Optískar einingar virka í sendibúnaði
Nov 04, 2025|
Ljóseiningar í sendibúnaði umbreyta rafmerkjum í ljósmerki fyrir gagnaflutning um ljósleiðara og breyta þeim síðan aftur í rafmerki við móttökuenda. Þessir heitu-tengjanlegu senditæki sjá um tvíátta samskipti í gegnum sérhæfða innri hluti sem kallast TOSA og ROSA.
Kjarnaarkitektúr ljóseininga
Á vélbúnaðarstigi innihalda sjóneiningar þrjú helstu undirkerfi sem vinna saman. Optical sub-sendarsamstæðan (TOSA) hýsir leysidíóða sem myndar mótaða ljóspúlsa sem samsvara tvöföldum gögnum. Optíski undir-viðtakasamstæðan (ROSA) inniheldur ljósnema sem breytir innkomnum ljósmerkjum aftur í rafstraum. Á milli þessara samsetninga situr PCBA hringrásarborðið, sem stjórnar merkjavinnslu, tímasetningu og sjálfvirkri aflstýringu.
Leisardíóðan inni í TOSA starfar samkvæmt þröskuldsreglu-hún gefur frá sér aðeins ljós þegar framstraumur fer yfir ákveðið þröskuldsgildi (Ith). Nútíma einingar nota dreifða endurgjöf leysidíóða (DFB-LD) frekar en eldri Fabry-Pérot gerðir vegna þess að DFB leysir framleiða þröngt bylgjulengdarróf, venjulega með miðju við 1310nm fyrir andstreymis eða 1490nm fyrir niðurstreymissending. Sjálfvirk aflstýringarrás fylgist með úttakinu í gegnum ljósdíóða og stillir drifstrauminn til að viðhalda stöðugu ljósafli, venjulega mælt í dBm.
Á móttökuhliðinni notar ROSA annaðhvort PIN ljósdíóða eða snjóflóðaljósdíóða (APD) pöruð við transimpedance magnara (TIA). PIN-díóður virka á lægri spennu og kosta minna, sem gerir þær hentugar fyrir stutta-fjarlægð. APD móttakarar mynda fleiri rafeindir á hverja ljóseind og ná hærri næmni-lágmarks ljósafli sem þarf til að viðhalda viðunandi bitavilluhlutfalli. TIA breytir veika ljósstraumnum strax í spennumerki, sem síðari magnaraþrep endurmóta og jafna áður en þau fara í netbúnað.
Merkjabreytingarkerfi
Ljósmyndunarferlið gerist á nanósekúndum. Þegar netbúnaður sendir rafmagnsgögn til einingarinnar vinnur ökumannskubbur PCBA merkið og mótar leysidíóðuna á hraða frá 1,25 Gbps til 800 Gbps, allt eftir forskriftum einingarinnar. Lasarinn breytir spennusveiflum í hraðvirka-slökkva ljóspúlsa-hátt merkjastig táknar tvöfalda 1, lágt gildi táknar 0 í hefðbundinni NRZ kóðun.
Þessir ljóspúlsar fara í gegnum ljósleiðarann með lágmarksdeyfingu vegna brotseiginleika glerkjarna. Einn-trefjar sem starfa við 1550nm bylgjulengd verða fyrir minnstu tapinu, um 0,2 dB á kílómetra, sem gerir merkjum kleift að ferðast 40-80 km án mögnunar. Multimode trefjar á 850nm bylgjulengd styðja meiri bandbreidd yfir styttri vegalengdir, venjulega 100-300 metra, vegna þess að breiðari kjarni hans leyfir margar ljósleiðir sem að lokum valda mótaldreifingu.
Á áfangastað fangar ljósnemar ROSA ljóseindir og losar rafeindir í réttu hlutfalli við ljósafl sem berast. Næmniforskriftin-gefin upp sem neikvætt dBm gildi eins og -18dBm- gefur til kynna hversu veikt merki móttakandinn getur enn afkóða. Betra næmi gerir lengri sendingarvegalengdir. Eftir umbreytingu á ljósstraumi bera ákvörðunarrásir saman spennustig við viðmiðunarmörk til að endurskapa hrein stafræn merki og bæta upp fyrir hávaða sem safnast upp við sendingu.
Bylgjulengdardeild margföldun
Nútíma ljóseiningar margfalda trefjagetu með bylgjulengdardeilingu margföldun (WDM), þar sem margar gagnarásir lifa saman á mismunandi ljóstíðni. Grófar WDM (CWDM) einingar geyma rásir með 20nm millibili yfir 1270-1610nm litrófið, sem styðja 8-18 bylgjulengdir á hvern trefja. Þéttar WDM (DWDM) einingar pakka rásum með aðeins 0,4-0,8nm á milli í C-bandinu (1530-1565nm), sem gerir 40-96 rásir kleift á einum streng.
BiDi (tvíátta) einingar tákna glæsilega beitingu WDM meginreglna. Með því að nota mismunandi bylgjulengdir fyrir sendingar og móttökuaðgerðir -almennt 1310nm/1550nm eða 1270nm/1330nm pör-ná BiDi einingar fullum-tvíhliða samskiptum yfir einn trefjar í stað tveggja. Innri WDM síur aðskilja bylgjulengdirnar: 45-gráða tvílitsía endurspeglar sendingarbylgjulengdina í átt að trefjunum á meðan móttökubylgjulengdin fer í ljósnemann. Þessi BOSA (Bi-Bi-directional Optical Sub-Assembly) hönnun dregur úr kostnaði við trefjainnviði um helming, sérstaklega dýrmætt fyrir ljósleiðara-til-heima.
Optíski margfaldarinn á sendiendanum sameinar margar bylgjulengdarrásir með því að nota þunnar-filmusíur eða bylgjuleiðaragrind. Í móttökuendanum skiptir demultiplexer samsettu merkinu aftur í einstakar bylgjulengdir og beinir hverri til sérstakrar ljósnema. Þessi arkitektúr skalar bandbreidd án þess að þurfa viðbótar trefjar keyrir -100G QSFP28 eining sendir í raun fjórar 25G rásir samhliða, annað hvort yfir fjórar aðskildar trefjar eða fjórar bylgjulengdir á einum trefjum.
Formþættir og viðmótsstaðlar
Líkamlegar umbúðir ákvarða hvernig einingar tengjast flutningsbúnaði. Small Form-factor Pluggable (SFP) staðallinn, þróaður í gegnum fjöl-uppspretta samninga, mælist um það bil 13 mm × 8,5 mm og styður hraða frá 100 Mbps til 10 Gbps. SFP28 einingar nota sömu stærðir en höndla 25 Gbps með bættri rafeindatækni og ljósfræði. Þessar einingar stinga í-framhlið með LC trefja tengjum, sem gerir kleift að skipta um heitt-án þess að slökkva á hýsilbúnaðinum.
Fyrir meiri hraða veita QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) umbúðir fjórar sjálfstæðar rásir í aðeins stærra fótspor. QSFP+ sér um 40G um 4×10G brautir, en QSFP28 nær 100G með 4×25G brautum. QSFP-DD (Double Density) staðallinn tvöfaldar rafmagnsbrautirnar í átta og styður 400G með 8×50G PAM4 merkjum. Hver kynslóð heldur afturábak samhæfni í sömu fals, þó á lægri hraða.
CFP (Centum form-factor Pluggable) einingar miða á langlínu-fjarskipti frekar en gagnaver. Upprunalega CFP styður 100G með 10×10G rafmagnsbrautum, en síðar CFP2 og CFP4 afbrigði minnka pakkann í helming og fjórðung stærð í sömu röð. OSFP (Octal Small Form-factor Pluggable) kom fram fyrir 400G-800G forrit sem krefjast meira aflloftrýmis en QSFP-DD veitir, sérstaklega fyrir kísilljóseindaútfærslur.
Rafmagnsviðmótið milli einingarinnar og hýsingarborðsins þróaðist frá einföldum NRZ merkjum yfir í flóknar samskiptareglur. Common Electrical Interface (CEI) forskriftir skilgreina rafmagnsbreytur eins og spennusveiflu, viðnám og jitterþol. Nútíma 400G einingar nota PAM4 (4-stigs púls amplitude modulation) kóðun, þar sem hvert tákn ber 2 bita í stað 1, tvöfaldar afköst án þess að auka flutningshraða. Raftengingin notar venjulega háhraða raðbrautir á 25 Gbps eða 50 Gbps, sem passa við hýsilrofa ASIC getu.
Samþætting flutningsbúnaðar
Optískar einingar búa á mörgum stöðum innan flutningsneta. Í efstu-þætti-rakkarofa í gagnaverum, tengja 25G SFP28 einingar þjóna til að skipta um efni, sjá um austur-vestur umferð á milli reiknihnúta. Í hrygglaginu safna 100G QSFP28 eða 400G QSFP-DD einingar saman upptengla. Fyrir samtengingu gagnavera sem spannar 2-80 km, nota samfelldar innstungnar einingar eins og 400ZR háþróað mótunarkerfi og stafræna merkjavinnslu til að hámarka trefjagetu.
Fjarskiptabúnaður notar sjónrænar einingar yfir aðgangs-, neðanjarðarlestar- og langlínuhluta-. Í 5G fronthaul netkerfum tengja 25G CWDM einingar fjarútvarpseiningar við dreifðar einingalaugar, sem oft starfa í erfiðu umhverfi utandyra með lengri hitastig (-40 gráður til +85 gráður). Metro netkerfi nota DWDM einingar til að búa til sveigjanlega sjónræna möskva, þar sem endurstillanlegir -drop multiplexers (ROADM) leiða bylgjulengdir á virkan hátt miðað við umferðarþörf. Langdrægt-kerfi sameina samræmdar einingar með miklum krafti og ljósmagnara sem eru á 80-100 km fresti til að vinna bug á trefjatapi.
Líkamleg uppsetning krefst vandlegrar athygli á fjárveitingum fyrir ljósafl. Hver tengipunktur-trefjasplæsingar, plásturspjöld, tengi-kynnir innsetningartapi, venjulega 0,3-0,5 dB. Útreikningur á kostnaðarhámarki tengils dregur allt tap frá sendingarafli til að sannreyna að móttekið afl fari yfir næmni með nægilegum mörkum, venjulega 3-5 dB. Ef farið er yfir ofhleðsluforskrift móttakarans - hámarks ljósafl fyrir mettun - getur valdið bitavillum, þannig að breytileg sjóndeyfing gæti verið nauðsynleg á stuttum hlekkjum með öflugum sendum.
Háþróuð mótunartækni
Til að ýta yfir 100G á hverja bylgjulengd, tóku sjónrænar einingar upp háþróuð mótunarsnið. Hefðbundin á-slökkt lykla (OOK) kóðar gögn sem ljós viðveru eða fjarveru. Differential phase-shift keying (DPSK) kóðar upplýsingar í ljósfasa, krefst truflunargreiningar en býður upp á 3 dB betri næmni. Quadrature phase-shift keying (QPSK) notar fjögur fasaástand til að bera 2 bita á hvert tákn.
Samræmd uppgötvun gjörbylti langdrægni-flutningi með því að greina bæði amplitude og fasa ljóssviðsins. Staðbundinn sveifluleysir blandast við mótteknu merkinu og jafnvægisljósnemar draga út í-fasa og ferningshluti. Stafrænir merki örgjörvar beita síðan jöfnunarreikniritum til að vega upp á móti litadreifingu og dreifingu skautunarhams sem safnast hefur yfir hundruð kílómetra. Nútíma 400G samfelldar einingar nota 16QAM eða 64QAM mótun, pakka 4-6 bitum á hvert tákn yfir tvöfalda skautun.
Stökkið í 800G og 1,6 Tbps einingar árið 2024-2025 sameinar margar framfarir. Samþætting kísilljóseinda dregur úr fjölda íhluta með því að búa til leysira, mótara og skynjara á einni flís. Línuleg tengjanleg ljósfræði (LPO) fjarlægir afl-þunga DSP endurtímatíma frá stutta-einingum og dregur úr neyslu úr 15W í 6W. Sampakkað ljósfræði (CPO) setur sjónvélar beint ofan á rofa ASIC, útrýma rafmagns SerDes flöskuhálsum. Fyrstu 1.6T einingar sem koma inn í framleiðslu nota 8×200G brautir með 106 Gbps PAM4 rafmerkjum.
Frammistöðuforskriftir og prófun
Einingagagnablöð tilgreina nokkrar mikilvægar breytur. Optískt úttak, mælt í dBm eða mW, gefur til kynna sendingarstyrk-dæmigert gildi á bilinu -10dBm til +4dBm, allt eftir kröfum um ná. Útrýmingarhlutfall ber saman sjónaflsmuninn á milli tvíundar 1 og 0 ástands; hlutföll yfir 8,5 dB tryggja skýra aðgreiningu merkja. Móttökunæmi skilgreinir lágmarksinntaksafl fyrir tiltekið bitavilluhlutfall, venjulega 1×10⁻¹² villur á bita.
Rekstrarbylgjulengdarnákvæmni skiptir máli í WDM kerfum þar sem rásir verða að samræmast innan ±0,1nm frá miðjutíðni. Krómatísk dreifingarþol-mælt í ps/nm-vísar til hversu mikið bylgjulengd-háð seinkun breytileiki einingin þolir áður en villur eiga sér stað. Multimode einingar tilgreina lágmarkskröfur um skilvirka módelbreidd, gefnar í MHz·km, sem takmarkar hámarks sendingarfjarlægð miðað við gerð trefja (OM3, OM4, OM5).
Stöðugleiki hitastigs hefur áhrif á bylgjulengd leysir og framleiðsla. Einingum í viðskiptalegum-gráðu starfa 0 gráður til +70 gráður, en iðnaðarafbrigði höndla -40 gráður til +85 gráður. Hita rafmagnskælarar viðhalda leysihitastigi í stýrðum-bylgjulengdareiningum, eyða 1-3W en tryggja að bylgjulengdarrek haldist undir 0,01nm/gráðu. Stafræn greiningarvöktun (DDM) veitir rauntíma-fjarmælingu í gegnum I2C tengihitastig, spennu, hlutstraum, sendingarorku og móttökuafl sem gerir forspárviðhald kleift.
Markaðsþróun og framtíðarstefnur
Markaðurinn fyrir sjónræna senditæki náði 13,6 milljörðum dala árið 2024 og spáir í 25 milljarða dala árið 2029, aðallega knúinn áfram af uppbyggingum gervigreindargagnavera. Yfir 20 milljónir 400G og 800G eininga voru sendar árið 2024, þar sem búist er við að 800G sendingar muni aukast um 60% árið 2025 þar sem ofskalarar nota þessa ljósfræði fyrir GPU samtengingar. Stærri-hlutinn en 400 Gbps vex við 16,3% CAGR þar sem gervigreindarþjálfunarklasar krefjast áður óþekktra bandbreiddarþéttleika.
Gagnaver standa fyrir 61% af tekjum ljóseininga árið 2024 og stækka um 14,9% CAGR til 2030. Breytingin úr 100G í 400G tenglum hraðaði á árunum 2023-2024 og 800G dreifing hófst fyrir alvöru hjá Google, Amazon og Microsoft. Fyrstu 1,6 Tbps einingarnar fóru í vettvangstilraunir seint á árinu 2024 og miðuðu að markaðsútgáfu í H2 2025 á upphafsverði um $2.000, og lækkuðu í um það bil $1.500 sem framleiðsluskala.
Kísilljóseindaeiningar náðu u.þ.b. 10% af 800G markaðnum í H2 2024, með skarpskyggnispá um 20-30% árið 2025. Þessi tækni tekur á leysiframboðsþvingunum fyrir EML og VCSEL íhluti sem þarf í hefðbundnum einingum. Sam-ljóstækni er enn í þróun, þar sem Nvidia er í samstarfi um CPO lausnir sem miða að upphaflegu magni framleiðslu fyrir árið 2026. Línuleg stinga ljóstækni náði gripi árið 2024 fyrir afl{10}}þvingaða dreifingu, þó langtímasendingaráskoranir séu viðvarandi.
5G útrásin knýr eftirspurn eftir fjarskiptaeiningum, með 25G SFP28 CWDM senditækjum sem eru notaðir í útiskápum sem standa frammi fyrir miklum hitaskilyrðum. Tekjur fronthaul ljóstækja námu um 630 milljónum dala árið 2025, með 10 milljónum 50G PAM4 miðlægra tækja send. Rekstraraðilar flytja frá punkta-til-punkta bakhals yfir í x-Haul mesh arkitektúr með 10G til 100G iðnaðar-einingum sem uppfylla stranga leynd samninga.
Algengar spurningar
Hver er munurinn á stakri-stillingu og fjölstillingu ljóseiningum?
Einfaldar-stillingar virka á 1310nm eða 1550nm bylgjulengdum yfir 9μm kjarnatrefjum og styðja vegalengdir frá 2km til 80km eða meira. Multimode einingar nota 850nm bylgjulengd yfir 50μm eða 62,5μm kjarna trefjar, takmörkuð við 100-550 metrar eftir bandbreidd. Einstök-stilling býður upp á lengri seil en kostar meira; multimode veitir lægri kostnað fyrir stuttar vegalengdir eins og tengingar innan rekki.
Geta mismunandi hraðaeiningar virkað í sama skiptitengi?
Gáttir sem eru hannaðar fyrir -meiri hraðaeiningar samþykkja oft hægari afbrigði við minni afköst. 25G SFP28 tengi getur venjulega keyrt 10G SFP+ mát á 10G hraða og SFP+ tengi taka við 1G SFP einingum. Hins vegar virkar hið gagnstæða ekki-þú getur ekki tengt 25G einingu í 10G-eingöngu tengi. Báðir endar trefjatengingar verða að passa við hraða- og bylgjulengdarforskriftir.
Af hverju hafa sjóneiningar mismunandi bylgjulengdir?
Bylgjulengdarval kemur í veg fyrir fjarlægð, kostnað og trefjaeiginleika. 850nm bylgjulengdin virkar vel með -hagkvæmum VCSEL leysum fyrir stutta fjölstillingartengla. 1310nm bylgjulengdin býður upp á lágmarksdreifingu í stakri-stillingu trefjum fyrir neðanjarðarlestir. 1550nm bylgjulengdin nær lægsta dempunarpunkti í trefjum, sem gerir langdrægni-möguleika kleift. WDM kerfi nota nákvæmt bylgjulengdarbil til að margfalda margar rásir á einum trefjum.
Hvernig hefur hitastig áhrif á frammistöðu sjóneiningar?
Bylgjulengd leysis svífur um það bil 0,1nm fyrir hverja 10 gráðu hitabreytingu án virkrar kælingar. Úttaksafl er 3-5% á vinnsluhitasviðinu. Næmi móttakara minnkar lítillega við öfgar hitastig. Auglýsingaeiningar tilgreina 0-70 gráðu virkni; iðnaðareiningar ná til -40 gráður til +85 gráður með því að nota varmaorkukælara og íhluti með víðtækari umburðarlyndi. Stafræn greining rekur rauntíma hitastig til að spá fyrir um bilanir áður en þær eiga sér stað.
Helstu veitingar
Optískar einingar framkvæma ljósrafmagnsbreytingar í gegnum TOSA senda sem nota leysidíóða og ROSA móttakara sem nota ljósnema
Margar bylgjulengdir geta deilt einum trefjum með CWDM eða DWDM tækni, með BiDi einingum sem gera tvíátta samskipti á einum streng
Formþættir frá SFP til QSFP-DD styðja hraða frá 1G til 800G, með 1,6T einingar sem fara í framleiðslu árið 2025
Markaðurinn náði 13,6 milljörðum dala árið 2024, knúinn áfram af gervigreindarmiðstöðvum sem nota 400G og 800G einingar í áður óþekktum mælikvarða
Kísilljóseindatækni og sam-pakkað ljósfræði tákna næstu þróun, sem bætir orkunýtni og samþættingarþéttleika
Gagnaheimildir
Cignal AI Optical Components Report - janúar 2025 (cignal.ai)
Mordor Intelligence Optical Transceiver Market Report - júní 2025 (mordorintelligence.com)
Rannsókn á hugrænum markaðsrannsóknum á ljóseiningum - september 2024 (cognitivemarketresearch.com)
Yole Group Optical Transceivers for Datacom Report - maí 2024 (yolegroup.com)
IEEE 802.3 Optical Components Uppfærsla - október 2024 (ieee802.org)