מודולים אופטיים עובדים בציוד שידור

 

מודולים אופטיים בציוד שידור ממירים אותות חשמליים לאותות אופטיים להעברת נתונים על כבלי סיבים אופטיים, ואז ממירים אותם בחזרה לאותות חשמליים בקצה המקבל. משדרים חמים-ניתנים לחיבור אלה מטפלים בתקשורת דו-כיוונית באמצעות רכיבים פנימיים מיוחדים הנקראים TOSA ו-ROSA.

 

 

ארכיטקטורת ליבה של מודולים אופטיים

 

ברמת החומרה, מודולים אופטיים מכילים שלוש תת-מערכות עיקריות הפועלות יחד. המכלול האופטי האופטי של המשדר (TOSA) מכיל דיודת לייזר שיוצרת פולסי אור מאופננים התואמים לנתונים בינאריים. מכלול המשנה האופטי -מקבל (ROSA) מכיל photodetector הממיר אותות אופטיים נכנסים בחזרה לזרם חשמלי. בין המכלולים הללו יושב לוח המעגלים של PCBA, המנהל עיבוד אותות, תזמון ובקרת הספק אוטומטית.

דיודת הלייזר בתוך TOSA פועלת על פי עקרון סף-היא פולטת אור רק כאשר זרם קדימה חורג מערך סף מסוים (Ith). מודולים מודרניים משתמשים בדיודות לייזר משוב מבוזר (DFB-LD) במקום בסוגי פברי-ישנים יותר מכיוון שלייזרי DFB מייצרים ספקטרום אורך גל צר, שבדרך כלל מרוכז ב-1310nm עבור במעלה הזרם או 1490nm עבור שידור במורד הזרם. מעגל בקרת הספק אוטומטי מנטר את הפלט דרך פוטודיודה ומתאים את זרם הכונן כדי לשמור על רמות הספק אופטיות עקביות, הנמדדות בדרך כלל ב-dBm.

בצד המקבל, ROSA משתמשת בפוטודיודות PIN או פוטודיודות מפולת (APD) בשילוב עם מגברי טרנס-אימפדנס (TIA). דיודות PIN פועלות במתחים נמוכים יותר ועולות פחות, מה שהופך אותן למתאימות ליישומים- למרחקים קצרים. מקלטי APD מייצרים יותר אלקטרונים לכל פוטון, ומשיגים דירוגי רגישות גבוהים יותר-את ההספק האופטי המינימלי הדרוש לשמירה על שיעורי שגיאות סיביות מקובלים. ה-TIA ממיר מיד את זרם הפוטו החלש לאות מתח, ששלבי המגבר הבאים מעצבים מחדש ומשווים לפני שהוא עובר לציוד הרשת.

 

מנגנון המרת אותות

 

תהליך ההמרה הפוטואלקטרי מתרחש תוך ננו-שניות. כאשר ציוד רשת שולח נתונים חשמליים למודול, שבב הדרייבר של ה-PCBA מעבד את האות ומאפנן את דיודת הלייזר בקצבים מ-1.25 Gbps ל-800 Gbps בהתאם למפרטי המודול. הלייזר ממיר תנודות מתח לפולסי אור-מהירים- רמות אות גבוהות מייצגות 1 בינארי, רמות נמוכות מייצגות 0 בקידוד NRZ מסורתי.

פעימות האור הללו עוברות דרך כבל הסיבים האופטיים עם הנחתה מינימלית בשל תכונות השבירה של ליבת הזכוכית. סיב במצב- יחיד הפועל באורך גל של 1550 ננומטר חווה את ההפסד הנמוך ביותר, בסביבות 0.2 dB לקילומטר, מה שמאפשר לאותות לעבור 40-80 ק"מ ללא הגברה. סיבים מולטי-מודים באורך גל של 850 ננומטר תומך ברוחב פס גבוה יותר על פני מרחקים קצרים יותר, בדרך כלל 100-300 מטר, מכיוון הליבה הרחבה יותר שלו מאפשרת מספר נתיבי אור שבסופו של דבר גורמים לפיזור מודאלי.

ביעד, הפוטו-גלאי של ROSA לוכד פוטונים ומשחרר אלקטרונים פרופורציונלי להספק האופטי המתקבל. מפרט הרגישות-מבוטא כערך dBm שלילי כמו -18dBm-מציין עד כמה אות חלש המקלט עדיין יכול לפענח. רגישות טובה יותר מאפשרת מרחקי שידור ארוכים יותר. לאחר המרת זרם פוטו, מעגלי החלטה משווים את רמות המתח מול ספים כדי ליצור מחדש אותות דיגיטליים נקיים, תוך פיצוי על רעש שהצטבר במהלך השידור.

 

ריבוי חלוקת אורך גל

 

מודולים אופטיים מודרניים מכפילים את קיבולת הסיבים באמצעות ריבוי חלוקת אורך גל (WDM), כאשר ערוצי נתונים מרובים מתקיימים במקביל בתדרים אופטיים שונים. מודולי WDM גס (CWDM) מרווחים ערוצים במרחק של 20 ננומטר זה מזה על פני ספקטרום 1270-1610 ננומטר, התומכים ב-8-18 אורכי גל לכל סיב. מודולי WDM צפופים (DWDM) אורזים ערוצים במרחק של 0.4-0.8 ננומטר זה מזה ב-C-band (1530-1565 ננומטר), ומאפשרים 40-96 ערוצים על גדיל בודד.

מודולי BiDi (דו-כיווני) מייצגים יישום אלגנטי של עקרונות WDM. על ידי שימוש באורכי גל שונים עבור פונקציות שידור וקבלה-בדרך כלל זוגות של 1310nm/1550nm או 1270nm/1330nm-מודולי BiDi משיגים תקשורת דופלקס מלאה-על סיב אחד במקום שניים. מסנני WDM פנימיים מפרידים בין אורכי הגל: מסנן דיכרואי של 45- מעלות משקף את אורך גל השידור לכיוון הסיב תוך שהוא מעביר את אורך הגל הקליטה לפוטו-גלאי. תכנון BOSA (Bi-Bi{12}}Optical Sub-Assembly) זה מקצץ בחצי את עלויות תשתית הסיבים, בעל ערך רב במיוחד לפריסות סיבים-ל-בית.

המרבב האופטי בקצה המשדר משלב ערוצי אורכי גל מרובים באמצעות מסנני סרטים דקים- או רשתות מוליכי גל ערכות. בקצה המקבל, ד-מולטיפלקסר מפצל את האות המרוכב בחזרה לאורכי גל בודדים, ומכוון כל אחד ל-photodetector נפרד. ארכיטקטורה זו מגדילה את רוחב הפס מבלי לדרוש ריצות סיבים נוספים-מודול 100G QSFP28 משדר למעשה ארבעה ערוצים של 25G במקביל, על פני ארבעה סיבים נפרדים או ארבעה אורכי גל על ​​סיב אחד.

 

 

גורמי צורה ותקני ממשק

 

אריזה פיזית קובעת כיצד מודולים מתחברים לציוד שידור. תקן Small Form-factor Pluggable (SFP), שפותח באמצעות הסכמי-מקורות רבים, מודד כ-13 מ"מ × 8.5 מ"מ ותומך בקצבים מ-100 Mbps ל-10 Gbps. מודולי SFP28 משתמשים בממדים זהים אך מתמודדים עם 25 Gbps באמצעות אלקטרוניקה ואופטיקה משופרים. המודולים האלה מתחברים לכלובי הפאנל-הקדמיים עם מחברי סיבי LC, ומאפשרים החלפה חמה- מבלי לכבות את הציוד המארח.

עבור מהירויות גבוהות יותר, אריזת QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) מספקת ארבעה ערוצים עצמאיים בטביעת רגל קצת יותר גדולה. QSFP+ מטפל ב-40G דרך נתיבי 4×10G, בעוד QSFP28 משיג 100G באמצעות נתיבי 4×25G. תקן QSFP-DD (דפיפות כפולה) מכפיל את הנתיבים החשמליים לשמונה, ותומך ב-400G עם איתות PAM4 של 8×50G. כל דור שומר על תאימות לאחור באותו שקע, אם כי במהירויות נמוכות יותר.

מודולי CFP (Centum form-factor Pluggable) מכוונים לטלקומוניקציה-לטווח ארוך ולא למרכזי נתונים. ה-CFP המקורי תמך ב-100G באמצעות נתיבים חשמליים של 10×10G, אך מאוחר יותר גרסאות CFP2 ו-CFP4 כיווץ את החבילה לחצי ורבע בהתאמה. OSFP (Octal Small Form-factor Pluggable) הופיע עבור יישומי 400G-800G הדורשים יותר מרווח כוח ממה ש-QSFP-DD מספק, במיוחד עבור יישומי פוטוני סיליקון.

הממשק החשמלי בין המודול ללוח המארח התפתח מאיתות NRZ פשוט לפרוטוקולים מורכבים. מפרטי ממשק חשמלי משותף (CEI) מגדירים פרמטרים חשמליים כמו תנודת מתח, עכבה וסובלנות ריצוד. מודולי 400G מודרניים משתמשים בקידוד PAM4 (4-אפנון פולס משרעת ברמה), כאשר כל סמל נושא 2 סיביות במקום 1, מה שמכפיל את התפוקה מבלי להגדיל את קצב ה-baud. החיבור החשמלי משתמש בדרך כלל בנתיבים טוריים במהירות גבוהה של 25 Gbps או 50 Gbps, בהתאמה ליכולות ASIC של מתג המארח.

 

שילוב ציוד הילוכים

 

מודולים אופטיים מאכלסים עמדות מרובות בתוך רשתות שידור. במרכז הנתונים המובילים-של-מתגי המדף, מודולי 25G SFP28 מחברים שרתים כדי להחליף מארגים, ומטפלים בתעבורת מזרח-מערב בין צמתי מחשוב. בשכבת עמוד השדרה, מודולי 100G QSFP28 או 400G QSFP{10}}DD צוברים קישורים מעלה. עבור חיבורי מרכז נתונים המשתרעים על פני 2-80 ק"מ, מודולים ניתנים לחיבור קוהרנטי כמו 400ZR משתמשים בסכימות אפנון מתקדמות ועיבוד אותות דיגיטלי כדי למקסם את קיבולת הסיבים.

ציוד טלקומוניקציה פורס מודולים אופטיים על פני מקטעי גישה, מטרו ו-טווח ארוך. ברשתות חזיתיות של 5G, מודולי 25G CWDM מחברים יחידות רדיו מרוחקות לבריכות יחידות מבוזרות, לרוב פועלות בסביבות חיצוניות קשות עם דירוגי טמפרטורה מורחבים (-40 מעלות עד +85 מעלות). רשתות מטרו משתמשות במודולי DWDM כדי ליצור רשתות אופטיות גמישות, שבהן ניתן להגדיר מחדש -מרבבי ירידה (ROADM) מנתבים באופן דינמי אורכי גל על ​​סמך ביקוש לתעבורה. מערכות{10}לטווח ארוך משלבות מודולים קוהרנטיים בעלי הספק גבוה עם מגברים אופטיים המרווחים כל 80-100 ק"מ כדי להתגבר על אובדן סיבים.

ההתקנה הפיזית דורשת תשומת לב קפדנית לתקציבי הספק אופטי. כל נקודת חיבור-חבורת סיבים, לוחות תיקון, מחברים-מציגה אובדן הכנסה, בדרך כלל 0.3-0.5 dB. חישוב תקציב הקישור מוריד את כל ההפסדים מעוצמת השידור כדי לוודא שההספק המתקבל עולה על הרגישות בהפרש נאות, בדרך כלל 3-5 dB. חריגה ממפרט עומס יתר של המקלט - ההספק האופטי המקסימלי לפני הרוויה - עלולה לגרום לשגיאות סיביות, ולכן ייתכן שיהיה צורך במנחתים אופטיים משתנים בקישורים קצרים עם משדרים חזקים.

 

טכניקות אפנון מתקדמות

 

כדי לדחוף מעבר ל-100G לכל אורך גל, מודולים אופטיים אימצו פורמטי אפנון מתוחכמים. מקש הפעלה-מסורתי (OOK) מקודד נתונים כנוכחות קלה או היעדרות. מפתוח שלב-דיפרנציאלי (DPSK) מקודד מידע בשלב האופטי, הדורש זיהוי התערבותי אך מציע רגישות טובה יותר ב-3 dB. ריבוע שלב-מפתח Shift (QPSK) משתמש בארבעה מצבי פאזה כדי לשאת 2 סיביות לכל סמל.

זיהוי קוהרנטי חולל מהפכה בשידור-לטווח ארוך על ידי זיהוי גם משרעת וגם פאזה של השדה האופטי. לייזר מתנד מקומי מתערבב עם האות המתקבל, ומגלאי צילום מאוזנים מחלצים רכיבים בפאזה ובריבוע. לאחר מכן, מעבדי אותות דיגיטליים מיישמים אלגוריתמי השוואה כדי לפצות על פיזור כרומטי ופיזור מצבי קיטוב שהצטברו לאורך מאות קילומטרים. מודולים קוהרנטיים מודרניים של 400G משתמשים באפנון 16QAM או 64QAM, ואורזים 4-6 ביטים לסמל על פני מצבי קיטוב כפול.

הקפיצה למודולי 800G ו-1.6 Tbps בשנת 2024-2025 משלבת התקדמות מרובות. שילוב פוטוני סיליקון מפחית את ספירת הרכיבים על ידי ייצור לייזרים, מאפננים וגלאים על שבב בודד. אופטיקה ניתנת לחיבור ליניארי (LPO) מסירה -מחדשי DSP תואבי חשמל ממודולים בטווח קצר-, ומפחיתה את הצריכה מ-15W ל-6W. אופטיקה ארוזה משותפת (CPO) מציבה מנועים אופטיים ישירות על גבי מתגי ASIC, ומבטלת צווארי בקבוק חשמליים של SerDes. מודולי 1.6T ראשוניים הנכנסים לייצור משתמשים בנתיבי 8×200G עם איתות חשמלי של 106 Gbps PAM4.

 

מפרטי ביצועים ובדיקות

 

גליונות נתונים של מודול מציינים מספר פרמטרים קריטיים. הספק אופטי פלט, הנמדד ב-dBm או mW, מציין את עוצמת השידור-הערכים הטיפוסיים בין -10dBm ל-{3}}dBm בהתאם לדרישות טווח ההגעה. יחס הכחדה משווה את הפרש ההספק האופטי בין מצבים בינאריים 1 ו-0; יחסים מעל 8.5 dB מבטיחים בידול אות ברור. רגישות המקלט מגדירה את הספק הקלט המינימלי עבור שיעור שגיאות סיביות שצוין, בדרך כלל 1×10⁻¹² שגיאות לביט.

דיוק אורך הגל חשוב במערכות WDM שבהן הערוצים חייבים להתיישר בתוך ±0.1 ננומטר מהתדר המרכזי. סובלנות פיזור כרומטית-נמדדת ב-ps/nm-מציינת כמה באורך גל-משתנה ההשהיה תלויה המודול יכול להתמודד המודול לפני שיתרחשו שגיאות. מודולים ריבוי מצבים מציינים דרישות רוחב פס מודאלי מינימליות, הניתנות ב-MHz·km, המגבילה את מרחק השידור המרבי על סמך סוג הסיבים (OM3, OM4, OM5).

יציבות הטמפרטורה משפיעה על אורך גל הלייזר ועל הספק הפלט. מודולים בדרגה- מסחרית פועלים ב-0 מעלות עד +70 מעלות, בעוד שגרסאות תעשייתיות מתמודדות עם -40 מעלות עד +85 מעלות. מצננים תרמו-אלקטריים שומרים על טמפרטורת לייזר במודולים מבוקרים באורך-, צורכים 1-3W אך מבטיחים שהסחף של אורך הגל יישאר מתחת ל-0.01nm/מעלה. ניטור אבחון דיגיטלי (DDM) מספק טלמטריה בזמן אמת- באמצעות טמפרטורת ממשק I2C, מתח, זרם הטיה, כוח שידור וקליטת חשמל המאפשרת תחזוקה חזויה.

 

מגמות שוק וכיוונים עתידיים

 

שוק מקלטי המשדר האופטיים הגיע ל-13.6 מיליארד דולר ב-2024, והוא צפוי ל-25 מיליארד דולר עד 2029, מונע בעיקר על ידי בניית מרכז נתונים של AI. למעלה מ-20 מיליון מודולי 400G ו-800G נשלחו בשנת 2024, כאשר משלוחי 800G צפויים לעלות ב-60% בשנת 2025, כאשר היפר-סקאלרים מאמצים אופטיקה זו עבור חיבורי GPU. הפלח הגבוה מ--מ-400 Gbps גדל ב-16.3% CAGR כאשר אשכולות אימון בינה מלאכותית דורשים צפיפות רוחב פס חסרת תקדים.

מרכזי נתונים מהווים 61% מהכנסות המודולים האופטיים ב-2024, והתרחבו ב-14.9% CAGR עד 2030. המעבר מ-100G ל-400G קישורי הואץ בשנים 2023-2024, ופריסות 800G החלו ברצינות בגוגל, אמזון ומיקרוסופט. מודולי 1.6 Tbps הראשונים נכנסו לניסויי שדה בסוף 2024, כשהם מכוונים לשחרור מסחרי ב-H2 2025 במחירים התחלתיים בסביבות $2,000, וירדו לכ-$1,500 בקנה מידה ייצור.

מודולי סיליקון פוטוניקה תפסו בערך 10% משוק ה-800G ב-H2 2024, עם תחזית חדירה של 20-30% עד 2025. טכנולוגיה זו נותנת מענה לאילוצי אספקת לייזר עבור רכיבי EML ו-VCSEL הדרושים במודולים קונבנציונליים. אופטיקה ארוזה-ת עדיין בפיתוח, כאשר Nvidia משתפת פעולה בפתרונות CPO במטרה לייצור נפח ראשוני עד 2026. אופטיקה ליניארית ניתנת לחיבור זכתה למשיכה בשנת 2024 עבור פריסות מוגבלות{10}}על אף שהאתגרים של שידור למרחקים ארוכים נמשכים.

השקת 5G מניעה את הביקוש למודול אופטי טלקום, עם מקלטי משדר 25G SFP28 CWDM פרוסים בארונות חיצוניים המתמודדים עם תנאי טמפרטורה קיצוניים. הכנסות האופטיקה של Fronthaul הגיעו לכ-630 מיליון דולר בשנת 2025, עם 10 מיליון מכשירי 50G PAM4 midhaul שנשלחו. מפעילים עוברים מנקודת{10}}ל--נקודת backhaul ל-x-הארכיטקטורות של רשת גרירה באמצעות מודולים תעשייתיים של 10G עד 100G- העומדים בחוזי אחזור מחמירים.

 

שאלות נפוצות

 

מה ההבדל בין מודולים אופטיים-יחידים למולטי-מודים?

מודולי מצב יחיד- פועלים באורכי גל של 1310 ננומטר או 1550 ננומטר מעל סיבי ליבה של 9 מיקרומטר, התומכים במרחקים מ-2 ק"מ עד 80 ק"מ או יותר. מודולים ריבוי מצבים משתמשים באורך גל של 850 ננומטר מעל 50 מיקרומטר או סיבי ליבה של 62.5 מיקרומטר, מוגבל ל-100-550 מטרים בהתאם לרוחב הפס. מצב יחיד-מציע טווח הגעה ארוך יותר אך עולה יותר; multimode מספק עלות נמוכה יותר למרחקים קצרים כמו חיבורים תוך-מתלים.

האם מודולי מהירות שונים יכולים לעבוד באותה יציאת מתג?

יציאות המיועדות למודולים- מהירים יותר מקבלים לעתים קרובות גרסאות איטיות יותר בביצועים מופחתים. יציאת 25G SFP28 יכולה בדרך כלל להריץ מודול 10G SFP+ במהירויות של 10G, ויציאות SFP+ מקבלים מודולי 1G SFP. עם זאת, ההפך לא עובד-אינך יכול לחבר מודול 25G ליציאת 10G-בלבד. שני הקצוות של קישור סיבים חייבים להתאים למפרטי מהירות ואורך גל.

מדוע למודולים אופטיים יש אורכי גל שונים?

בחירת אורך גל מאזנת מרחק, עלות ומאפייני סיבים. אורך הגל של 850 ננומטר עובד היטב עם לייזרים VCSEL חסכוניים-עבור קישורים רב-מצבים קצרים. אורך הגל של 1310nm מציע פיזור מינימלי בסיבים- במצב יחיד למרחקי מטרו. אורך הגל של 1550 ננומטר מגיע לנקודת הנחתה הנמוכה ביותר בסיבים, ומאפשר שידור-ארוך. מערכות WDM משתמשות במרווח אורך גל מדויק כדי להרבות ערוצים רבים על סיב אחד.

כיצד משפיעה הטמפרטורה על ביצועי המודול האופטי?

אורך גל לייזר נסחף ב-0.1 ננומטר לכל שינוי טמפרטורה של 10 מעלות ללא קירור אקטיבי. הספק המוצא משתנה ב-3-5% על פני טווח טמפרטורת הפעולה. רגישות המקלט יורדת מעט בטמפרטורה קיצונית. מודולים מסחריים מציינים 0-פעולה של 70 מעלות; מודולים תעשייתיים מתרחבים עד -40 מעלות עד +85 מעלות באמצעות מצננים תרמו-אלקטריים ורכיבים בעלי סובלנות רחבה יותר. אבחון דיגיטלי עוקב אחר טמפרטורה בזמן אמת כדי לחזות כשלים לפני שהם מתרחשים.

---

טייק אווי מפתח

מודולים אופטיים מבצעים המרה פוטו-אלקטרית באמצעות משדרי TOSA באמצעות דיודות לייזר ומקלטי ROSA באמצעות photodetectors

אורכי גל מרובים יכולים לחלוק סיב בודד באמצעות טכנולוגיית CWDM או DWDM, עם מודולי BiDi המאפשרים תקשורת דו-כיוונית על גדיל אחד

גורמי צורה מ-SFP ל-QSFP-DD תומכים במהירויות מ-1G ל-800G, כאשר מודולי 1.6T נכנסים לייצור ב-2025

השוק הגיע ל-13.6 מיליארד דולר בשנת 2024, מונע על ידי מרכזי נתונים בינה מלאכותית הפורסים מודולי 400G ו-800G בקנה מידה חסר תקדים

פוטוניקת סיליקון ואופטיקה ארוזה-מייצגת את האבולוציה הבאה, ומשפרים את יעילות החשמל וצפיפות האינטגרציה

---

מקורות נתונים

דוח רכיבים אופטיים של Cignal AI - ינואר 2025 (cignal.ai)

Mordor Intelligence Optical Transceiver Market Report - יוני 2025 (mordorintelligence.com)

מחקר מודולים אופטיים למחקר שוק קוגניטיבי - ספטמבר 2024 (cognitivemarketresearch.com)

Yole Group Optical Transceivers for Datacom Report - מאי 2024 (yolegroup.com)

עדכון רכיבים אופטיים IEEE 802.3 - אוקטובר 2024 (ieee802.org)