大數據通訊與電信網路的關鍵橋樑 – 光模組(Optical Module)

人類在古代時就懂得使用狼煙,飛鴿傳書等的方式來傳送信息,而工業革命後出現了電報,直到現代的網絡,通信技術不斷進化發展。

 

在資料中心(Data Center)不斷增長的互聯網流量需求的推動下,目前發展的主流已是400Gbps。這個資訊流量爆發的年代,可以預期 800 Gbps或 1600 Gbps 的發展距離不會離我們太遠。

 

乙太網路(Ethernet),IEEE組織的IEEE 802.3制定了乙太網路的技術標準。從1997年的1 Gbps到2004年的10 Gbps,2002到2006年間完成10Gb乙太網路協議之後,出現了長時間的停滯。經過了8年,新一代的40GbE與100GbE才於2010年標準化

 

早期的網路通信方式是使用電作信號的傳遞,用導線作為信號傳遞的媒介,但不管是什麼類型的導體都有阻抗存在,阻抗愈大訊號容易被衰減且資料愈容易丟失,導致傳輸的距離會有所侷限。西元1966年高錕做出突破性的實驗,利用光在石英基玻璃纖維可以做長距離傳遞信息,打破早期玻璃纖維在早期只能短距離傳輸的理論,也建立了未來使用光纖傳輸的開端。

乙太網路發展演進圖 圖一、乙太網路發展演進圖(圖片來源 : Ethernet Alliance)

光纖相較於銅線具有傳輸容量大、損耗小、傳輸距離長與保密性好等許多優點

導線與光纖的比較表 表一、導線與光纖的比較表

如表一所示,導線本身特性無法實現高速信號的長距離傳輸,限制了它的進一步發展。用電傳輸信號,隨著傳輸距離增加損耗愈大,信號衰減愈厲害,會造成接收端的判斷錯誤,導致通信失敗。為了克服這個限制,光模組因此出現。

光模組一開始不像Type-C,HDMI等常見的接頭外觀形式較單一容易分辨,跟隨者傳輸的速度或是距離有著不同的規格如SFP、SFP+、SFP28、QSFP+和QSFP28等等,讓人眼花撩亂。

 

目前較廣泛使用在光纖傳輸的封裝規格是QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable),QSFP是為了滿足對更高密度的高速熱插拔需求而誕生。

 

光模組的種類雖然有很多種,外觀結構也不盡相同,但其功能都是相同的,都是負責把電信號轉成光信號,再藉由光纖傳輸,傳到信號接收端後再轉成電信號解析,實現光信號傳輸過程中的電子器件。

光模組的作用 圖二、光模組的作用

封裝(Form Factor)

封裝(Form Factor)是區分光模組的最主要方式。剛接觸光通信的人可能會因為規格太多而眼花撩亂,之所以會存在如此多的封裝標準,主要是因為光纖通信技術的發展速度突飛猛進。

 

速率不斷提升,體積不斷縮小,以至於每隔幾年,就會出現新的封裝標準。新與舊的封裝標準,通常也很難彼此相容。

 

因此MSA(Multi-source agreements) 和 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)訂製了規範標準,保證不同品牌廠商的光模組保有相同的外形和功能。這樣做不僅可以確保相容性,還可以防止光模組市場被更大的製造商壟斷,最終降低用戶的成本。

依據傳輸速度的演進可分為下列幾種

  • QSFP : 傳輸速率為4×1Gbps,相較SFP(small form-factor pluggable)每通道1Gbps傳輸速率,QSFP支援四通道同時傳輸實現4Gbps傳輸速率。
  • QSFP+ : 傳輸速率為4×10Gbps, 相較SFP+每通道10Gbps傳輸速率,QSFP+支援四通道同時傳輸實現40Gbps傳輸速率。
  • QSFP28 : 傳輸速率為4×25Gbps,可使用於100Gbps網路傳輸。QSFP28產品類型眾多,實現100G傳輸的方式各有不同,如4×25Gbps或是2×50Gbps。
  • QSFP56 : QSFP56是QSFP28的升級版。它使用與之前QSFP28相同的物理規格,最大的改進是調變技術。使用PAM4替代 QSFP28的NRZ。
  • QSFP-DD : DD指的是Double Density(雙倍密度) ,將QSFP的4通道增加了一排,變成8通道。若採用NRZ資料格式,傳輸速率可達200Gbps;若採用PAM4資料格式,每個通道傳輸速率可達50Gbps(或25Gbuad),可實現400Gbps的傳輸
表二、光模組常用的Form Factor種類與比 光模組常用的Form Factor種類與比
圖三、為乙太網路的應用中常用的連接器 (光和電) 形式 (圖片來源:Ethernet Alliance) 圖三、為乙太網路的應用中常用的連接器 (光和電) 形式 (圖片來源:Ethernet Alliance)

信號格式

對於光模組來說,如果想要實現速率提升,除了增加通道數量,就是要提高單通道的速率。

  • NRZ(non-return-to-zero) :

傳統的數位信號最多採用的是NRZ,一種二進位的信號代碼,採用高、低兩種電位信號表示數位邏輯信號的1、0,每個週期可以傳輸1bit的訊號,如圖四所示。

NRZ訊號 圖四、NRZ訊號
  • PAM4(Pulse Amplitude Modulation) : 

PAM4是繼NRZ後的熱門訊號傳輸技術,目前廣泛應用在高速信號領域。PAM4訊號以4個不同的電位信號進行訊號傳輸,每個週期可以傳輸2bit的訊號,00、01、10、11,如圖五所示。

PAM4訊號 圖五、PAM4訊號

從視波器上的眼圖清楚的看出,在相同頻寬之下,PAM4傳輸相當於NRZ信號兩倍的信息量,因此而實現速率的倍增。

NRZ與PAM4眼圖(圖片來源 : Ethernet Alliance) 圖六、NRZ與PAM4眼圖(圖片來源 : Ethernet Alliance)

距離長度

因應不同的需求與使用場景會有不同的使用距離。電信網路 (Telecom Network) 的使用場景是城市與城市或是國家與國家,傳輸可能會長達幾百公里。資訊網路 (Datacom Network) 在機房內使用的傳輸長度則可能長達幾百公尺到幾十公里。

電信網路架構圖 圖五、電信網路架構圖
Telecom Network Telecom Network
Telecom Network
Datacom Network Datacom Network

波長

一般我們人類眼睛可見的光在390~760nm (毫微米),大於760nm是紅外光,小於390nm是紫外光。而在光通訊用的雷射,是指紅外光波長>850nm的人造光。

 

目前光纖中應用較多的是: 850nm、1310nm、1550nm 三種波長,隨距離應用有所分別。

  • 短距離 : VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) : 850nm
  • 中距離 : DML(Directly Modulated Laser) : 1301nm、1490nm、1550nm
  • 長距離 : EML(Electro-Absorption Modulated Laser ) : 1470nm、1610nm
光波長範圍圖 圖六、光波長範圍圖

伴隨者大數據時代的來,雲端計算、5G應用、物聯網,電動車等行業的發展,全球數據量和數據流量已出現了爆發式的增長,進而帶動光模組需求旺盛。這些高速的應用對於運算效能與超低延遲的要求愈來愈高。

 

高速傳輸需求除了刺激電信業者擴大升級設備,也在網路基礎設施中部署光纖網路,也促使所有雲端網路服務公司積極興建資料中心。同時,為了克服延遲挑戰,近期在邊緣端的部署也愈來愈普遍,代表光通訊的應用市場除了大型雲端機房,還會有許多邊緣雲端機房的商機。

 

6G(6th generation mobile network或6th generation wireless systems)時代即將形成,與5G相比,6G傳輸能力將有望提升100倍,理論下載速度可達每秒1TB,網絡延遲也有望從mS(毫秒)降到uS(微秒)級。

 

未來垂直行業的新模式新業態,包含移動蜂窩、衛星通信、可見光通信等多種網路接入方式,實現傳輸速率、端到端時延、可靠性等方面的大幅度提升,與人工智能技術深度融合,打造元宇宙。

移動通訊1G~6G的演進 表三、移動通訊1G~6G的演進

茂綸 (Macnica Galaxy) 所代理的瑞薩電子 (Renesas) 提供了光模組相關應用方案,包含微處理器(MCU),電源管理(PMIC),石英晶體震盪器(TXCO),雷射驅動器(LDD)與阻抗放大器(TIA)。

瑞薩電子光模組解決方案 圖七、瑞薩電子光模組解決方案

參考文獻

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