Welke kabel werkt voor optische transceivers?

Kabeltypen op passende wijze koppelen aan optische transceiverinterfaces

Hoe SFP+, QSFP28, OSFP- en COBO-interfaces de kabelcompatibiliteit bepalen

Verschillende optische transceiverinterfaces, zoals SFP+, QSFP28, OSFP en COBO, hebben elk hun eigen specifieke eisen met betrekking tot fysieke ruimte, elektrische aansluitingen en warmtebeheer, wat allemaal van invloed is op welke kabels daadwerkelijk compatibel zijn. De SFP+-poorten ondersteunen snelheden van 10 G tot 25 G en kunnen zowel LC-duplexvezelkabels als passieve of actieve Direct Attach Copper (DAC)-kabels verwerken, die door veel gebruikers bekend zijn. Bij het overstappen op QSFP28 voor 100 G moet men rekening houden met dichter gepakte MPO-12-vezelkabels of DAC-kabels die zeer nauwkeurige impedantieaanpassing vereisen. Vervolgens komt de nieuwere OSFP-standaard, die enorme bandbreedtes van 400 G tot 800 G ondersteunt via dieper geplaatste aansluitingen en verbeterde koelsystemen. Deze vereisen ofwel MPO-16-kabels of speciale twinax-koperkabels die meer dan 56 Gbps per kanaal kunnen verwerken. En ten slotte hebben we COBO, een afkorting voor Consortium for On-Board Optics, dat nog een stap verder gaat door de uitwisselbare connectors volledig te elimineren. In plaats daarvan worden de optische componenten direct geïntegreerd op de printplaat van de switch, wat betekent dat technici gebruik moeten maken van op maat gemaakte kabels op printplaatniveau in plaats van eenvoudig onderdelen ter plaatse te vervangen. Het dwingen van een ongeschikte kabeltype — bijvoorbeeld het inbrengen van een OSFP-kabel in een QSFP28-poort — leidt vaak tot beschadiging van de apparatuur door afmetingsverschillen tussen de componenten, iets waar de OSFP MSA-specificatie versie 3.0 nadrukkelijk voor waarschuwt.

Elektrisch versus optisch signaalintegriteit: waarom de keuze van kabel invloed heeft op de linkbudget en BER

De keuze van kabels speelt een cruciale rol bij het behouden van signaalintegriteit, met name wat betreft linkbudgetten en bitfoutpercentages (BER). Koperen directe-aansluitkabels (DAC’s) vertonen vaak aanzienlijk inzetverlies, soms tot ongeveer 30 dB per kilometer bij snelheden zoals 25 Gbps. Deze koperen kabels zijn ook gevoelig voor elektromagnetische interferentie (EMI), waardoor hun betrouwbare bedrijfsafstand maximaal ongeveer 7 meter bedraagt. Optische vezel biedt veel betere prestaties op het gebied van signaalverlies. Enkelmodusvezel (SMF) toont doorgaans slechts ongeveer 0,4 dB per km, terwijl multimodusvezel (MMF) meestal tussen de 2,5 en 3,5 dB per km ligt, afhankelijk van de specifieke vezelklasse en de werkingsgolflengte. Maar er is een nadeel bij MMF bij hogere snelheden: modale dispersie begint een belangrijke oorzaak van BER-problemen te worden zodra we boven de 25G-snelheid komen, vooral bij afstanden van meer dan 100 meter. Recent onderzoek, gepubliceerd in het IEEE Photonics Journal in 2023, toonde aan dat OM5-vezel het BER met ongeveer 60% verlaagt ten opzichte van oudere OM3-vezel bij 400G over een afstand van 150 meter. Dit benadrukt de complexe wisselwerking tussen de bandbreedte-eigenschappen van vezels, dispersiekarakteristieken en de gevoeligheid van onze transceivers. Wanneer het totale signaalverlies groter wordt dan wat een transceiver kan verwerken (zoals de veelgebruikte QSFP28-modules die minstens -12 dBm signaalsterkte vereisen), ontstaan problemen door bijvoorbeeld excessief kabelverlies of reflecties die jitter veroorzaken. Dat leidt uiteindelijk tot permanente pakketverlies. Ingenieurs mogen zich daarom niet beperken tot eenvoudige gegevenssnelheden bij het evalueren van systemen. Ze moeten daadwerkelijk de specifieke kabelparameters controleren — zoals attentie-niveaus, return-loss-metingen en dispersie — tegenover de door de fabrikant opgegeven linkbudgetvereisten en conformiteitstestnormen, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op de geadverteerde snelheidsprestaties.

Glasvezelkabels voor optische transceiververbindingen met lange bereik

Enkelmodusvezel (SMF) versus multimodusvezel (MMF): afstands-, bandbreedte- en dispersieafwegingen

Bij het bekijken van optische verbindingen van meer dan 300 meter komt de keuze tussen enkelmodusvezel (SMF) en multimodusvezel (MMF) vooral neer op drie belangrijke factoren: de benodigde signaalafstand, de hoeveelheid dispersie die het systeem kan verdragen en wat vanuit budgettair oogpunt het meest logisch is. SMF heeft een zeer kleine kerngrootte van ongeveer 8 tot 10 micrometer, wat betekent dat deze slechts één voortplantingsmodus ondersteunt. Dit elimineert vervelende problemen met modale dispersie en stelt signalen in staat om meer dan 100 kilometer te reizen zonder dat herhaalers nodig zijn, waardoor telecommunicatiebedrijven en exploitanten van metro-netwerken zwaar op SMF vertrouwen. Bovendien biedt SMF indrukwekkend lage attentiecoëfficiënten van ongeveer 0,4 dB per kilometer bij werking op golflengten van 1550 nm. En wanneer SMF wordt gecombineerd met dispersiecompensatiemodules of coherent-optische technologie, kunnen deze afstanden nog verder worden uitgebreid. MMF-vezels daarentegen hebben veel grotere kernen, variërend van 50 tot 62,5 micrometer. Ze vereenvoudigen de aansluiting op transceivers op basis van VCSEL’s, maar brengen wel eigen nadelen met zich mee door modale dispersie, wat de effectieve werkafstanden beperkt. Zo kan OM4-vezel bijvoorbeeld 150 meter bereiken bij 400G-SR8-snelheden, terwijl oudere OM3-vezel moeite heeft om verder dan 70 meter te komen. Beide vezeltypen hebben te maken met chromatische dispersie, maar het ‘sweet spot’ van SMF rond de golflengte van 1310 nm, in combinatie met gevestigde compensatiemethoden, geeft SMF een voordelig prestatievoordeel. Zelfs graded-index MMF probeert modale verspreiding tegen te gaan via ontwerpverbeteringen, maar blijft uiteindelijk toch de onvermijdelijke afweging tussen bandbreedte en afstand ondervinden die inherent is aan signaalvoortplanting over meerdere paden.

OM3/OM4/OM5 MMF-selectiegids voor implementatie van optische transceivers in datacenters

Voor datacenters met beperkte afstanden onder de 150 meter bieden multimodevezels van het type OM3, OM4 en OM5 steeds betere prestaties wanneer zij worden gebruikt met parallelle optische transceivers zoals SR4, SR8 of SWDM4. Laten we eens kijken naar de specifieke kenmerken. OM3 kan 10 Gigabit Ethernet-signalen verwerken tot op een afstand van maximaal 300 meter en ondersteunt 40- of 100GbE-verbindingen binnen een bereik van 100 meter. OM4 gaat nog verder door deze bereiken uit te breiden tot ongeveer 400 meter voor 10GbE en 150 meter voor 40/100GbE, dankzij een veel hogere effectieve modale bandbreedte van 4.700 MHz·km. Vervolgens hebben we OM5, dat compatibel blijft met OM4-hardware maar extra functionaliteit biedt. Het vergroot de bandbreedtecapaciteit tussen golflengten van 850 en 953 nanometer, waardoor kortegolf-wavelength division multiplexing (SWDM) mogelijk wordt voor snelheden van 40 tot 400GbE met slechts één vezelpaar in plaats van meerdere. Bij een golflengte van 953 nm biedt OM5 een minimale effectieve modale bandbreedte van 6.000 MHz·km, zodat volledige 400G-SWDM4-operaties goed functioneren binnen afstanden van 150 meter, met een gereduceerd aantal vezels en eenvoudiger bekabelingsoplossingen. Hoewel OM5 doorgaans ongeveer 20 procent duurder is dan OM4, betaalt deze investering zich terug, omdat netwerken hiermee worden voorbereid op toekomstige transceivertechnologieën zonder dat later dure herkabelingsprojecten nodig zijn. Een belangrijk punt om op te merken: juiste afstemming is hier van groot belang. Al deze vezeltypen moeten zorgvuldig worden gecombineerd met specifieke transceiveremitters, zoals VCSEL-geoptimaliseerde multimodevezels, in plaats van oudere LED-gebaseerde opties. Ook is het essentieel om tijdens de installatie de juiste golflengte-instellingen te waarborgen om problemen met differentiële modusvertraging te voorkomen, die op termijn de bitfoutencijfers kunnen verergeren.

Kopergebaseerde kabels voor optische transceiververbindingen op korte afstand

Voor optische transceiververbindingen van minder dan 7 meter—zoals verbindingen binnen één rack of tussen aangrenzende kasten—bieden kopergebaseerde kabels aantrekkelijke voordelen op het gebied van kosten, energie-efficiëntie en eenvoud. Ze elimineren de noodzaak tot optisch-elektrische conversie, waardoor de latentie en het aantal componenten worden verminderd, terwijl de signaalintegriteit binnen hun bedrijfsomvang wordt behouden.

Direct Attach Copper (DAC)-kabels: kosten-, stroom- en thermische beperkingen tot 7 m

DAC-kabels combineren twinaxiale koperen geleiders met plug-in-transceivermodules zoals SFP+ en QSFP28 om passieve verbindingen te bieden met zeer lage latentie. Deze kabels zijn over het algemeen ongeveer 30 tot 50 procent goedkoper per poort dan het afzonderlijk kopen van zowel optische transceivers als glasvezel-patchkabels. Aangezien er geen actieve componenten in zitten, verbruiken DAC’s geen extra stroom en produceren ze bijna geen warmte, wat het ontwerpen van koelsystemen voor dichte servershelves en switches aanzienlijk vereenvoudigt. Maar er is een nadeel. Omdat ze signalen elektrisch verzenden, lijden ze onder signaalverlies dat erger wordt naarmate de frequenties stijgen; bovendien ontstaat interferentie tussen aangrenzende draden. Dat beperkt hun betrouwbare bereik tot ongeveer zeven meter bij 25G NRZ-snelheden en slechts drie meter bij 56G PAM4-verbindingen. Vanaf vijf meter wordt elektromagnetische interferentie echter een reëel probleem, vooral wanneer de kabels zich in de buurt bevinden van schakelende voedingen of andere bronnen van radiofrequentie. En naarmate de gegevenssnelheid en de kabellengte toenemen, worden de kabels zelf warmer, waardoor de meeste fabrikanten aanraden om heatsinks toe te voegen bij kabels boven 25G die continu op volledige capaciteit worden gebruikt.

Actieve optische kabels (AOC’s): Alternatieven met lage latentie en bestendigheid tegen elektromagnetische interferentie (EMI) met uitgebreid bereik

Actieve optische kabels (AOC's) zijn uitgerust met kleine optische componenten in hun connectoren, specifiek VCSEL's en fotodiodes, die elektrische signalen direct in het midden van de kabel zelf omzetten naar licht. Dit betekent dat ze dezelfde eenvoudige plug-and-play-functionaliteit behouden als reguliere DAC-kabels, maar wel over veel grotere afstanden kunnen worden ingezet — van 30 meter tot wel 100 meter, afhankelijk van de vereiste gegevensoverdrachtsnelheid en het gebruikte signaalmodulatietype. Deze kabels hebben een zeer lage latentie, met een vertraging van minder dan een halve nanoseconde, en zijn bovendien ongevoelig voor elektromagnetische interferentie. Daardoor zijn ze uitermate geschikt voor omgevingen zoals productiehalvloeren vol machines of gebieden in de buurt van krachtige radiofrequente apparatuur. Hoewel AOC's ongeveer 20 tot 30 procent duurder zijn dan standaard passieve DAC-kabels, leveren ze op termijn kostenbesparingen op doordat ze minder warmte genereren. Het stroomverbruik ligt meestal tussen de 1,5 en 2,5 watt, vergeleken met ongeveer 3 tot 4 watt voor actieve DAC-kabels bij vergelijkbare snelheden. Bovendien presteren deze kabels beter bij trillingen en zijn ze niet gevoelig voor aardingsproblemen, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor toepassingen zoals high-frequency-trading-systemen of edge-computing-opstellingen, waarbij elke microsecond telkens telt voor de prestaties.

Veelgestelde vragen

Wat zijn de belangrijkste factoren die de compatibiliteit van kabels met optische transceiverinterfaces zoals SFP+, QSFP28, OSFP en COBO bepalen?

De compatibiliteit van kabels wordt bepaald door eisen op het gebied van fysieke ruimte, elektrische aansluitingen en warmtebeheer, specifiek voor elke optische transceiverinterface. Het gebruik van het juiste kabeltype is essentieel om schade aan apparatuur te voorkomen als gevolg van afmetingsverschillen tussen componenten.

Hoe vergelijken koperen Direct Attach-kabels (DAC’s) zich met optische vezels op het gebied van signaalintegriteit?

Koperen DAC’s vertonen een hogere inzetverliez (insertion loss) en zijn gevoelig voor elektromagnetische interferentie, waardoor hun operationele bereik beperkt is. Enkelmodusoptische vezels bieden betere prestaties met minder signaalverlies en een grotere bereikafstand, hoewel multimodusvezels bij hogere snelheden worden beïnvloed door dispersie.

Wat zijn de voordelen van actieve optische kabels (AOC’s) ten opzichte van directe koperen aansluitkabels (DAC’s)?

Actieve optische kabels gebruiken optische componenten binnen de kabel om elektrische signalen om te zetten in licht, waardoor langere afstanden mogelijk zijn zonder elektromagnetische interferentie. Ze behouden een lage latentie en zijn op termijn kosteneffectiever wat betreft stroomverbruik en warmteproductie in vergelijking met DAC’s.