Modul optik berfungsi dalam peralatan penghantaran
Nov 04, 2025|
Modul optik dalam peralatan penghantaran menukar isyarat elektrik kepada isyarat optik untuk penghantaran data melalui kabel gentian optik, kemudian menukarnya kembali kepada isyarat elektrik di hujung penerima. Pemindah terima-panas boleh pasang ini mengendalikan komunikasi dua hala melalui komponen dalaman khusus yang dipanggil TOSA dan ROSA.
Seni Bina Teras Modul Optik
Di peringkat perkakasan, modul optik mengandungi tiga subsistem utama yang berfungsi secara konsert. Sub{1}}pemancar optik (TOSA) menempatkan diod laser yang menjana denyutan cahaya termodulat sepadan dengan data binari. Sub{3}}pemasang optik penerima (ROSA) mengandungi pengesan foto yang menukar isyarat optik masuk kembali kepada arus elektrik. Di antara pemasangan ini terletak papan litar PCBA, yang menguruskan pemprosesan isyarat, pemasaan dan kawalan kuasa automatik.
Diod laser di dalam TOSA beroperasi pada prinsip ambang-ia hanya mengeluarkan cahaya apabila arus hadapan melebihi nilai ambang tertentu (Ith). Modul moden menggunakan diod laser maklum balas teragih (DFB-LD) berbanding jenis Fabry-Pérot yang lebih lama kerana laser DFB menghasilkan spektrum panjang gelombang yang sempit, biasanya berpusat pada 1310nm untuk huluan atau 1490nm untuk penghantaran hiliran. Litar kawalan kuasa automatik memantau output melalui fotodiod dan melaraskan arus pemacu untuk mengekalkan tahap kuasa optik yang konsisten, biasanya diukur dalam dBm.
Di bahagian penerima, ROSA menggunakan sama ada fotodiod PIN atau fotodiod avalanche (APD) yang dipasangkan dengan penguat transimpedans (TIA). Diod PIN beroperasi pada voltan yang lebih rendah dan kos yang lebih murah, menjadikannya sesuai untuk-aplikasi jarak dekat. Penerima APD menjana lebih banyak elektron bagi setiap foton, mencapai penarafan sensitiviti yang lebih tinggi-kuasa optik minimum yang diperlukan untuk mengekalkan kadar ralat bit yang boleh diterima. TIA segera menukar arus foto yang lemah kepada isyarat voltan, yang peringkat penguat seterusnya membentuk semula dan menyamakan sebelum dihantar ke peralatan rangkaian.
Mekanisme Penukaran Isyarat
Proses penukaran fotoelektrik berlaku dalam nanosaat. Apabila peralatan rangkaian menghantar data elektrik ke modul, cip pemacu PCBA memproses isyarat dan memodulasi diod laser pada kadar dari 1.25 Gbps hingga 800 Gbps bergantung pada spesifikasi modul. Laser menukar turun naik voltan kepada-denyut cahaya mati-yang pantas mewakili perduaan 1, tahap rendah mewakili 0 dalam pengekodan NRZ tradisional.
Denyutan cahaya ini bergerak melalui kabel gentian optik dengan pengecilan minimum disebabkan oleh sifat biasan teras kaca. Gentian mod-tunggal yang beroperasi pada panjang gelombang 1550nm mengalami kehilangan paling rendah, sekitar 0.2 dB setiap kilometer, membolehkan isyarat bergerak sejauh 40-80km tanpa amplifikasi. Gentian berbilang mod pada panjang gelombang 850nm menyokong lebar jalur yang lebih tinggi pada jarak yang lebih pendek, biasanya 100-300 meter, kerana terasnya yang lebih luas membenarkan berbilang laluan cahaya yang akhirnya menyebabkan penyebaran modal.
Di destinasi, pengesan foto ROSA menangkap foton dan melepaskan elektron berkadar dengan kuasa optik yang diterima. Spesifikasi sensitiviti-dinyatakan sebagai nilai dBm negatif seperti -18dBm-menunjukkan betapa lemahnya isyarat yang penerima masih boleh menyahkod. Sensitiviti yang lebih baik membolehkan jarak penghantaran yang lebih lama. Selepas penukaran arus foto, litar keputusan membandingkan paras voltan terhadap ambang untuk menjana semula isyarat digital yang bersih, mengimbangi bunyi yang terkumpul semasa penghantaran.
Pengandaan Bahagian Panjang Gelombang
Modul optik moden menggandakan kapasiti gentian melalui pemultipleksan pembahagian panjang gelombang (WDM), di mana berbilang saluran data wujud bersama pada frekuensi optik yang berbeza. Modul WDM (CWDM) kasar menyalurkan ruang pada jarak 20nm merentasi spektrum 1270-1610nm, menyokong 8-18 panjang gelombang setiap gentian. Modul WDM (DWDM) padat membungkus saluran hanya 0.4-0.8nm dalam C-band (1530-1565nm), membolehkan 40-96 saluran pada satu untaian.
Modul BiDi (dua arah) mewakili aplikasi elegan prinsip WDM. Dengan menggunakan panjang gelombang yang berbeza untuk menghantar dan menerima fungsi-biasanya pasangan 1310nm/1550nm atau 1270nm/1330nm-Modul BiDi mencapai-komunikasi dupleks penuh melalui satu gentian dan bukannya dua. Penapis WDM dalaman memisahkan panjang gelombang: penapis dichroic 45-darjah memantulkan panjang gelombang penghantaran ke arah gentian sambil menghantar panjang gelombang terima kepada pengesan foto. Reka bentuk BOSA (Bi-Sub{13}}Assembly Optik) ini mengurangkan separuh kos infrastruktur gentian, terutamanya berharga untuk gentian-ke-penyediaan di rumah.
Pemultipleks optik pada hujung pemancar menggabungkan berbilang saluran panjang gelombang menggunakan-penapis filem nipis atau kisi pandu gelombang tersusun. Pada hujung penerima, demultiplexer membahagikan isyarat komposit kembali kepada panjang gelombang individu, mengarahkan setiap satu kepada pengesan foto yang berasingan. Seni bina ini menskalakan lebar jalur tanpa memerlukan gentian tambahan menjalankan-modul 100G QSFP28 sebenarnya menghantar empat saluran 25G secara selari, sama ada merentasi empat gentian berasingan atau empat panjang gelombang pada satu gentian.
Faktor Bentuk dan Piawaian Antara Muka
Pembungkusan fizikal menentukan cara modul menyambung kepada peralatan penghantaran. Standard Small Form-factor Pluggable (SFP), dibangunkan melalui perjanjian berbilang-sumber, berukuran lebih kurang 13mm × 8.5mm dan menyokong kadar dari 100 Mbps hingga 10 Gbps. Modul SFP28 menggunakan dimensi yang sama tetapi mengendalikan 25 Gbps melalui elektronik dan optik yang dipertingkatkan. Modul ini dipalamkan ke sangkar panel-depan dengan penyambung gentian LC, membolehkan{12}}bertukar panas tanpa mematikan peralatan hos.
Untuk kelajuan yang lebih tinggi, pembungkusan QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) menyediakan empat saluran bebas dalam jejak yang lebih besar sedikit. QSFP+ mengendalikan 40G melalui lorong 4×10G, manakala QSFP28 mencapai 100G menggunakan lorong 4×25G. Standard QSFP-DD (Double Density) menggandakan lorong elektrik kepada lapan, menyokong 400G dengan isyarat PAM4 8×50G. Setiap generasi mengekalkan keserasian ke belakang dalam soket yang sama, walaupun pada kelajuan yang lebih rendah.
Modul CFP (Centum form-factor Pluggable) menyasarkan-telekomunikasi jarak jauh dan bukannya pusat data. CFP asal menyokong 100G menggunakan lorong elektrik 10×10G, tetapi kemudiannya varian CFP2 dan CFP4 mengecilkan pakej kepada saiz separuh dan suku masing-masing. OSFP (Octal Small Form-factor Pluggable) muncul untuk aplikasi 400G-800G yang memerlukan lebih banyak ruang kepala kuasa daripada yang disediakan QSFP-DD, terutamanya untuk pelaksanaan fotonik silikon.
Antara muka elektrik antara modul dan papan hos berkembang daripada isyarat NRZ mudah kepada protokol yang kompleks. Spesifikasi Antara Muka Elektrik Biasa (CEI) mentakrifkan parameter elektrik seperti ayunan voltan, impedans dan toleransi jitter. Modul 400G moden menggunakan pengekodan PAM4 (4-pemodulatan amplitud nadi tahap), di mana setiap simbol membawa 2 bit dan bukannya 1, menggandakan daya pemprosesan tanpa meningkatkan kadar baud. Sambungan elektrik biasanya menggunakan lorong bersiri berkelajuan tinggi pada 25 Gbps atau 50 Gbps, dipadankan dengan keupayaan suis hos ASIC.
Integrasi Peralatan Penghantaran
Modul optik mendiami berbilang kedudukan dalam rangkaian penghantaran. Di bahagian atas-pada-suis rak pusat data, modul 25G SFP28 menyambungkan pelayan untuk menukar fabrik, mengendalikan trafik timur-barat antara nod pengiraan. Pada lapisan tulang belakang, modul 100G QSFP28 atau 400G QSFP-DD mengagregat pautan atas. Untuk sambung pusat data yang menjangkau 2-80km, modul boleh pasang koheren seperti 400ZR menggunakan skim modulasi lanjutan dan pemprosesan isyarat digital untuk memaksimumkan kapasiti gentian.
Peralatan telekomunikasi menggunakan modul optik merentas akses, metro dan segmen-jarak jauh. Dalam rangkaian fronthaul 5G, modul 25G CWDM menyambungkan unit radio jauh ke kumpulan unit teragih, selalunya beroperasi dalam persekitaran luar yang keras dengan penarafan suhu lanjutan (-40 darjah hingga +85 darjah ). Rangkaian Metro menggunakan modul DWDM untuk mencipta jejaring optik yang fleksibel, di mana penambahan-drop multiplexer (ROADM) boleh dikonfigurasikan semula menghalakan panjang gelombang secara dinamik berdasarkan permintaan trafik. Sistem jarak jauh-menggabungkan modul koheren berkuasa tinggi dengan penguat optik yang dijarakkan setiap 80-100km untuk mengatasi kehilangan gentian.
Pemasangan fizikal memerlukan perhatian yang teliti terhadap belanjawan kuasa optik. Setiap titik sambungan-sambungan gentian, panel tampalan, penyambung-memperkenalkan kehilangan sisipan, biasanya 0.3-0.5 dB. Pengiraan belanjawan pautan menolak semua kerugian daripada kuasa penghantaran untuk mengesahkan kuasa yang diterima melebihi sensitiviti dengan margin yang mencukupi, biasanya 3-5 dB. Melebihi spesifikasi beban lampau penerima-kuasa optik maksimum sebelum tepu-boleh menyebabkan ralat bit, jadi pengecil optik boleh ubah mungkin diperlukan pada pautan pendek dengan pemancar berkuasa.
Teknik Modulasi Lanjutan
Untuk menolak melebihi 100G setiap panjang gelombang, modul optik menggunakan format modulasi yang canggih. Kekunci on-off tradisional (OOK) mengekod data sebagai kehadiran atau ketiadaan cahaya. Fasa pembezaan-kekunci anjakan (DPSK) mengekod maklumat dalam fasa optik, memerlukan pengesanan interferometrik tetapi menawarkan 3 dB kepekaan yang lebih baik. Fasa kuadratur-kekunci anjakan (QPSK) menggunakan empat keadaan fasa untuk membawa 2 bit setiap simbol.
Pengesanan koheren merevolusikan penghantaran jarak jauh-dengan mengesan kedua-dua amplitud dan fasa medan optik. Laser pengayun tempatan bercampur dengan isyarat yang diterima dan pengesan foto seimbang mengekstrak dalam-komponen fasa dan kuadratur. Pemproses isyarat digital kemudian menggunakan algoritma penyamaan untuk mengimbangi serakan kromatik dan serakan mod polarisasi yang terkumpul sepanjang ratusan kilometer. Modul koheren 400G moden menggunakan modulasi 16QAM atau 64QAM, membungkus 4-6 bit setiap simbol merentas keadaan polarisasi dwi.
Lonjakan kepada modul 800G dan 1.6 Tbps pada tahun 2024-2025 menggabungkan berbilang kemajuan. Penyepaduan fotonik silikon mengurangkan kiraan komponen dengan mengarang laser, modulator dan pengesan pada satu cip. Optik boleh pasang linear (LPO) mengeluarkan kuasa-retimer DSP yang lapar daripada modul jangkauan-pendek, mengurangkan penggunaan daripada 15W kepada 6W. Optik pakej bersama (CPO) meletakkan enjin optik terus di atas suis ASIC, menghapuskan kesesakan SerDes elektrik. Modul 1.6T awal yang memasuki pengeluaran menggunakan lorong 8×200G dengan isyarat elektrik PAM4 106 Gbps.
Spesifikasi Prestasi dan Pengujian
Lembaran data modul menentukan beberapa parameter kritikal. Kuasa optik output, diukur dalam dBm atau mW, menunjukkan kekuatan hantaran-nilai biasa daripada -10dBm hingga +4dBm bergantung pada keperluan jangkauan. Nisbah kepupusan membandingkan perbezaan kuasa optik antara keadaan binari 1 dan 0; nisbah melebihi 8.5 dB memastikan pembezaan isyarat yang jelas. Kepekaan penerima mentakrifkan kuasa input minimum untuk kadar ralat bit tertentu, biasanya ralat 1×10⁻¹² setiap bit.
Ketepatan panjang gelombang operasi penting dalam sistem WDM di mana saluran mesti diselaraskan dalam ±0.1nm frekuensi tengah. Toleransi serakan kromatik-diukur dalam ps/nm-menunjukkan berapa banyak panjang gelombang-variasi kelewatan bergantung yang modul boleh kendalikan sebelum ralat berlaku. Modul berbilang mod menentukan keperluan jalur lebar modal berkesan minimum, diberikan dalam MHz·km, yang mengehadkan jarak penghantaran maksimum berdasarkan jenis gentian (OM3, OM4, OM5).
Kestabilan suhu mempengaruhi panjang gelombang laser dan kuasa keluaran. Modul gred-komersial beroperasi 0 darjah hingga +70 darjah , manakala varian industri mengendalikan -40 darjah hingga +85 darjah . Penyejuk termoelektrik mengekalkan suhu laser dalam-modul panjang gelombang terkawal, menggunakan 1-3W tetapi memastikan hanyut panjang gelombang kekal di bawah 0.01nm/ darjah . Pemantauan diagnostik digital (DDM) menyediakan telemetri masa-sebenar melalui antara muka I2C-suhu, voltan, arus pincang, menghantar kuasa dan menerima penyelenggaraan ramalan yang membolehkan kuasa.
Aliran Pasaran dan Hala Tuju Masa Depan
Pasaran transceiver optik mencapai $13.6 bilion pada 2024 dan mengunjurkan kepada $25 bilion menjelang 2029, didorong terutamanya oleh binaan pusat data AI. Lebih 20 juta modul 400G dan 800G dihantar pada 2024, dengan penghantaran 800G dijangka melonjak 60% pada 2025 apabila hyperscaler menggunakan optik ini untuk sambung GPU. Segmen yang lebih besar-daripada 400-Gbps berkembang pada 16.3% CAGR kerana kluster latihan AI menuntut kepadatan lebar jalur yang tidak pernah berlaku sebelum ini.
Pusat data menyumbang 61% daripada hasil modul optik pada 2024, berkembang pada 14.9% CAGR hingga 2030. Peralihan daripada pautan 100G kepada 400G dipercepatkan pada 2023-2024, dan penggunaan 800G bermula dengan sungguh-sungguh di Google, Amazon dan Microsoft. Modul 1.6 Tbps pertama memasuki percubaan lapangan pada penghujung 2024, menyasarkan keluaran komersial dalam H2 2025 pada harga awal sekitar $2,000, menurun kepada kira-kira $1,500 sebagai skala pengeluaran.
Modul fotonik silikon menangkap kira-kira 10% daripada pasaran 800G dalam H2 2024, dengan ramalan penembusan pada 20-30% menjelang 2025. Teknologi ini menangani kekangan bekalan laser untuk komponen EML dan VCSEL yang diperlukan dalam modul konvensional. Optik berpakej bersama-terus dibangunkan, dengan Nvidia bekerjasama dalam penyelesaian MSM yang menyasarkan pengeluaran volum awal menjelang 2026. Optik boleh pasang linear mendapat daya tarikan pada tahun 2024 untuk penggunaan kuasa-yang terhad, walaupun cabaran penghantaran jarak jauh berterusan.
Pelancaran 5G memacu permintaan modul optik telekom, dengan transceiver 25G SFP28 CWDM digunakan dalam kabinet luar yang menghadapi keadaan suhu yang melampau. Hasil optik Fronthaul mencecah kira-kira $630 juta pada 2025, dengan 10 juta peranti midhaul 50G PAM4 dihantar. Operator berhijrah dari-ke-titik balik ke x-Seni bina jejaring angkut menggunakan modul gred industri 10G ke 100G-yang memenuhi kontrak kependaman yang ketat.
Soalan Lazim
Apakah perbezaan antara modul optik-tunggal dan multimod?
Modul mod-tunggal beroperasi pada panjang gelombang 1310nm atau 1550nm melebihi gentian teras 9μm, menyokong jarak dari 2km hingga 80km atau lebih. Modul berbilang mod menggunakan panjang gelombang 850nm melebihi gentian teras 50μm atau 62.5μm, terhad kepada 100-550 meter bergantung pada lebar jalur. Mod tunggal-menawarkan jangkauan yang lebih panjang tetapi kos lebih tinggi; multimode menyediakan kos yang lebih rendah untuk jarak dekat seperti sambungan intra-rak.
Bolehkah modul kelajuan yang berbeza berfungsi dalam port suis yang sama?
Pelabuhan yang direka untuk modul-kelajuan yang lebih tinggi selalunya menerima varian yang lebih perlahan pada prestasi yang dikurangkan. Port 25G SFP28 biasanya boleh menjalankan modul 10G SFP+ pada kelajuan 10G, dan port SFP+ menerima modul 1G SFP. Walau bagaimanapun, sebaliknya tidak berfungsi-anda tidak boleh memasangkan modul 25G ke port 10G-sahaja. Kedua-dua hujung pautan gentian mesti sepadan dengan spesifikasi kelajuan dan panjang gelombang.
Mengapa modul optik mempunyai panjang gelombang yang berbeza?
Pemilihan panjang gelombang mengimbangi jarak, kos dan ciri gentian. Panjang gelombang 850nm berfungsi dengan baik dengan-laser VCSEL kos efektif untuk pautan berbilang mod pendek. Panjang gelombang 1310nm menawarkan serakan minimum dalam gentian mod- tunggal untuk jarak metro. Panjang gelombang 1550nm mencapai titik pengecilan terendah dalam gentian, membolehkan penghantaran-jarak jauh. Sistem WDM menggunakan jarak panjang gelombang yang tepat untuk memultiplekskan banyak saluran pada satu gentian.
Bagaimanakah suhu mempengaruhi prestasi modul optik?
Panjang gelombang laser hanyut kira-kira 0.1nm setiap perubahan suhu 10 darjah tanpa penyejukan aktif. Kuasa keluaran berbeza-beza 3-5% merentas julat suhu operasi. Sensitiviti penerima merosot sedikit pada suhu yang melampau. Modul komersial menentukan operasi 0-70 darjah; modul industri memanjang hingga -40 darjah hingga +85 darjah menggunakan penyejuk termoelektrik dan komponen toleransi yang lebih luas. Diagnostik digital menjejaki suhu masa nyata untuk meramalkan kegagalan sebelum ia berlaku.
Pengambilan Utama
Modul optik melakukan penukaran fotoelektrik melalui pemancar TOSA menggunakan diod laser dan penerima ROSA menggunakan pengesan foto
Pelbagai panjang gelombang boleh berkongsi gentian tunggal melalui teknologi CWDM atau DWDM, dengan modul BiDi membolehkan komunikasi dua arah pada satu helai
Faktor bentuk daripada SFP kepada QSFP-Kelajuan sokongan DD daripada 1G hingga 800G, dengan modul 1.6T memasuki pengeluaran pada tahun 2025
Pasaran mencapai $13.6 bilion pada 2024, didorong oleh pusat data AI yang menggunakan modul 400G dan 800G pada skala yang belum pernah terjadi sebelumnya
Fotonik silikon dan optik berpakej bersama-mewakili evolusi seterusnya, meningkatkan kecekapan kuasa dan ketumpatan penyepaduan
Sumber Data
Laporan Komponen Optik AI Cignal - Januari 2025 (cignal.ai)
Laporan Pasaran Transceiver Optik Mordor Intelligence - Jun 2025 (mordorintelligence.com)
Kajian Modul Optik Penyelidikan Pasaran Kognitif - September 2024 (cognitivemarketresearch.com)
Pemancar Optik Kumpulan Yole untuk Laporan Datacom - Mei 2024 (yolegroup.com)
Kemas Kini Komponen Optik IEEE 802.3 - Oktober 2024 (ieee802.org)