EN
Kernfunctie van optische transceivers in netwerken met hoge snelheid
Elektrisch-naar-optische conversie en behoud van signaalintegriteit
Optische transceivers fungeren als tussenpersoon tussen elektrische netwerkapparatuur en de dunne glasvezels die we optische vezels noemen. Deze kleine werkpaarden zetten elektrische signalen om in werkelijke lichtpulsen via laserdiodes en draaien het geheel aan de andere kant weer om, waar fotodetectoren het licht opvangen en terug omzetten in elektriciteit. Deze tweerichtingsverbinding maakt het mogelijk om enorme hoeveelheden gegevens met buitengewone snelheid over glasvezelnetwerken te verzenden. Het behoud van scherpe en onbeschadigde signalen is van groot belang. Daarom maken fabrikanten gebruik van geavanceerde technieken zoals PAM4-modulatie in combinatie met digitale signaalprocessoren (DSP’s). Deze technologieën bestrijden onder meer signaalverspreiding (dispersie), signaalverlies (attenuatie) en allerlei vreemde niet-lineaire effecten die de overdracht kunnen verstoren. Zelfs bij extreem hoge snelheden van 400 Gb/s en hoger weten deze systemen bitfouten bijna volledig te voorkomen. Stel je eens voor hoe onze datacenters en AI-operaties eruit zouden zien zonder zo’n nauwkeurige elektro-optische techniek. We zouden eindeloos moeten wachten tot die grote gegevensoverdrachten zijn voltooid.
Hoe golflengte, gegevenssnelheid en afstand met elkaar interageren om de prestaties te bepalen
De prestaties en haalbaarheid van het implementeren van transceivers hangen in feite af van drie belangrijke, onderling samenwerkende factoren: golflengte, gegevenssnelheid en afstand. Bij de keuze van golflengten is compatibiliteit met vezeltypen van groot belang. Voor kortere afstanden wordt 850 nm veelal gebruikt met multimodevezel, waarmee bijvoorbeeld 100G over ongeveer 100 meter kan worden overgedragen. Voor langere verbindingen kiezen ingenieurs echter voor 1550 nm met enkelmodusvezel, waarmee 400G-signalen over afstanden tot ongeveer 2 kilometer kunnen worden verzonden. Naarmate de gegevenssnelheden stijgen van 400G tot 800G, is het onvermijdelijk om ofwel coherent-optische technologie ofwel geavanceerde PAM4-signaaltechnieken toe te passen. Dit heeft echter wel een prijs: een hoger stroomverbruik en een grotere kwetsbaarheid voor problemen in het transmissiepad. Ook de factor afstand stelt vrij strikte limieten. De meeste 80 km-verbindingen bereiken een maximum van 200G vanwege problemen met chromatische dispersie en dalende ruisniveaus. Aan de andere kant kunnen kortere 10 km-verbindingen daadwerkelijk 800G-snelheden verwerken, mits geschikte methoden voor forward error correction (FEC) en compensatie via digital signal processing (DSP) worden toegepast. Praktijkervaren netwerkontwerpers besteden veel tijd aan het in evenwicht brengen van deze onderling concurrerende eisen bij het ontwerpen van systemen die schaalbaar moeten zijn en zich op termijn moeten kunnen aanpassen aan wat de markt hen voorschotelt.
Kritieke componenten die moderne optische transceivers aandrijven
Laserdioden, fotodetectoren en DSP’s: het mogelijk maken van snelheid en nauwkeurigheid
De optische transceivers van vandaag zijn afhankelijk van drie hoofdonderdelen die samenwerken: laserdiodes, fotodetectoren en de geavanceerde digitale signaalprocessoren (DSP’s) waar we het over hebben. De laserdiodes genereren stabiele, snelle optische signalen, meestal via technologie met gedistribueerde terugkoppeling of via modernere siliciumfotonica-opstellingen, wat helpt om signaalverlies tot een minimum te beperken bij het verzenden van gegevens via glasvezelkabels. Wat betreft de fotodetectoren gebruiken de meeste systemen ofwel PIN- ofwel avalanche-type detectoren om het binnenkomende licht weer om te zetten in duidelijke elektrische signalen. Deze detectoren moeten zeer responsief zijn en tegelijkertijd het ruisniveau laag houden, zodat de gegevens onaangetast blijven. Vervolgens zorgen de DSP’s voor diverse complexe taken op de achtergrond, zoals real-time signaalgelijkrichting, kloktijdherstel en decodering van FEC-correcties om eventuele problemen tijdens de transmissie te verhelpen. Al deze componenten werken nauw samen om die verbazingwekkende bitfoutencijfers onder de 1E-15 te bereiken, zelfs over afstanden van meer dan 100 kilometer. En laten we de eisen ten aanzien van deterministische latentie niet vergeten, waardoor deze systemen essentieel zijn voor het draaien van moderne hyperscale-datacenters en het ondersteunen van onze groeiende 5G-netwerkinfrastructuur.
De 400G+-efficiëntie-uitdaging: balans tussen vermogen, warmte en bandbreedte
Het overschrijden van de 400 G-threshold veroorzaakt ernstige problemen met warmte en stroomverbruik. Telkens wanneer de gegevenssnelheid verdubbelt, stijgen de stroomvereisten met ongeveer 60 tot 70 procent, waardoor meer warmte wordt opgeslagen in die dicht opeengepakte schakelpoorten. Indien onaangetast, veroorzaakt al deze extra warmte signaalvervorming, versnelt de slijtage van componenten en verlaagt uiteindelijk de betrouwbaarheid van het systeem. De industrie heeft verschillende aanpakken ontwikkeld om deze problemen aan te pakken. Sommige fabrikanten integreren microkanaal-coolers, anderen implementeren adaptieve energiebeheersystemen die het energieverbruik bij licht verkeer met ongeveer 30 procent kunnen verminderen. Er is ook een groeiende toepassing van siliciumfotonica-technologie, die de lange elektrische verbindingen tussen componenten verkort en zowel signaalverlies als warmteproductie vermindert. Op materiaalvlak zien we eveneens verbeteringen. Lasers op basis van indiumfosfide bieden een hogere wandplug-efficiëntie dan traditionele opties. Al deze vooruitgangen betekenen dat moderne transceivers tot 400 watt per rackunit kunnen verwerken, terwijl hun interne temperatuur onder de 50 graden Celsius blijft — een prestatie die voldoet aan de thermische normen van IEEE en OIF voor continue hoogwaardige werking.
Vormfactoren en standaarden: Optische transceivers afstemmen op infrastructuurbehoeften
Het selecteren van de juiste vormfactor zorgt voor optimale poortdichtheid, thermisch beheer en interoperabiliteit binnen een zich ontwikkelende infrastructuur. Gestandaardiseerde mechanische en elektrische interfaces — van SFP tot QSFP-DD — bieden plug-and-play-compatibiliteit en ondersteunen geleidelijke bandbreedte-upgrades zonder dat een volledige systeemherziening nodig is.
SFP, QSFP, OSFP en QSFP-DD — schalen van dichtheid en snelheid van 1 G tot 800 G
SFP-modules zijn uitstekend geschikt voor het leveren van snelheden van 1 G tot 10 G in compacte vormfactoren die goed werken in edge-netwerken en toegangspunten, waar ruimte een belangrijke factor is. Vervolgens hebben we de QSFP-varianten, die vier datakanalen bundelen en daarom geschikt zijn voor ondersteuning van snelheden tot 100 G in de sterk geïntegreerde switches die in de meeste moderne cloud-datacenters worden aangetroffen. Kijkend naar wat er in de toekomst komt, kunnen zowel de OSFP- als de QSFP-DD-formaten aan de enorme bandbreedtebehoeften van 400 G en zelfs 800 G voldoen dankzij hun acht-kanaalsarchitectuur en verbeterde oplossingen voor warmtebeheer. Deze nieuwere ontwerpen verdubbelen daadwerkelijk het aantal poorten per rackunit ten opzichte van oudere QSFP28-standaarden. Volgens recente bevindingen op OFC 2023 heeft deze evolutie het stroomverbruik per gigabit met ongeveer 30% kunnen verminderen, waardoor bedrijven veel gemakkelijker kunnen upgraden van hun bestaande 100G-infrastructuur naar deze geavanceerde 800G-systemen, die specifiek zijn geoptimaliseerd voor workloads op het gebied van kunstmatige intelligentie en machine learning.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Decoderen van bereiknormen voor inzet in de praktijk
De bereikclassificaties helpen bepalen wat we kunnen verwachten van verschillende vezeltypen op diverse afstanden. Short Reach (SR) is geschikt voor afstanden onder de 300 meter met multimodevezel, wat vaak wordt gebruikt voor verbindingen tussen apparatuur binnen racks of op campussen. Long Reach (LR) reikt verder en ondersteunt verbindingen tot 10 kilometer via single-modevezel, waardoor het ideaal is voor stadsbrede netwerkinrichtingen. Extended Reach (ER) reikt nog verder, tot ongeveer 40 km, terwijl Long Haul (ZR) zelfs tot 80 km reikt. Deze langere bereiken vereisen krachtigere lasers en betere foutcorrectietechnieken om correct te functioneren in backbone-netwerken en onderzeese kabels. Meer recentelijk zijn Data Center Reach (DR) en Fiber Reach (FR) als gespecialiseerde categorieën opgedoken voor moderne datacenters. DR bestrijkt doorgaans 500-meterverbindingen tussen servers in spine-leafarchitecturen, terwijl FR gestandaardiseerde specificaties biedt die compatibel zijn met verschillende vezeltypen volgens de richtlijnen van IEEE 802.3, wat compatibiliteit tussen apparatuur van verschillende fabrikanten waarborgt.
