產業技術
光纖收發模組的世代演進
光纖收發模組的世代演進
隨著1960年代半導體雷射與通訊光纖的發明, 開啟了光纖通信的時代. 起初, 光通信設備僅存在於大型電信商的業務經營, 使用於電信領域. 電信產業的可靠性要求高, 因此光通信設備內的光電組件, 也被賦予高規格的要求, 以確保可以長時期工作不間斷, 且可維持相當長的生命週期. 在這個階段, 產業高度垂直整合, 設備製造商就包含了光纖通信組件的開發, 封裝以及電路整合.
而後, 光通信技術漸漸跨出電信通訊 Telecom 領域, 進入到了資料通訊 Datacom 市場. 同時產業也漸漸步入了垂直分工, 系統商不再自行開發光纖通信組件, 轉而向新興的組件廠商購入, 與自己的通信設備組裝整合出售. 這段期間盛行的都是固定式的光纖收發模組, 主流外觀是 1×9 以及 SFF.
1×9
直接焊接到系統設備上的光纖模組, 光纖介面多為 SC. 大多數應用於 100Mbps / 155Mbps 的產品, 以及少數的 1G 產品. 由於焊接腳位為一排九針, 所以稱呼為 1×9.
SFF
直接焊接到系統設備上的光纖模組, 光纖介面多為 LC. 大多數應用於 100Mbps / 155Mbps 的產品, 以及少數的 1G 產品. 後期也引用至 FTTH 的產品, 如 EPON / GPON, 光纖介面則以 Simplex SC 或 Pigtail. 由於焊接腳位為兩排五針或是兩排十針, 所以也被稱呼為 2×5 及 2×10.
可熱插拔光纖收發模組
外購的光纖通信組件, 基於成本效益, 品質與可靠度漸漸不能達到電信等級的要求. 光電組件有極多的非自動化製程, 可靠度及壽命難以企及電子電路零組件. 倘若資料通訊設備在使用者端發生了光電功能故障, 需要維修, 必須將整台設備停機, 整機送回原廠進行維修及保養. 為了維修幾個 Port 而將設備停機將令客戶端無法接受. 一個市場需求就發生了, 使用者需要可以快速更換故障光電組件, 而不須停機維修. 可熱插拔光纖收發模組 Hot Pluggable Fiber Optical Transceiver 應運而生. 依歷史的演進, 說明如下
GBIC (Giga Bit Interface Converter)
第一代的可熱插拔光纖模組, 光纖連接器介面為 SC. 最初為了搭配 Gigabit Ethernet 光纖網路的推廣而生.
SFP (Small Form-factor Pluggable)
為了提升交換機的面板 Port 密度, 將光纖介面改為 LC. SFP 在可熱插拔光纖收發模組佔據了一個長期的主流. 起初的應用也是 Fast / Gigabit Ethernet 及 Fibre Channel 1/2/4G.
10G 世代的初期, 經歷了一個較長的摸索期, 一方面考量模組與系統分工的切割方式, 另一方面也等待高速信號 IC 以及半導體雷射的成熟過程. 期間發展出許多模組外觀.
XENPAK
光纖網路跨入 10G 世代的初期, 曾有過的過渡外型, 光纖連接器介面為 SC.
X2
光纖網路跨入 10G 世代的初期, 曾有過的過渡外型, 光纖連接器介面為 SC.
XFP (10G Form-factor Pluggable)
10G 世代的初期, 為提升面板密度進行的小型化嘗試, 光纖連接器介面為 LC. 其中 X 代表其與系統端的電介面採用 10G XFI 信號. 後續由於 SFP+ 成功開發出 10G 產品, 有更高的面板密度, XFP 也漸漸淪為過渡.
SFP+ (SFP Plus)
10G 光纖收發模組介面經歷了 XENPAK, X2, XFP 的過渡後, 最後由 SFP+ 將 SFP 做細節的調整, 使應用拓展到 10G Ethernet 及 Fibre Channel 8/16G. 成功將 SFP 的市場慣性延續到 10G 世代.
10G 普及之後, 依 Ethernet 的升級慣性, 應是要跨至 100G. 然而, 所需的光電組件不論是電子電路 IC, 或是半導體光電元件, 都未成熟到可以推動一個新興市場. 此時基於商業需求的考量, 先行導入一個中間世代, 這便是 40G 的由來.
QSFP+ (Quad Small Form-factor Pluggable Plus)
到了 40G Ethernet 的世代, 由於高速信號處理以及雷射特性尚未有突破性的進展, 通信行業不得不以空間換取時間. 將信號以四發四收取代早期的單發單收架構. 好處是可以承接 10G 已經蓬勃發展的 IC 與雷射技術, 大幅縮短 Time to Market, 不須等待供應鏈緩慢的成熟過程; 相對地, 產品外觀將無法延續主流 SFP+ 的使用慣性, 延緩了使用者的接納. 此時的光纖介面區分為兩個版本, 多光纖版本以 MPO 連接器, 單對光纖版本則為 LC 連接器.
另一方面, 電信領域開始摸索 100G 的實現方式, 發展出電信市場所專用的光纖收發模組外型, 並經歷了幾代的變遷.
CFP (100G Form-factor Pluggable)
電信通訊首先進行了 100G 傳輸的領域. 首先出現的外觀是 CFP, 光纖介面為 LC. 其中 C 代表其與系統端的電介面採用 100G 信號, 第一代的 CFP 電介面信號為 CAUI 10x10G, 光介面信號為 4x25G.
CFP2
為了提升面板 Port 密度, 電信通訊提出了CFP2, 不具備 CFP 回溯相容性, 光纖介面為 LC. 第二代的 CFP 電介面信號為 CAUI-4 4x25G, 光介面信號為 4x25G.
CFP4
電信通訊在 100Gbps 的最後版本是 CFP4, 同樣不具備 CFP / CFP2 回溯相容性, 光纖介面為 LC. 第三代的 CFP4 電介面信號為 CPPI-4 4x25G, 光介面信號為 4x25G.
Ethernet 經歷了 40G 的緩衝過程, 建立起四通路光纖模組的生態體系, 等到光電組件成熟時, 100G 光纖收發模組的切入自然是水到渠成. 25G Ethernet 同樣受益於這個過程.
QSFP28
資料通訊在 100G 光纖收發模組選擇了 QSFP+ 系列, 拓展為 QSFP28 4x25G 外型. 其中 28 代表單路傳輸速度可達 28Gbps, 包含了使用 MPO 連接器的四路光纖版本以及使用 LC 連接器的四路波長兩大類實現方式. 優點是可以延續 40G 長期推廣所建立的使用習慣. 更能滿足回溯相容, 快速取代 40G 的過渡市場. 自此, QSFP 系列也站穩了四路信號類的產品主流.
SFP28
25G 光纖收發模組發展的時程晚於 100G (4x25G) 光纖收發模組, 這意味著光電組件成熟度可與 100G 用料同步. 外型更省去摸索最適合外觀的過程, 直接延續 SFP / SFP+ 系列為市場自然的優先選項, 成就了 SFP28. 目標速度 28Gbps 涵蓋了 25G Ethernet 及 Fibre Channel 32G 的應用.
400G 的世代, 電信通訊領域再度走在前頭開創新的可能性.
CDFP
400Gbps 同樣也是電信通訊行業率先試行, 最早出現的是 CDFP 外型. CD 是以羅馬字母習慣來表達在 400G. 此版本以 16x25G 實現.
CFP8
CFP8 很好地延續 CFP 體系完全不考慮回溯相容的固有傳統, 推出了新的外型. 新外型也是電信通訊產業用以推廣 400G 系統應用, 不同於 CDFP, 此版本的 400G 以 8x50G 實現.
資料通訊領域跨入 400G 後, 由於電介面 4x100G 的信號處理未達成熟, 改以 8x50G 作為切入點. 這也代表 QSFP 系列無法延續到 400G 使用, 需要導入新的外型. 此時網通系統商主導了 QSFP-DD 規格. 而 Google 則以自己一家之力, 力推 OSFP 規格.
OSFP (Octal Small Form-factor Pluggable)
Google 基於自家的資料中心需求, 提出了 OSFP 外型. 電介面信號為 8x50G PAM4. 四路光纖版本光介面信號為 4x100G PAM4, MPO-12 連接介面; 八路光纖版本光介面信號為 8x50G PAM4, MPO-16 連接介面; 四路與八路波長版本都採用 LC 連接介面.
QSFP-DD (Quad Small Form-factor Pluggable Double Density)
資料通訊領域的 400G 外型之爭, 已經漸漸由 QSFP-DD 勝出, 成為產業主流. 這是由於 QSFP-DD 的面板 Port 密度更高, 且連接器向前相容於 QSFP+ / QSFP28. 新款的交換機在還沒有高頻寬需求時, 可以使用上一世代的光纖收發模組, 並與既有系統互連. 電介面信號為 8x50G PAM4. 四路光纖版本光介面信號為 4x100G PAM4, MPO-12 連接介面; 八路光纖版本光介面信號為 8x50G PAM4, MPO-16 連接介面; 四路與八路波長版本都採用 LC 連接介面.
至此, 我們瀏覽過現今主流的光纖模組外型種類. 這是個持續發展的產業過程, 所以也不斷有更多的外型發展中. 譬如, 拓展 SFP 系列到 SFP56, QSFP 系列到 QSFP56. 追求更高密度 SFP系列解決方案, 逐漸吸引廠商投入開發, SFP-DD 與 DSFP 應運而生. 也有新聯盟開始探討 800G 該使用甚麼樣的外型, 當然也會有多種選項投入競爭. 我們會持續更新此主題內容, 提供讀者最即時的資訊.