कौन से ऑप्टिकल ट्रांसीवर तीव्र डेटा संचरण सुनिश्चित करते हैं?

उच्च-गति नेटवर्कों में ऑप्टिकल ट्रांसीवर का मुख्य कार्य

वैद्युत-से-प्रकाशिक रूपांतरण और सिग्नल अखंडता का संरक्षण

ऑप्टिकल ट्रांसीवर्स विद्युतीय नेटवर्क उपकरणों और उन पतले कांच के तंतुओं, जिन्हें हम ऑप्टिकल फाइबर कहते हैं, के बीच मध्यस्थ का काम करते हैं। ये छोटे-छोटे कार्यकर्ता विद्युतीय संकेतों को लेज़र डायोड के माध्यम से प्रकाश के वास्तविक पल्स में परिवर्तित करते हैं, फिर दूसरे सिरे पर फोटोडिटेक्टर्स द्वारा प्रकाश को पकड़े जाने और उसे पुनः विद्युत में परिवर्तित करने के लिए पूरी प्रक्रिया को उलट देते हैं। यह द्वि-दिशात्मक प्रक्रिया हमें फाइबर नेटवर्क के माध्यम से विशाल मात्रा में डेटा को अविश्वसनीय गति से भेजने की अनुमति देती है। इन संकेतों को स्वच्छ और अक्षुण्ण बनाए रखना बहुत महत्वपूर्ण है। यही कारण है कि निर्माता PAM4 मॉडुलेशन जैसी उन्नत तकनीकों और डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर्स (डीएसपी) के संयोजन पर निर्भर करते हैं। ये तकनीकें संकेत के फैलाव (विसरण), संकेत की हानि (क्षीणन) और संचरण को बिगाड़ने वाले विभिन्न प्रकार के अरैखिक प्रभावों के विरुद्ध संघर्ष करती हैं। 400G की तीव्र गति और उससे भी अधिक गति पर भी, ये प्रणालियाँ बिट त्रुटियों को लगभग गायब करने में सफल रहती हैं। कल्पना कीजिए कि यदि ऐसी सटीक इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल इंजीनियरिंग के बिना हमारे डेटा केंद्र और एआई संचालन कैसे दिखेंगे — हम उन बड़े डेटा स्थानांतरणों के पूरा होने के लिए हमेशा के लिए प्रतीक्षा करते रह जाएँगे।

प्रदर्शन को परिभाषित करने के लिए तरंगदैर्ध्य, डेटा दर और दूरी कैसे परस्पर क्रिया करते हैं

ट्रांसीवर्स के तैनाती का प्रदर्शन और कार्यान्वयन की संभावना वास्तव में तीन प्रमुख कारकों पर निर्भर करती है, जो एक साथ काम करते हैं: तरंगदैर्ध्य, डेटा दर और दूरी। तरंगदैर्ध्य का चयन करते समय, फाइबर के प्रकारों के साथ संगतता का महत्वपूर्ण योगदान होता है। छोटी दूरियों के लिए, 850 नैनोमीटर का उपयोग आमतौर पर मल्टीमोड फाइबर के साथ किया जाता है, जो लगभग 100 मीटर की दूरी पर 100G जैसे संकेतों को संभाल सकता है। लेकिन लंबी दूरियों के लिए, इंजीनियर 1550 नैनोमीटर का उपयोग सिंगल-मोड फाइबर के साथ करते हैं, जो 400G संकेतों को लगभग 2 किलोमीटर की दूरी तक प्रसारित कर सकता है। जैसे-जैसे डेटा दर 400G से बढ़कर 800G तक पहुँचती है, सहज ऑप्टिक्स (coherent optics) या उन उन्नत PAM4 संकेतन तकनीकों की आवश्यकता से इनकार नहीं किया जा सकता। हालाँकि, इसकी कीमत भी होती है—बढ़ी हुई बिजली खपत और संचरण पथ में समस्याओं के प्रति अधिक संवेदनशीलता। दूरी कारक भी काफी सख्त सीमाएँ निर्धारित करता है। अधिकांश 80 किमी के कनेक्शन की अधिकतम क्षमता 200G तक होती है, क्योंकि वर्णी विपर्यय (chromatic dispersion) और शोर स्तरों के कम होने की समस्याओं के कारण। दूसरी ओर, छोटे 10 किमी के लिंक वास्तव में 800G की गति को संभाल सकते हैं, यदि उचित फॉरवर्ड एरर करेक्शन (FEC) विधियाँ और डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (DSP) संकल्पना का उपयोग किया जाए। वास्तविक दुनिया के नेटवर्क डिज़ाइनर इन प्रतिस्पर्धी आवश्यकताओं के बीच संतुलन बनाने में बहुत समय व्यतीत करते हैं, क्योंकि वे ऐसे सिस्टम बनाते हैं जिन्हें समय के साथ बढ़ने और बाज़ार द्वारा उठाए गए चुनौतियों के अनुकूल बनाने की आवश्यकता होती है।

आधुनिक ऑप्टिकल ट्रांसीवर्स को संचालित करने वाले महत्वपूर्ण घटक

लेज़र डायोड, फोटोडिटेक्टर और डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर्स: गति और सटीकता को सक्षम बनाना

आज के ऑप्टिकल ट्रांसीवर्स तीन मुख्य भागों पर निर्भर करते हैं जो साथ-साथ काम करते हैं: लेज़र डायोड्स, फोटोडिटेक्टर्स और वे शानदार डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर्स जिन्हें हम DSP कहते हैं। लेज़र डायोड्स इन स्थिर, तीव्र ऑप्टिकल सिग्नल्स का उत्पादन करते हैं, जो आमतौर पर या तो वितरित प्रतिपोषण (डिस्ट्रीब्यूटेड फीडबैक) प्रौद्योगिकी या नवीनतर सिलिकॉन फोटोनिक्स व्यवस्थाओं के माध्यम से होता है, जिससे फाइबर केबल्स के माध्यम से डेटा भेजते समय सिग्नल के ह्रास को न्यूनतम रखा जा सकता है। फोटोडिटेक्टर्स के मामले में, अधिकांश प्रणालियाँ आने वाले प्रकाश को स्पष्ट विद्युत सिग्नल्स में पुनः परिवर्तित करने के लिए या तो PIN या एवलांच (उत्तेजना) प्रकार के डिटेक्टर्स का उपयोग करती हैं। इन डिटेक्टर्स को बहुत तीव्र प्रतिक्रियाशील होने की आवश्यकता होती है, साथ ही शोर के स्तर को कम रखने के लिए भी, ताकि डेटा अपरिवर्तित बना रहे। फिर DSPs हैं, जो पृष्ठभूमि में विभिन्न जटिल कार्यों का संचालन करते हैं, जैसे कि सिग्नल्स का वास्तविक समय में समानांतरण (इक्वलाइज़ेशन), घड़ी के समय का पुनः प्राप्त करना और FEC सुधारों का डिकोडिंग करना, ताकि ट्रांसमिशन के दौरान होने वाली किसी भी समस्या का समाधान किया जा सके। ये सभी घटक एक साथ मिलकर 100 किलोमीटर से अधिक की दूरी पर भी आश्चर्यजनक रूप से कम बिट त्रुटि दर (sub-1E-15) प्राप्त करने के लिए काम करते हैं। और चलिए निश्चित विलंबता (डिटरमिनिस्टिक लेटेंसी) की आवश्यकताओं को न भूलें, जो इन प्रणालियों को आधुनिक हाइपरस्केल डेटा केंद्रों के संचालन और हमारे बढ़ते 5G नेटवर्क अवसंरचना के समर्थन के लिए अत्यावश्यक बनाती हैं।

400G+ दक्षता चुनौती: शक्ति, ऊष्मा और बैंडविड्थ के बीच संतुलन

400G के दहलीज़ से आगे जाना ऊष्मा और शक्ति खपत के साथ गंभीर समस्याएँ पैदा करता है। प्रत्येक बार जब डेटा दर दोगुनी होती है, तो शक्ति की आवश्यकताएँ लगभग 60 से 70 प्रतिशत तक बढ़ जाती हैं, जिससे उन घनी भरी स्विच पोर्ट्स में अधिक ऊष्मा संचित हो जाती है। यदि इसे अनियंत्रित छोड़ दिया जाए, तो यह अतिरिक्त ऊष्मा संकेतों को विकृत कर देती है, घटकों के तेज़ी से क्षय को बढ़ाती है और अंततः प्रणाली की विश्वसनीयता को कम कर देती है। इन समस्याओं को दूर करने के लिए उद्योग ने कई दृष्टिकोणों को अपनाया है। कुछ निर्माता माइक्रो-चैनल हीटसिंक को एकीकृत कर रहे हैं, जबकि अन्य हल्के ट्रैफ़िक के दौरान ऊर्जा उपयोग को लगभग 30 प्रतिशत तक कम करने में सक्षम अनुकूलनशील शक्ति प्रबंधन प्रणालियाँ लागू कर रहे हैं। इसके अतिरिक्त, सिलिकॉन फोटोनिक्स प्रौद्योगिकी का भी बढ़ता हुआ अपनाया जा रहा है, जो घटकों के बीच लंबे विद्युत संपर्कों को कम करती है, जिससे संकेत हानि और ऊष्मा उत्पादन दोनों कम हो जाते हैं। सामग्री के मोर्चे पर भी हम सुधार देख रहे हैं। इंडियम फॉस्फाइड से बने लेज़र्स की दीवार-प्लग दक्षता पारंपरिक विकल्पों की तुलना में बेहतर है। ये सभी उन्नतियाँ इस बात को सुनिश्चित करती हैं कि आधुनिक ट्रांसीवर प्रति रैक यूनिट अधिकतम 400 वाट का संचालन कर सकते हैं, जबकि उनके आंतरिक तापमान 50 डिग्री सेल्सियस से कम बने रहते हैं—यह निरंतर उच्च गति संचालन के लिए IEEE और OIF द्वारा निर्धारित तापीय मानकों को पूरा करता है।

फॉर्म फैक्टर और मानक: ऑप्टिकल ट्रांसीवर्स का अवसंरचना की आवश्यकताओं के साथ मिलान

सही फॉर्म फैक्टर का चयन करना पोर्ट घनत्व, थर्मल प्रबंधन और विकसित हो रही अवसंरचना के आर-पार अंतर-कार्यक्षमता को अनुकूलित करना सुनिश्चित करता है। SFP से लेकर QSFP-DD तक के मानकीकृत यांत्रिक और विद्युत इंटरफ़ेस प्लग-एंड-प्ले संगतता को सक्षम करते हैं, जबकि पूर्ण सिस्टम ओवरहॉल के बिना क्रमिक बैंडविड्थ अपग्रेड का समर्थन करते हैं।

SFP, QSFP, OSFP और QSFP-DD — 1G से 800G तक घनत्व और गति का मापदंड

SFP मॉड्यूल एज नेटवर्किंग और एक्सेस पॉइंट्स जैसे स्थानों पर, जहाँ स्थान का महत्व होता है, संकुचित फॉर्म फैक्टर में 1G से 10G तक की गति प्रदान करने के लिए बेहद उपयुक्त हैं। इसके बाद हमारे पास QSFP संस्करण हैं, जो चार लेन्स को एक साथ संकल्पित करते हैं, जिससे वे अधिकांश आधुनिक क्लाउड डेटा केंद्रों में पाए जाने वाले घने स्विचों में 100G तक की गति का समर्थन करने के लिए उपयुक्त हो जाते हैं। भविष्य की ओर देखते हुए, OSFP और QSFP-DD दोनों प्रारूप अपने आठ-लेन आर्किटेक्चर और बेहतर ऊष्मा प्रबंधन समाधानों के कारण 400G से लेकर 800G तक की विशाल बैंडविड्थ आवश्यकताओं को संभाल सकते हैं। ये नवीनतर डिज़ाइन पुराने QSFP28 मानकों की तुलना में प्रति रैक यूनिट पोर्ट्स की संख्या को वास्तव में दोगुना कर देते हैं। OFC 2023 में हाल ही में प्राप्त नवीनतम खोजों के अनुसार, इस प्रगति ने प्रति गीगाबिट शक्ति खपत को लगभग 30% तक कम कर दिया है, जिससे कंपनियों के लिए अपने मौजूदा 100G अवसंरचना से कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) और मशीन लर्निंग (ML) कार्यभारों के लिए विशेष रूप से अनुकूलित इन अत्याधुनिक 800G प्रणालियों की ओर अपग्रेड करना काफी आसान हो गया है।

एसआर, एलआर, ईआर, जेआर, डीआर, एफआर: वास्तविक दुनिया में तैनाती के लिए पहुँच मानकों का डीकोडिंग

रीच वर्गीकरण हमें विभिन्न दूरियों पर विभिन्न प्रकार के फाइबर से क्या अपेक्षा करनी चाहिए, यह निर्धारित करने में सहायता करते हैं। शॉर्ट रीच (SR) 300 मीटर से कम की दूरियों के लिए काम करता है और बहु-मोड फाइबर का उपयोग करता है, जो अक्सर रैक के भीतर या कैंपस के आर-पार उपकरणों को जोड़ने में पाया जाता है। लॉन्ग रीच (LR) इससे अधिक दूरी तक जाता है और सिंगल-मोड फाइबर के माध्यम से 10 किलोमीटर तक के संबंधों को संभालता है, जिससे यह शहर-व्यापी नेटवर्क स्थापनाओं के लिए आदर्श बन जाता है। एक्सटेंडेड रीच (ER) इस दूरी को लगभग 40 किमी तक बढ़ा देता है, जबकि लॉन्ग हॉल (ZR) पूरी तरह से 80 किमी तक पहुँचता है। इन लंबी दूरियों के लिए उच्च शक्ति वाले लेज़र और उन्नत त्रुटि सुधार तकनीकों की आवश्यकता होती है, ताकि ये बैकबोन नेटवर्कों और समुद्री केबलों में उचित रूप से कार्य कर सकें। हाल ही में, डेटा सेंटर रीच (DR) और फाइबर रीच (FR) आधुनिक डेटा सेंटरों के लिए विशिष्ट श्रेणियों के रूप में उभरे हैं। DR आमतौर पर स्पाइन-लीफ आर्किटेक्चर में सर्वरों के बीच 500 मीटर के लिंक को कवर करता है, जबकि FR IEEE 802.3 दिशानिर्देशों के अनुसार विभिन्न प्रकार के फाइबरों के साथ काम करने वाले मानकीकृत विनिर्देश प्रदान करता है, जिससे विभिन्न निर्माताओं के उपकरणों के बीच संगतता सुनिश्चित होती है।