SFPモジュールの包括的な分析：基本からアプリケーションまで

I.はじめに

（i）の重要な位置 SFPモジュールコミュニケーションの分野で

近代的で急速に発展している通信ネットワークアーキテクチャでは、SFP（小さなフォームファクタープラグ可能なプラグ可能な）モジュール、つまり小さなプラグ可能なモジュールが重要な基本コンポーネントになっています。データセンター内の大規模なデータの高速交換と送信、または広域ネットワークでの長距離および大容量情報相互作用、または毎日のオフィスおよびビジネス拡大の高い帯域幅と低レイテンシのニーズを満たすためのエンタープライズキャンパスネットワーク、SFPモジュールは、いらいら性のない役割を果たしているかどうかにかかわらず、データトラフィックの指数関数的な成長により、ネットワークの効率的で安定した動作を確保するためのコア要素の1つです。

（ii）業界の開発動向とSFPモジュールへの影響

現在、コミュニケーション業界は、5G、モノのインターネット、クラウドコンピューティングなどの最先端の分野に向かっています。 5Gネットワークの大規模な展開により、ベースステーションとベースステーションとコアネットワーク間の伝送レートと容量に関する非常に高い要件が提示されています。 SFPモジュールは、5GネットワークのFronthaul、Midhaul、およびBackhoulリンクに適応するために、従来の1Gおよび10Gから25G、100G、さらに高いレートなど、より高いレートを持つ必要があります。モノのインターネットの台頭により、数千万件のデバイスがネットワークにアクセスできるようになり、SFPモジュールがコストと消費電力を継続的に最適化するようになり、低電力消費とIoTデバイスの大規模な展開の特性を満たすためのより多くの接続をサポートしました。クラウドコンピューティングの激しい開発により、データセンターの継続的な拡張とアップグレードが促進されました。データセンター内のサーバーの相互接続、ストレージデバイスとコンピューティングノードの高速通信はすべてSFPモジュールに依存して、高密度と高速データ送信を実現し、パフォーマンス、密度、互換性の観点からSFPモジュールの革新的な需要をもたらしました。 2。SFPモジュールの基本的な概要

（i）定義と基本概念

SFPモジュールの定義：SFPモジュールは、ネットワークデバイス（スイッチ、ルーター、サーバーネットワークカードなど）に柔軟な光電子インターフェイスソリューションを提供するように設計されたホットスワップ可能な小パッケージモジュールです。電気信号を光ファイバー伝送の光学信号に変換するか、その逆も同様で、受信した光信号を電気信号に変換して、ネットワークデバイスと光ファイバーリンク間の効率的な接続を実現します。このプラグアンドプレイ機能により、ネットワークの操作とメンテナンスの効率が30％以上向上し、手動のメンテナンスコストが大幅に削減されます。

他のモジュール（GBICなどなど）との違い：初期のギガビットインターフェイスコンバーター（GBIC）と比較して、SFPモジュールはGBICの量の約半分しかなく、サイズの量が大幅に削減され、ネットワークデバイスが限られたパネルスペースでより多くのポートを構成し、ポート密度を大幅に改善します。機能の観点から見ると、両方とも光電子変換機能を備えていますが、SFPモジュールはテクノロジーがより高度であり、データの伝達速度が高く、消費電力、熱散逸、互換性のパフォーマンスが向上しています。たとえば、GBICは通常1Gbpsの最大レートをサポートしますが、SFPモジュールは1Gbpsを簡単に処理できるだけでなく、10Gbps以下のレートにも拡張できます。スイッチの特定のモデルがSFPポートを採用した後、単位面積あたりのポート密度はGBIC時代の8ポートから32ポートに増加し、スペース使用率は4倍増加します。
（ii）構造分析

内部コンポーネント（レーザー、検出器など）：SFPモジュールは、主にレーザーなどのコアコンポーネントで構成されています（電気信号を排出のために電気信号を光学信号に変換するために使用されます。 PINフォトダイオードと雪崩フォトダイオードAPD）、信号処理回路（変調、復調、増幅、整形など、信号の正確な伝送と信号の受信を確保するための電気信号のシグナルの形状など）とコントロール回路（温度、バイアス電流などのモジュールの作業状況を監視および制御するために使用）です。 10G SFPモジュールを例にとると、そのVCSELレーザーは850nmの波長で動作します。 APD検出器を使用すると、マルチモード光ファイバーで300メートルの安定した伝送を実現できます。
外部インターフェイス設計（LCインターフェイスなど）：SFPモジュールの外部インターフェイスは、通常、LC（Lucent Connector）インターフェイスを採用します。これは、小さなサイズ、便利な接続、高密度配線の利点があります。 LCインターフェイスは二重設計であり、それぞれ2つの光ファイバーインターフェイスを介して光信号の送信と受信を実現し、データの双方向伝送を保証します。プラグインデザインにより、モジュールは、複雑なツールや専門的なスキルを必要とせずに、インストールと交換に非常に便利になり、ネットワークの展開とメンテナンスの効率を大幅に改善します。データセンターがLCインターフェイスSFPモジュールを採用した後、配線時間は従来のインターフェースの4時間/キャビネットから1.5時間に短縮されました。
iii。 SFPモジュールの動作原理
（i）光電気変換メカニズム
電気信号を光信号に変換するプロセス：ネットワークデバイスの電気信号がSFPモジュールに送信されると、まずレーザー駆動回路に入ります。回路は、入力電気信号の振幅と周波数の変化に応じてレーザーに提供されるバイアス電流を正確に調整します。バイアス電流によって駆動されるレーザーは、入力電気信号に対応する光信号を生成します。たとえば、デジタル信号「1」の場合、レーザーは強力な光電力を出力します。デジタル信号「0」の場合、レーザーは弱いまたは出力光電力を出力します。このようにして、電気信号の光信号への変換が実現され、変換された光信号は、伝送のために光ファイバーインターフェイスを介して光ファイバに結合されます。直接変調技術を使用したSFPモジュールの変調率は最大28Gbpsで、5Gネットワークのフロントール要件を満たしています。
光信号を電気信号に変換するプロセス：受信端で、光ファイバによって送信される光信号はSFPモジュールの検出器に入ります。検出器は、受信した光電力を対応する電気信号に変換します。生成された電気信号は通常非常に弱く、プリアンプによって増幅する必要があります。次に、増幅された電気信号が形成され、アンプの制限や意思決定回路などの後続の信号処理回路を介して元のデジタル信号に復元されます。最後に、処理された電気信号をネットワーク機器に送信して、光信号から電気信号への変換プロセスを完了します。高度なイコライゼーションテクノロジーは、受信感度を-28dBMに増やし、透過距離を延長する可能性があります。
（ii）データ送信プロセス
送信端でのデータ処理と送信：送信端で、ネットワーク機器は、電気信号の形でSFPモジュールに送信されるデータを送信します。 SFPモジュールを入力した後、データは最初に8B/10Bエンコードなどのエンコード回路によってエンコードされ、データ送信の信頼性と干渉能力が向上します。エンコードされたデータは、レーザー駆動回路によってレーザーに変調され、光信号に変換され、光ファイバを介して送信されます。このプロセス中、SFPモジュールは、送信された光信号の電力を監視および調整して、光信号強度が適切な光ファイバー伝送の範囲内にあることを確認して、信号の有効な透過距離と品質を確保します。演算子によって展開された25G SFP28モジュールは、自動電力制御関数を介して±0.5dB以内の光電力変動範囲を制御します。
受信側でのデータ受信と回復：受信側で、SFPモジュールは検出器を介して光ファイバーから光信号を受信し、電気信号に変換します。事前増幅とフィルタリングの後、電気信号はデコード回路に入り、デコードのために元のデータ信号を復元します。同時に、受信側のSFPモジュールは、ビットエラー率などのインジケーターなど、受信信号の品質を監視します。信号の品質が低いことがわかった場合、送信端はフィードバックメカニズムを介して通知され、送信パラメーターを調整するか、受信信号が修正され、最終的にネットワークデバイスに送信されるデータが正確であることを確認します。データセンターに展開された100G QSFP28モジュールは、FECフォワードエラー補正テクノロジーを使用して、ビットエラー率を10^-4から10^-15に低下させます。
IV。 SFPモジュールタイプの分類
（i）伝送速度による分類
1GBPS SFPモジュール：1Gbps SFPモジュールは、比較的基本的で一般的なタイプであり、初期のギガビットイーサネットネットワークで広く使用されています。エンタープライズキャンパスネットワークでは、デスクトップコンピューターやプリンターなどのオフィス機器をネットワークスイッチに接続して、安定したギガビットネットワークアクセスを提供するためによく使用されます。伝送距離は、使用される光ファイバーと波長のタイプによって異なります。マルチモード光ファイバーが850nmの波長と一致する場合、通常、透過距離は約550mに達する可能性があります。シングルモードの光ファイバが1310nmの波長と一致する場合、透過距離は10km以下に拡張できます。一般的なモデルには、SFP-1G-SX（マルチモード短距離）、SFP-1G-LX（シングルモードの長距離）などが含まれます。
10Gbps SFPモジュール：ネットワークアプリケーションの帯域幅需要の増加により、10Gbps SFPモジュールが生まれました。サーバー間の高速相互接続、ストレージエリアネットワーク（SANS）のストレージデバイスとサーバー間の接続、およびその他のシナリオのために、データセンターの内部ネットワークで広く使用されています。 SFPモジュールは、内部回路設計を最適化し、より高速レーザー、検出器、その他のコンポーネントを使用することにより、10Gbpsの高速データ送信を実現します。トランスミッション距離の観点から、Multimode光ファイバがOM3やOM4などの新しい光ファイバーで使用される場合、300m〜500mの伝送距離をサポートできます。シングルモード光ファイバーが1310nmおよび1550nmの波長で使用されると、SFP -10G-SR（マルチモード短距離）、SFP -10G-LR（シングルモード長距離）およびその他のモデルなど、透過距離は10km-40kmに達することがあります。 Googleデータセンターは、SFP -10G-SRモジュールを使用して、ラック間の高速相互接続を実現します。 25Gbps SFP28モジュール：25Gbps SFP28モジュールは、5Gネットワーク構造とデータセンターのアップグレードのより高い帯域幅要件に適応する製品です。 5GベースステーションのFronthaulおよびMidhaulリンクでは、SFP28モジュールを使用して、ベースステーション機器と光ファイバーネットワーク間の高速接続を実現し、ベースステーションデータの高速伝送を確保します。データセンターでは、既存のネットワークアーキテクチャをアップグレードし、ネットワークスイッチポートの送信レートを上げ、より効率的なデータ交換を実現するために使用できます。 SFP28モジュールは、高度な28nmプロセステクノロジーを採用しており、消費電力を削減し、統合を改善します。トランスミッション距離に関しては、マルチモードファイバーは約100m-200mをサポートでき、シングルモードファイバーは、SFP28-25G-SR（マルチモード短距離）、SFP28-25G-LR（シングルモード長距離）などのさまざまな波長で10km-40kmの伝送を実現できます。
より高いレート（100Gbps QSFP28およびその他の派生型など）：超幅スケールデータセンター、高性能コンピューティング、およびその他のフィールドでの大規模なデータの高速伝送の極端な需要を満たすために、100gbps QSFP28などの高レートモジュールが別のものになりました。 QSFP28モジュールは4チャンネル設計を採用しており、各チャネルのデータ送信レートは25Gbpsに達する可能性があります。 4つのチャネルは並行して動作し、100Gbpsの総伝送速度を達成します。データセンターのコアネットワークレイヤーでは、QSFP28モジュールがスイッチ間の高速相互接続に使用され、低遅延の高帯域幅データ伝送バックボーンネットワークを構築します。その透過距離は、マルチモード光ファイバーの下で約100mに達する可能性があり、異なる波長を持つシングルモード光ファイバーは、QSFP28-100G-SR4（マルチモード短距離）、QSFP28-100G-LR4（シングルモード長距離）、および他のモデルなど、40km-80kmの長距離伝送を実現できます。テクノロジーの開発により、送信パフォーマンスは絶えず最適化され、アプリケーションシナリオが拡大されます。 AWSデータセンターは、QSFP28-100G-LR4モジュールを使用して、グローバルバックボーンネットワークを構築します。
（ii）伝送媒体による分類
マルチモードSFPモジュール：マルチモードSFPモジュールは、エンタープライズキャンパスネットワーク内の建物間やデータセンター内のラック間の接続など、短距離の高帯域幅通信シナリオに適しています。透過媒体としてマルチモード光ファイバーを使用します。マルチモード光ファイバーのコア直径は比較的厚く（一般的に50μmまたは62.5μm）、複数の光モードをその中に送信できます。マルチモードSFPモジュールは通常、850nmの波長VCSELレーザーを光源として使用します。マルチモード光ファイバーで光が送信されるとモードの分散により、送信距離が増加すると信号が歪んでしまいます。したがって、その伝送距離は一般的に短いです。 1Gbpsの速度では、通常のマルチモード光ファイバーを使用して、伝送距離が550mに達することがあります。 10Gbps以下では、OM3やOM4などの新しいマルチモード光ファイバーと一致する必要があり、伝送距離を約300m〜500mに増やすことができます。マルチモードSFPモジュールには、比較的低コストと簡単なインストールとメンテナンスの利点があります。高い送信距離を必要とせず、コストに敏感なネットワーク展開シナリオに適しています。
シングルモードSFPモジュール：シングルモードSFPモジュールは、主に広範囲のネットワークにおける大都市圏ネットワーク接続、長距離バックボーンネットワーク伝送、データセンター間の地域間相互接続など、長距離の大容量データ送信に使用されます。シングルモード光ファイバーを透過媒体として使用します。シングルモード光ファイバーのコア直径は比較的薄く（通常は9μm）、1つの光学モードのみを送信でき、モードの分散を大幅に削減して、より長い距離透過を実現します。シングルモードSFPモジュール

Eは通常、波長の1310nmまたは1550nmのEELレーザーを光源として使用します。 1310nmの波長で、透過距離は10kmから20kmに達することがあります。適切な光アンプを備えた1550nmの波長では、伝送距離を40km-160km以下にさらに拡張できます。シングルモードSFPモジュールのコストは比較的高くなっていますが、長距離伝送に比類のない利点があり、長距離伝送中の信号の安定性と信頼性を確保できます。
（iii）特別な関数タイプ

Bidi SFPモジュール（双方向伝送モジュール）：BIDI（双方向）SFPモジュールは、1つの光ファイバー上のデータの双方向伝送を実現し、光ファイバリソースを効果的に節約する双方向伝送モジュールです。その動作の原則は、波長分割多重化テクノロジーを使用して、送信された光信号をそれぞれ異なる波長に変調し、同じ光ファイバーで送信することです。たとえば、一般的なBidi SFPモジュールは、送信信号を1310nmの波長に、受信信号を1550nmの波長に変調し、特別なろ過と結合デバイスを介した双方向信号の分離と透過を実現します。タイトなファイバーリソースを備えた古いネットワークアップグレードシナリオ、または小規模なエンタープライズオフィスネットワークや遠隔地の通信ネットワークなど、非常にコストに敏感でワイヤーが困難な場所では、BIDI SFPモジュールには大きな利点があります。ネットワーク通信のニーズを満たすだけでなく、繊維敷設のコストと建設の難しさを減らすこともできます。古いコミュニティの改修により、Bidi SFPモジュールを使用して、繊維リソースの50％を節約します。
CWDM SFPモジュール（粗波長分裂多重化モジュール）：CWDM（粗波長分割多重化）SFPモジュールは、同じ光ファイバーの異なる波長の複数の光学信号を多重化することにより光光ファイバーの透過容量を大幅に改善する粗波長分割多重モジュールです。 CWDM SFPモジュールは、通常、1270NM -1610NMの波長範囲で8または16の波長を使用し、各波長間隔は約20nmです。メトロポリタンエリアネットワークでは、複数のユーザーのデータを、異なる波長のCWDM SFPモジュールを介してコアノードに1つの光ファイバーで多重化し、光ファイバーリソースの効率的な使用を実現できます。従来の単一波長伝送と比較して、CWDM SFPモジュールは、構造コストと光ファイバー管理の複雑さを削減する大量の光ファイバを敷設する必要はありません。
DWDM SFPモジュール（密度波長分割多重化モジュール）：DWDM（密度波長分割多重化）SFPモジュールは、密度の波長分割多重モジュールです。 CWDMと比較して、より狭い波長間隔でより多くの光学信号を多重化して、より高い光ファイバー伝達能力を実現できます。 DWDM SFPモジュールは通常、1530nm〜1565nmの波長範囲を使用し、波長間隔は0.4nm以下で、単一の光ファイバで80以上の波長をマルチプレックスできます。 DWDM SFPモジュールは、長距離バックボーンネットワークや超大規模なデータセンター間の高速相互接続など、非常に高いトランスミッション容量要件を持つシナリオで重要な役割を果たします。 DWDMテクノロジーを通じて、単一の光ファイバは、世界中の大規模なデータの迅速な伝達のニーズを満たす数様式またはさらに高いデータ送信レートを運ぶことができます。 DWDM SFPモジュールの機器コストと技術的複雑さは高くなっていますが、長距離と大容量の送信のアプリケーションシナリオでは、経済的利益とネットワークパフォーマンスの改善がコスト投資をはるかに超えています。
V. SFPモジュールアプリケーションフィールド
（i）データセンター
サーバーの相互接続：データセンターでは、SFPモジュールはサーバー間の相互接続に広く使用されています。クラウドコンピューティングやビッグデータ分析などのアプリケーションの普及により、データセンターのサーバーは高速で安定してデータを交換する必要があります。 10gbps以上のレートを持つSFP、SFP28、QSFP28などのモジュールは、サーバーネットワークカードとネットワークスイッチを接続するために広く使用され、サーバークラスター内の高速データ共有と共同作業を実現します。たとえば、大規模なクラウドコンピューティングデータセンターでは、複数のサーバーが100Gbps QSFP28モジュールを介してコアスイッチに接続され、仮想マシンの移行、データバックアップ、リカバリなどの操作が短時間で完了し、データセンターの運用効率とサービス品質を改善できるようにします。
ストレージエリアネットワーク（SAN）接続：ストレージエリアネットワークでは、SFPモジュールを使用して、ストレージデバイス（ディスクアレイ、テープライブラリなど）をサーバーまたはストレージスイッチに接続します。エンタープライズデータ量の爆発的な成長により、SANはデータ送信の安定性と速度の要件が高いです。金融業界を例にとると、銀行取引データ、顧客情報などをリアルタイムで保存してバックアップする必要があります。 16Gbpsまたは32GbpsのファイバーチャネルSFPモジュールは、ストレージデバイスとサーバー間のデータの高速で安定した伝送を保証できます。
（ii）テレコムオペレーターネットワーク
5Gベースステーション伝送：5Gネットワークアーキテクチャでは、SFPモジュールがベースステーショントランスミッションリンクのコアコンポーネントです。基地局のフロントールでは、25G SFP28モジュールは、高速と小型化の利点で分散ユニット（DU）とアクティブアンテナユニット（AAU）との間の効率的な接続を実現します。 Midhaul and Backhoulリンクでは、距離と容量に従って100g QSFP28または400G QSFP-DDモジュールを選択する必要があります。同時に、将来、5Gが利用できる送信帯域幅のさらなる需要に対処するために、オペレーターは50G SFP56モジュールのテストを開始して、ネットワークのアップグレードを準備しています。
ファイバーブロードバンドアクセス（FTTHなど）：ファイバーからホーム（FTTH）シナリオでは、SFPモジュールは、光線端子（OLT）と光ネットワークユニット（ONU）の間に高速データチャネルを構築します。 8Kビデオ、VRアプリケーションなどに対するホームユーザーの需要が増加するにつれて、10G-EPONおよびXG-PONテクノロジーが徐々に人気になり、10G SFPモジュールがOLT機器の標準構成になりました。
（iii）エンタープライズネットワーク

キャンパスネットワークバックボーン接続：エンタープライズキャンパスネットワークでは、異なる建物間のバックボーンリンクには、高帯域幅の低い低下接続が必要です。 10Gまたは25G SFPモジュールは、音声、ビデオ会議、ビジネスシステムのデータの安定した送信を確保するために、キャンパスコアスイッチと建物スイッチを接続するためによく使用されます。たとえば、大規模な製造エンタープライズパークは、25G SFP28モジュールを展開し、さまざまな工場エリアとオフィスビル間の高速相互接続を実現し、生産管理システムとERPシステム間のリアルタイムデータの相互作用を確保し、企業の全体的な運用効率を改善することにより、バックボーンネットワークを構築しました。同時に、一部の企業は、CWDM SFPモジュールを使用して1つの光ファイバに複数のサービスを運び始めており、配線コストを削減しながらネットワークアーキテクチャを簡素化しています。
ブランチオフィスの相互接続：広く分散されているエンタープライズブランチオフィスの場合、SFPモジュールは、本社ネットワークとの相互接続に柔軟なソリューションを提供します。リースされたオペレーター専用ラインと組み合わせたシングルモードSFPモジュールは、長距離、安全で信頼性の高いデータ送信を実現できます。小さなブランチは、Bidi SFPモジュールを使用して、単一の光ファイバーを使用して双方向通信を実現し、光ファイバーリソースを節約できます。
vi。 SFPモジュール業界の課題と回答
（i）技術的な課題

高速での信号の整合性：伝送速度が100gまたは400gに増加すると、信号減衰、クロストーク、ジッターの問題がより深刻になります。メーカーは、レーザーと検出器のパフォーマンスを最適化し、高次変調技術（PAM4）の使用やより高度なイコライゼーションテクノロジーの使用など、信号処理アルゴリズムを改善することにより、信号の整合性を確保する必要があります。たとえば、400G QSFP-DDモジュールでは、PAM4変調技術はシンボルごとに送信されるビット数を4ビットに増やし、伝送速度を効果的に改善するだけでなく、信号処理にも高い要件を配置します。
消費電力と熱散逸制御：高速SFPモジュールの消費電力は大幅に増加しています。たとえば、100g QSFP28モジュールの消費電力は7-8Wに達する可能性があります。多数のモジュールの集中展開は、熱散逸の問題を引き起こします。この目的のために、メーカーは新しい半導体材料を使用し、回路設計を最適化して消費電力を削減し、モジュールパッケージ構造を改善し、金属ヒートシンクの使用やエアダクト設計の最適化などの熱散逸性能を向上させます。
（ii）市場の課題
コスト圧力：5Gの建設とデータセンターの拡張に駆り立てられたため、SFPモジュールの需要は大幅に増加していますが、市場競争は激しく、価格は常に下落しています。メーカーは、大規模な生産と技術革新を通じてコストを削減し、製品の付加価値を高めるために、特定の業界ニーズに合わせてカスタマイズされたモジュールなどの差別化された製品を開発する必要があります。
互換性と相互運用性：さまざまなメーカーのSFPモジュールとネットワーク機器の間に互換性の問題がある場合があります。 MSA（マルチソース契約）などの業界組織は、統一された基準を策定することにより、さまざまなメーカーの製品の相互運用性を保証します。また、ユーザーは、ネットワークの障害を回避するために、購入時にモジュールと機器の互換性を厳密にテストする必要があります。
vii。 SFPモジュールの将来の開発動向
より高い伝送速度：人工知能やビッグデータなどの技術の開発により、伝送速度の需要は増加し続けています。 400G、800G、さらには1.6T SFPモジュールが研究開発とテスト段階に入り、将来的に徐々に商業化されます。
統合とインテリジェンス：SFPモジュールは、モジュールステータスと障害警告のリアルタイム監視を実現するために、組み込みのインテリジェント監視チップなど、より多くの関数を統合します。同時に、ネットワーク機器の管理システムと深く統合され、ネットワークの操作とメンテナンスのインテリジェントレベルを改善します。
グリーンエネルギーの節約：低電力デバイスと省エネ設計は、モジュールの消費電力を削減するために使用されます。これは、データセンターと通信ネットワークのグリーン開発ニーズを満たしています。たとえば、一部のメーカーは、エネルギー消費と熱散逸コストを削減するために、5W未満の消費電力で100G SFPモジュールを発売しました。
新しいアプリケーションシナリオの拡張：6Gや量子通信などの最先端のテクノロジーの開発により、SFPモジュールは、量子キー配信システムの光信号伝送など、より多くの分野で役割を果たし、業界に新しい開発機会をもたらします。
viii。結論
SFPモジュールは、柔軟性、高性能、幅広い適用性により、最新の通信ネットワークの不可欠な重要なコンポーネントになりました。データセンターから電気通信ネットワークまで、エンタープライズキャンパスからホームユーザーまで、SFPモジュールは大規模なデータの効率的な送信をサポートしています。業界の継続的な革新によって推進されたテクノロジーと市場の二重の課題にもかかわらず、SFPモジュールは、高速、低電力消費、およびより多くのインテリジェンスの方向に発展し、将来の通信ネットワークのアップグレードと変換の確固たる保証を提供します。