EN
Βασική λειτουργία των οπτικών μεταδοτών-δεκτών σε δίκτυα υψηλής ταχύτητας
Μετατροπή από ηλεκτρικό σε οπτικό σήμα και διατήρηση της ακεραιότητας του σήματος
Οι οπτικοί μεταδόσεις-λήψεις (transceivers) λειτουργούν ως διαμεσολαβητές μεταξύ των ηλεκτρικών δικτυακών συσκευών και εκείνων των λεπτών γυάλινων νημάτων που ονομάζουμε οπτικές ίνες. Αυτά τα μικρά, αλλά ισχυρά, συστήματα μετατρέπουν ηλεκτρικά σήματα σε πραγματικές διασπορές φωτός μέσω λέιζερ διόδων και στη συνέχεια αντιστρέφουν ολόκληρη τη διαδικασία στο απέναντι άκρο, όπου οι φωτοανιχνευτές ανιχνεύουν το φως και το μετατρέπουν εκ νέου σε ηλεκτρισμό. Αυτή η διπλή κατεύθυνση επιτρέπει τη μετάδοση τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων μέσω οπτικών δικτύων με εκπληκτικές ταχύτητες. Η διατήρηση της καθαρότητας και της ακεραιότητας αυτών των σημάτων έχει μεγάλη σημασία. Γι’ αυτόν τον λόγο, οι κατασκευαστές βασίζονται σε προηγμένες τεχνικές, όπως η διαμόρφωση PAM4 σε συνδυασμό με Ψηφιακούς Επεξεργαστές Σήματος (DSP). Αυτές οι τεχνολογίες αντιμετωπίζουν φαινόμενα όπως η διασπορά του σήματος (dispersion), η απώλεια σήματος (attenuation) και διάφορα μη γραμμικά φαινόμενα που μπορούν να διαταράξουν τις μεταδόσεις. Ακόμα και σε εντυπωσιακές ταχύτητες 400G και ανώτερες, αυτά τα συστήματα καταφέρνουν να διατηρούν τα σφάλματα bit σχεδόν μηδενικά. Φανταστείτε πώς θα ήταν τα κέντρα δεδομένων και οι λειτουργίες τεχνητής νοημοσύνης χωρίς μια τόσο ακριβή ηλεκτρο-οπτική μηχανική: θα ήμασταν υποχρεωμένοι να περιμένουμε επ' αόριστον να ολοκληρωθούν αυτές οι μεγάλες μεταφορές δεδομένων.
Πώς το Μήκος Κύματος, ο Ρυθμός Δεδομένων και η Απόσταση Αλληλεπιδρούν για να Καθορίσουν την Απόδοση
Η απόδοση και η εφικτότητα εγκατάστασης των μεταδοτών-υποδεκτών εξαρτώνται πραγματικά από τρεις βασικούς παράγοντες που λειτουργούν σε συνεργία: το μήκος κύματος, τον ρυθμό δεδομένων και την απόσταση. Κατά την επιλογή των μηκών κύματος, η συμβατότητα με τους τύπους οπτικών ινών έχει μεγάλη σημασία. Για μικρότερες αποστάσεις, το μήκος κύματος 850 nm χρησιμοποιείται συνήθως με πολύτροπες ίνες και επιτρέπει μετάδοση 100G σε απόσταση περίπου 100 μέτρων. Για μεγαλύτερες αποστάσεις, όμως, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν το μήκος κύματος 1550 nm με μονότροπες ίνες, το οποίο μπορεί να μεταδώσει σήματα 400G σε αποστάσεις έως περίπου 2 χιλιόμετρα. Καθώς οι ρυθμοί δεδομένων αυξάνονται από 400G έως 800G, είναι αναπόφευκτη η χρήση είτε συνεκτικής οπτικής (coherent optics) είτε των προηγμένων τεχνικών σήμανσης PAM4. Ωστόσο, αυτό συνεπάγεται κόστος: αυξημένη κατανάλωση ισχύος και μεγαλύτερη ευαισθησία σε προβλήματα κατά μήκος της διαδρομής μετάδοσης. Ο παράγοντας απόστασης θέτει επίσης αρκετά αυστηρά όρια. Οι περισσότερες συνδέσεις 80 χιλιομέτρων φτάνουν στο μέγιστο ρυθμό 200G λόγω προβλημάτων που οφείλονται στη χρωματική διασπορά και στη μείωση των επιπέδων θορύβου. Αντιθέτως, οι συντομότερες συνδέσεις 10 χιλιομέτρων μπορούν πραγματικά να υποστηρίξουν ταχύτητες 800G, εφόσον εφαρμόζονται κατάλληλες μέθοδοι διόρθωσης σφαλμάτων προς τα εμπρός (FEC) και διορθωτικές τεχνικές επεξεργασίας ψηφιακού σήματος (DSP). Στην πράξη, οι σχεδιαστές δικτύων αφιερώνουν πολύ χρόνο στην εξισορρόπηση αυτών των αντικρουόμενων απαιτήσεων κατά τη δημιουργία συστημάτων που πρέπει να κλιμακώνονται και να προσαρμόζονται στις αλλαγές που επιφέρει η αγορά με την πάροδο του χρόνου.
Κρίσιμα Εξαρτήματα που Τροφοδοτούν τους Σύγχρονους Οπτικούς Διαμεταδότες
Διόδοι Λέιζερ, Φωτοανιχνευτές και Ψηφιακοί Επεξεργαστές Σήματος (DSP): Ενίσχυση της Ταχύτητας και της Ακρίβειας
Οι σημερινοί οπτικοί μεταδότες-δέκτες βασίζονται σε τρία κύρια μέρη που λειτουργούν εναρμονισμένα: διόδους λέιζερ, φωτοανιχνευτές και τους εξεζητημένους Ψηφιακούς Επεξεργαστές Σήματος (DSP), οι οποίοι εκτελούν πολύπλοκες εργασίες στο παρασκήνιο, όπως η πραγματικού χρόνου εξισορρόπηση των σημάτων, η ανάκτηση της χρονισμού του ρολογιού και η αποκωδικοποίηση των διορθώσεων FEC για τη διόρθωση οποιωνδήποτε προβλημάτων που προκύπτουν κατά τη μετάδοση. Οι δίοδοι λέιζερ δημιουργούν αυτά τα σταθερά και γρήγορα οπτικά σήματα, συνήθως μέσω τεχνολογίας κατανεμημένης ανάδρασης (distributed feedback) ή νεότερων διατάξεων φωτονικής σε πυρίτιο (silicon photonics), προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια σήματος κατά τη μετάδοση δεδομένων μέσω οπτικών ινών. Όσον αφορά τους φωτοανιχνευτές, οι περισσότερες συσκευές χρησιμοποιούν είτε τύπου PIN είτε αναβαθμισμένους (avalanche) για τη μετατροπή του εισερχόμενου φωτός πίσω σε σαφή ηλεκτρικά σήματα. Αυτοί οι ανιχνευτές πρέπει να είναι εξαιρετικά αποκριτικοί, ενώ ταυτόχρονα διατηρούν χαμηλά επίπεδα θορύβου, ώστε τα δεδομένα να παραμένουν ανέπαφα. Όλα αυτά τα συστατικά λειτουργούν σε συνεργασία για την επίτευξη εκπληκτικών ρυθμών σφαλμάτων bit κάτω του 1E-15, ακόμη και σε αποστάσεις που υπερβαίνουν τα 100 χιλιόμετρα. Και ασφαλώς δεν πρέπει να ξεχνάμε τις απαιτήσεις καθοριστικής καθυστέρησης (deterministic latency), οι οποίες καθιστούν αυτά τα συστήματα απαραίτητα για τη λειτουργία σύγχρονων υπερκλίμακας κέντρων δεδομένων και για την υποστήριξη της αναπτυσσόμενης υποδομής δικτύων 5G.
Η Πρόκληση της Απόδοσης 400G+: Ισορροπία Μεταξύ Ισχύος, Θερμότητας και Εύρους Ζώνης
Η υπέρβαση του κατωφλίου των 400 G δημιουργεί σοβαρά προβλήματα σχετικά με τη θερμότητα και την κατανάλωση ενέργειας. Κάθε φορά που οι ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων διπλασιάζονται, οι απαιτήσεις σε ενέργεια αυξάνονται κατά περίπου 60 έως 70 τοις εκατό, γεγονός που οδηγεί σε μεγαλύτερη συγκέντρωση θερμότητας στις πυκνά τοποθετημένες θύρες των διακοπτών. Αν δεν ελεγχθεί, όλη αυτή η περιττή θερμότητα προκαλεί παραμόρφωση των σημάτων, επιταχύνει τη φθορά των εξαρτημάτων και, τελικά, μειώνει την αξιοπιστία του συστήματος. Η βιομηχανία έχει αναπτύξει αρκετές προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων. Ορισμένοι κατασκευαστές ενσωματώνουν ψύκτες με μικροδιαύλους, ενώ άλλοι εφαρμόζουν συστήματα προσαρμοστικής διαχείρισης ενέργειας που μπορούν να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας κατά περίπου 30 τοις εκατό όταν ο κίνδυνος κίνησης είναι ελαφρύς. Επιπλέον, παρατηρείται αυξανόμενη υιοθέτηση της τεχνολογίας της πυριτιούχου φωτονικής, η οποία συντομεύει τις μακρές ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των εξαρτημάτων, μειώνοντας τόσο τις απώλειες σήματος όσο και την παραγωγή θερμότητας. Στον τομέα των υλικών, παρατηρούνται επίσης βελτιώσεις: οι λέιζερ που κατασκευάζονται από φωσφίδιο ινδίου παρουσιάζουν καλύτερη απόδοση «wall plug» σε σύγκριση με τις παραδοσιακές εναλλακτικές λύσεις. Όλες αυτές οι προόδοι σημαίνουν ότι οι σύγχρονοι μεταδότες-δέκτες μπορούν να αντέχουν έως και 400 W ανά μονάδα ράφι (rack unit), διατηρώντας παράλληλα τις εσωτερικές τους θερμοκρασίες κάτω των 50 °C, κάτι που ανταποκρίνεται στα θερμικά πρότυπα που έχουν καθορίσει οι οργανισμοί IEEE και OIF για συνεχείς υψηλές ταχύτητες λειτουργίας.
Μορφές Σώματος και Πρότυπα: Εναρμόνιση των Οπτικών Μεταδοτών-Αποδεκτών με τις Ανάγκες της Υποδομής
Η επιλογή της κατάλληλης μορφής σώματος διασφαλίζει βέλτιστη πυκνότητα θυρών, αποτελεσματική διαχείριση της θερμότητας και διαλειτουργικότητα σε όλη την εξελισσόμενη υποδομή. Τα τυποποιημένα μηχανικά και ηλεκτρικά διεπαφές — από το SFP έως το QSFP-DD — εξασφαλίζουν συμβατότητα «plug-and-play», ενώ υποστηρίζουν σταδιακές αναβαθμίσεις της εύρους ζώνης χωρίς ανάγκη πλήρους αντικατάστασης του συστήματος.
SFP, QSFP, OSFP και QSFP-DD — Κλιμάκωση Πυκνότητας και Ταχύτητας από 1G έως 800G
Τα μοντέλα SFP είναι ιδανικά για την παροχή ταχυτήτων από 1 G έως 10 G σε συμπαγείς μορφές, οι οποίες λειτουργούν αποτελεσματικά σε δίκτυα στην άκρη (edge networking) και σε σημεία πρόσβασης (access points), όπου το διαθέσιμο χώρος έχει κρίσιμη σημασία. Στη συνέχεια, υπάρχουν οι εκδόσεις QSFP, οι οποίες συγκεντρώνουν τέσσερις διαύλους σε ένα μοναδικό πακέτο, καθιστώντάς τις κατάλληλες για την υποστήριξη ταχυτήτων έως 100 G σε εκείνους τους πυκνά διατεταγμένους διακόπτες που χρησιμοποιούνται στα περισσότερα σύγχρονα κέντρα δεδομένων βασισμένα στο cloud. Κοιτάζοντας προς το μέλλον, τόσο οι μορφές OSFP όσο και οι QSFP-DD μπορούν να ανταποκριθούν στις τεράστιες απαιτήσεις εύρους ζώνης των 400 G έως και 800 G, χάρη στην αρχιτεκτονική τους με οκτώ διαύλους και σε βελτιωμένες λύσεις διαχείρισης της θερμότητας. Αυτά τα νεότερα σχέδια διπλασιάζουν πραγματικά τον αριθμό των θυρών ανά rack unit σε σύγκριση με τα παλαιότερα πρότυπα QSFP28. Σύμφωνα με πρόσφατα ευρήματα που παρουσιάστηκαν στο OFC 2023, αυτή η εξέλιξη κατάφερε να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας ανά gigabit κατά περίπου 30 %, κάνοντας έτσι πολύ πιο εύκολη για τις εταιρείες τη μετάβαση από την υφιστάμενη υποδομή των 100 G προς αυτά τα καινοτόμα συστήματα των 800 G, τα οποία είναι ειδικά βελτιστοποιημένα για φόρτους εργασίας τεχνητής νοημοσύνης (AI) και μηχανικής μάθησης (ML).
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Αποκωδικοποίηση των προτύπων εμβέλειας για πραγματικές εφαρμογές
Οι ταξινομήσεις εμβέλειας βοηθούν στον καθορισμό των προσδοκιών μας για διαφορετικούς τύπους οπτικών ινών σε διάφορες αποστάσεις. Η εμβέλεια Βραχείας Απόστασης (Short Reach, SR) χρησιμοποιείται για αποστάσεις μικρότερες των 300 μέτρων με πολύτροπη οπτική ίνα, η οποία χρησιμοποιείται συχνά για τη σύνδεση εξοπλισμού εντός ραφιών ή μεταξύ κτιρίων ενός πανεπιστημιακού ή επιχειρησιακού καμπούς. Η εμβέλεια Μεγάλης Απόστασης (Long Reach, LR) επιτρέπει μεγαλύτερες αποστάσεις, καλύπτοντας συνδέσεις έως 10 χιλιόμετρα μέσω μονότροπης οπτικής ίνας, και είναι ιδανική για δίκτυα που καλύπτουν ολόκληρη μία πόλη. Η εμβέλεια Επεκταμένης Απόστασης (Extended Reach, ER) φτάνει ακόμη πιο μακριά, περίπου στα 40 χιλιόμετρα, ενώ η εμβέλεια Μακράς Διαδρομής (Long Haul, ZR) εκτείνεται έως 80 χιλιόμετρα. Για αυτές τις μεγαλύτερες αποστάσεις απαιτούνται ισχυρότερες λέιζερ διατάξεις και προηγμένες τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων, προκειμένου να λειτουργούν σωστά σε δίκτυα υποδομής (backbone networks) και υποθαλάσσια καλώδια. Πιο πρόσφατα, οι κατηγορίες Εμβέλειας Κέντρου Δεδομένων (Data Center Reach, DR) και Εμβέλειας Οπτικής Ίνας (Fiber Reach, FR) έχουν εμφανιστεί ως ειδικές κατηγορίες για τα σύγχρονα κέντρα δεδομένων. Η DR καλύπτει συνήθως συνδέσεις 500 μέτρων μεταξύ διακομιστών σε αρχιτεκτονικές spine-leaf, ενώ η FR παρέχει τυποποιημένες προδιαγραφές που λειτουργούν με διάφορους τύπους οπτικών ινών σύμφωνα με τις οδηγίες του IEEE 802.3, διασφαλίζοντας τη συμβατότητα μεταξύ εξοπλισμού διαφορετικών κατασκευαστών.
