EN
Az optikai adó-vevők központi funkciója nagysebességű hálózatokban
Elektromos-jel–optikai jel átalakítás és jelminőség megőrzése
Az optikai adó-vevők közvetítőként működnek az elektromos hálózati berendezések és azok a vékony üvegszálak között, amelyeket optikai szálaknak nevezünk. Ezek a kis, de hatékony eszközök az elektromos jeleket lézerdiódák segítségével fényimpulzusokká alakítják, majd a másik végén a fotodetektorok felfogják a fényt, és ismét elektromos jellé alakítják. Ez a kétirányú kapcsolat lehetővé teszi, hogy hatalmas adatmennyiséget küldjünk el rendkívül nagy sebességgel az optikai szálas hálózatokon keresztül. A jelek tisztaságának és épségének megőrzése rendkívül fontos. Ezért a gyártók kifinomult technikákra, például a PAM4-modulációra és a digitális jelprocesszorokra (DSP) támaszkodnak. Ezek a technológiák az úgynevezett jelkiszélesedés (diszperzió), a jelcsillapítás (attenuáció) és a különféle nemlineáris hatások ellen harcolnak, amelyek zavarhatják a jelátvitelt. Még a szédítően gyors 400 Gbit/s-es és annál is magasabb sebességeknél is sikerül ezeknek a rendszereknek a bit-hibák számát majdnem nullára csökkenteni. Képzeljük el, milyen lenne az adatközpontjaink és mesterséges intelligencia-műveleteink nélkül ilyen pontos elektro-optikai mérnöki megoldások nélkül – örökké várnánk a nagy adatátviteli feladatok befejezésére.
Hogyan hatnak egymásra a hullámhossz, az adatátviteli sebesség és a távolság a teljesítmény meghatározásához
A vevőadók üzembe helyezésének teljesítménye és megvalósíthatósága valójában három kulcsfontosságú tényező együttműködésétől függ: a hullámhossz, az adatátviteli sebesség és a távolság. A hullámhossz kiválasztásakor nagy jelentősége van a szál típusával való kompatibilitásnak. Rövidebb távolságok esetén az 850 nm-es hullámhossz gyakran használatos többmódban működő szállal, és például 100 Gbit/s-os adatátvitelt biztosít körülbelül 100 méteres távolságon. Hosszabb távolságok esetén azonban a mérnökök a 1550 nm-es hullámhosszt és az egymódusú szálat választják, amely akár 400 Gbit/s-os jeleket is képes továbbítani körülbelül 2 kilométeres távolságon. Ahogy az adatátviteli sebesség 400 Gbit/s-ról egészen 800 Gbit/s-ra növekszik, elkerülhetetlenül szükség van vagy koherens optikai megoldásokra, vagy az úgynevezett PAM4 jelzési technikákra. Ez azonban költségekkel jár: növekedett energiafogyasztás és nagyobb érzékenység a transzmissziós útvonalban fellépő problémákra. A távolság tényező szintén igen szigorú korlátozásokat állít fel. A legtöbb 80 km-es kapcsolat legfeljebb 200 Gbit/s sebességre képes, mivel a csoportsebesség-diszperzió és a zajszint csökkenése miatt jelentkező problémák miatt. Másrészről rövidebb, 10 km-es kapcsolatok ténylegesen képesek 800 Gbit/s-os sebességet kezelni, ha megfelelő előre javító kódolási (FEC) módszereket és digitális jel-feldolgozási (DSP) kompenzációt alkalmaznak. A gyakorlati hálózattervezők sok időt töltenek ezen egymásnak ellentmondó igények kiegyensúlyozásával, miközben olyan rendszereket építenek, amelyeknek skálázhatóknak és rugalmasan alkalmazkodóknak kell lenniük a piac által idővel támasztott követelményekhez.
Kritikus alkatrészek a modern optikai adóvevők működtetéséhez
Lézerdiódák, fényérzékelők és digitális jelfeldolgozó egységek (DSP): sebesség és pontosság biztosítása
A mai optikai adóvevők három fő rész együttműködésétől függenek: lézerdiódák, fényérzékelők és azok a kifinomult digitális jelprocesszorok, amelyeket DSP-ként ismerünk. A lézerdiódák stabil, gyors optikai jeleket állítanak elő, általában elosztott visszacsatolásos (DFB) technológiát vagy újabb szilícium-fotonikai megoldásokat alkalmazva, amelyek segítenek minimalizálni a jelveszteséget az adatok szállítása során az optikai kábelekben. A fényérzékelők tekintetében a legtöbb rendszer PIN- vagy lavinadiódákat használ, hogy az érkező fényt ismét tiszta elektromos jelekké alakítsa vissza. Ezeknek az érzékelőknek rendkívül gyorsan kell reagálniuk, miközben alacsony zajszintet kell fenntartaniuk, hogy az adatok sértetlenül megmaradjanak. A DSP-k pedig számos összetett feladatot látnak el a háttérben: például valós idejű jelkiegyenlítést, órajel-időzítés helyreállítását és hibajavító kódolás (FEC) dekódolását, hogy kijavítsák a továbbítás során esetlegesen fellépő problémákat. Mindezek az összetevők egymással összehangoltan működnek, hogy akár 100 kilométernél hosszabb távolságokon is elérjék az elképesztően alacsony, 1E-15 alatti bit-hibaráta értékeket. Ne felejtsük el említani a determinisztikus késleltetési követelményeket sem, amelyek miatt ezek a rendszerek elengedhetetlenek a modern, nagy méretű adatközpontok üzemeltetéséhez, valamint a növekvő 5G hálózati infrastruktúra támogatásához.
A 400 G+ hatékonysági kihívás: az energia, a hő és a sávszélesség egyensúlyozása
A 400 G-ös küszöbérték túllépése komoly problémákat okoz a hőfejlesztés és az energiafogyasztás terén. Minden alkalommal, amikor az adatátviteli sebesség megduplázódik, az energiaigény körülbelül 60–70 százalékkal nő, ami több hőt juttat azokba a sűrűn elhelyezett kapcsolóportokba. Ha ezt a plusz hőt nem szabályozzák, a jelek torzulnak, a komponensek gyorsabban kopnak, és végül csökken a rendszer megbízhatósága. Az iparág több megközelítést is kidolgozott ezeknek a problémáknak a kezelésére. Egyes gyártók mikrocsatornás hűtőbordákat építenek be, mások adaptív energiagazdálkodási rendszereket alkalmaznak, amelyek akár 30 százalékkal csökkenthetik az energiafelhasználást alacsony forgalom esetén. Ezen felül egyre szélesebb körben terjed a szilíciumfotonika technológia, amely lerövidíti az alkatrészek közötti hosszú elektromos összeköttetéseket, így csökkentve egyaránt a jelveszteséget és a hőtermelést. Az anyagok területén is tapasztalhatók fejlesztések: az indium-foszfidból készült lézerek falra vonatkozó hatásfoka (wall plug efficiency) jobb, mint a hagyományos megoldásoké. Mindezek a fejlemények azt eredményezik, hogy a modern adóvevők egységnyi rackegységenként akár 400 wattot is képesek kezelni, miközben belső hőmérsékletük 50 °C alatt marad – ez megfelel az IEEE és az OIF által folyamatos nagysebességű működésre előírt hőmérsékleti szabványoknak.
Formátumok és szabványok: az optikai transzceiverek igazítása az infrastruktúra igényeihez
A megfelelő formátum kiválasztása biztosítja az optimális port-sűrűséget, hőkezelést és kölcsönös működőképességet a fejlődő infrastruktúrában. A szabványosított mechanikai és elektromos interfészek – az SFP-től a QSFP-DD-ig – lehetővé teszik a csatlakozás-és-működés funkciót, miközben támogatják a fokozatos sávszélesség-növelést anélkül, hogy teljes rendszerátalakításra lenne szükség.
SFP, QSFP, OSFP és QSFP-DD – Sűrűség és sebesség növelése 1 G-től 800 G-ig
Az SFP-modulok kiválóan alkalmasak 1 G-től 10 G-ig terjedő sebességek biztosítására kompakt méretű, kis helyet igénylő formátumokban, amelyek különösen jól működnek peremhálózati és hozzáférési pontokon, ahol a hely számít. Ezután jönnek a QSFP-verziók, amelyek négy adatcsatornát tömörítenek egy egységbe, így ideálisak akár 100 G sebesség támogatására is azokban a sűrűn beépített kapcsolókban, amelyek a legtöbb modern felhőalapú adatközpontban találhatók. A jövőben várható fejlesztéseket tekintve az OSFP és a QSFP-DD formátumok mindkét típusa képes kezelni a hatalmas sávszélesség-igényeket – 400 G-től akár 800 G-ig is – nyolc csatornás architektúrájuknak és javított hőkezelési megoldásaiknak köszönhetően. Ezek az újabb tervek valójában megduplázzák a rackegységenként elérhető portok számát a régebbi QSFP28 szabványhoz képest. A 2023-as OFC konferencián bemutatott legfrissebb eredmények szerint ez a fejlődés körülbelül 30%-kal csökkentette a gigabitonkénti energiafogyasztást, ami lényegesen megkönnyíti a vállalatok számára a meglévő 100 G infrastruktúráról ezekre a legmodernebb, 800 G-es rendszerekre történő frissítést, amelyeket kifejezetten a mesterséges intelligencia és a gépi tanulás számítási feladataira optimalizáltak.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: A hatótávolsági szabványok megfejtése a gyakorlati üzembe helyezéshez
A távolságosztályozások segítenek meghatározni, mit várhatunk különböző szál típusoktól különféle távolságokon. A rövid távolságú (SR) megoldás legfeljebb 300 méteres távolságra alkalmas többmódusú szál használatával, amelyet gyakran alkalmaznak berendezések összekötésére állványokon belül vagy kampuszokon át. A hosszú távolságú (LR) megoldás további távolságot tesz lehetővé: akár 10 kilométeres összeköttetéseket is kezelhet egymódszerű szálon, így ideális városi szintű hálózati felépítésekhez. Az extended reach (ER) még nagyobb távolságot fed le, körülbelül 40 km-ig, míg a long haul (ZR) megoldás akár 80 km-es távolságot is lefed. Ezek a hosszabb távolságok erősebb lézerekre és hatékonyabb hibajavítási technikákra van szükségük ahhoz, hogy megfelelően működjenek gerinchálózatokban és tenger alatti kábelekben. Legutóbbi fejleményként a data center reach (DR) és a fiber reach (FR) jelent meg speciális kategóriaként a modern adatközpontok számára. A DR általában 500 méteres kapcsolatokat biztosít szerverek között spine-leaf architektúrákban, míg az FR szabványosított specifikációkat nyújt különböző szál típusokhoz az IEEE 802.3 irányelvek szerint, így biztosítja a különböző gyártók eszközeinek kompatibilitását.
