Приветствую, коллеги! Это опять @ProstoKirReal. В прошлых статьях я с вами обсуждал историю развития SFP-модулей и оптические кабели:

• Сложно о простом. Все, что бы вы хотели знать о SFP модулях. Часть 1. Эволюция модулей и базовые понятия

• Сложно о простом. Все, что бы вы хотели знать о SFP модулях. Часть 2. Оптические кабели

В данной статье я бы хотел вместе с вами заглянуть «под капот» SFP-модуля и рассказать о базовых принципах его работы, стандартах и методах кодирования.

❯ Зачем нужна эта статья?

Данная статья нам нужна для того, чтобы разобраться в базовых понятиях и разобрать:

• принципы работы SFP модуля;

• контроллер и система мониторинга DDM/DOM;

• NRZ vs PAM4;

• BER и FEC;

• медные (Copper) vs оптические модули;

• скоростные стандарты модулей и принципы работы.

❯ Базовый принцип работы

Любой SFP-модуль, от простого 1Ge SX до навороченного 400Ge ZR, решает одну важную задачу – преобразовать электрический сигнал в оптический и оптический обратно в электрический.

Путь одного бита данных, от одного сетевого устройства до другого, можно разбить на несколько ключевых этапов.

На стороне передатчика (Transmitter, Tx):

1. Электрический сигнал от сетевого устройства (коммутатора, маршрутизатора, сетевой карты) передается на электрические контакты SFP-модуля;

2. Этот последовательный электрический сигнал (поток нулей и единиц) попадает на драйвер лазера (Laser Driver) и обрабатывается, а драйвер преобразует цифровые сигналы в точные импульсы тока;

3. Лазерный диод (Laser Diode), получая импульсы от драйвера, генерирует световое излучение (для одномодовых модулей — с высокой степенью когерентности) определенной длины волны:
   
   - «1» (единица) – лазер излучает свет есть световой импульс;
   - «0» (ноль) – лазер не светится светового импульса нет.

   В SFP-модулях используются различные типы лазеров, каждый из которых оптимизирован под определенные задачи:
   - VCSEL – для многомодовых коротких дистанций (850 нм);
   - FP – для бюджетных одномодовых решений (расстояние максимум до ~10–20 км);
   - DFB – для линий средней длины 40-60 км;
   - EML – для высокоскоростных и дальних дистанций.

4. Световой импульс фокусируется и направляется через оптическую линзу в оптоволокно. 

На стороне оптического волокна:

1. Мветовой импульс, через торец ферулы коннектора, направляется в сердцевину оптического волокна;

2. Внутри оптоволокна свет ослабевает (затухание) и искажается (грязные коннекторы, примеси и излишние изгибы волокна);

3. С другой стороны, через торец ферулы коннектора, свет попадает на приемник соседнего модуля.

На стороне приемника (Receiver, Rx):

1. Ослабленный и искаженный оптический сигнал поступает из волокна на фотодиод (Photodiode);

2. Фотодиод выполняет обратную лазеру работу – из света в нем генерируется очень слабый электрический ток:
   
   - «1» (единица) – световой импульс есть;
   - «0» (ноль) – импульса нет.
   
   В оптических модулях используются два основных типа приемников:
   
   - PIN-диод – для большинства стандартных применений;
   - Лавинный фотодиод (APD) – для высокочувствительных приемников на больших дистанциях.

3. После этого сигнал поступает на CDR (Clock and Data Recovery), из входящего потока данных извлекается тактовая частота (когда именно нужно считывать каждый отдельный бит) и восстанавливается идеальная цифровая последовательность, синхронизированная по времени;

4. Восстановленный электрический сигнал отправляется через контакты модуля в хост-устройство (коммутатор, маршрутизатор, сетевая карта), который уже интерпретирует его как пакеты данных.

Более подробный разбор типов лазеров и сравнение типов приемников можно прочитать здесь.

В современных высокоскоростных модулях эта цепочка усложняется. Вместо одного канала их несколько, а этапы кодирования и исправления ошибок становятся критичными.

❯ Контроллер и память DDM/DOM

Функция DDM (Digital Diagnostics Monitoring) различными производителями может называться по-разному. Cisco, как всегда, выделяется, назвав свою функцию DOM (Digital Optical Monitoring), ZyXel - DDMI. Но в основном вендоры SFP-модулей используют аббревиатуру DDM и ее реализация жестко регламентируется соглашением MSA SFF-8472. Вендоры имеют право вносить изменения только в EEPROM (память, связанная с микроконтроллером), но строго в рамках SFF-8472. Некоторые поля зарезервированы, менять их нельзя.

В этой памяти хранится вся служебная информация о модуле:

• тип (SFP/SFP+/QSFP+ и т.д.);

• производитель;

• серийный номер;

• длина волны;

• максимальная дистанция;

• другая служебная информация.

Если в коммутаторе ввести команду «show interface» он читает именно эту информацию из EEPROM.

Но главной задачей DDM/DOM – превратить модуль в измерительный прибор. Микроконтроллер в реальном времени мониторит ключевые параметры:

• температура модуля;

• напряжение питания;

• ток лазера передатчика;

• выходная оптическая мощность передатчика (Tx Power);

• входная оптическая мощность приемника (Rx Power).

Именно благодаря DDM/DOM можно заранее увидеть, что мощность на приемнике приближается к критическому значению чувствительности.

❯ NRZ vs PAM-4

NRZ (Non Return to Zero) – один из самых простых методов модуляции. Модуляция – это процесс изменения характеристик сигнала (например, амплитуды фазы или частоты) для кодирования информации. 

NRZ использует всего 2 уровня амплитуды (или напряжения):

• свет есть – «1» (единица);

• света нет – «0» (ноль).

То есть, за одну амплитуду NRZ может передавать один бит информации.

PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation 4) означает четырехуровневую импульсно-амплитудную модуляцию. Это означает, что сигнал может иметь 4 разных уровня амплитуды (или напряжения):

• света нет – «00»;

• тусклый свет – «01»;

• средняя яркость – «10»;

• свет на полную яркость «11».

То есть, каждая амплитуда может передавать два бита информации. При одинаковой символьной скорости PAM-4 может передавать информацию в два раза больше, чем NRZ, при той же скорости.

Тогда почему некоторые модули все еще используют NRZ, если PAM-4 передает больше информации? 

У каждого метода модуляции есть как свои преимущества, так и недостатки.

У NRZ энергопотребление ниже, более высокий SNR (отношение мощности полезного сигнала к мощности фонового шума) и более низкий BER (коэффициент битовых ошибок). Он проще и надежнее, чем PAM-4, но имеет более низкую скорость передачи.

У PAM-4 выше скорость передачи информации, но из-за этого выше энергопотребление, ниже помехоустойчивость (различить 4 уровня амплитуды сложнее, чем 2, поэтому сигнал более восприимчив к шумам и искажению). Из-за более высоких BER, пришлось вводить сложные методы FEC (Forward Error Correction – упреждающая коррекция ошибок).

Вот наглядная сравнительная таблица:

То, что NRZ, в основном, применяется в более медленных каналах связи не значит, что он совсем не применяется в высокоскоростных каналах. Например, в QSFP+ и QSFP28 SR с коннекторами MPO/MTP, где используется несколько волокон со скоростью передачи 10/25 Ge.

❯ BER и FEC

Тут более подробно остановимся на BER и поговорим о FEC.

BER (Bit Error Rate) – частота возникновения ошибок. Рассчитывается как отношение количества ошибочных бит к общему количеству переданных бит.

Например, BER=10^-3 означает, что одна ошибка приходится на 1000 переданных бит. 

BER в оптоволоконных линиях возникает из-за шума, помех, искажений сигнала, проблем с синхронизацией, а также из-за межсимвольной интерференции

Чтобы снизить количество битовых ошибок, применяют следующие методы:

• поднятие уровня принимаемого сигнала за счет увеличения мощности передатчика;

• использование избыточного кода прямой коррекции ошибок.

Как правило, включение FEC на интерфейсе снижает количество этих самых битовых ошибок.

FEC – упреждающая коррекция ошибок. Она добавляет к полезным данным контрольную сумму (избыточные биты). С его помощью приемник может обнаружить и исправить часть ошибок.

Существует множество видов FEC. Сегодня я на них останавливаться не буду. Расскажу только о наиболее распространенном коде «Рида-Соломона» (255, 239). Данный код добавляет всего 7% проверочных байтов.

​​

По сути, FEC осуществляет кодирование и декодирование. С его помощью отправляется дополнительная информация вместе с исходными данными. Тот же алгоритм на другом конце позволяет приемнику обнаруживать битовые ошибки и исправлять их без повторной передачи.

Чтобы FEC заработал, необходимо на обоих встречных интерфейсах коммутатора включать этот режим, чтобы произошло автосогласование (оно должно совпадать по типу).

У отечественных производителей с которыми я работал, обычно используется именно код RS, но есть и исключения. Поэтому, если у вас не работает FEC, проверьте, действительно ли он одинаковый с обеих сторон.

❯ Медные (Copper) vs Оптические модули

Ранее мы обсуждали принцип работы SFP-модулей как «преобразование электрического сигнала в оптический сигнал и обратно в электрический сигнал», но он справедлив только для оптических модулей.

А что же внутри медных SFP/SFP+ (1000BASE-T, 10GBASE-T)?

Во-первых, да, бывают медные SFP+ модули на 10Ge. Про них все обычно забывают и редко используют. На моей памяти данные модули закупают, только в тех случаях, когда прокладка оптики невозможна, по тем или иным причинам, или на предприятии уже есть необходимая витая пара (для 10Ge используется Cat. 6). Но расстояние у меди ограничено (1Ge до 100 м. 10Ge до 30 м.).Применение оптических модулей дешевле, а расстояние, даже на MMF, гораздо больше, поэтому и редко встречаются медные 10Ge.

Если у вас есть другие практические примеры использования медного SFP+ модуля, просьба, поделиться в комментариях.

Во-вторых, внутри медного модуля нет лазера и фотодиода. Вместо них установлен PHY-контроллер. Это сложная микросхема, которая передает высокочастотный сигнал по витой паре. Он преобразовывает цифровой сигнал от сетевого устройства в электрический сигнал и в обратном направлении. Для разных стандартов использует разные методы кодирования (для 1000BASE-T используют PAM-5, для 10GBASE-T используют PAM-16).

Также внутри медного модуля есть драйверы линий кабеля для усиления сигнала. С его помощью сигнал проходит на заданное расстояние. Фильтры и коррекция ошибок минимизируют шумы и снижают искажения.

Ну и главное отличие, это конечно интерфейс RJ-45, с помощью которого осуществляется подключение витой пары к медному модулю.

Из-за всех этих особенностей электропотребление у медных модулей выше, чем у оптических, тем самым ограничивая их применение в высокоплотных шасси.

Вот наглядная сравнительная таблица медных и оптических SFP-модулей:

❯ Скоростные стандарты модулей и принципы работы

В первой части этого цикла я приводил список самых распространенных SFP- модулей, но не рассказал как они работают. Сегодня восполним этот пробел.

SFP-1Ge

SFP‑LX

Ключевые моменты:

• LX работает на длине волны 1310 нм;

• для дистанций до 10 км;

• волокно одномодовое (SMF);

• тип источника (Tx) – FP (они дешевле);

• тип приемника (Rx) – PIN;

• коннектор LC Duplex, так как требуется два волокна (TX/RX).

Про коннекторы и их типы (Duplex/Simplex) я говорил в прошлой статье.

Длина волны – это характеристика излучаемого им светового сигнала, измеряемая в нанометрах (нм). В большинстве случаев в многомодовом волокне используется длина волны 850 нм, а в одномодовом волокне – 1310 или 1550 нм.

Модули подключаются патч-кордом LC-LC Duplex. Лазер (TX) одного модуля передает сигнал на фотодиод (RX) другого модуля по одному из волокон. Ответный сигнал идет по второму волокну в обратном направлении.

Как это работает:

В одномодовом волокне свет распространяется по единственному пути (одной моде) строго по центру сердцевины, почти не отражаясь от стенок. Длина волны 1310 нм выбрана потому, что на ней затухание (ослабление сигнала) в кварцевом стекле минимально для средних дистанций, а хроматической дисперсии нет. Дистанция ограничена за счет мощности передатчика и чувствительности приемника.

Аналогия:

Каждое волокно – это однополосная дорога, разделенная отбойником. Каждая машина с данными может ехать строго друг за другом по одной траектории на длине волны 1310 нм. На другом конце стоит приёмник, который считывает данные.

Топлива (оптической мощности) хватает ровно на 10 км. с учетом небольшого затухания. Если затухания будет слишком много (из-за грязных коннекторов или слишком сильных изгибов), то машины не доедут.

SFP‑EX

Ключевые моменты:

• EX работает на длине волны 1310 нм (такая же, как у LX);

• для дистанций до 40 км;

• волокно одномодовое (SMF);

• тип источника (Tx) – DFB;

• тип приемника (Rx) – PIN;

• коннектор LC Duplex, так как требуется два волокна (TX/RX);

• используется более мощный лазер (выше оптическая мощность).

Как это работает:

Технологически EX – это тот же LX, но с лазером бОльшей оптической мощности и часто с более узким спектром излучения. БОльшая мощность позволяет отправить сигнал через 40 км волокна, преодолев затухание. 

Аналогия:

Это та же однополосная дорога (1310 нм), но с более мощными машинами.

Машины могут приехать значительно дальше (до 40 км) без потери сигнала, так как их «двигатели» (лазеры) мощнее и «топлива» (оптической энергии) хватает на более дальние расстояния. Основная задача этих машин преодолеть затухание на больших дистанциях.

SFP‑ZX

Ключевые моменты:

• ZX работает на длине волны 1550 нм (основное отличие от LX и EX) с минимальным затуханием;

• для экстремальных дистанций от 80 до 120 км;

• волокно одномодовое (SMF);

• тип источника (Tx) – DFB. используется очень мощный лазер (максимальная оптическая мощность) с узким спектром для предотвращения дисперсии;

• тип приемника (Rx) – PIN;

• коннектор LC Duplex, так как требуется два волокна (TX/RX);

Как это работает:

Для рекордных дистанций используется два ключевых принципа. Во-первых, длина волны 1550 нм находится в области минимального затухания в кварцевом волокне (менее 0,2 дБ/км). Во-вторых, применяются лазеры с очень узким спектром и системой контроля мощности, чтобы минимизировать хроматическую дисперсию – главного врага на дистанциях свыше 80 км.

Аналогия:

Это все та же однополосная дорога, но с идеальным покрытием (1550 нм), на котором сигнал почти не ослабевает. Здесь используются спорткары (лазеры с максимальной мощностью) которые едут по трассе, где сопротивление (затухание) минимально (особенность кварца с длиной волны 1550 нм). Поэтому данные могут преодолеть рекордные расстояния без потери качества связи.

SFP‑SX

Ключевые моменты:

• SX работает на длине волны 850 нм;

• для коротких дистанций до 550 м;

• волокно многомодовое (MMF);

• тип источника (Tx) – VCSEL (они дешевле);

• тип приемника (Rx) – PIN;

• коннектор LC Duplex, так как требуется два волокна (TX/RX);

Как это работает:

Многомодовое волокно имеет широкую сердцевину (50 или 62,5 мкм), что позволяет свету распространяться по множеству путей (мод). Каждый луч отражается от стенок под своим углом и проходит разное расстояние, из-за чего импульсы на приемнике «размазываются». Это явление называется межмодовой дисперсией, и именно оно, а не затухание, ограничивает дистанцию 550 метрами. Длина волны 850 нм используется из-за низкой стоимости соответствующих светодиодов и лазеров VCSEL.

Аналогия:

В данном случае, каждое волокно – это широкий многополосный автомобильный туннель. Каждая машина с данными может ехать по своей полосе (это моды), но каждая на длине волны 850 нм. Все они стартуют одновременно с одного конца, но центральная полоса будет «прямее» и данные по ней будут передаваться быстрее, а крайние полосы, из-за отражений от стенок, будут длиннее и данные по ним придут с опозданием (микрозадержкой).

Приемник на другом конце – это «умная камера», которая может считывать микрозадержки и правильно интерпретировать данные, пока они не стали слишком большими.

SFP‑BiDi (WDM)

Бывают разные названия, но важно помнить, что в характеристиках таких модулей всегда указаны длины волн для приемника и передатчика, например, TX 1310 нм / RX 1550 нм. Ключевой момент: на противоположном конце должен быть установлен парный модуль с зеркальными длинами волн, например, TX 1550 нм / RX 1310 нм.

Чтобы было проще найти парный модуль, в артикулах производителей часто меняют местами цифры, обозначающие длины волн, например: XX-YY35ZZZZ и XX-YY53ZZZZ.

Ключевые моменты:

• работают на двух длинах волн, чаще всего 1310 нм и 1550 нм;

• волокно одномодовое (SMF);

• тип источника (Tx) – DFB; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• коннектор LC Simplex или SC Simplex (логика работы от коннектора не зависит);

• дистанция зависит от типа лазера и мощности. 10-20 км (стандартные BiDi) до 80+ км (дальнобойные BiDi).

Как это работает:

В модуль встроен WDM-фильтр (мультиплексор/демультиплексор), который физически разделяет две длины волны. Лазер излучает на одной длине волны (например, 1310 нм), а фотодиод принимает только на другой (1550 нм). Оба сигнала передаются по одному и тому же волокну одновременно, но не мешают друг другу, потому что оптические фильтры на приеме и передаче настроены на «свои» волны.

Аналогия:

Возьмем тот же туннель, но теперь по одной полосе движутся машины в обе стороны.

Как это возможно? 

Потому что машины, двигаются на своей длине волны. На въезде и выезде стоят умные светофильтры (WDM-фильтры внутри модуля) и пропускают свет на своей длине волны.

Но почему свет внутри такого туннеля не смешивается и нет засветов?

Один мой коллега объяснил это так: если направить два потока воды крест-накрест, они смешаются в один, потому что молекулы воды относительно велики и взаимодействуют. Если же направить аналогично два луча фонарика, на противоположных стенах останутся два отдельных световых пятна. Фотоны света настолько малы и не взаимодействуют друг с другом в обычной среде, что просто проходят насквозь.

SFP+10Ge

❯ SFP+SR

Ключевые моменты:

• скорость – 10 Гбит/с;

• длина волны – 850 нм;

• дистанция – до 300 м (OM3) / 400 м (ОМ4), про стандарты волокон говорил в прошлой статье;

• тип источника (Tx) – VCSEL; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – многомодовое (MMF);

• коннектор – LC Duplex

Как это работает:

На скорости 10 Гбит/с проблема «многополосности» многомода становится острее. Чтобы импульсы не «наезжали» друг на друга, на длинных расстояниях, пришлось усовершенствовать лазер, фотоприемник и волокно. Используются лазеры VCSEL с очень четкой модуляцией и оптимизированное многомодовое волокно (OM3/OM4)/

SFP+ LR

Ключевые моменты:

• скорость – 10 Гбит/с;

• длина волны – 1310 нм;

• дистанция – от 10 до 20 км;

• волокно – одномодовое (SMF);

• тип источника (Tx) – DFB;

• тип приемника (Rx) – PIN;

• коннектор – LC Duplex

Как это работает:

Главная проблема на скорости 10 Гбит/с как и у 1 Гбит/с – это преодолеть дистанцию в 20 км. из-за дешевой компонентной базы (DFB и PIN).

SFP+ ER

Ключевые моменты:

• скорость – 10 Гбит/с;

• длина волны – 1550 нм;

• дистанция – до 40 км;

• тип источника (Tx) – EML; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – одномодовое (SMF);

• коннектор – LC Duplex

Как это работает:

На стабильную работу на 40 км уже влияет затухание и дисперсия. Длина волны 1550 нм решает проблему затухания, но усиливает дисперсию, она выше, чем на 1310 нм. Поэтому в ER модулях используют высокотехнологичные EML-лазеры со встроенными усилителями 

SFP+ ZR

Ключевые моменты:

• скорость – 10 Гбит/с;

• длина волны – 1550 нм;

• дистанция – до 80;

• тип источника (Tx) – EML;

• тип приемника (Rx) – APD;

• волокно – одномодовое (SMF);

• коннектор – LC Duplex

Как это работает:

ZR это нестандартный и экстремальный модуль, использующий технологию магистральной оптики. Здесь применяются EML-лазеры, сигнал в которых формируется за счет внешней модуляции, а также используются лавинные фотодиоды (APD). Эти модули потребляют больше энергии.

SFP+ BiDi (WDM)

Ключевые моменты:

• скорость – 10 Гбит/с;

• длина волны – пары вида 1270/1330 нм, 1470/1530 нм и др.;

• дистанция – от 10 до 80 км;

• тип источника (Tx) – от DFB до EML (в зависимости от дистанции);

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – одномодовое (SMF);

• коннектор – LC Duplex

Как это работает:

На скорости 10 Гбит/с требования к изоляции каналов становятся жестче.

WDM-фильтры в одноволоконных (BiDi) SFP-модулях нужны для того, чтобы разделить передачу (Tx) и прием (Rx) данных по одному волокну на разных длинах волнах. Это позволяет организовать полнодуплексный канал связи, используя всего одно оптическое волокно вместо двух.

❯ SFP28-25Ge

SFP28-SR

Ключевые моменты:

• скорость – 25 Гбит/с;

• длина волны – 850 нм;

• дистанция – до 70 м (OM3) / 100 м (OM4);

• тип источника (Tx) – VCSEL (более высокого качества); 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно многомодовое (MMF);

• коннектор – LC Duplex;

• более быстрая модуляция PAM4.

Как это работает:

SFP28-SR – это логическое развитие SFP+SR. Скорость выросла, а многомодовое волокно осталось. Проблема межмодовой дисперсии, на таких скоростях, становится еще жестче, поэтому модули используют VCSEL-лазеры и NRZ-модуляцию.

Вся работа аналогична 10G SR – просто «машины едут быстрее», а туннель (волокно) остался тем же.

SFP28-LR

Ключевые моменты:

• скорость – 25 Гбит/с;

• длина волны – 1310 нм;

• дистанция – до 10 км;

• тип источника (Tx) – DFB; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – одномодовое (SMF);

• модуляция – PAM4;

• коннектор – LC Duplex.

Как это работает:

Работает абсолютно так же, как SFP+LR, но теперь скорости выше. Главная проблема – дистанция, поэтому используются узкоспектральные DFB-лазеры и улучшенные фотоприемники с цифровой коррекцией.

❯ QSFP+40Ge

QSFP+ SR4

Ключевые моменты:

• скорость – 40 Гбит/с (4 × 10 Гбит/с);

• длина волны – 850 нм;

• тип источника (Tx) – VCSEL; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – многомодовое (MMF);

• коннектор – MPO/MTP;

• дистанция – 100 м (OM3) / 150 м (OM4).

Как это работает:

QSFP+ SR4 передает данные по четырем параллельным волокнам TX и четырем RX, каждый на 10 Гбит/с. Никакой WDM, все максимально просто.

Аналогия:

Это четыре параллельных туннеля в каждую сторону. Поэтому при тех же VCSEL-лазерах можно получить 40G без усложнения.

QSFP+ LR4-PSM (PSM4)

Ключевые моменты:

• скорость – 40 Гбит/с;

• 4×10 Гбит/с по четырем отдельным волокнам SMF;

• тип источника (Tx) – DFB; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• коннектор – MPO/MTP;

• дистанция – до 10 км;

• никакого WDM.

Как это работает:

Внутри все максимально просто. Четыре отдельных одномодовых трассы, каждая на 1310 нм. Это аналог QSFP+ SR4, только для одномода.

QSFP+ LR4

Ключевые моменты:

• скорость – 40 Гбит/с;

• длины волн – четыре канала вокруг 1310 нм;

• дистанция – до 10 км;

• тип источника (Tx) – 4xDFB; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – SMF;

• коннектор – LC Duplex;

• используется CWDM-WDM внутри модуля.

Как это работает:

Модуль берет четыре канала по 10 Гбит/с, модулирует их на четырех разных длинах волн, и объединяет их через встроенный CWDM-мультиплексор в одно волокно. На приемнике происходит обратное.

Тут немного остановимся. Тема мультиплексирования довольно сложная и ее мы разберем в отдельной статье, а также я разбираю эту тему у себя в Telegram-канале. Главное нам важно сейчас понять, что существуют основных два подтипа:

• CWDM – Coarse Wavelength-division multiplexing. Грубое уплотнение. Расстояние между каналами 20 нм (широкие «полосы»). Всего каналов до 18. Используют как бюджетные решения на короткие и средние дистанции;

• DWDM Dense Wavelength-division multiplexing. Плотное уплотнение. Расстояние между каналами 0.8 нм и уже (узкие «полосы»). Каналов 40, 80, 96 и более. Используют в магистрали и сети, где нужна максимальная емкость на огромные расстояния.

И они работают по одинаковому принципу. Берут несколько сигналов на разных длинах волн и «уплотняют» в одно волокно, а на другой стороне приемник разбирает их на составные части.

QSFP+ ER4

Ключевые моменты:

• скорость – 40 Гбит/с;

• дистанция – до 40 км;

• длины волн – 4×CWDM;

• тип источника (Tx) – CWDM DFB; 

• тип приемника (Rx) – APD;

• волокно – SMF;

• LC Duplex;

• мощные DFB-лазеры и компенсация дисперсии.

Как это работает:

То же, что LR4, но с усилением мощности. Каждая из четырех длин волн должна пройти до 40 км, поэтому используются мощные лазеры, узкие спектры и схемы коррекции размывания импульса.

40/100G BiDi (SRBD)

Ключевые моменты:

• скорость – 40 или 100 Гбит/с;

• работает по двум длинам волн (обычно около 850 нм – коротковолновая BiDi);

• тип источника (Tx) – VCSEL; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – MMF;

• коннектор – LC Duplex;

• дистанция – 100-150 м.

Как это работает:

Модуль принимает четыре электрических сигнала и объединяет их в два канала по 20G (для 40Ge) или в два канала по 50G (для 100Ge) на разной длине волны 850 и 900 нм. А WDM-фильтры разделяют длины волн в одном волокне.

❯ QSFP28-100Ge

QSFP28-SR4

Ключевые моменты:

• скорость – 100 Гбит/с (4 × 25G);

• длина волны – 850 нм;

• тип источника (Tx) – VCSEL (более высокого качества); 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – OM3/OM4;

• коннектор – MPO/MTP;

• дистанция – до 70 м (ОМ3) / 100 м (ОМ4).

Как это работает:

Работает по той же схеме, что QSFP+ SR4, но теперь каждая линия – 25G. Чтобы это работало, используется NRZ, быстрые VCSEL и точные приемники.

QSFP28-PSM4

Ключевые моменты:

• скорость – 100 Гбит/с;

• тип источника (Tx) – DFB; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• 8 волокон SMF (4 TX + 4 RX);

• длина волны – 1310 нм;

• дистанция – до 10 км;

• никаких WDM.

Как это работает:

Как QSFP+ PSM, только «ускоренное»: каждая линия –25 Гбит/с. Все максимально просто: параллельная передача сигнала.

QSFP28-SWDM4

Ключевые моменты:

• скорость – 100 Гбит/с;

• четыре длины волн в диапазоне 850-950 нм;

• тип источника (Tx) – VCSEL; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• работает по одной паре MMF (LC Duplex);

• дистанция – до 75 м (ОМ3) / 100 м (OM4);

• использует SWDM-мультиплексирование.

Как это работает:

В модуле объединяются 4 канала по разным «цветам» внутри коротковолновой области – SWDM. Это позволяет получить 100G на обычных 2-волоконных мультимодах, без MPO.

QSFP28-CWDM4

Ключевые моменты:

• скорость – 100 Гбит/с;

• длины волн – четыре CWDM-канала близкие к 1310 нм;

• тип источника (Tx) – 4xDFB; 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• дистанция – до 10 км;

• волокно – SMF;

• LC Duplex.

Как это работает:

Аналогично QSFP+ LR4 (40G) модуль берет четыре канала, модулирует их на четырех разных длинах волн, и объединяет их через встроенный CWDM-мультиплексор в одно волокно. На приемнике происходит демультиплексирование. Требуются лазеры с узким спектром и точной стабилизацией температуры.

QSFP28-LR4 (LWDM)

Ключевые моменты:

• скорость – 100 Гбит/с;

• длины волн – LWDM (плотное расположение вокруг 1295-1310 нм);

• дистанция – до 10 км;

• тип источника (Tx) – 4xDFB (высокоточные); 

• тип приемника (Rx) – PIN;

• волокно – SMF;

• LC Duplex;

Как это работает:

LWDM – это более плотная упаковка длин волн, чем CWDM, что требует высокой точности фильтров и стабильных лазеров. Принцип тот же, что QSFP+ LR4 (40G), просто «дорожки» расположены ближе друг к другу.

QSFP28-ER4 (LWDM)

Ключевые моменты:

• скорость – 100 Гбит/с;

• дистанция – 30-40 км;

• длины волн – LWDM;

• тип источника (Tx) – 4xDFB; 

• тип приемника (Rx) – APD;

• мощные лазеры и компенсация дисперсии;

• LC Duplex.

Как это работает:

Для этих дистанций приходится усиливать мощность, использовать EML/DFB-лазеры с минимальным спектральным «размазыванием» и сложные схемы коррекции.

В комментариях попросили таблицу по всем модулям, вот наглядная краткая таблица по SFP / SFP+ / SFP28 / QSFP+ / QSFP28 модулям.

❯ Заключение

Мы разобрали огромную тему и пласт технологий, которые работают внутри маленького корпуса SFP-модуля. И чем глубже мы заглядываем внутрь, тем яснее становится работа современной оптики.

Но самое главное, какой бы модуль Вы ни выбрали, он всегда будет работать по одному фундаментальному принципу – преобразовывать электрический сигнал в оптический и обратно, сохраняя данные с максимальной точностью.

Что дальше?

В четвертой части разберем:

• альтернативные решения SFP-модулей – DAC/AOC кабели;

• пассивные компоненты (аттенюаторы, делители, кроссы и др.).

Для тех кто прочитал до конца

Немного важной информации

Я создал Telegram‑канал от сетевика для сетевиков. Если ты сетевой инженер, системный администратор, разработчик, студент или просто увлекаешься сетями – тебе сюда.

Что тебя ждет?

• Разборы глобальных сбоев и неожиданных сетевых проблем.

• Мини‑статьи с полезными фишками и объяснением сложных тем простым языком.

• Истории из жизни сетевиков – в том числе от подписчиков.

---

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩

Перед оплатой в разделе «Бонусы и промокоды» в панели управления активируйте промокод и получите кэшбэк на баланс.