Mô-đun quang làm việc trong thiết bị truyền dẫn

 

Mô-đun quang trong thiết bị truyền dẫn chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền dữ liệu qua cáp quang, sau đó chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện ở đầu thu. Các bộ thu phát-có thể cắm nóng này xử lý giao tiếp hai chiều thông qua các bộ phận chuyên dụng bên trong được gọi là TOSA và ROSA.

 

 

Kiến trúc cốt lõi của mô-đun quang học

 

Ở cấp độ phần cứng, các mô-đun quang học chứa ba hệ thống con chính hoạt động đồng bộ. Cụm-quang phụ của máy phát (TOSA) chứa một điốt laze tạo ra các xung ánh sáng được điều chế tương ứng với dữ liệu nhị phân. Cụm phụ-quang thu (ROSA) chứa bộ tách sóng quang chuyển đổi tín hiệu quang đến trở lại thành dòng điện. Giữa các cụm này có bảng mạch PCBA, nơi quản lý việc xử lý tín hiệu, thời gian và điều khiển nguồn tự động.

Điốt laser bên trong TOSA hoạt động theo nguyên tắc ngưỡng-nó chỉ phát ra ánh sáng khi dòng điện thuận vượt quá giá trị ngưỡng cụ thể (Ith). Các mô-đun hiện đại sử dụng điốt laser phản hồi phân tán (DFB-LD) thay vì loại Fabry-Pérot cũ hơn vì laser DFB tạo ra phổ bước sóng hẹp, thường tập trung ở 1310nm đối với truyền ngược dòng hoặc 1490nm đối với truyền dẫn xuôi dòng. Mạch điều khiển công suất tự động giám sát đầu ra thông qua photodiode và điều chỉnh dòng điện để duy trì mức công suất quang ổn định, thường được đo bằng dBm.

Về phía nhận, ROSA sử dụng điốt quang PIN hoặc điốt quang tuyết lở (APD) kết hợp với bộ khuếch đại chuyển tiếp (TIA). Điốt PIN hoạt động ở điện áp thấp hơn và chi phí thấp hơn, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng ở khoảng cách ngắn. Bộ thu APD tạo ra nhiều electron hơn trên mỗi photon, đạt được xếp hạng độ nhạy cao hơn-công suất quang tối thiểu cần thiết để duy trì tỷ lệ lỗi bit có thể chấp nhận được. TIA ngay lập tức chuyển đổi dòng quang yếu thành tín hiệu điện áp, tín hiệu này sẽ được định hình lại và cân bằng ở các tầng khuếch đại tiếp theo trước khi truyền đến thiết bị mạng.

 

Cơ chế chuyển đổi tín hiệu

 

Quá trình chuyển đổi quang điện diễn ra trong vài nano giây. Khi thiết bị mạng gửi dữ liệu điện đến mô-đun, chip điều khiển của PCBA sẽ xử lý tín hiệu và điều chỉnh diode laser ở tốc độ từ 1,25 Gbps đến 800 Gbps tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của mô-đun. Tia laser chuyển đổi sự dao động điện áp thành các xung ánh sáng bật-tắt nhanh-mức tín hiệu cao biểu thị mức nhị phân 1, mức tín hiệu thấp biểu thị 0 trong mã hóa NRZ truyền thống.

Các xung ánh sáng này truyền qua cáp quang với độ suy giảm tối thiểu do đặc tính khúc xạ của lõi thủy tinh. Sợi quang đơn mode hoạt động ở bước sóng 1550nm có mức suy hao thấp nhất, khoảng 0,2 dB mỗi km, cho phép tín hiệu truyền đi 40-80 km mà không cần khuếch đại. Sợi đa mode ở bước sóng 850nm hỗ trợ băng thông cao hơn trong khoảng cách ngắn hơn, thường là 100-300 mét, vì lõi rộng hơn của nó cho phép nhiều đường dẫn ánh sáng mà cuối cùng gây ra sự phân tán phương thức.

Tại đích đến, bộ tách sóng quang của ROSA thu giữ các photon và giải phóng các electron tỷ lệ thuận với công suất quang nhận được. Thông số độ nhạy-được biểu thị dưới dạng giá trị dBm âm như -18dBm-cho biết tín hiệu yếu mà máy thu vẫn có thể giải mã được. Độ nhạy tốt hơn cho phép khoảng cách truyền dài hơn. Sau khi chuyển đổi dòng quang, các mạch quyết định sẽ so sánh mức điện áp với ngưỡng để tái tạo tín hiệu số sạch, bù đắp nhiễu tích lũy trong quá trình truyền.

 

Ghép kênh phân chia bước sóng

 

Các mô-đun quang hiện đại nhân công suất sợi quang thông qua ghép kênh phân chia bước sóng (WDM), trong đó nhiều kênh dữ liệu cùng tồn tại trên các tần số quang khác nhau. Các kênh không gian của mô-đun WDM (CWDM) thô cách nhau 20nm trên phổ 1270-1610nm, hỗ trợ 8-18 bước sóng trên mỗi sợi quang. Các mô-đun WDM (DWDM) dày đặc đóng gói các kênh chỉ cách nhau 0,4-0,8nm trong băng tần C (1530-1565nm), cho phép 40-96 kênh trên một sợi đơn.

Các mô-đun BiDi (hai chiều) thể hiện một ứng dụng tinh tế của các nguyên tắc WDM. Bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau cho các chức năng truyền và nhận-thường là các cặp 1310nm/1550nm hoặc 1270nm/1330nm-mô-đun BiDi đạt được khả năng giao tiếp song công hoàn toàn-trên một sợi quang thay vì hai sợi. Bộ lọc WDM bên trong tách các bước sóng: bộ lọc lưỡng sắc 45{11}}phản ánh bước sóng truyền về phía sợi quang trong khi truyền bước sóng thu tới bộ tách sóng quang. Thiết kế BOSA (Lắp ráp quang phụ{13}}hướng hai hướng) này giúp giảm một nửa chi phí cơ sở hạ tầng cáp quang, đặc biệt có giá trị đối với việc triển khai cáp quang-đến{15}}tại nhà.

Bộ ghép kênh quang ở đầu phát kết hợp nhiều kênh bước sóng bằng cách sử dụng các bộ lọc màng mỏng hoặc cách tử ống dẫn sóng phân mảng. Ở đầu nhận, bộ tách kênh sẽ chia tín hiệu tổng hợp thành các bước sóng riêng lẻ, hướng từng bước sóng đến một bộ tách sóng quang riêng biệt. Kiến trúc này mở rộng băng thông mà không yêu cầu chạy thêm sợi quang-mô-đun 100G QSFP28 thực tế truyền song song bốn kênh 25G, qua bốn sợi riêng biệt hoặc bốn bước sóng trên một sợi.

 

 

Yếu tố hình thức và tiêu chuẩn giao diện

 

Bao bì vật lý xác định cách các mô-đun kết nối với thiết bị truyền dẫn. Tiêu chuẩn có thể cắm hệ số-hình dạng nhỏ (SFP), được phát triển thông qua các thỏa thuận đa nguồn-, có kích thước khoảng 13 mm × 8,5 mm và hỗ trợ tốc độ từ 100 Mbps đến 10 Gbps. Các mô-đun SFP28 sử dụng kích thước giống hệt nhau nhưng xử lý 25 Gbps thông qua thiết bị điện tử và quang học được cải tiến. Các mô-đun này cắm vào các hộp bảng điều khiển phía trước bằng đầu nối sợi LC, cho phép trao đổi nóng mà không cần tắt nguồn thiết bị chủ.

Để có tốc độ cao hơn, gói QSFP (Có thể cắm-hệ số dạng bốn hình dạng nhỏ) cung cấp bốn kênh độc lập với phạm vi lớn hơn một chút. QSFP+ xử lý 40G qua các làn 4×10G, trong khi QSFP28 đạt được 100G khi sử dụng các làn 4×25G. Tiêu chuẩn QSFP{11}}DD (Mật độ kép) tăng gấp đôi số làn điện lên 8 làn, hỗ trợ 400G với tín hiệu PAM4 8×50G. Mỗi thế hệ đều duy trì khả năng tương thích ngược trong cùng một ổ cắm, mặc dù ở tốc độ thấp hơn.

Mô-đun CFP (Centum form-factor Pluggable) nhắm mục tiêu đến viễn thông đường dài-thay vì trung tâm dữ liệu. CFP ban đầu hỗ trợ 100G sử dụng các làn điện 10 × 10G, nhưng các biến thể CFP2 và CFP4 sau này đã thu nhỏ gói tương ứng xuống còn một nửa và một phần tư. OSFP (Có thể cắm hệ số dạng bát phân nhỏ-) đã xuất hiện cho các ứng dụng 400G{12}}800G yêu cầu nhiều khoảng trống năng lượng hơn QSFP-DD cung cấp, đặc biệt là đối với việc triển khai quang tử silicon.

Giao diện điện giữa mô-đun và bo mạch chủ đã phát triển từ tín hiệu NRZ đơn giản đến các giao thức phức tạp. Thông số kỹ thuật của Giao diện điện chung (CEI) xác định các thông số điện như dao động điện áp, trở kháng và khả năng chịu rung. Mô-đun 400G hiện đại sử dụng mã hóa PAM4 (điều chế biên độ xung 4-mức, trong đó mỗi ký hiệu mang 2 bit thay vì 1, tăng gấp đôi thông lượng mà không tăng tốc độ truyền. Kết nối điện thường sử dụng các làn nối tiếp tốc độ cao ở 25 Gbps hoặc 50 Gbps, phù hợp với khả năng ASIC của bộ chuyển đổi máy chủ.

 

Tích hợp thiết bị truyền dẫn

 

Các mô-đun quang nằm ở nhiều vị trí trong mạng truyền dẫn. Trong các thiết bị chuyển mạch trên-của{2}}giá đỡ của trung tâm dữ liệu, các mô-đun 25G SFP28 kết nối các máy chủ với các cơ cấu chuyển mạch, xử lý lưu lượng truy cập phía đông-tây giữa các nút điện toán. Ở lớp cột sống, các mô-đun DD 100G QSFP28 hoặc 400G QSFP{10}}tổng hợp các đường liên kết lên. Đối với kết nối trung tâm dữ liệu trải dài từ 2-80km, các mô-đun có thể cắm kết hợp như 400ZR sử dụng sơ đồ điều chế tiên tiến và xử lý tín hiệu số để tối đa hóa dung lượng cáp quang.

Thiết bị viễn thông triển khai các mô-đun quang trên các phân đoạn truy cập, tàu điện ngầm và đường dài. Trong mạng truyền dẫn 5G, mô-đun CWDM 25G kết nối các thiết bị vô tuyến từ xa với nhóm thiết bị phân tán, thường hoạt động trong môi trường ngoài trời khắc nghiệt với mức nhiệt độ mở rộng (-40 độ đến +85 độ). Mạng Metro sử dụng mô-đun DWDM để tạo các mắt lưới quang linh hoạt, trong đó các bộ ghép kênh bổ sung-thả (ROADM) có thể định cấu hình lại linh hoạt định tuyến các bước sóng dựa trên nhu cầu lưu lượng truy cập. Hệ thống đường dài kết hợp các mô-đun kết hợp công suất cao với bộ khuếch đại quang cách nhau 80-100 km để khắc phục tình trạng suy hao sợi quang.

Việc lắp đặt vật lý đòi hỏi sự chú ý cẩn thận đến ngân sách năng lượng quang. Mỗi điểm kết nối-mối nối sợi quang, bảng vá lỗi, đầu nối-gây ra suy hao chèn, thường là 0,3-0,5 dB. Việc tính toán quỹ liên kết sẽ trừ đi tất cả tổn thất từ ​​công suất phát để xác minh rằng công suất thu vượt quá độ nhạy ở một mức thích hợp, thường là 3-5 dB. Việc vượt quá thông số kỹ thuật quá tải của máy thu - công suất quang tối đa trước khi bão hòa - có thể gây ra lỗi bit, do đó, có thể cần các bộ suy giảm quang thay đổi trên các liên kết ngắn với các bộ phát mạnh.

 

Kỹ thuật điều chế nâng cao

 

Để vượt quá 100G trên mỗi bước sóng, các mô-đun quang học đã áp dụng các định dạng điều chế phức tạp. Phím bật-truyền thống (OOK) mã hóa dữ liệu dưới dạng hiện diện hoặc vắng mặt nhẹ. Khóa dịch chuyển pha{4}}vi sai (DPSK) mã hóa thông tin trong pha quang học, yêu cầu phát hiện giao thoa kế nhưng cung cấp độ nhạy tốt hơn 3 dB. Khóa dịch chuyển pha cầu phương-(QPSK) sử dụng bốn trạng thái pha để mang 2 bit cho mỗi ký hiệu.

Tính năng phát hiện mạch lạc đã cách mạng hóa việc truyền-đường dài bằng cách phát hiện cả biên độ và pha của trường quang. Một tia laser dao động cục bộ kết hợp với tín hiệu nhận được và bộ tách sóng quang cân bằng trích xuất các thành phần pha và cầu phương. Sau đó, bộ xử lý tín hiệu số áp dụng các thuật toán cân bằng để bù đắp cho sự phân tán màu sắc và phân tán chế độ phân cực tích lũy trên hàng trăm km. Các mô-đun kết hợp 400G hiện đại sử dụng điều chế 16QAM hoặc 64QAM, đóng gói 4-6 bit cho mỗi ký hiệu trên các trạng thái phân cực kép.

Bước nhảy vọt lên mô-đun 800G và 1,6 Tbps vào năm 2024-2025 kết hợp nhiều tiến bộ. Việc tích hợp quang tử silicon giúp giảm số lượng thành phần bằng cách chế tạo tia laser, bộ điều biến và máy dò trên một con chip. Quang học có thể cắm tuyến tính (LPO) loại bỏ bộ định thời gian DSP ngốn điện khỏi các mô-đun phạm vi tiếp cận ngắn, cắt giảm mức tiêu thụ từ 15W xuống 6W. Quang học đồng đóng gói (CPO) đặt các động cơ quang học trực tiếp trên các ASIC chuyển mạch, loại bỏ tắc nghẽn SerDes điện. Các mô-đun 1.6T ban đầu đi vào sản xuất sử dụng các làn 8×200G với tín hiệu điện PAM4 106 Gbps.

 

Thông số kỹ thuật và thử nghiệm hiệu suất

 

Bảng dữ liệu mô-đun chỉ định một số tham số quan trọng. Công suất quang đầu ra, được đo bằng dBm hoặc mW, biểu thị cường độ truyền-các giá trị điển hình nằm trong khoảng từ -10dBm đến +4dBm tùy thuộc vào yêu cầu về phạm vi tiếp cận. Tỷ lệ tuyệt chủng so sánh chênh lệch công suất quang giữa trạng thái nhị phân 1 và 0; tỷ lệ trên 8,5 dB đảm bảo phân biệt tín hiệu rõ ràng. Độ nhạy của máy thu xác định công suất đầu vào tối thiểu cho tỷ lệ lỗi bit được chỉ định, thường là 1×10⁻¹² lỗi trên mỗi bit.

Độ chính xác của bước sóng hoạt động rất quan trọng trong các hệ thống WDM trong đó các kênh phải căn chỉnh trong phạm vi ± 0,1nm tần số trung tâm. Dung sai phân tán màu-được đo bằng ps/nm-cho biết mức độ biến đổi độ trễ phụ thuộc vào bước sóng-mà mô-đun có thể xử lý trước khi xảy ra lỗi. Mô-đun đa chế độ chỉ định các yêu cầu về băng thông phương thức hiệu quả tối thiểu, được tính bằng MHz·km, giới hạn khoảng cách truyền tối đa dựa trên loại sợi (OM3, OM4, OM5).

Sự ổn định nhiệt độ ảnh hưởng đến bước sóng laser và công suất đầu ra. Mô-đun cấp thương mại-hoạt động từ 0 độ đến +70 độ , trong khi các biến thể công nghiệp xử lý -40 độ đến +85 độ . Bộ làm mát nhiệt điện duy trì nhiệt độ laser trong các mô-đun bước sóng{11}}được kiểm soát, tiêu thụ 1-3W nhưng đảm bảo độ lệch bước sóng duy trì ở mức dưới 0,01nm/độ. Giám sát chẩn đoán kỹ thuật số (DDM) cung cấp khả năng đo từ xa theo thời gian thực thông qua nhiệt độ, điện áp, dòng điện phân cực, công suất truyền và giao diện I2C và bảo trì dự đoán kích hoạt nguồn điện.

 

Xu hướng thị trường và định hướng tương lai

 

Thị trường thiết bị thu phát quang học đạt 13,6 tỷ USD vào năm 2024 và dự kiến ​​đạt 25 tỷ USD vào năm 2029, chủ yếu được thúc đẩy bởi việc xây dựng trung tâm dữ liệu AI. Hơn 20 triệu mô-đun 400G và 800G được xuất xưởng vào năm 2024, với lô hàng 800G dự kiến ​​sẽ tăng 60% vào năm 2025 khi các nhà sản xuất siêu quy mô áp dụng các quang học này cho kết nối GPU. Phân khúc{13}>hơn 400 Gbps tăng trưởng với tốc độ CAGR 16,3% do các cụm đào tạo AI yêu cầu mật độ băng thông chưa từng có.

Các trung tâm dữ liệu chiếm 61% doanh thu mô-đun quang vào năm 2024, tăng trưởng với tốc độ CAGR 14,9% cho đến năm 2030. Quá trình chuyển đổi từ liên kết 100G sang 400G đã tăng tốc trong giai đoạn 2023-2024 và việc triển khai 800G đã bắt đầu một cách nghiêm túc tại Google, Amazon và Microsoft. Các mô-đun 1,6 Tbps đầu tiên được đưa vào thử nghiệm thực địa vào cuối năm 2024, nhắm mục tiêu phát hành thương mại ở dạng H2 2025 với mức giá ban đầu khoảng 2.000 USD, giảm xuống còn khoảng 1.500 USD theo quy mô sản xuất.

Các mô-đun quang tử silicon chiếm khoảng 10% thị trường 800G ở H2 2024, với mức thâm nhập dự báo là 20-30% vào năm 2025. Công nghệ này giải quyết các hạn chế về cung cấp laser cho các thành phần EML và VCSEL cần thiết trong các mô-đun thông thường. Quang học đóng gói đồng- vẫn đang được phát triển, với việc Nvidia cộng tác trên các giải pháp CPO nhằm mục đích sản xuất số lượng lớn ban đầu vào năm 2026. Quang học có thể cắm tuyến tính đã thu hút được sự chú ý vào năm 2024 đối với việc triển khai hạn chế về nguồn điện, mặc dù vẫn tồn tại những thách thức về truyền dẫn đường dài.

Việc triển khai 5G thúc đẩy nhu cầu mô-đun quang viễn thông, với bộ thu phát 25G SFP28 CWDM được triển khai trong các tủ ngoài trời phải đối mặt với điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Doanh thu quang học truyền dẫn trước đạt khoảng 630 triệu USD vào năm 2025, với 10 triệu thiết bị truyền dẫn trung gian 50G PAM4 được xuất xưởng. Các nhà khai thác di chuyển từ điểm{10}}đến{11}}điểm truyền ngược sang kiến ​​trúc lưới x-sử dụng mô-đun cấp công nghiệp 10G đến 100G-đáp ứng các hợp đồng về độ trễ nghiêm ngặt.

 

Câu hỏi thường gặp

 

Sự khác biệt giữa mô-đun quang đơn-chế độ và đa chế độ là gì?

Các mô-đun chế độ đơn-hoạt động ở bước sóng 1310nm hoặc 1550nm trên sợi lõi 9μm, hỗ trợ khoảng cách từ 2km đến 80km trở lên. Mô-đun đa chế độ sử dụng bước sóng 850nm trên sợi lõi 50μm hoặc 62,5μm, giới hạn ở 100{12}}550 mét tùy thuộc vào băng thông. Chế độ{13}}đơn mang lại phạm vi tiếp cận dài hơn nhưng chi phí cao hơn; multimode cung cấp chi phí thấp hơn cho khoảng cách ngắn như kết nối trong giá đỡ.

Các mô-đun tốc độ khác nhau có thể hoạt động trong cùng một cổng chuyển mạch không?

Các cổng được thiết kế cho mô-đun tốc độ cao hơn{0}}thường chấp nhận các biến thể chậm hơn với hiệu suất giảm. Cổng 25G SFP28 thường có thể chạy mô-đun 10G SFP+ ở tốc độ 10G và cổng SFP+ chấp nhận mô-đun 1G SFP. Tuy nhiên, cách làm ngược lại không có tác dụng.{10}}bạn không thể cắm mô-đun 25G vào cổng chỉ có 10G{13}}. Cả hai đầu của liên kết sợi phải phù hợp với thông số kỹ thuật về tốc độ và bước sóng.

Tại sao các mô-đun quang học có bước sóng khác nhau?

Lựa chọn bước sóng cân bằng khoảng cách, chi phí và đặc tính sợi. Bước sóng 850nm hoạt động tốt với laser VCSEL-hiệu quả về mặt chi phí dành cho các liên kết đa chế độ ngắn. Bước sóng 1310nm mang lại độ phân tán tối thiểu ở sợi quang-chế độ đơn cho khoảng cách đô thị lớn. Bước sóng 1550nm chạm tới điểm suy giảm thấp nhất trong sợi quang, cho phép truyền-đường dài. Hệ thống WDM sử dụng khoảng cách bước sóng chính xác để ghép nhiều kênh trên một sợi quang.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất mô-đun quang học như thế nào?

Bước sóng laser trôi đi khoảng 0,1nm mỗi khi nhiệt độ thay đổi 10 độ mà không hoạt động làm mát. Công suất đầu ra thay đổi 3-5% trong phạm vi nhiệt độ hoạt động. Độ nhạy của máy thu giảm nhẹ ở nhiệt độ cực cao. Các mô-đun thương mại chỉ định hoạt động 0{11}}70 độ; mô-đun công nghiệp mở rộng đến -40 độ đến +85 độ bằng cách sử dụng bộ làm mát nhiệt điện và các bộ phận có dung sai rộng hơn. Chẩn đoán kỹ thuật số theo dõi nhiệt độ theo thời gian thực để dự đoán lỗi trước khi chúng xảy ra.

---

Bài học chính

Mô-đun quang thực hiện chuyển đổi quang điện thông qua bộ phát TOSA sử dụng điốt laser và bộ thu ROSA sử dụng bộ tách sóng quang

Nhiều bước sóng có thể chia sẻ một sợi quang thông qua công nghệ CWDM hoặc DWDM, với các mô-đun BiDi cho phép giao tiếp hai chiều trên một sợi

Hệ số hình thức từ SFP đến QSFP{0}}DD hỗ trợ tốc độ từ 1G đến 800G, với mô-đun 1,6T sẽ được đưa vào sản xuất vào năm 2025

Thị trường đạt 13,6 tỷ USD vào năm 2024, được thúc đẩy bởi các trung tâm dữ liệu AI triển khai các mô-đun 400G và 800G ở quy mô chưa từng có

Quang tử silicon và quang học đồng đóng gói-đại diện cho sự phát triển tiếp theo, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và mật độ tích hợp

---

Nguồn dữ liệu

Báo cáo thành phần quang học Cignal AI - tháng 1 năm 2025 (cignal.ai)

Báo cáo thị trường máy thu phát quang Mordor Intelligence - tháng 6 năm 2025 (mordorintelligence.com)

Nghiên cứu mô-đun quang học nghiên cứu thị trường nhận thức - Tháng 9 năm 2024 (cognitivemarketresearch.com)

Bộ thu phát quang của Tập đoàn Yole cho Báo cáo Datacom - Tháng 5 năm 2024 (yolegroup.com)

Cập nhật thành phần quang học IEEE 802.3 - tháng 10 năm 2024 (ieee802.org)