Koji optički prijemnici osiguravaju brz prenos podataka?

Osnovna funkcija optičkih prijemnika u brzim mrežama

Električna-optička konverzija i očuvanje integriteta signala

Optički prijemnici deluju kao posrednici između električne mreže i tih tankih vlakana stakla koje zovemo optička vlakna. Ovi mali konji za rad uzimaju električne signale i pretvaraju ih u prave svjetlosne impulse kroz laserske diode, a onda okrenu celu stvar na drugom kraju gdje fotodetektor prikuplja svjetlost i pretvara je natrag u struju. Ova dvosmerna ulica nam omogućava da šaljemo ogromne količine podataka preko mreža vlakana na nevjerovatnim brzinama. Održavanje tih signala čistim i netaknutim je jako važno. Zato se proizvođači oslanjaju na sofisticirane tehnike kao što je PAM4 modulacija u parovima sa digitalnim signalnim procesorima. Ove tehnologije se bore protiv stvari kao što su širenje signala (disperzija), gubitak signala (atenuiranje) i sve vrste čudnih nelinearnih efekata koji mogu poremetiti prijenos. Čak i na blistavim brzinama od 400G i dalje, ovi sistemi uspijevaju da zadrže bitne greške gotovo nepostojećim. Zamislite kako bi naši centri za podatke i operacije veštačke inteligencije izgledali bez takvog preciznog elektro-optičkog inženjerstva. Zavrsili bi u večnosti čekajući da se veliki prenos podataka završi.

Kako talasna dužina, brzina prenosa podataka i udaljenost međusobno deluju kako bi definisali performanse

Performanse i izvodljivost primjene prijemnika zapravo se svode na tri ključna faktora koji rade zajedno - talasna dužina, brzina prenosa podataka i udaljenost. Prilikom izbora talasnih dužina, kompatibilnost sa tipovima vlakana je veoma važna. Za kraće udaljenosti, 850nm se obično koristi sa multimodnim vlaknima, koji upravljaju stvarima poput 100G preko oko 100 metara. Ali za duže vožnje, inženjeri prelaze na 1550 nm sa jednomodnim vlaknima, koji mogu da guraju 400G signale na udaljenosti do oko 2 kilometra. Kako se brzine prenosa podataka povećavaju od 400G do 800G, ne postoji način da se izbjegne potreba za koherentnom optikom ili onim sofisticiranim PAM4 signalizacijskim tehnikama. Međutim, to dolazi uz troškove povećanog potrošnje energije i veću osetljivost na probleme na putu prijenosa. Razdalja postavlja i prilično stroge granice. Većina 80km veza maksimalno na 200G zbog problema sa hromatskom disperzijom i smanjenjem nivoa buke. S druge strane, kraće veze od 10 km mogu zapravo nositi brzine od 800G ako se primene odgovarajuće metode korekcije napake (FEC) i kompenzacija digitalne obrade signala (DSP). Dizajneri mreža u stvarnom svijetu provode mnogo vremena balansirajući ove konkurentske zahteve dok grade sisteme koji moraju da se skalaju i prilagode onome što im tržište vrši tokom vremena.

Kritske komponente koje napajaju moderne optičke prijemnike

Laserske diode, fotodetektor i DSP: omogućavaju brzinu i tačnost

Današnji optički prijemnici zavise od tri glavna dela koji rade zajedno: laserske diode, fotodetektor i ti sofisticirani digitalni signalni procesori koje zovemo DSP-ovi. Laserske diode stvaraju ove stabilne, brze optičke signale, obično putem distribuirane tehnologije povratne informacije ili novijih silikonskih fotonskih postavki, što pomaže da se gubitak signala održi minimalnim pri slanju podataka putem kablova od vlakana. Kada je u pitanju fotodetektor, većina sistema koristi PIN ili lavinu da bi pretvorila ulaznu svjetlost u čiste električne signale. Ovi detektori moraju biti veoma osjetljivi, dok su nivo buke nizak, tako da podaci ostanu netaknuti. Onda su tu DSP-ovi koji rade sve vrste složenih zadataka iza kulisa kao što su izjednačavanje signala u realnom vremenu, vraćanje vremenskog vremenskog sata i dekodiranje korekcija FEC-a kako bi se riješili problemi koji se događaju tokom prijenosa. Sve ove komponente rade ruku pod ruku kako bi postigle neverovatne stope grešaka ispod 1E-15 bita čak i na udaljenosti preko 100 kilometara. I ne zaboravimo na određene zahtjeve za kašnjenjem koji čine ove sisteme neophodnim za pokretanje modernih hiperskala data centara i podršku našoj rastućoj 5G mrežnoj infrastrukturi.

Izazov 400G+ efikasnosti: Ravnoteža snaga, toplote i propusnosti

Prolazak preko praga 400G stvara ozbiljne probleme sa potrošnjom toplote i energije. Svaki put kada se brzina prenosa podataka udvostruči, potreba za energijom skoči oko 60 do 70 posto, što pakira više toplote u te gusto prepunjene portove prekidača. Ako se ne kontroliše, sve ovo dodatno zagrevanje uzrokuje da se signali iskrive, čini da se komponente ubrzano iscrpljuju i na kraju smanjuje pouzdanost sistema. Industrija je smislila nekoliko pristupa za rješavanje ovih problema. Neki proizvođači integrisu mikro-kanalne radijatore, drugi implementiraju adaptivne sisteme upravljanja energijom koji mogu smanjiti potrošnju energije za oko 30 posto kada je promet lagan. Postoji i sve veća primena silicijuma fotonike tehnologija koja skraćuje te duge električne veze između komponenti, smanjujući gubitak signala i proizvodnju toplote. Na materijalima, vidimo poboljšanja. Laseri napravljeni od indijum fosfida imaju bolju efikasnost u odnosu na tradicionalne opcije. Svi ovi napredci znače da moderni prijemnici mogu da obrade do 400 vati po rack jedinici, a da zadrže unutrašnju temperaturu ispod 50 stepeni Celzijusa, što ispunjava toplotne standarde koje su postavili IEEE i OIF za kontinuirane brze operacije.

Formni faktori i standardi: usklađivanje optičkih prijemnika sa potrebama infrastrukture

Izbor odgovarajućeg faktoru oblika osigurava optimalnu gustoću luke, toplotno upravljanje i interoperabilnost u evoluciji infrastrukture. Standardizovani mehanički i električni interfejsovi od SFP-a do QSFP-DD omogućavaju kompatibilnost plug-and-play-a uz podršku progresivnih nadogradnji propusnosti bez potpunog nadogradnje sistema.

SFP, QSFP, OSFP i QSFP-DD Skaliranje gustoće i brzine od 1G do 800G

SFP moduli su odlični za isporuku brzina u rasponu od 1G do 10G u kompaktnim faktorima oblika koji dobro rade u mrežama i pristupnim tačkama gdje je prostor važan. Onda imamo QSFP verzije koje pakiraju četiri trake zajedno, što ih čini pogodnim za podršku brzina do 100G u tim gusto zapakovanim prekidačima koji se nalaze u većini modernih cloud data centara. Ako pogledamo šta slijedi, i OSFP i QSFP-DD formati mogu da se nose sa velikim zahtevima za propusnost od 400G do čak 800G zahvaljujući svojoj arhitekturi sa osam traka i boljim rješenjima za upravljanje toplotom. Ovi noviji dizajni zapravo udvostručuju broj luka po jedinici stopala u poređenju sa starijim QSFP28 standardima. Prema nedavnim nalazima na OFC 2023, ovaj napredak je uspio smanjiti potrošnju energije po gigabit za oko 30%, što kompanijama olakšava nadogradnju od postojećih 100G infrastruktura prema ovim najsavremenijim 800G sistemima optimizovanim posebno za radna opterećenja veštačke inteligencije i maš

SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Standardi za dekodiranje dosega za primene u stvarnom svijetu

Klasifikacije dosega pomažu nam da odredimo šta možemo očekivati od različitih tipova vlakana na različitim udaljenostima. Short Reach ili SR radi na udaljenostima ispod 300 metara koristeći multimodno vlakno, koje se često nalazi u vezi opreme unutar stojala ili preko kampusa. Long Reach (LR) ide dalje, rukovodeći se vezama do 10 kilometara kroz jednomodno vlakno, što ga čini idealnim za postavke mreža širom grada. Extended Reach (ER) vodi stvari još dalje na oko 40 km, dok se Long Haul (ZR) proteže do 80 km. Za ove duže dosega potrebne su jače lasere i bolje tehnike korekcije grešaka da bi pravilno funkcionisale u mrežama i podmorskim kablovima. Nedavno su se pojavile specijalizovane kategorije za savremene podatke o centrima. DR obično pokriva 500 metara veza između servera u arhitekturi leaf, dok FR pruža standardizirane specifikacije koje rade preko različitih tipova vlakana prema smernicama IEEE 802.3, osiguravajući kompatibilnost između opreme različitih proizvođača.