Laser theo form factor và tốc độ dữ liệu

Loại laser nào nằm bên trong một module được quyết định bởi hai yếu tố — tốc độ mỗi làn mà laser phải điều chế và cự ly mà nó phải đáp ứng — và cả hai đều tăng dần qua từng thế hệ form factor. Trang này lập bản đồ công nghệ laser và bộ thu được dùng ở mỗi bước, từ GBIC 1G tới OSFP 800G.

Quy tắc kinh nghiệm

Tốc độ cũng đẩy theo cùng hướng: tới 10G thì một laser điều chế trực tiếp vẫn ổn; ở 25G, DML đã ở ranh giới và EML/VCSEL-25G bắt đầu thay thế; từ 50G PAM4 mỗi làn, EML hoặc bộ điều chế silicon-photonics chiếm ưu thế; ở 100G+ mỗi làn, VCSEL chạm trần khả năng của mình.

Qua từng thế hệ

1G — GBIC và SFP (thập niên 1990 → )

Phổ đa mode của laser FP vẫn chấp nhận được ở tốc độ 1,25 Gb/s; VCSEL khiến quang học đa mode 1G gần như miễn phí. Xem GBIC, SFP.

10G — XFP, SFP+ (2002 → )

10G là mốc mà EML và APD trở thành tiêu chuẩn cho mọi cự ly trên 10 km, và là nơi CDR bên trong module của XFP nhường chỗ cho thiết kế đặt CDR phía host của SFP+ (XFP, SFP+).

25G — SFP28 (2015 → )

RS-FEC xuất hiện cùng với 25G, cho phép các laser rẻ hơn vẫn đáp ứng đặc tả tại điểm BER trước FEC.

40G — QSFP+ (2010 → )

Đây là quang học song song đầu tiên bán ra thị trường đại chúng; dãy VCSEL trên một bo mạch cùng một dãy thấu kính và ferrule MPO đã đặt ra khuôn mẫu cho mọi SR4/SR8 kể từ đó (QSFP+, Chip-on-board).

100G — QSFP28 (2015 → )

100G là thế hệ mà silicon photonics bước vào sản xuất số lượng lớn (PSM4, DR), và là nơi ranh giới giữa DFB không làm mát (CWDM4, 2 km) và EML có làm mát (LR4, 10 km) định hình thang giá (QSFP28).

200G / 400G — QSFP56, QSFP-DD, OSFP (2019 → )

PAM4 khiến DSP trở thành một phần của mọi module và đẩy laser lên tới 100G mỗi làn — địa hạt của EML và SiPh (QSFP-DD, OSFP).

800G và 1,6T — OSFP, QSFP-DD800, OSFP-XD (2022 → )

Các xu hướng xuyên suốt

1. Từ điều chế trực tiếp sang điều chế ngoài — DML cho ≤ 25G, EML/MZM cho tốc độ cao hơn.
2. Từ một laser mỗi làn sang một laser cho cả module — SiPh chia một nguồn CW ra cho nhiều làn.
3. Từ TO-can kín khí sang die trần — chip-on-board cho quang học song song, tích hợp SiPh cho đơn mode.
4. Cự ly VCSEL thu hẹp khi tốc độ tăng — 550 m ở 1G, 100 m ở 25G, 50–100 m ở 100G; DR đơn mode đang thay thế cả những liên kết ngắn trong trung tâm dữ liệu.
5. Coherent tiến vào các module cắm rút — bộ thu truyền dẫn giờ đây vừa gọn trong một QSFP-DD.
6. Công suất là giới hạn mới — EML có làm mát, DSP và ITLA đẩy các module 400G/800G lên 15–20 W, thúc đẩy sự ra đời của LPO và quang học đóng gói chung.

Vì sao điều này quan trọng đối với việc mã hóa và chẩn đoán

Byte thông tin nhận dạng mà một switch đọc — bước sóng, cự ly, mã tuân thủ — là đại diện gián tiếp cho loại laser bên trong. Mã hóa một module VCSEL SR4 thành LR4 không làm thay đổi các laser 850 nm của nó; host sẽ kỳ vọng một cự ly đơn mode mà module không thể đáp ứng. Và dấu hiệu DDM cũng khác nhau theo loại laser — dòng phân cực vài mA của một VCSEL so với dòng phân cực hàng chục mA cộng thêm TEC của một EML — nên một giá trị dòng phân cực “bình thường” với loại này lại là báo động với loại kia (Loại laser, Bộ thu).

Khía cạnh xử lý tín hiệu của cùng câu chuyện này — từ bộ khuếch đại giới hạn tới DSP, LPO và coherent — nằm trong Điều chế và DSP; khía cạnh đóng gói nằm trong Đóng gói quang học.