G. Типичные оптические модули для параллельной оптики включают, среди прочего, QSFP+ SR4, QSFP28 SR4 и QSFP-DD SR4.
Оптические порты оптического модуля выпускаются в 12- и 16-ядерных версиях с соответствующими оптоволоконными разъемами MPO-12 и MPO-16.
PAM4 (4-уровневая импульсно-амплитудная модуляция) и NRZ (без возврата к нулю) в настоящее время являются важнейшими и фундаментальными технологиями в области оптической связи. В качестве технологии высокоскоростной передачи сигналов нового поколения, PAM4 достигает более высоких скоростей передачи данных на канал сигнала в единицу времени за счет использования большего количества уровней сигнала. При том же количестве каналов и существующих оптических устройствах скорость сетевого интерфейса можно увеличить вдвое за счет модернизации внутренних чипсетов оптических модулей. Типичные оптические модули включают 50G SFP56-DD SR (1x 50G PAM4), 200G QSFP56 FR4 (4x 50G PAM4) и 400G QSFP-DD SR8 (8x 50G PAM4).
В сигналах PAM4 для передачи сигнала используются два дополнительных уровня напряжения по сравнению с традиционными сигналами NRZ, в результате чего скорость передачи данных в два раза выше, чем у сигналов NRZ в пределах того же периода символа.
