EN
Kernefunktionen for optiske transceivere i højhastighedsnetværk
Elektrisk-til-optisk konvertering og bevarelse af signalintegritet
Optiske transceivere fungerer som mellemled mellem elektrisk netværksudstyr og de tynde glasstråde, vi kalder optiske fibre. Disse lille arbejdsheste modtager elektriske signaler og omdanner dem til faktiske lyspulser via laserdioder, hvorefter processen vendes om i den anden ende, hvor fotodetektorer registrerer lyset og konverterer det tilbage til elektricitet. Denne tovejskommunikation gør det muligt at sende enorme mængder data over fibernetværk med utrolig hastighed. At holde signalerne rene og intakte er af stor betydning. Derfor bruger producenter avancerede teknikker som PAM4-modulation i kombination med digitale signalprocessorer (DSP'er). Disse teknologier modvirker fænomener som signaludbredelse (dispersion), signaltab (svækkelse) og forskellige uønskede ikke-lineære effekter, der kan forstyrre transmissionen. Selv ved ekstremt høje hastigheder på 400 Gbit/s og derover lykkes det disse systemer at holde bitfejl næsten uforkomelige. Forestil dig, hvordan vores datacentre og AI-drift ville se ud uden så præcis elektro-optisk ingeniørkunst. Vi ville stå og vente i evighed på, at de store datatransmissioner blev færdige.
Hvordan bølgelængde, datarate og afstand samspiller for at definere ydeevne
Ydeevnen og gennemførligheden af installationen af transceivere afhænger i virkeligheden af tre centrale faktorer, der virker sammen: bølgelængde, datarate og afstand. Ved valg af bølgelængder er kompatibiliteten med fibertyperne meget vigtig. For korte afstande bruges 850 nm typisk sammen med multimodefiber og kan håndtere f.eks. 100G over ca. 100 meter. Ved længere rækker anvender ingeniører derimod 1550 nm sammen med enkeltmodefiber, hvilket kan understøtte 400G-signaler over afstande op til ca. 2 kilometer. Når dataraterne stiger fra 400G helt op til 800G, er det uundgåeligt at anvende enten koherente optik eller de avancerede PAM4-signaleringsmetoder. Dette medfører dog en pris: øget strømforbrug og større følsomhed over for problemer i transmissionstien. Faktoren afstand sætter også ret strenge grænser. De fleste 80 km-forbindelser har en maksimal kapacitet på 200G på grund af problemer med kromatisk dispersion og faldende støjniveauer. Omvendt kan kortere 10 km-forbindelser faktisk håndtere 800G-hastigheder, hvis der anvendes passende metoder til forward error correction (FEC) samt kompensation via digital signal processing (DSP). I den virkelige verden bruger netværksdesignere meget tid på at afveje disse modstridende krav, mens de bygger systemer, der skal kunne skaleres og tilpasse sig det, markedet stiller krav til over tid.
Kritiske komponenter, der driver moderne optiske transceivere
Laserdioder, fotodetektorer og DSP'er: Muliggør hastighed og nøjagtighed
Dagens optiske transceivere afhænger af tre hoveddele, der fungerer sammen: laserdioder, fotodetektorer og de avancerede digitale signalprocessorer, vi kalder DSP'er. Laserdioderne genererer stabile, hurtige optiske signaler, typisk enten ved hjælp af distribueret feedback-teknologi eller nyere siliciumfotoniske opsætninger, hvilket hjælper med at minimere signaltab under dataoverførsel gennem fiberkabler. Når det kommer til fotodetektorer, bruger de fleste systemer enten PIN- eller avalanche-typer til at konvertere det indkommende lys tilbage til klare elektriske signaler. Disse detektorer skal være meget responsiv, samtidig med at stojniveauet holdes lavt, så dataene bevares intakte. Derefter har vi DSP'erne, som udfører en række komplekse opgaver bag scenen, f.eks. realtidsjustering af signaler, genopretning af uretidsstyring og afkodning af FEC-korrigeringer for at rette eventuelle fejl, der opstår under overførslen. Alle disse komponenter arbejder tæt sammen for at opnå de imponerende bitfejlrate på under 1E-15, selv over afstande på mere end 100 kilometer. Og lad os ikke glemme de deterministiske latenkrav, som gør disse systemer uundværlige for driften af moderne hyperscale-datacentre og understøttelsen af vores voksende 5G-netinfrastruktur.
Udfordringen med 400G+ effektivitet: At balancere effekt, varme og båndbredde
At overskride 400 G-grænsen medfører alvorlige problemer med varme og strømforbrug. Hver gang dataraterne fordobles, stiger kravene til strømforbrug med omkring 60–70 procent, hvilket fører til mere varme i de tæt pakkerede switch-porte. Hvis denne ekstra varme ikke holdes under kontrol, får den signalerne til at forvrænge sig, gør komponenterne slidt hurtigere og reducerer til sidst systemets pålidelighed. Branchen har udviklet flere tilgange til at tackle disse udfordringer. Nogle producenter integrerer mikrokanal-køleplader, mens andre implementerer adaptive strømstyringssystemer, der kan reducere energiforbruget med omkring 30 procent ved lav trafik. Der er også en stigende anvendelse af silicium-fotonik-teknologi, som forkorter de lange elektriske forbindelser mellem komponenter og dermed reducerer både signaltab og varmeudvikling. På materialeområdet observeres der ligeledes forbedringer: Lasere fremstillet af indiumfosfid har en bedre wall-plug-effektivitet sammenlignet med traditionelle alternativer. Alle disse fremskridt betyder, at moderne transceivere kan håndtere op til 400 watt pr. rackenhed, samtidig med at de holder deres interne temperatur under 50 grader Celsius – et krav, der opfylder de termiske standarder, som IEEE og OIF har fastsat for kontinuerlig højhastighedsdrift.
Formfaktorer og standarder: Tilpasning af optiske transceivere til infrastrukturbehov
Valg af den rigtige formfaktor sikrer optimal porttæthed, termisk styring og interoperabilitet på tværs af en udviklende infrastruktur. Standardiserede mekaniske og elektriske grænseflader – fra SFP til QSFP-DD – muliggør plug-and-play-kompatibilitet og understøtter gradvise båndbreddeopgraderinger uden behov for fuldstændige systemombygninger.
SFP, QSFP, OSFP og QSFP-DD – Skalering af tæthed og hastighed fra 1G til 800G
SFP-moduler er fremragende til at levere hastigheder fra 1 G til 10 G i kompakte formfaktorer, der fungerer godt i edge-netværk og adgangspunkter, hvor plads er afgørende. Derefter har vi QSFP-udgaverne, som samler fire kanaler sammen og dermed er velegnede til at understøtte hastigheder op til 100 G i de tæt pakkerede switche, der findes i de fleste moderne cloud-datacentre. Når vi ser fremad mod, hvad der kommer næste, kan både OSFP- og QSFP-DD-formaterne håndtere de kolossale båndbreddekrav på 400 G til endda 800 G takket være deres otte-kanalsarkitektur samt forbedrede løsninger til varmehåndtering. Disse nyere design fordobler faktisk antallet af porte pr. rackenhed i forhold til de ældre QSFP28-standarder. Ifølge nyeste resultater fra OFC 2023 har denne udvikling formået at reducere strømforbruget pr. gigabit med omkring 30 %, hvilket gør det langt lettere for virksomheder at opgradere fra deres eksisterende 100G-infrastruktur til disse avancerede 800G-systemer, der er optimeret specifikt til arbejdsbelastninger inden for kunstig intelligens og maskinlæring.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Aflåsning af rækkeviddestandarder til brug i den virkelige verden
Rækkeviddeklassificeringerne hjælper med at fastslå, hvad vi kan forvente af forskellige fibertyper ved forskellige afstande. Short Reach (SR) anvendes til afstande under 300 meter ved brug af multimodefiber, som ofte anvendes til at forbinde udstyr inden for racke eller på tværs af campusser. Long Reach (LR) rækker længere og håndterer forbindelser op til 10 kilometer via single-mode-fiber, hvilket gør det ideelt til byomspændende netværksopsætninger. Extended Reach (ER) rækker endnu længere ud til omkring 40 km, mens Long Haul (ZR) strækker sig hele vejen til 80 km. Disse længere rækkevidder kræver kraftigere lasere og bedre fejlkorrektionsmetoder for at fungere korrekt i kerne-netværk og undersøiske kabler. For nylig er Data Center Reach (DR) og Fiber Reach (FR) fremkommet som specialiserede kategorier til moderne datacentre. DR dækker typisk 500 meters forbindelser mellem servere i spine-leaf-arkitekturer, mens FR leverer standardiserede specifikationer, der fungerer på tværs af forskellige fibertyper i henhold til IEEE 802.3-vejledningerne, hvilket sikrer kompatibilitet mellem udstyr fra forskellige producenter.
