Оптический сетевой трансивер. Оптические модули

"СКЕО" посталяет трансиверы всех доступных типов, распространенные модули поддерживаются в наличии на складе компании. Линейка оптических модулей SKEO предназначена для установки на ответственные участки сети связи, модули обладают гарантированными стабильными характеристиками, гарантия на эту серию составляет 5 лет. Эти трансиверы могут заменить дорогостоящие модули, которые предлагаются вендорами.

Выбор оптических модулей SKEO оптимален для применения в стандартных сетях операторов связи, в которых высоко ценится экономическая эффективность оборудования.

Оптические трансиверы (transceiver, transmitter – передатчик и receiver – приемник) являются сменными модулями для телекоммуникационного оборудования. Задача оптического трансивера заключается в преобразовании электрического сигнала в оптический.

Использование оптических трансиверов

Оптические трансиверы пришли на смену встроенным в оборудование приемопередатчикам. Минусы встроенных передатчиков заключались в невозможности изменения среды передачи данных и сложности технического обслуживания в сетевого устройства в случае выхода из строя.

Оборудование со сменными оптическими трансиверами поддерживает несколько сред передачи данных (одномодовое или многомодовое волокно, медная витая пара и пр.) и могут быть легко заменены в случае поломки. В случае передачи данных по одномодовым оптическим волокнам, протяженность линии может достигать 200 км без регенерации и усиления (для 155 Мбит).

Различные форм-факторы трансиверов

Оптические трансиверы имеют несколько форм-факторов, которые определяются организацией SFF Committee (Small Form Factor Committee), в рабочие группы которой входят ведущие производители телекоммуникационого оборудования. Наиболее распространенные форм-факторы оптических трансиверов это GBIC, SFP, SFP+, X2, XENPAK, XFP, CFP, qSFP. Данные трансиверы поддерживают различные протоколы и скорости передачи данных от 100 Мбит/с до 100 ГБит/с.

Параметры трансиверов могут сильно отличаться, но для наиболее распространенных видов модулей справедлива следующая классификация:

  • GBIC и SFP 155 Мбит/c, 622 Мбит/c, 1.25 Гбит/c, 2,5 Гбит/c, 4 Гбит/c (протоколы STM-1, STM-4, Gigabit Ethernet (Fibre Channel), STM-16)
  • XENPAK, X2, XFP, SFP+ 10 Гбит/c (протоколы 10GE, 10G Fibre Channel, OC-192, STM-64, 10G OTU-2)
  • QSFP+, CFP 40 Гбит/c, 100 Гбит/с (протоколы 40GE, 100G OTU-4)

Предельное расстояние передачи данных определяется оптическим бюджетом и допуском по хроматической дисперсии. Здесь под оптическим бюджетом понимается разница между мощностью излучения передатчика и чувствительностью приемника. По аналогии со списком соответствия форм-фактора и скорости/протокола, можно составить список расстояний, опять же для распространенных трансиверов:

  • GBIC и SFP 0.1, 0.3, 3, 20, 40, 80, 120, 160 км
  • XENPAK, X2, XFP, SFP+ 0.3, 10, 40, 80 км
  • QFSP28 - 10 или 40 км

Стандартные обозначения расстояний для трансиверов до 500 метров - SR, до 20 км - LR, до 60 км - ER, после 60 км - ZR.

Оптические трансиверы CWDM и DWDM

Для обеспечения поддержки технологий спектрального уплотнения xWDM, выпускаются трансиверы с передатчиками с рабочей длиной волны из сетки CWDM/DWDM. Для систем CWDM производятся трансиверы с 18 различными длинами волн, для DWDM 44 длины волны (сетка 100 ГГц) или 80 длин волн (сетка 50 ГГц).

Оптические трансиверы позволяют контролировать параметры собственного состояния через функцию мониторинга. Данная функция называется DDM (Digital Diagnostics Monitoring) или DOM (Digital Optical Monitoring). С помощью этой функции можно наблюдать за стандартными параметрами работы трансивера, такими электрические характеристики, температура, излучаемая мощность и уровень сигнала на детекторе. Эта информация помогает предотвращать сбои в передаче данных за счет своевременного определения негативных изменений в линии.

"Прошивка" оптических трансиверов это короткая запись в энергонезависимой памяти оптического модуля, которая содержит классификационную информацию о модуле, в числе которой может быть серийный номер, название производителя, форм-фактор, дальность передачи данных и многое другое. Некоторые производители используют прошивку для блокировки работы собственного оборудования с трансиверами сторонних производителей. Для этого оборудование контролирует наличие верной записи и общей контрольной суммы в памяти установленного трансивера.

Волоконно-оптические линии связи – это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Широкополосность оптических сигналов обусловлена чрезвычайно высокой несущей частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1.1 Терабит/с. Т.е. по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.

Важнейшим компонентом является волоконно-оптический кабель. В мире существует несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli (Италия). Стоимость оптических кабелей соизмерима со стоимостью стандартных "медных" кабелей. Применение оптоволоконных средств передачи сигналов пока сдерживается относительно высокой стоимостью оборудования и сложностью монтажных работ.

Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и, затем в приемнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в приемопередатчиках, которые содержат электронные блоки наряду с оптическими компонентами.

В общем случае организация оптического канала аналогична IrDA. Существенными отличиями являются диапазон оптических волн и скорость передаваемых данных. В этой связи в качестве излучателей применяют полупроводниковые лазеры, а в качестве приемников – высокочастотные фотодиоды. Структурная схема оптоэлектронного приемника данных приведена на рис. 5.19, а на рис. 5.20 – передатчика данных.

Рис. 5.19. Оптоэлектронный приемник данных

Рис. 5.20. Оптоэлектронный передатчик данных

Для передачи информации по волоконно-оптическому каналу используют два диапазона волн: 1000 ^ 1300 нм (второе оптическое окно), и 1500 ^ 1800 нм (третье оптическое окно). В этих диапазонах – наименьшие потери сигнала в линии на единицу длины кабеля.

Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды (LED) часто используются в дешевых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса излучения и невозможность работы в длинах волн второго и третьего оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телекоммуникаций.

В отличие от светодиода, оптически модулируемый лазерный передатчик может работать в третьем оптическом окне. Поэтому для ультрадальних и WDM систем передачи, где стоимость – не главное соображение, а высокая эффективность обязательна, используют лазерный оптический источник. Для оптических каналов связи различные типы прямо-модулируемых полупроводниковых лазерных диодов имеют оптимальное отношение стоимость / эффективность. Приборы могут работать и во втором, и в третьем оптических окнах.

Все полупроводниковые лазерные диоды, используемые для прямой модуляции, обычно имеют потребность в постоянном токе смещения, чтобы установить рабочую точку и ток модуляции для передачи сигнала. Величина тока смещения и тока модуляции зависит от характеристики лазерного диода и может отличаться от типа к типу и друг от друга у одного типа. Диапазон изменения этих характеристик со временем и температурой должен учитываться при проектировании блока передатчика. Особенно это касается экономически более выгодных неохлаждаемых типов полупроводниковых лазеров. Отсюда следует, что драйвер лазера должен выдавать ток смещения и ток модуляции в диапазоне достаточном, чтобы разные оптические передатчики с широким выбором лазерных диодов могли работать в течение длительного времени и при разной температуре.

Для компенсации ухудшающихся характеристик лазерного диода используют устройство автоматического управления энергией (APC). Здесь используется фотодиод, который преобразовывает световую энергию лазера в пропорциональный ток и подает его в драйвер лазера. Исходя из этого сигнала, драйвер выдает ток смещения в лазерный диод, чтобы световая мощность оставалась постоянной и соответствовала первоначально установленной. Так поддерживается "амплитуда" оптического сигнала. Фотодиод, который находится в схеме APC, также может использоваться при автоматическом управлении модуляцией (АМС).

Восстановление синхронизации и преобразование в последовательный формат требуют синхроимпульсов, которые должны синтезироваться. Этот синтезатор также может быть интегрирован в параллельно-последовательный преобразователь и, обычно, включает схему фазовой автоподстройки частоты. Синтезатор играет важную роль в передатчике оптической системы связи.

Оптические приемники обнаруживают сигналы, передаваемые по воло- конно – оптическому кабелю и преобразуют его в электрические сигналы, которые затем усиливают, восстанавливают их форму и синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного формата в параллельный. Ключевой компонент, который следует за усилителем в приемном устройстве – это схема восстановления синхронизации и данных (CDR). CDR выполняет тактирование, принимает решение об уровне амплитуды поступающего сигнала и выдаёт восстановленный поток данных.

Есть несколько способов поддержания синхронизации (внешний ПАВ – фильтр, внешний контрольный синхросигнал и т.д.), но только комплексный подход позволяет эффективно решать эту задачу. Использование системы фазовой автоподстройки частоты (PLL) – неотъемлемая часть в синхронизации тактовых импульсов с потоком данных, это гарантирует выравнивание синхросигнала с серединой информационного слова.

Лазерные модули серии LFO-1 (табл. 5.15) изготавливаются на основе высокоэффективных MQW InGaAsP/InP и AlGaInP/GaAs лазерных диодов и выпускаются в стандартных неохлаждаемых коаксиальных корпусах с одно- модовым или многомодовым оптическим волокном. Отдельные модели, наряду с неохлаждаемым исполнением, могут выпускаться в корпусах типа DIL-14 со встроенным микрохолодильником и терморезистором. Все модули имеют широкий диапазон рабочих температур, высокую стабильность мощности излучения, ресурс работы более 500 тыс. часов и являются лучшими источниками излучения для цифровых (до 622 Мбит/с) оптических линий связи, оптических тестеров и оптических телефонов .

Мощность излучения, (мВт)

Длина волны, (нм)

тич. волокна

Микрохолодильник

Тип корпуса

Фотоприемные модули серии PD-1375 (табл. 5.16) для спектрального диапазона 1100-1650 нм изготавливаются на основе InGaAs PIN фотодиодов и выпускаются в неохлаждаемом исполнении с одномодовым (модель PD- 1375s-ip), либо многомодовым (PD-1375m-ip), оптическим волокном, а также в корпусе типа "оптическая розетка" для стыковки с SM и MM волокнами, оконцованными разъемом типа "FC/PC" (модель PD-1375-ir). Модули имеют широкий диапазон рабочих температур, высокую спектральную чувствительность, низкие темновые токи и предназначены для работы в аналоговых и цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации до 622 Мбит/сек.

Длина волны, (нм)

тич. волокна

Чувствительность, (А/Вт)

Скорость приема, (Мбит/с)

Тип корпуса

"розетка"

Набор микросхем, выпускаемый фирмой MAXIM для приемопередатчиков, позволяет проводить преобразования в SDH/SONET оптических системах передачи. SDH – европейский стандарт на волоконно-оптические средства для передачи данных. SONET – стандарт, определяющий скорости, сигналы и интерфейсы для синхронной передачи данных при скорости более одного гигабита / сек по волоконно-оптической сети.

Усилители MAX3664 и MAX3665 (рис. 5.21) преобразуют ток от фотодиодного датчика в напряжение, которое усиливается и в виде дифференциального сигнала поступает на выход. Кроме усилителя фототока в микросхемах имеется обратная связь для компенсации постоянной составляющей, которая зависит от величины темнового тока фотоприемника и обладает весьма низкой температурной и временной стабильностью. Типовая схема включения MAX3665 показана на рис. 5.22. Основное назначение этих усилителей восстановление амплитуды электрического сигнала и передача восстановленного сигнала для дальнейшей обработки.

Микросхема MAX3675 (MAX3676) выполняет восстановление синхросигналов от полученного потока данных и их тактирование. Функциональная схема MAX3676 показана на рис. 5.23. Алгоритмы обработки сигналов в этих устройствах гораздо сложнее. В результате преобразования сигналов вместе с восстановлением потока цифровых данных производится выделение синхросигнала, необходимого для дальнейшей корректной обработки. Типовая схема включения MAX3676 показана на рис. 5.24. MAX3676 принимает сигнал от усилителя фототока и в результате преобразования этого сигнала передает на выход дифференциальные сигналы данных и синхросигналы со стандартными логическими уровнями. Необходимо учитывать, что все эти преобразования выполняются с сигналами, поступающими в последовательном формате с весьма высокой скоростью.

Рис. 5.21. Функциональная схема усилителя фототока MAX3665

Рис. 5.22. Типовая схема включения МАХ3665

Рис. 5.23. Функциональная схема МАХ3676

Рис. 5.24. Типовая схема включения МАХ3676

Для передачи сформированных в результате приема сигналов через стандартные интерфейсы компания MAXIM предлагает MAX3680 и MAX3681, это преобразователи последовательного кода в параллельный. MAX3680 преобразует последовательный поток данных, поступающий со скоростью 622 Мбит/с в поток 78 Мбит/с восьмиразрядных слов. Выход данных и синхроимпульсов совместим с ТТЛ-уровнями. Потребляемая мощность – 165 мВт при питании 3,3В. MAX 3681 преобразует последовательный поток данных (622 Мбит/с) в 155 Мбит/с поток четырехразрядных слов. Его дифференциальные данные и синхроимпульсы поддерживают низковольтный дифференциальный сигнал интерфейса LVDS (рис. 5.25).

Микросхема MAX3693 (рис. 5.26) преобразует четыре LVDS потока данных передаваемых со скоростью 155 Мбит/с в последовательный поток в 622 Мбит/с. Необходимые для передачи синхроимпульсы синтезируются с помощью встроенного контура фазовой автоподстройки частоты, который содержит управляемый напряжением генератор, усилитель петлевого фильтра и фазочастотный детектор, требующий только внешних опорных синхроимпульсов. При питании 3,3 В потребляемая мощность составляет 215 мВт. Последовательные выходные сигналы данных являются стандартными дифференциальными сигналами положительной эмиттерно-связанной логики.

Основной задачей лазерного драйвера MAX3669 (рис. 5.27) является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования излучения лазерного диода. Для повышения гибкости дифференциальные входы принимают потоки данных PECL, а также дифференциальные колебания напряжения уровнем до 320 мВ (двойная амплитуда) при уровне питающего напряжения Vcc=0,75 В. Изменяя внешний резистор между выводом BIASSET и землей, можно регулировать ток смещения от 5 до 90 мА, а резистором между выводом MODSET и землей можно регулировать ток модуляции от 5 до 60 мА. Типовая схема подключения MAX3669 к лазерному модулю показана на рис. 5.28. Данные поступают в параллельном 4-разрядном коде и по синхросигналам преобразуются в последовательный поток данных преобразователем MAX3693. От этого преобразователя сигналы в последовательном формате передаются в лазерный драйвер MAX3669, который формирует модулирующий сигнал с требуемыми параметрами для управления излучением лазерного диода.

Достаточно подробную подборку материалов по вопросам применения этих компонентов можно найти на сайте www.rtcs.ru, компании Rainbow Technologies, официального дистрибьютора MAXIM в странах СНГ.

Рис. 5.25. Подключение оптического приемника к шине данных с помощью LVDS-интерфейса

Рис. 5.26. Функциональная схема MAX3693

Рис. 5.27. Функциональная схема MAX3669

MAXIM выпускает также набор ИС серии MAX38xx для построения волоконно-оптического интерфейса с производительностью 2,5 Гбит/с. Так, например, драйвер лазера с автоматическим управлением модуляцией MAX3865 (рис. 5.29) имеет следующие отличительные особенности:

Однополярное напряжение питания 3,3 или 5 В;

Потребление 68 мА

Работа с производительностью до 2,5 Gbps (NRZ);

Управляемая обратная связь;

Программируемые токи смещения и модуляции;

Длительность падающих/нарастающих фронтов 84 пс;

Мониторинг токов модуляции и смещения;

Детектор сбоев;

Защита от ESD.

Рис. 5.28. Типовая схема подключения МАХ3669 к лазерному модулю

Рис. 5.29. Типовая схема подключения МАХ3865 к лазерному модулю

Мы рассмотрели, что из себя представляют оптические трансиверы форм-фактора SFP и SFP+ в общем. В данной же хотели бы подробнее разобрать несколько более тонких моментов.

В том числе остановимся на классификации трансиверов по типу оптического разъема, стандартам и технологии спектрального уплотнения.

Заторцовка кабеля

Оптический кабель для подключения к SFP-модулям должен быть заторцован в коннектор LC (Lucent/Little/Local Connector) или SC (Subscriber/Square/Standard Connector).

Соответственно, модули выпускаются с двумя типами разъемов под кабель: SC и LC.

Здесь нужно отметить, что двухволоконные оптические трансиверы форматов SFP, SFP+ практически всегда идут с разъемом LC , так как SC более крупный, и в дуплексный модуль два таких разъема не поместится. Использование SC возможно только в одноволоконных.

SC - один из первых керамических коннекторов, предназначенных для облегчения подключения оптических кабелей к разнообразным устройствам и предохранения среза кабеля от загрязнения и механических повреждений. Учитывая микроскопическую толщину волокон оптического кабеля, даже одна пылинка может послужить причиной значительного ухудшения качества связи или разрыва соединения.

Коннектор LC был разработан компанией Lucent, как улучшенный вариант SC. Обладает вдвое меньшими габаритами и отщелкивателем, что облегчает обращение с оптическими кабелями в условиях большой плотности подключений/волокон.

В целом, стандарты Ethernet допускают использование как одного, так и второго коннектора, однако большинство производителей, все же, устанавливают на своих модулях разъемы под LC. Даже одноволоконные SFP WDM модули, которые стандартно всегда выпускались с разъемом SC, сейчас есть и с LC разъемом.

Дополнительно об оптических разъемах можно почитать в этой статье .

Стандарты

Оптические трансиверы работают в сетях Ethernet и потому должны отвечать одному из соответствующих стандартов. Для удобствамы свели параметры таковых в таблицу.

Скорость приема-передачи

Стандарт

Стандарт

Кол-во волокон

Тип волокна

Длина волны излучателя, нм

многомодовое, полный дуплекс

многомодовое, полудуплекс при гарантированном обнаружении коллизий

TIA/EIA-785-1-2002

многомодовое

одномодовое

одномодовое

многомодовое

одномодовое

мультимодовое

одномодовое

одномодовое

одномодовое

одномодовое

мультимодовое

мультимодовое

1275, 1300, 1325, 1350

одномодовое

1275, 1300, 1325, 1350

одномодовое

одномодовое

мультимодовое

мультимодовое

одномодовое

одномодовое

мультимодовое

одномодовое

1295, 1300, 1305, 1310

одномодовое

1295, 1300, 1305, 1310

Окна прозрачности оптического одномодового волокна

Подавляющее большинство современного оптического кабеля относится к стандарту SMF G.652 разных версий. Последняя версия стандарта, G.652 (11/16) была выпущена в ноябре 2016 года. Стандарт описывает так называемое стандартное одномодовое волокно.

Передача света по оптическому волокну основана на принципе полного внутреннего отражения на границе сред с разной оптической плотностью. Для реализации данного принципа, волокно делается двух- или многослойным. Светопроводящая сердцевина окружена слоями прозрачных оболочек из материалов с меньшими показателями преломления, благодарю чему на границе слоев и происходит полное отражение.

Оптоволокно, как среда передачи, характеризуется затуханием и дисперсией. Затухание — потеря мощности сигнала при прохождении волокна, выражается в уровне потерь на километр дистанции (дБ/км). Затухание зависит от материала среды передачи и длины волны передатчика. Кривая зависимости спектра поглощения от длины волны содержит несколько пиков с минимальным затуханием. Именно эти точки на графике, называемые также окнами прозрачности или телекоммуникационными окнами, и были выбраны в качестве основы для подбора излучателей .

Выделяют такие шесть окон прозрачности одномодового волокна:

  • O-диапазон (Original): 1260-1360 нм;
  • E-диапазон (Extended): 1360-1460 нм;
  • S-диапазон (Short wavelength): 1460-1530 нм;
  • C-диапазон (Conventional): 1530-1565 нм;
  • L-диапазон (Long wavelength): 1565-1625 нм;
  • U-диапазон (Ultra-long wavelength): 1625-1675 нм.

В приближении свойства волокна внутри каждого диапазона можно считать примерно одинаковыми. Пик прозрачности приходится , как правило , на длинноволновый конец E-диапазона . Удельное затухание в O-диапазоне примерно в полтора раза выше , чем в S- и в С-диапазоне , удельная хроматическая дисперсия — наоборот , имеет нулевой минимум на длине волны в 1310 нм и выше нуля в C-диапазоне .

Первоначально, для организации дуплексного соединения при помощи оптического кабеля, использовались пары волокон, отвечающих каждое за свое направление передачи. Это удобно, но расточительно по отношению к ресурсу прокладываемого кабеля. Для нивелирования данной проблемы была разработана технология спектрального уплотнения, или, иначе, волнового мультиплексирования.

Технологии волнового мультиплексирования, WDM/CWDM/DWDM

WDM

В основе технологии WDM, Wavelength Division Multiplexing, лежит передача нескольких световых потоков с разной длиной света по одному волокну.

Базовая технология WDM допускает создание одного дуплексного соединения, при наиболее часто используемой волной паре 1310/1550 нм, из O- и C-диапазона соответственно. Для реализации технологии используется пара «зеркальных» модулей, один с передатчиком 1550 нм и приемником 1310 нм, второй — наоборот, с передатчиком 1310 нм и приемником 1550 нм.

Разница в длине волны обоих каналов составляет 240 нм, что позволяет различать оба сигнала без использования специальных средств детектирования. Основная используемая пара 1310/1550 позволяет создавать устойчивые соединения на расстояниях до 60 км.

В редких случаях используются также пары 1490/1550, 1510/1570 и прочие варианты из окон прозрачности с меньшим удельным затуханием относительно O-диапазона, что позволяет организовывать более «дальнобойные» соединения. Кроме того, встречается комбинация 1310/1490, когда параллельно с данными на длине волны 1550 нм передается сигнал кабельного телевидения.

CWDM

Следующим этапом развития стала технология Coarse WDM, CWDM, грубое спектральное мультиплексирование. CWDM позволяет передавать до 18 потоков данных в диапазоне волн от 1270 до 1610 нм с шагом в 20 нм.

CWDM модули в подавляющем большинстве случаев двухволоконные. Существуют BiDi, двунаправленные SFP CWDM модули, прием и передача в которых идет по одному волокну, но в Украине они пока встречаются в продаже довольно редко.

Передатчики (модули) SFP и SFP+ CWDM передают на одной какой-либо длине волны.

Приемник же у таких модулей широкополосный, т. е.принимает сигнал на любой длине волны, что позволяет организовать одиночный дуплексный канал с любыми двумя модулями, сертифицированными на соответствие CWDM. Для одновременного пропуска нескольких каналов, используются пассивные мультиплексоры-демультиплексоры, которые собирают потоки данных от «цветных» SFP-модулей (у каждого из которых передатчик со своей длиной волны) в единый луч для передачи по волокну и разбирают его на индивидуальные потоки в конечной точке. Универсальность приемников обеспечивает большую гибкость в организации сетей.

DWDM

Последняя на сегодняшний день разработка — Dense WDM (DWDM), плотное спектральное мультиплексирование, позволяет организовать до 24, а в изготовленных на заказ системах — и до 80 дуплексных каналов связи, в диапазоне волн 1528,77-1563,86 нм с шагом 0,79-0,80 нм.

Естественно, чем плотнее размещение каналов, тем более жесткими становятся допуски при изготовлении излучателей. Если для обычных модулей допустимым является погрешность длины волны в пределах 40 нм, для трансиверов WDM такая погрешность снижается до 20-30 нм, для CWDM она составляет уже 6-7 нм, а для DWDM - всего 0,1 нм. Чем меньше допуски, тем дороже обходится производство излучателей.

Тем не менее, несмотря на гораздо более высокую стоимость оборудования, у DWDM есть следующие серьезные преимущества перед CWDM:
1) передача заметно большего количества каналов по одному волокну;
2) передача большего числа каналов на большие дистанции, благодаря тому, что DWDM работает в диапазоне наибольшей прозрачности (1525-1565 нм).

Напоследок следует упомянуть, что, в отличие от исходного стандарта WDM, в CWDM и DWDM каждый индивидуальный канал может доставлять данные на скоростях, как в 1 Гбит/с, так и 10 Гбит/с. В свою очередь, стандарты 40 Гбит и 100 Гбит Ethernet реализуются путем объединения пропускной способности нескольких 10 Гбит каналов.

Что такое OADM модули и WDM-фильтры (делители)?

Несмотря на созвучное название, OADM модуль не является оптическим трансивером, а представляет собой, скорее, оптический фильтр, один из видов мультиплексора.

На рисунке: OADM модуль.

Узлы Optical Add Drop Multiplexor (OADM) используются для отделения потоков данных в промежуточных точках. OADM, иначе Add-Drop модуль, — это оптическое устройство, устанавливаемое в разрыв оптического кабеля и позволяющее отфильтровать из общего луча два потока данных. OADM, как и все мультиплексоры, в отличие от SFP и SFP+ трансиверов — пассивные устройства, благодаря чему они не требуют подвода питания и могут быть установлены в любых условиях, вплоть до самых жестких. Правильно спланированный комплект OADM позволяет обойтись без оконечного мультиплексора и «раздать» потоки данных промежуточным точкам.

Недостатком OADM является снижение мощности и отделяемого, и транзитного сигналов, а значит и максимальной дальности устойчивой передачи. По различным данным, снижение мощности составляет от 1,5 до 2 дБ на каждом Add-Drop.

Еще более упрощенное устройство — WDM-фильтр, позволяет отделить из общего потока только один канал с определенной длиной волны. Таким образом, можно собирать аналоги OADM на основе произвольных пар, что увеличивает гибкость построения сети до максимума.

На рисунке: WDM фильтр (делитель).

WDM-фильтр может использоваться как в сетях с WDM мультиплексированием, так и с CWDM, DWDM уплотнением.
Так же, как и в CWDM, в спецификацию DWDM заложено использование OADM и фильтров.

Multi-source agreements (MSA)

Часто в сопроводительной документации к SFP и SFP+ трансиверов можно увидеть информацию о поддержке MSA. Что это такое?

MSA - промышленные соглашения между производителями модулей, обеспечивающие сквозную совместимость между трансиверами и сетевым оборудованием разных компаний и соответствие всех производимых приемопередатчиков общепринятым стандартам. Установка в оборудовании SFP-портов , соответствующих MSA, расширяет ассортимент совместимых модулей и обеспечивает существование конкурентного рынка для взаимозаменяемых продуктов.

MSA для SFP/SFP+ устанавливают следующие параметры:

1. Механический интерфейс:

  • габариты модуля;
  • параметры механического соединения коннекторов с платой;
  • размещение элементов на печатной плате;
  • усилие, необходимое для установки модуля в/извлечение из разъема;
  • нормативы маркировки.

2. Электрический интерфейс:

  • распиновка;
  • параметры питания;
  • тайминги и сигналы ввода-вывода .

3. Программный интерфейс:

  • тип микросхемы ППЗУ;
  • форматы данных и предустановленные поля прошивок;
  • параметры интерфейса управления I2C;
  • функции DDM (Digital Diagnostics Monitoring).

На сегодняшний день к модулям формата SFP/SFP+ относятся три спецификации MSA, выпущенных комитетом SNIA SFF, соблюдать которые обязалось большинство участников рынка:
SFP - Скачать в формате pdf
SFP+ - Скачать в формате pdf
DDM - Скачать в формате pdf

Модули SFP, SFP+, XFP техническое описание (рус.) Скачать в формате pdf


сайт

Юрий Петропавловский

В июне 2017 года в России началось производство еще одного вида высокотехнологичной продукции - компания ООО «Файбер Трейд» запустила в Новосибирске завод по производству волоконно-оптических трансиверов. По заявлению самой компании и мнению других экспертов в этой области, это первый и пока единственный завод с полным циклом серийного производства таких устройств в России. Следует отметить, что разработкой и производством оптоэлектронных компонентов, в том числе оптических трансиверов, в России занимаются и другие компании, например, «ФТИ-Оптроник» из Санкт-Петербурга, основанная еще в 1994 году на базе Физико-Технического Института им. А. Ф. Иоффе Российской Академии Наук. Также следует напомнить читателям, что собственным производством изделий микроэлектроники и других электронных компонентов обладают далеко не все, даже ведущие электронные компании мира. Компании, не имеющие собственного производства, получили название Fabless-компаний; микроэлектронику для них производят специализированные предприятия (Foundries-компании) по заказам.

Прежде чем рассматривать особенности волоконно-оптических трансиверов, приведем некоторые данные о самой компании. Частную компанию ООО «Файбер Трейд» основал в 2010 году в Новосибирске Алексей Валентинович Юнин, 1974 года рождения (Рисунок 1), до этого работавший в компаниях «Новотелеком» и «Вымпелком». Основной сферой деятельности компании в то время была поставка на российский рынок телекоммуникационного оборудования. В 2012 году компании был присвоен код организации-разработчика ФКРД по ГОСТ 2.201-80 (изменен в 2011 году), что позволило приступить к разработке и проектированию продукции под собственной торговой маркой FiberTrade (FT).

Практическая работа по созданию производства трансиверов началась в 2015 году и завершилась в 2017 году пуском завода. За это время были решены непростые задачи по созданию чистых помещений 7-го класса и установке высокоточного тестового оборудования ведущих мировых производителей. Финансирование проекта (порядка 40 млн. рублей) осуществлялось за счет собственных средств Алексея Юнина и других частных инвесторов, при этом никакие сторонние компании к процессу создания завода не привлекались. Ожидаемый объем выпуска продукции составит 960 тысяч трансиверов в год, а объем выручки - 3.8-4.2 млрд рублей в год. Выход на окупаемость планируется к 2020 году.

К концу 2018 года предполагается увеличить численность персонала компании до 70 человек (сейчас работают 22 инженера-разработчика и 23 инженера производства и других специалистов). В связи с нехваткой квалифицированных специалистов с опытом работы по профилю компании, рассматривается возможность привлечения выпускников вузов с последующим обучением.

В настоящее время компания на постоянной основе сотрудничает с ведущими телекоммуникационными и ИТ-компаниями, в том числе с ПАО «Вымпелком», ОАО «Мегафон», ПАО «Ростелеком», ПАО «МТС», ООО «В контакте», ООО «Мэйл Ру Групп», ЗАО «Комстар-Регион» и рядом других. В перспективе предприятие может занять до 50% рынка волоконно-оптических трансиверов в России; основные экспортные направления - страны СНГ. С учетом того, что у компании уже есть проекты, не имеющие мировых аналогов, рассматриваются возможности экспорта продукции в страны Европы.

К одному из таких проектов относятся мультивендорные трансиверы, позволяющие их эксплуатацию в телекоммуникационном оборудовании различных вендоров (до 5 одновременно). 19 октября 2017 года Федеральная служба по интеллектуальной собственности выдала Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Формирование унифицированного определения модуля SFR+ в коммутационном оборудовании различных производителей». Мультивендорные трансиверы компании «Файбер Трейд» позволяют сократить затраты компаниям, использующим в своих системах аппаратуру различных производителей, а также избежать дополнительных расходов на содержание склада модулей различных вендоров (вендор - поставщик и владелец торговой марки).

Другой проект - оптические модули с поддержкой функции криптозащиты данных.

Некоторые «эксперты-теоретики» считают производство микроэлектроники в России делом тяжелыми и малоперспективным. Действительно такое производство требует больших финансовых затрат, причем с самого начала. Для реализации проектов в этой области нужны специалисты, не только имеющие хорошее профильное образование и большой опыт работы, но и, по мнению Алексея Юнина, огромное желание развивать данное направление в России. Тем не менее, производство отечественных волоконно-оптических трансиверов имеет ряд преимуществ.

Принципиальными недостатками зарубежных устройств являются невозможность изменения программного обеспечения под требования операторов и вероятность наличия незадекларированных функциональных возможностей поставляемых устройств. Более дешевые китайские трансиверы характеризуются и более высоким процентом брака, что требует от потребителей дополнительных затрат на возвраты/замены бракованных модулей. По словам Алексея Юнина, одной из главных целей производства волоконно-оптических трансиверов является обеспечение безопасности страны. При разработке изделий и программного обеспечения для них в России изготовитель знает о своих продуктах буквально все и может их контролировать. В этом случае реально можно говорить о соблюдении информационной безопасности в эпоху «кибер-войн» и хакерских атак. Другим важным преимуществом производства изделий радиоэлектроники в стране является значительно бóльшая гибкость в отношениях с отечественными заказчиками по всем возникающим вопросам.

Основными потребителями продукции завода являются ведущие телеком-операторы и дата-центры страны. В перспективе у компании большие планы, например, закрытие до 50% потребностей российского рынка в волоконно-оптических трансиверах и выход на зарубежные рынки. Есть желание стать участником проекта по импортозамещению (МСВЭИ), что поможет значительно увеличить объем продаж на внутреннем рынке. Потребность в трансиверах будет только возрастать, например, в России к 2024 году сети 5G в том или ином виде панируется развернуть в городах с численностью населения свыше 300 тысяч жителей, что потребует замены оборудования базовых станций и значительного увеличения их количества.

Испытания оборудования «Файбер Трейд», в том числе проведенные ведущими телекоммуникационными операторами страны, показали конкурентоспособность волоконно-оптических трансиверов компании с европейскими аналогами по надежности и функциональным возможностям.

В каталогах компании 2017 года, кроме собственно трансиверов, представлены и другие виды продукции: медиаконверторы, оборудование уплотнения каналов, оборудование для длинных линий, пассивное оборудование.

Волоконно-оптические трансиверы

Волоконно-оптические трансиверы (ВОТ) или оптоэлектронные приемопередатчики предназначены для преобразования оптических сигналов, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) в электрические сигналы и обратно - электрические сигналы в оптические. Потребность в ВОТ возникла еще в 1990-годы, когда началось активное внедрение волоконно-оптических сетей широкополосного доступа сетевыми и сотовыми операторами связи. В то время ВОТ выполнялись на печатных платах активного телекоммуникационного оборудования. Однако в связи с ростом номенклатуры таких устройств (коммутаторы, мультиплексоры, маршрутизаторы, медиаконверторы) возникла потребность разделения устройств обработки информации и передачи данных. Причем сами устройства передачи сигналов по ВОЛС с целью унификации должны быть тем или иным образом стандартизированы.

Уже достаточно давно ВОТ самых различных производителей представляют собой унифицированные компактные сменные модули, устанавливаемые в стандартизированные электрические порты активного телекоммуникационного оборудования. Такой подход к созданию сетевой инфраструктуры позволяет оптимизировать затраты при проектировании и, что особенно важно, при реконструкции оптических сетей, например, для увеличения скорости передачи данных, объема передаваемой информации и дальности передачи сигналов по ВОЛС.

Модули ВОТ выпускаются в различных конструктивных исполнениях - форм-факторах. В настоящее время наибольшее распространение получили модули SFP (Small Form-factor Pluggable), показанные на Рисунке 2. Модули SFP представляют собой компактные блоки в металлических корпусах, обеспечивающих защиту электронных узлов модулей от электромагнитных излучений и механических повреждений. В модулях обычно имеются два оптических порта - лазерного излучателя (TX - передатчик) и фотоприемника (RX - приемник), обеспечивающие работу модуля в двухволновом режиме (Рисунок 3). В одноволновых SFP модулях имеется только один порт, при этом для изменения направления передачи используется режим мультиплексирования.

На печатных платах модулей кроме излучателей и фотоприемников устанавливаются и другие электронные узлы и компоненты - схемы управления лазерными диодами, преобразователи сигналов в линейный код, схемы смещения фотодиодов, различные усилители и фильтры, цифровые схемы мониторинга. На платах модулей также устанавливаются ЭСППЗУ (электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство) с управляющим программным обеспечение (вариант структурной схемы модуля SFP приведен на Рисунке 4).

Различные механические и электрические характеристики ВОТ определяются не международными стандартами, а спецификациями MSA (Multi-source Agreement - соглашение с несколькими источниками), выработанными на основе договоренностей различных производителей оборудования. Такая «природа» процесса выработки множества спецификаций характеризуется «неопределенным кругом» компаний, участвующих в соглашениях MSA. Для эффективной разработки спецификаций MSA еще в 1990 году в США была создана группа (комитет) Small Form Factor Committee (SFF Committee) для определения форм-факторов в индустрии хранения информации. Среди десятков членов комитета представлены крупнейшие производители электроники и компьютерной техники - Dell, Foxconn, Fujitsu, Hewlett Packard, Hitachi, IBM, Intel, Pioneer, Samsung, Seagate, Sun Microsystem, Texas Instruments, Toshiba. В 2016 году организация изменила название на SNIA SFF Technology Affiliate. К настоящему времени партнерами SFF Committee, кроме перечисленных выше, являются и другие ведущие компании - Microsoft, Broadcom, Cisco, Huawei, Lenivo, Micron, Microsemi, GiGNET и ряд других (всего более 50 компаний).