Повний гід з SFP трансиверів

Оптичний приймач, також відомий як SFP трансивер або оптичний модуль, - це невеликий компактний пристрій, який використовує оптоволоконну технологію для передачі та прийому даних. Він має електронні компоненти, які формують і кодують/декодують дані у світлові імпульси, а потім надсилають їх на інший кінець у вигляді електричних сигналів. Пропоную розібратися в різномаїтті їх видів та параметрів.

Слово «трансивер» поєднує в собі слова «передавач» і «приймач». Іншими словами, оптичний приймач зазвичай складається з оптичного передавача і оптичного приймача, які об'єднані в єдину схему або в єдиному корпусі.

Структура волоконно-оптичного приймача

1. Засувка
2. Оптичний приймач
3. Оптичний передавач
4. Корпус приймача
5. Етикетка
6. Пилозахисна заглушка
7. Пружина

 

 

Принцип дії оптичного модуля

Для надсилання даних у вигляді світла використовується джерело світла, наприклад, VSCEL, FP, DFB і EML лазер, який контролюється електронними компонентами, а для прийому світлових імпульсів, наприклад, Pin або APD, використовується напівпровідниковий фотодіод. Типовий SFP+ модуль складається з корпусу, PCBA, мікросхеми та оптичного TOSA+ROSA (іноді BOSA для приймача BiDi). Нижче наведено блок-схему роботи оптичного модуля. Давайте розберемо більш детально кожен компонент.

У лівій частині схеми показано пристрій, який застосовує оптичний модуль, наприклад, перемикач. Пристрій подає сигнал на оптичний модуль, який перетворює електричний сигнал в оптичний і надсилає його назовні. Прийом - це зворотний процес до надсилання.

1. TOSA (передавальний оптичний вузол)

TOSA є основним компонентом модуля оптичного передавача, основна функція якого полягає в перетворенні електричних сигналів в оптичні. Їх можна класифікувати на SC TOSA, LC TOSA, FC TOSA і ST TOSA залежно від типу адаптера. До складу TOSA входять такі елементи, як оптичний ізолятор, контрольний фотодіод, схема збудження LD, термістор, термоелектричний охолоджувач, схема автоматичного контролю температури (ATC) і схема автоматичного керування потужністю (APT).

Світловипромінювальний елемент (напівпровідниковий світлодіод або лазерний діод) є основою TOSA. Мікросхема LD, контрольний фотодіод та інші компоненти укладені в компактну структуру (коаксіальний корпус TO або корпус типу метелик), формуючи TOSA.

У TOSA найбільш часто використовуваним напівпровідниковим випромінювальним пристроєм для оптичних модулів є лазерний діод LD. У нього є два ключові параметри: пороговий струм (Ith) і диференціальний ККД (S). Для швидкого функціонування LD необхідно забезпечити його постійним струмом зміщення IBIAS, який трохи перевищує пороговий струм, так що лазер починає випромінювати, коли прямий струм перевищує пороговий.

Основою TOSA є оптичний лазер, який можна розділити на два типи:

• EEL (Edge Emitter Laser): відноситься до лазерів з крайовим випромінюванням з довжиною хвилі 1310 нм або 1550 нм.

• VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser): відноситься до вертикального лазера з поверхневим випромінюванням з довжиною хвилі 850 нм.

2. ROSA (Receiver Optical Sub Assembly - оптичний вузол приймача)

Основною функцією ROSA є перетворення оптичних сигналів в електричні. ROSA являє собою компонент, що приймає світло. Для оптичних модулів з високою швидкістю передачі даних фотодіоди PIN або ADP і TIA зазвичай збираються в герметичний металевий корпус, формуючи наші світлоприймальні компоненти.

Основний елемент ROSA, фотодетектор, використовується для перетворення оптичних сигналів в електронні за допомогою фотоелектричного ефекту. В оптичному зв'язку зазвичай застосовуються фотодіоди PIN і лавинні фотодіоди (APD). APD є високочутливим фотодетектором, який використовує ефект лавинного множення для збільшення фотоструму. Порівняно з PIN-фотодіодами, чутливість приймачів з APD може бути підвищена на 6-10 дБ.

3. LDD (Лазерний діодний драйвер)

LDD - це керуючий пристрій в оптичному модулі. Він може перетворити сигнал, що виходить з CDR, у відповідний сигнал модуляції, який змушує лазер випромінювати оптичний сигнал. Оскільки оптичний лазер сам по собі є чутливим до струму пристроєм, нам потрібен LDD для перетворення цифрового сигналу напруги в сигнал струму. Для різних типів лазерів потрібно вибирати різні типи мікросхем LDD. Зазвичай багатомодові оптичні модулі короткого діапазону, такі як 100G SR4, LDD і CDR, інтегровані на одній мікросхемі.

4. CDR (Синхронізація часу і даних)

CDR виконує дві основні ролі: перша - забезпечення тактового сигналу для кожного контуру приймача; друга - оцінка прийнятого сигналу, що зручно для відновлення сигналу даних і подальшої обробки. Найважливіша функція CDR - зробити так, щоб сигнал на приймальному кінці відповідав сигналу на передавальному кінці. Як правило, оптичні модулі, які будуть використовувати CDR, в основному є високошвидкісними та оптичними модулями на великі відстані, такими як 10G SFP+ ER або 10G SFP+ ZR.

Типи оптичних приймачів

Оптичні приймачі класифікуються на різні типи на основі різних методів і вимог. Але в більшості випадків ми класифікуємо їх на основі форм-факторів.

Класифікація за форм-факторами

За різними форм-факторами вони класифікуються на наступні типи:

• Трансивери 1×9: Як і в назві «1×9», найпомітнішою особливістю є один помітний ряд з 9 контактів. Більшість виробників перестали використовувати трансивери 1×9 і вибрали більш популярні типи, такі як SFP або SFP+.

• GBIC-трансивери: скорочення від Gigabit Interface Converter, вони мають форм-фактор з можливістю гарячого підключення, але через значні розміри їх можна знайти лише на застарілих комутаторах або пристроях.

• SFF-трансивери - скорочення від Small Form Factor (малий форм-фактор). Зазвичай вони мають 2×5 або 2×7 контактів, але вони менші, ніж трансивери 1×9. Зверніть увагу, що SFF не підтримує гаряче підключення.

• SFP (mini-GBIC) трансивери: скорочення від small form pluggable, найуспішніший форм-фактор на сьогоднішній день. Тому це найпопулярніший тип в індустрії трансиверів. Більшість пізніших трансиверів розроблені на їхній основі і вдосконалені до більш швидкісних і компактних варіантів.

• Трансивери SFP+: Ці вдосконалені SFP підтримують більш високі швидкості, такі як 8G і 10G. У більшості випадків користувачі можуть називати їх 10G SFP+.

У порівнянні з модулем SFP, модуль SFP+ підтримує вищу швидкість - 8 Гбіт/с, 10 Гбіт/с і 16 Гбіт/с. Крім того, він також має необхідний вбудований DDM/DOM (цифровий оптичний монітор) відповідно до стандарту SFF-8472. На відміну від нього, модуль SFP не має цієї функції.

• Трансивери XFP: Це розшифровується як 10-гігабітний трансивер малого форм-фактора, що підключається, а «X» в цьому слові означає 10G. Він був недовго відомим, перш ніж його швидко замінили на SFP+ через його недоліки, такі як значний форм-фактор і високе енергоспоживання.

• Трансивери SFP28: Це вдосконалена версія SFP+, яка підтримує швидкість від 25 до 28 Гбіт/с. В основному використовується в 25G Ethernet CPRI і центрах обробки даних.

• Трансивери QSFP: Скорочення від quad small form pluggable, вони забезпечують 4-смуговий сигнал для комбінованої швидкості 40 Гбіт/с.

• QSFP28: Створені на основі дизайну QSFP, ці трансивери можуть підтримувати швидкості 4x25G або 4x28G, що робить їх універсальними і потужними інструментами в сучасних додатках центрів обробки даних.

• CFP трансивери: Ці трансивери, визначені в CFP MSA, підтримують швидкість 40G/100G і мають розміри 82 мм × 13,6 мм × 144,8 мм.

• CFP2 Подібні до CFP, але мають менші розміри (41,5 мм × 12,4 мм × 107,5 мм) і менше енергоспоживання.

• CFP4 випускається на основі CFP2 для більшої щільності та меншого енергоспоживання; стандартний розмір 21,5 мм × 9,5 мм × 92 мм.

• CXP - це 120 Гбіт/с 12-кратний модуль малого форм-фактору, що підключається; завдяки підтримці 12x10G смуг він досягає загальної швидкості 120 Гбіт/с.

• CSFP: Це компактні пристрої з малим форм-фактором, що підключаються, які мають два BOSA в розмірі SFP і забезпечують подвійну пропускну здатність при певній щільності портів.

Доступно ще багато різних форм-факторів трансиверів, наприклад QSFP56, QSFP-DD, OSFP, CDFP, X2, XENPAK, XPAK, SFP56, SFP56-DD, COBO тощо, але багато з них з мало затребувані і з часом потребують оновлення. Наприклад, більшість виробників перестали постачати комутатори з портами Xpak, X2 і XENPAK замість більш поширених портів SFP+ і QSFP. Отже, знайти постачальника, який все ще пропонує ці трансивери, може бути непросто.

Оскільки наша залежність від інтернету зростає, зростає і потреба в надійних, високошвидкісних з'єднаннях. Це призвело до значного збільшення кількості оптоволоконних кабелів, які базуються на високошвидкісних оптичних приймачах. Як результат, нові форм-фактори, такі як SFP+, QSFP+, QSFP28 і QSFP-DD, набувають все більшої популярності і домінують на ринку.

Класифікація за швидкістю передачі трансивера

Швидкість передачі - це кількість бітів, що передаються в секунду. Одиницею вимірювання швидкості передачі є Мбіт/с (мегабіт в секунду) або Гбіт/с (гігабіт в секунду). Залежно від швидкості передачі, оптоволоконні приймачі поділяються на наступні типи:

• 100BASE SFP: Зазвичай позначає швидкість 100 Мбіт/с і 155 Мбіт/с. Більшість пристроїв було модернізовано до швидкості 1G або вище. Тому дуже мало постачальників все ще пропонують цей тип.

• 622M SFP: Спеціальний для обладнання SDH/SONET. Подібно до вищезгаданого типу, мало хто з виробників пропонує цей тип.

• 1000BASE SFP: Також відомий як 1G або Gigabit, це найпопулярніший трансивер в передачі даних і має найбільший вибір постачальників.

• 2G SFP: включає волоконний канал 2G і швидкість 2,5G, підходить для 2х FC SAN комутаторів і пристроїв SDH/SONET.

• 3G SFP: Включає швидкість 2,97G і 3,07G, підходить для передачі відео, CPRI (Common Public Radio Interface), OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative)

• 4G SFP: швидкість 4.25G, підходить для 4x FC SAN-комутатора

• 6G SFP: швидкість 6,14 Гбіт/с, підходить для додатків CPRI (Common Public Radio Interface) або OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative)

• 8G SFP: швидкість 8,5 Гбіт/с, підходить для 8x FC SAN-комутаторів

Класифікація за типами волокон

Оптичні волокна поділяються на одномодові (SMF) і багатомодові (MMF). Як наслідок, оптичні приймачі також поділяються на одномодові та багатомодові для роботи з різними оптичними волокнами.

• Одномодові приймачі зазвичай мають відстань передачі від 10 км до 160 км. Вони працюють на типовій центральній довжині хвилі 1310 нм, 1490 нм або 1550 нм в одномодовому волокні. Тому вони підходять для передачі даних на великі відстані або з великою пропускною здатністю.

• Багатомодові приймачі використовуються для коротших відстаней передачі від 0,5 км до 2 км. Вони працюють на типовій центральній довжині хвилі 850 нм по багатомодовому волокну, що робить їх придатними для недорогої передачі на короткі відстані.

Класифікація трансиверів за застосуванням

• Звичайний SFP: Найчастіше це передавач з дуплексним волокном. Якщо не вказано, коли хтось говорить про SFP-модуль, це відноситься до цього типу.

• CWDM SFP: Підтримка передачі CWDM для поліпшення пропускної здатності в одному волокні.

• DWDM SFP: підтримує передачу DWDM для максимізації пропускної здатності при збереженні волоконного кабелю

• BiDi SFP: двонаправлений трансивер для передачі і прийому в симплексному волокні.

• SDH/SONET SFP: основна швидкість, включаючи 155 Мбіт/с, 622 Мбіт/с і 2,5 Гбіт/с, підходить для платформи SDH/SONET.

• Fiber Channel SFP: охоплює швидкість 1G, 2G, 4G і 8G, в основному використовується в мережі зберігання даних.

• Video SFP: Підтримка HD-SDI/3G-SDI/6G-SDI/12G-SDI, орієнтована на ринок передачі відео.

• PON SFP: включає GPON і EPON, стандарти для пасивних оптичних мереж, в основному для застосування FTTX.

• Кабель SFP: Це прямий кабель з роз'ємом SFP на двох кінцях, дешеве рішення для дуже короткої довжини.

За типом роз'єму

• LC SFP. LC є роз'ємом за замовчуванням для більшості SFP трансиверів

• SC SFP: деякі приймачі мають роз'єми SC, але це вкрай рідкий екземпляр.

• RJ45 SFP. Цей трансивер має гніздовий роз'єм RJ45 для підключення мережевого кабелю.

За відстанню SFP поділяють

• SFP T включає 100BASE-T, 1000BASE-T, 2,5GBASE-T, 5GBASE-T, типова відстань 100 м по кабелю Cat5.

• SFP SX означає короткий радіус дії. Визначено в стандарті IEEE 802.3z; 1000base-SX досягає 550 м по багатомодовому волокну. Типова довжина хвилі 850 нм.

• SFP LX означає розширений радіус дії. Він визначений в IEEE 802.3z, 1000BASE-LX досягає 10 км по одномодовому волокну. Типова довжина хвилі 1310 нм.

• SFP EX теж має розширений радіус дії. Визначено в стандарті IEEE 802.3z. 1000BASE-EX досягає 40 км по одномодовому волокну. Типова довжина хвилі 1310 нм.

• SFP ZX. Визначений в IEEE 802.3z, 1000BASE-ZX досягає 70 км (або 80 км) по одномодовому волокну.

• SFP EZX не є стандартним типом, але визначається деякими виробниками і приймається більшістю клієнтів. «E» розшифровується як Extend, що означає, що це розширений трансивер з великим радіусом дії. З довжиною хвилі 1550 нм максимальна відстань може досягати 120 км або навіть 160 км.

• SFP BX відноситься до двонаправленого (BiDi) SFP-трансивера. Типова відстань передачі може становити від 10 км до 80 км. Він використовує технологію WDM для передачі двох довжин хвиль по одному волокну. BX зазвичай містить BX-U (висхідний потік) і BX-D (низхідний потік), і кожен напрямок використовує протилежну довжину хвилі.

Основні параметри оптичного приймача

• Швидкість передачі даних: кількість бітів, що передаються в секунду.

• Відстань передачі: максимальна відстань, на яку можуть передаватися оптичні сигнали. Оптичні сигнали, надіслані від різних типів джерел, можуть передаватися на різні відстані через негативні ефекти оптичних волокон, такі як дисперсія та загасання. Вибирайте оптичні модулі та волокна при підключенні оптичних інтерфейсів, виходячи з максимальної відстані передачі сигналу.

• Довжина хвилі являє собою діапазон хвиль для передачі оптичного сигналу. В даний час існує в основному три основних довжини хвиль для стандартних оптоволоконних приймально-передавальних модулів: 850 нм, 1310 нм і 1550 нм, відповідно, що представляють три діапазони хвиль.

• Оптична потужність передачі: вихідна оптична потужність оптичного приймача, коли він працює належним чином. При з'єднанні двох оптичних приймачів оптична потужність передачі на одному кінці повинна бути в межах діапазону оптичної потужності прийому на іншому кінці.

• Чутливість прийому: потужність, при якій приймач волоконно-оптичного трансивера може приймати оптичні сигнали в межах діапазону коефіцієнта бітових помилок (BER = 10-12), в дБм.

• Тип волокна. Параметри оптичних волокон визначаються на основі діаметру серцевини і особливостей конструкції оптичних волокон. Оптичні волокна поділяються на одномодові (SMF) та багатомодові (MMF). Багатомодові волокна мають великий діаметр серцевини і можуть передавати світло в декількох режимах. Однак міжмодова дисперсія більша, тому вони використовуються для передачі оптичних сигналів на короткі відстані. Одномодові волокна (SMF) мають невеликий розмір серцевини і можуть передавати світло тільки в одному режимі з невеликою дисперсією, тому вони можуть передавати оптичні сигнали на великі відстані.

• Тип роз'єму. Це про інтерфейс на оптичному приймачі для підключення оптоволокна. Найпоширеніші типи роз'ємів: роз'єм LC (застосовується до приймачів QSFP, SFP, SFP+, SFF і XFP), роз'єм SC (застосовується до приймачів BIDI SFP, GBIC, X2, XENPAK і 1×9), роз'єм ST і FC (застосовується до приймачів 1×9) і роз'єм MPO (застосовується до модулів QSFP+, SR4 і CXP).

• Коефіцієнт згасання: мінімальне відношення середньої оптичної потужності з переданими сигналами до середньої оптичної потужності без сигналів, що передаються в режимі повної модуляції. Коефіцієнт згасання вказує на здатність оптичного модуля ідентифікувати сигнал 0 і сигнал 1. Цей параметр є показником якості для волоконно-оптичних приймачів.

Порт SFP vs XFP vs QSFP28, в чому різниця?

Порт SFP - це найпоширеніший спосіб підключення. Однак ми також можемо називати високошвидкісний порт SFP як порт SFP+, наприклад, зі швидкістю передачі даних 8 Гбіт/с, 10 Гбіт/с і 16 Гбіт/с.

Порт SFP28 підтримує швидкість передачі даних 25 Гбіт/с, але має такий самий вигляд і розміри, як і порт SFP. Іноді він сумісний з портом SFP+ і підтримує швидкість 10 Гбіт/с; це залежить від налаштувань виробника комутатора.

Порт XFP - це фізичний слот, який приймає плагіни модулів XFP. Він призначений лише для трансиверів XFP 8G і 10G, але не підтримує інші швидкості.

Порт QSFP28 призначений в першу чергу для набагато вищої швидкості 100 Гбіт/с. На відміну від порту SFP, він підтримує більш високошвидкісні трансивери і має більший розмір і більше контактів на роз'ємі.

Іншими словами, порти SFP, SFP+ і SFP28 мають однаковий розмір і відносяться до одного і того ж, за винятком швидкості підтримки. Порт QSFP28 буває різних типів і підходить для комутаторів центрів обробки даних на 100 Гбіт/с.

Порт SFP vs RJ45

У реальному світі деякі мережеві комутатори мають як порти RJ45, так і порти SFP з однаковою швидкістю. Оскільки вони мають однакові функції, в чому переваги порту SFP? У чому їхня фактична різниця?

Порт RJ45 підтримує лише мідний мережевий кабель, забезпечуючи мінімальну відстань з'єднання. Максимальна довжина лінії зі швидкістю 1 Гбіт/с по кабелю Cat5 становить близько 100 метрів. Цього недостатньо для підключення до комутатора для більш довгого з'єднання. Однак ви можете досягти десятків кілометрів або навіть 160 ~ 180 км по одномодовому волокну. Це і є реальна різниця в продуктивності.

Крім різних підтримуваних відстаней, SFP також дозволяє уникнути електричних перешкод та ізоляції від перенапруги, знизити енергоспоживання та загальну вартість.

Як правильно вибрати відповідний SFP модуль

1. Перевірте швидкість, яку підтримує порт вашого комутатора (або іншого мережевого пристрою), і підберіть відповідний SFP+.

2. Дізнайтеся, які типи мережевих кабелів використовуються у вашій мережі. Якщо у вас багатомодова оптоволоконна кабельна структура, обирайте багатомодовий SFP. Одномодовий трансивер - єдиний вибір, якщо у вас одномодовий оптоволоконний кабель.

3. Розрахуйте цільову відстань лінії зв'язку та бюджет лінії зв'язку. Але пам'ятайте, що потрібно обирати модулі, які підтримують більші відстані передачі, ніж очікується. В іншому випадку неякісний оптоволоконний кабель або брудна торцева поверхня волокна можуть призвести до збою з'єднання.

4. Враховуйте робочу температуру і умови експлуатації. Для типового внутрішнього середовища достатньо використовувати SFP трансивер комерційного класу. У суворих зовнішніх умовах слід використовувати промисловий трансивер.

5. Не забудьте перевірити сумісність з постачальником перед замовленням. Оскільки комутатор не визначить несумісний трансивер, ви даремно витратите гроші і час. Тому завжди використовуйте відомий сумісний трансивер.

Сподіваюся, вам сподобався мій посібник з SFP. Тепер ви знаєте їх позначення і різні типи.

Щиро Ваш, Небилович Сергій, директор магазину мережевого обладнання EServer.