Transceiver Optik Apa yang Memastikan Penghantaran Data yang Pantas?

Fungsi Utama Transceiver Optik dalam Rangkaian Berkelajuan Tinggi

Penukaran Elektrik-ke-Optik dan Pemeliharaan Integriti Isyarat

Transceiver optik bertindak sebagai perantara antara peralatan rangkaian elektrik dan gentian optik nipis yang terbuat daripada kaca. Peranti kecil ini mengambil isyarat elektrik dan menukarkannya kepada denyut cahaya sebenar melalui diod laser, kemudian membalikkan proses tersebut di hujung lain di mana pengesan cahaya (photodetectors) menerima cahaya tersebut dan menukarkannya kembali kepada isyarat elektrik. Laluan dua hala ini membolehkan kita menghantar jumlah data yang sangat besar melalui rangkaian gentian pada kelajuan yang luar biasa. Menjaga ketepatan dan keutuhan isyarat tersebut adalah sangat penting. Oleh itu, pengilang bergantung pada teknik canggih seperti modulasi PAM4 yang dipasangkan dengan Pemproses Isyarat Digital (Digital Signal Processors). Teknologi-teknologi ini berfungsi menentang pelbagai gangguan seperti penyebaran isyarat (dispersion), kehilangan isyarat (attenuation), serta pelbagai kesan tak linear yang boleh mengganggu transmisi. Walaupun pada kelajuan yang sangat tinggi seperti 400G dan lebih tinggi lagi, sistem-sistem ini berjaya mengekalkan kadar ralat bit hampir tidak wujud. Bayangkan bagaimana pusat data dan operasi kecerdasan buatan (AI) kita kelihatan tanpa kejuruteraan elektro-optik yang begitu tepat. Kita akan terperangkap menunggu selama-lamanya untuk siapnya pemindahan data berskala besar tersebut.

Bagaimana Panjang Gelombang, Kadar Data, dan Jarak Berinteraksi untuk Menentukan Prestasi

Prestasi dan kebolehlaksanaan pemasangan transceiver benar-benar bergantung kepada tiga faktor utama yang beroperasi secara serentak: jarak gelombang, kadar data, dan jarak. Apabila memilih jarak gelombang, keserasian dengan jenis gentian sangat penting. Untuk jarak pendek, 850 nm biasanya digunakan bersama gentian pelbagai mod, yang mampu mengendalikan data seperti 100G dalam jarak sekitar 100 meter. Namun, untuk jarak lebih jauh, jurutera menggunakan 1550 nm bersama gentian mod tunggal, yang boleh menghantar isyarat 400G sehingga kira-kira 2 kilometer. Apabila kadar data meningkat dari 400G hingga 800G, tidak dapat dielakkan lagi bahawa optik koheren atau teknik pensinyalan PAM4 yang canggih diperlukan. Walaupun begitu, ini membawa kos tambahan: penggunaan kuasa yang meningkat dan kerentanan yang lebih tinggi terhadap masalah di laluan transmisi. Faktor jarak juga menetapkan had yang agak ketat. Kebanyakan sambungan 80 km mencapai had maksimum pada 200G disebabkan oleh masalah penyebaran kromatik dan penurunan aras hingar. Sebagai perbandingan, sambungan pendek 10 km sebenarnya mampu mengendalikan kelajuan 800G jika kaedah pembetulan ralat ke depan (FEC) yang sesuai dan pemprosesan isyarat digital (DSP) untuk pampasan diterapkan. Jurutera rangkaian dalam dunia sebenar menghabiskan banyak masa menyeimbangkan tuntutan bersaing ini semasa mereka membina sistem yang perlu berkembang dan menyesuaikan diri dengan tuntutan pasaran dari masa ke masa.

Komponen-Komponen Penting yang Memacu Transceiver Optik Moden

Diod Laser, Pengesan Fotodiod, dan DSP: Memungkinkan Kelajuan dan Ketepatan

Transceiver optik hari ini bergantung pada tiga komponen utama yang berfungsi secara serentak: diod laser, pengesan fotodiod, dan Pemproses Isyarat Digital (DSP) canggih yang sering kita sebut sebagai DSP. Diod laser menghasilkan isyarat optik yang stabil dan pantas, biasanya melalui teknologi umpan balik teragih atau susunan fotonik silikon yang lebih baru, yang membantu meminimumkan kehilangan isyarat semasa menghantar data melalui kabel gentian optik. Mengenai pengesan fotodiod, kebanyakan sistem menggunakan jenis PIN atau avalanche untuk menukar cahaya masuk tersebut kembali kepada isyarat elektrik yang jelas. Pengesan ini perlu sangat responsif sambil mengekalkan tahap hingar yang rendah supaya data tetap utuh. Seterusnya, DSP menjalankan pelbagai tugas kompleks di latar belakang seperti menyamakan isyarat secara masa nyata, memulihkan penyesuaian masa jam, dan menyahkod pembetulan FEC untuk memperbaiki sebarang isu yang berlaku semasa penghantaran. Semua komponen ini berfungsi secara selaras untuk mencapai kadar ralat bit luar biasa di bawah 1E-15 walaupun pada jarak melebihi 100 kilometer. Dan jangan lupa tentang keperluan latensi deterministik yang menjadikan sistem-sistem ini penting bagi pengendalian pusat data hiperskal modern serta menyokong infrastruktur rangkaian 5G kita yang semakin berkembang.

Cabaran Kecekapan 400G+: Menyeimbangkan Kuasa, Haba, dan Lebar Jalur

Melampaui ambang 400G menimbulkan masalah serius dari segi haba dan penggunaan kuasa. Setiap kali kadar data diduakan, keperluan kuasa meningkat sebanyak kira-kira 60 hingga 70 peratus, yang menyebabkan lebih banyak haba terkumpul di port suis yang padat tersebut. Jika tidak dikawal, keseluruhan haba tambahan ini menyebabkan isyarat menjadi terdistorsi, komponen haus lebih cepat, dan akhirnya mengurangkan kebolehpercayaan sistem. Industri telah memperkenalkan beberapa pendekatan untuk mengatasi isu-isu ini. Sebilangan pengilang mengintegrasikan penyejuk haba berkanal mikro, manakala yang lain melaksanakan sistem pengurusan kuasa adaptif yang mampu mengurangkan penggunaan tenaga sehingga kira-kira 30 peratus apabila trafik rendah. Selain itu, teknologi fotonik silikon juga semakin banyak diadopsi untuk memendekkan sambungan elektrik yang panjang antara komponen, seterusnya mengurangkan kehilangan isyarat dan penghasilan haba. Di bidang bahan pula, penambahbaikan juga sedang berlaku. Laser yang diperbuat daripada indium fosfida mempunyai kecekapan ‘wall plug’ yang lebih baik berbanding pilihan tradisional. Semua kemajuan ini bermakna transceiver moden mampu mengendali sehingga 400 watt setiap unit rak sambil mengekalkan suhu dalaman di bawah 50 darjah Celsius—suatu pencapaian yang memenuhi piawaian haba yang ditetapkan oleh IEEE dan OIF bagi operasi kelajuan tinggi secara berterusan.

Bentuk Fizikal dan Piawaian: Menyesuaikan Penghantar-Optik dengan Keperluan Infrastruktur

Memilih bentuk fizikal yang sesuai memastikan ketumpatan pelabuhan yang optimum, pengurusan haba, dan keserasian antara sistem di seluruh infrastruktur yang terus berkembang. Antara muka mekanikal dan elektrikal yang dipiawaikan—daripada SFP hingga QSFP-DD—membolehkan keserasian 'pasang-dan-gunakan' sambil menyokong peningkatan lebar jalur secara beransur-ansur tanpa perlu menggantikan keseluruhan sistem.

SFP, QSFP, OSFP, dan QSFP-DD — Meningkatkan Ketumpatan dan Kelajuan dari 1G hingga 800G

Modul SFP sangat sesuai untuk menyampaikan kelajuan antara 1G hingga 10G dalam faktor bentuk yang padat, yang berfungsi dengan baik dalam rangkaian tepi (edge networking) dan titik akses di mana ruang merupakan pertimbangan penting. Kemudian terdapat versi QSFP yang menggabungkan empat saluran bersama-sama, menjadikannya sesuai untuk menyokong kelajuan sehingga 100G dalam suis-suis padat yang terdapat di kebanyakan pusat data awan moden. Menjelang generasi seterusnya, format OSFP dan QSFP-DD mampu menangani keperluan lebar jalur yang sangat besar—daripada 400G hingga malah 800G—berkat arkitektur lapan saluran mereka serta penyelesaian pengurusan haba yang lebih baik. Reka bentuk baharu ini sebenarnya mendua bilangan port per unit rak jika dibandingkan dengan standard QSFP28 yang lebih lama. Berdasarkan dapatan terkini di OFC 2023, perkembangan ini berjaya mengurangkan penggunaan kuasa per gigabit kira-kira 30%, menjadikannya jauh lebih mudah bagi syarikat-syarikat untuk meningkat naik daripada infrastruktur 100G sedia ada mereka kepada sistem 800G mutakhir ini yang dioptimumkan khusus untuk beban kerja kecerdasan buatan dan pembelajaran mesin.

SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Menterjemah Piawaian Jangkauan untuk Pelaksanaan Dunia Sebenar

Klasifikasi jangkauan membantu menetapkan apa yang boleh kita harapkan daripada jenis gentian yang berbeza pada jarak yang pelbagai. Jangkauan Pendek (SR) beroperasi untuk jarak di bawah 300 meter menggunakan gentian multimode, yang biasanya digunakan untuk menyambungkan peralatan dalam rak atau merentasi kampus. Jangkauan Jauh (LR) menjangkau lebih jauh lagi, mengendalikan sambungan sehingga 10 kilometer melalui gentian single mode, menjadikannya ideal untuk susunan rangkaian berskala bandar. Jangkauan Lanjutan (ER) memperluaskan jarak ini sehingga kira-kira 40 km, manakala Jangkauan Jauh (ZR) mampu mencapai sehingga 80 km. Jangkauan yang lebih panjang ini memerlukan laser yang lebih kuat dan teknik pembetulan ralat yang lebih baik agar berfungsi dengan baik dalam rangkaian teras dan kabel bawah laut. Baru-baru ini, Jangkauan Pusat Data (DR) dan Jangkauan Gentian (FR) muncul sebagai kategori khusus bagi pusat data moden. DR biasanya meliputi pautan sejauh 500 meter antara pelayan dalam arsitektur spine-leaf, manakala FR memberikan spesifikasi piawai yang berfungsi merentasi pelbagai jenis gentian mengikut garis panduan IEEE 802.3, memastikan keserasian antara peralatan daripada pengeluar yang berbeza.