Các loại Module quang 100G QSFP28 và sự khác biệt giữa chúng

Ngày nay các mạng thông tin trên thế giới trở nên liên kết với nhau hơn bao giờ hết. Điều này có thể là do những tiến bộ trong nhiều lĩnh vực viễn thông hoặc như OSI gọi nó là Lớp. Mỗi lớp đã có một phần không thể thiếu trong sự phát triển nhanh chóng của các kết nối nút tới nút và công nghệ đằng sau nó. Như mọi khi, nguyên nhân chính là nhu cầu tiếp xúc với truyền thông dữ liệu của dân số nói chung cao hơn bao giờ hết và tiếp tục tăng khi các quốc gia trên thế giới tiếp tục phát triển.

Tại thời điểm viết bài này, thị trường module quang đã chuyển mạnh sang hỗ trợ tốc độ 100G cho cơ sở hạ tầng 100 Gigabit Ethernet (100GbE) tiếp tục phát triển và duy trì. Các module quang 100GbE hỗ trợ tốc độ dữ liệu này cũng là một phần không thể thiếu trong việc triển khai giao tiếp không dây 5G và Radio mới (NR) gần đây trên toàn cầu, hãy tìm hiểu thêm về điều đó trong bài viết này .

Tuy nhiên, khả năng kết nối 100G đã xuất hiện từ sự khởi đầu khiêm tốn của GBIC (bộ chuyển đổi giao diện gigabit) thông qua SFP, SFP+ và XFP và nhiều yếu tố dạng khác bắt đầu kết nối thế giới nói chung. Giống như nhiều phát minh hoặc dự án lớn, phải mất nhiều năm để đánh bóng và tinh chỉnh 40GbE và 100GbE đã được nghiên cứu và phát triển từ cuối những năm 2000. Chuẩn giao tiếp IEEE 802.3 đầu tiên để xác định tốc độ 40 Gbit / s và 100 Gbit / s Ethernet là bản phát hành 802.3ba xác định các yêu cầu và biện pháp. Chủ yếu xác định rằng truyền dữ liệu nên được tổ chức thành các luồng riêng biệt với các làn 4 × 25 Gbit / s hoặc 10 × 10 Gbit / s và liên kết vật lý của MMF (Sợi cáp quang multimode) đạt tới 150 m và SMF (Sợi cáp qunag single-mode) đạt đến 40 km.

Modun 100G không giới hạn ở một hệ số dạng vật lý như nhiều loại có sẵn, ví dụ: CFP, CFP2, CFP4, CXP và QSFP28. Tuy nhiên, QSFP28 phổ biến nhất và được sử dụng phổ biến nhất cho các kết nối 100GbE hoặc 100G nói chung và các công ty như CISCO, Juniper và HP đã triển khai điều này trong các bản phát hành phần cứng mới nhất của họ. Dựa trên sự nổi bật của thuật ngữ 100G, điều quan trọng là phải hiểu ý nghĩ đằng sau hệ số hình thức QSFP28 và biệt ngữ kỹ thuật xung quanh các liên kết vật lý (kết nối) và các công nghệ truyền tín hiệu có sẵn. Một số ví dụ về biệt ngữ trong ngành gồm nhiều chữ viết tắt là SR4, LR4, SWDM4 để đặt tên cho một số ít. Một số người trong số họ có thể dễ dàng hiểu được nhưng những người khác yêu cầu đọc thêm. Đây là những gì mà một số đoạn tiếp theo sẽ được dành riêng cho.

Hệ số dạng module quang 100G QSFP28 được xác định theo tiêu chuẩn IEEE 802.3bj và được sử dụng để xác định SFF-8665 có chứa các yêu cầu và hướng dẫn quan trọng cho việc sản xuất và sử dụng thêm. Chi tiết hơn về các tiêu chuẩn sẽ được cung cấp trong bài viết khác.

Đặc tính vật lý quan trọng đầu tiên được xác định đó là đầu nối Module quang vì có hai biến thể phổ biến của đầu nối Module quang QSFP28 được gọi là LC và MPO / MTP. Đầu nối kiểu MPO được sử dụng cho cùng một λ, các bước sóng truyền song song đồng thời qua sợi quang [qua nhiều sợi] và đầu nối kiểu LC đôi (bên trái của hình 1) được sử dụng cho xWDM (Ghép kênh phân chia theo bước sóng) truyền dẫn dựa trên công nghệ [qua cáp quang đơn hoặc đôi]. Đầu nối loại LC đơn hiếm khi được sử dụng như BIDI 100G QSFP28, mức độ phổ biến và nhu cầu khá thấp.

Đặc tính vật lý quan trọng thứ hai được xác định là phương tiện truyền dữ liệu kết nối các Module quang chủ yếu là cáp SMF, MMF và Twinaxial tùy thuộc vào khoảng cách giữa các nút và ngẫu nhiên là cách tiếp cận dễ dàng nhất để phân loại 100G QSFP28.

Cáp Twinaxial được sử dụng cho PDAC (Passive Direct Attach Cables) cho khoảng cách giữa cổng và cổng thường ngắn hơn 10 m hoặc cho ADAC (Active Direct Attach Cables) để hỗ trợ kết nối dài tới 100m. Mỗi đầu Twinax được gắn với một giao diện điện thu phát vì phương tiện truyền dữ liệu này hoàn toàn là điện. Ngoài ra, tốc độ dữ liệu cao hơn hỗ trợ cáp đứt, ví dụ, một bên là 100G QSFP28 và bên kia là 4x25G SFP28 (hình ảnh 2 100G-PDAC-QSFP-SFP).

MMF (Sợi cáp quang multimode) chủ yếu được sử dụng cho dải ngắn đến Dải trung gian khác với SMF bởi đường kính lõi của nó. Vì MMF có đường kính lõi lớn hơn cho phép sử dụng bước sóng ngắn hơn (λ) (ví dụ: 850 nm). Ngoài ra, MMF có một số loại mà từ đó chỉ cáp quang OM3, OM4 và OM5 hỗ trợ tốc độ 100G cho các khoảng cách lên đến 100 m, 150 m và 150 m tương ứng. OM5 cung cấp hỗ trợ bổ sung cho việc truyền dữ liệu BIDI (Hai chiều) cho phép triển khai BIDI 100G mới.

SMF (Sợi cáp quang single-mode) , như đã đề cập trước đây, có đường kính lõi nhỏ hơn và do đó yêu cầu bước sóng dài hơn 1310 nm được tối ưu hóa trong OS2 để cung cấp ít suy hao và phân tán hơn, do đó có thể truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hơn (ví dụ: 40 km). Khi nói về module 100G QSFP28 trên khoảng cách truyền SMF thường là từ 500 m đến 10 km và phạm vi mở rộng là 40 km, và với những phát triển gần đây trong Module quang ZR có thể đạt tới 80 km.

Module quang SR4 (Phạm vi ngắn 4 làn) được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp vì nó cho phép kết nối trong khoảng cách ngắn lên đến 150 m. Module quang có đầu nối MPO để truyền dữ liệu trên 4 làn và nhận dữ liệu trên 4 làn bổ sung đồng thời với tốc độ dữ liệu 25,78125 Gbps (tốc độ 100GbE) sử dụng bước sóng 850 nm. Đó là lý do tại sao cáp OM3 hoặc MPO 8 sợi trở lên được yêu cầu để liên kết loại Module quang này.

Lane	Center wavelength	Wavelength range	Module electrical lane
L0	850 nm	from 840 to 860 nm	Tx0, Rx0
L1	850 nm	from 840 to 860 nm	Tx1, Rx1
L2	850 nm	from 840 to 860 nm	Tx2, Rx2
L3	850 nm	from 840 to 860 nm	Tx3, Rx3

Module quang SWDM4 (Ghép kênh phân chia theo bước sóng ngắn) sử dụng giải pháp công nghệ xWDM để truyền dữ liệu qua sợi đơn với mỗi Tx / Rx có các bước sóng khác nhau (L 0 λ = 850 nm, L 1 λ = 880 nm, L 2λ = 910 nm và L 3λ = 940 nm như trong bảng). Module quang có đầu nối có thể khác nhau tùy theo nhà sản xuất nhưng hầu hết đều có sẵn với đầu nối Double-LC. Khi so sánh với SR4, một điểm khác biệt chính là SWDM4 rất hiếm và đắt hơn để sản xuất nhưng yêu cầu ít sợi quang hơn để truyền và nhận cùng một lượng dữ liệu như SR4.

Lane	Center wavelength	Wavelength range	Module electrical lane
L0	850 nm	from 844 to 858 nm	Tx0, Rx0
L1	880 nm	from 874 to 888 nm	Tx1, Rx1
L2	910 nm	from 904 to 918 nm	Tx2, Rx2
L3	940 nm	from 934 to 948 nm	Tx3, Rx3

Module quang PSM4 (Chế độ song song 4 làn) tương đương với SMF của loại Module quang SR4 vì nó sử dụng đầu nối MPO để truyền và nhận dữ liệu đồng thời bằng cách sử dụng bước sóng 1310 nm trên 4 làn Tx độc lập và cùng số lượng các làn Rx khác nhau. Ban đầu Module quang được tiêu chuẩn hóa để kết nối qua OS2 với khoảng cách lên đến 500 m. Kể từ đó, phạm vi truyền dẫn cơ sở đã tăng lên 2 km và gần đây được mở rộng lên 10 km. Điều này có thể là do những tiến bộ trong các thành phần điện và giảm tổn thất quang học.

Lane	Center wavelength	Wavelength range	Module electrical lane
L0	1310 nm	from 1295 to 1325 nm	Tx0, Rx0
L1	1310 nm	from 1295 to 1325 nm	Tx1, Rx1
L2	1310 nm	from 1295 to 1325 nm	Tx2, Rx2
L3	1310 nm	from 1295 to 1325 nm	Tx3, Rx3

CWDM4 (Ghép kênh phân chia theo bước sóng thô 4 làn) tương đương với loại thu phát SWDM4 vì nó thực hiện bốn bước sóng khác nhau cho dữ liệu Tx và Rx. Module quang có đầu nối LC vì nó tương tự như hệ thống 1G / 10G  CWDM MUX / DEMUX thông thường vì λ (Lambdas) đang được sử dụng giống như đối với các kênh thấp hơn của ITU-T G.694.2 CWDM (L0λ = 1271 nm, L1λ = 1291 nm , L2λ = 1311 nm và L3λ = 1331 nm như trong bảng). Đó là lý do tại sao kết nối hai Module quang tốn ít sợi hơn và hiệu quả hơn khi sử dụng ở Khoảng cách trung gian (IR) lên đến 2 km.

Lane	Center wavelength	Wavelength range	Module electrical lane
L0	1271 nm	from 1264.5 to 1277.5 nm	Tx0, Rx0
L1	1291 nm	from 1284.5 to 1297.5 nm	Tx1, Rx1
L2	1311 nm	from 1304.5 to 1317.5 nm	Tx2, Rx2
L3	1331 nm	from 1324.5 to 1337.5 nm	Tx3, Rx3

LAN WDM và cũng thường được gọi là Module quang LR4 (Long Range 4 lane) thường được sử dụng trong khoảng cách từ 10 km trở lên. So với các giải pháp xWDM khác, LAN WDM có khoảng cách kênh dày đặc hơn (L0λ = 1295,56 nm, L1λ = 1300,05 nm, L2λ = 1304,58 nm và L3λ = 1309,14 nm như có thể nhìn thấy trong bảng) vì khoảng cách tối đa giữa các kênh bước sóng L0 và L3 là 15,66 nm . Điều này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng loại phương tiện OS2 được tối ưu hóa bước sóng 1310 nm. Hầu hết các loại Module quang được đề cập trước đây có phạm vi 10 km yêu cầu tính năng FEC (Sửa lỗi chuyển tiếp) bổ sung để truyền mà không bị tổn thất nhưng LAN WDM có thể hoạt động mà không cần tính năng này giúp giảm chi phí bổ sung và đây là một trong những lý do chính tại sao LAN WDM được áp dụng nhanh hơn cho các khoảng cách bằng hoặc lớn hơn 10 km.

Lane	Center wavelength	Wavelength range	Module electrical lane
L0	1295.56 nm	from 1294.53 to 1296.59 nm	Tx0, Rx0
L1	1300.05 nm	from 1299.02 to 1301.09 nm	Tx1, Rx1
L2	1304.58 nm	from 1303.54 to 1305.63 nm	Tx2, Rx2
L3	1309.14 nm	from 1308.09 to 1310.19 nm	Tx3, Rx3

Khi nói về khoảng cách tối đa cho LAN WDM, rất khó để nói vì nó thay đổi theo từng năm. Gần đây thị trường đã có các Module quang với phạm vi tối đa là 30km nhưng hiện tại khi nhu cầu về khoảng cách đã xuất hiện, các Module quang có thể đạt tới 40 km một khoảng cách ER hiệu quả hơn với chi phí phát triển mới nhất trong phạm vi ZR lên đến 80 km với BER tương đối thấp (Tỷ lệ lỗi bit ) và tín hiệu chập chờn.

Thuộc tính	Khoảng cách	MMF		SMF
		SR4	SWDM4	PSM4	CWDM4	eCWDM4	LAN WDM
SR	0÷100 m	✓	✓	✓	✓	✓	✓
	0÷150 m	✓		✓	✓	✓	✓
IR	0÷500 m			✓	✓	✓	✓
	0÷2,000 m			✓	✓	✓	✓
LR	0÷10,000 m			✓		✓	✓
	0÷20,000 m						✓
ER	0÷30,000 m						✓
+FEC	0÷40,000 m						✓
ZR	0÷80,000 m						✓

Dưới đây là toàn diện mô tả phương tiện truyền dữ liệu của Module quang, công nghệ truyền dữ liệu và khoảng cách mà nó có thể đạt được. Phần này là tổng quan nhanh với các thông số cụ thể và giá trị gần đúng của chúng cho từng loại Module quang. Module quang bổ sung không có trong phần này là Module quang chỉ có chức năng TX hoặc RX với RX được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu để kiểm tra sâu dữ liệu hoặc tạo các nhóm liên kết không đối xứng.

Module quang QSFP28 cũng có thể hỗ trợ kết nối InfiniBand, OTU4 và 128GFC và các giá trị sẽ tương tự với ngân sách quang sẽ tốt hơn một chút và đối với phần cứng khác nhau này có thể được yêu cầu (một số phần cứng hỗ trợ tốc độ đa tốc độ).

Kết luận:
Các Module quang 100G có thể khác nhau về hệ số hình thức. QSFP28 phổ biến hơn và được sử dụng để hỗ trợ cơ sở hạ tầng truyền thông dữ liệu 100GbE và giúp thiết lập cơ sở bắt đầu cho 5G. Có thể nói 100G là con đường đi khi các công nghệ truyền dẫn mới ngày càng lan rộng và đa dạng hơn (ví dụ: PAM-4) nhưng cũng như mọi thứ đều có sự thay thế trong tương lai. Thế hệ tiếp theo của các Module quang 200G và 400G sử dụng, chẳng hạn như hệ số dạng QSFP-DD sẽ được sử dụng trên các thiết bị chuyển mạch tủ rack hoặc các giải pháp công nghệ khác yêu cầu trao đổi dữ liệu gần như tức thì giữa hai điểm và dự kiến ​​sẽ phổ biến rộng rãi hơn vào giữa đến cuối năm 2020.

Các công nghệ truyền dữ liệu như xWDM (ví dụ: SWDM4, CWDM4, LAN WDM) hoặc các giải pháp phân làn (ví dụ: SR4, PSM4) và các phương tiện như SMF, MMF hoặc cáp Twinaxial có thể khác nhau nhưng nguyên tắc cơ bản của các luồng dữ liệu làn riêng biệt (ví dụ: 4 , 10) để đạt được thông lượng dữ liệu kết hợp lớn hơn sẽ ở lại và được sử dụng cho thế hệ thu phát tiếp theo sẽ hỗ trợ tốc độ thậm chí còn lớn hơn.