EN
Kjernefunksjonen til optiske transceivere i høyhastighetsnettverk
Elektrisk-til-optisk konvertering og bevaring av signalintegritet
Optiske transceivere fungerer som mellomledd mellom elektrisk nettverksutstyr og de tynne glasstrådene vi kaller optiske fiber. Disse små arbeidshestene tar elektriske signaler og konverterer dem til faktiske lyspulser ved hjelp av laserdioder, og så reverserer de hele prosessen på den andre enden, der fotodetektorer mottar lyset og konverterer det tilbake til elektrisitet. Denne toveisforbindelsen gjør at vi kan sende enorme mengder data over fibernettverk med utrolig høy hastighet. Å holde signalene rene og uforstyrrede er svært viktig. Derfor bruker produsenter avanserte teknikker som PAM4-modulasjon i kombinasjon med digitale signalprosessorer (DSP-er). Disse teknologiene bekjemper fenomener som signalutbredelse (dispersjon), signaltap (attenuasjon) og ulike uvanlige ikke-lineære effekter som kan forstyrre overføringen. Selv ved ekstremt høye hastigheter som 400 Gb/s og høyere lykkes disse systemene i å holde bitfeilnivået nesten ubefintelig. Tenk deg hvordan data sentra og AI-drift ville sett ut uten en slik nøyaktig elektro-optisk ingeniørløsning. Vi ville vært fastlåst i evig venting på at store datatransferer skulle fullføres.
Hvordan bølgelengde, datarate og avstand samspiller for å definere ytelse
Ytelsen og gjennomførbarheten av å distribuere transceivere avhenger virkelig av tre nøkkelfaktorer som samarbeider: bølgelengde, datarate og avstand. Når man velger bølgelengder, er kompatibiliteten med fibertyper svært viktig. For kortere avstander brukes 850 nm vanligvis sammen med multimodefiber og kan håndtere for eksempel 100G over ca. 100 meter. Men for lengre strekninger benytter ingeniører 1550 nm sammen med enmodusfiber, som kan overføre 400G-signaler over avstander på opptil ca. 2 kilometer. Når dataratene øker fra 400G til hele 800G, må man enten benytte koherente optiske løsninger eller de avanserte PAM4-signaleringsteknikkene. Dette medfører imidlertid kostnader: økt effektförbruk og større sårbarhet for problemer i overføringsbanen. Faktoren avstand setter også ganske strikte begrensninger. De fleste 80 km-forbindelsene har et maksimum på 200G på grunn av problemer med kromatisk dispersjon og avtagende støynivåer. På den andre siden kan kortere 10 km-forbindelser faktisk håndtere 800G-hastigheter hvis passende metoder for fremoverfeilkorrigering (FEC) og kompensasjon ved digital signalbehandling (DSP) anvendes. I praksis bruker nettverksdesignere mye tid på å balansere disse motstridende kravene når de bygger systemer som må kunne skaleres og tilpasses det markedet stiller krav til over tid.
Kritiske komponenter som driver moderne optiske transceivere
Laserdioder, fotodetektorer og DSP-er: Muliggjør hastighet og nøyaktighet
Dagens optiske transceivere avhenger av tre hoveddeler som fungerer sammen: laserdioder, fotodetektorer og de avanserte digitale signalprosessorene vi kaller DSP-er. Laserdiodene genererer stabile, hurtige optiske signaler, vanligvis ved hjelp av enten distribuert tilbakemeldingsteknologi eller nyere silisiumfotonikkoppsett, noe som hjelper til å minimere signaltap under dataoverføring gjennom fiberkabler. Når det gjelder fotodetektorer, bruker de fleste systemer enten PIN- eller avalanche-typen for å konvertere det innkommende lyset tilbake til klare elektriske signaler. Disse detektorene må være svært responsiv samtidig som de holder støyvirkningen lav, slik at dataene bevares intakte. Deretter har vi DSP-ene, som utfører en rekke komplekse oppgaver bak kulissene, blant annet realtidsjevning av signaler, gjenoppretting av klokkejustering og dekoding av FEC-korreksjoner for å rette opp eventuelle feil som oppstår under overføringen. Alle disse komponentene samarbeider tett for å oppnå de imponerende bitfeilrater som er lavere enn 1E-15, selv over avstander på mer enn 100 kilometer. Og la oss ikke glemme kravene til deterministisk latenstid, som gjør disse systemene avgjørende for driften av moderne hyperskala-datacentre og for støtte av vår voksende 5G-nettverksinfrastruktur.
Utfordringen med 400 G+ effektivitet: Å balansere effekt, varme og båndbredde
Å gå forbi terskeln på 400 G skaper alvorlige problemer med varme og strømforbruk. Hver gang datatransferhastigheten fordobles, øker effektkravene med omtrent 60–70 prosent, noe som fører til at mer varme samles i de tett pakka bryterportene. Hvis denne ekstra varmen ikke kontrolleres, fører den til signaldistorsjon, raskere slitasje på komponenter og til slutt redusert systempålitelighet. Bransjen har utviklet flere tilnærminger for å takle disse problemene. Noen produsenter integrerer mikrokanal-kjøleplater, mens andre implementerer adaptive strømstyringssystemer som kan redusere energiforbruket med ca. 30 prosent ved lav trafikk. Det skjer også en økende overgang til silisiumfotonikk-teknologi, som forkorter de lange elektriske forbindelsene mellom komponenter og dermed reduserer både signaltap og varmeproduksjon. På materialeområdet ser vi også forbedringer. Lasere laget av indiumfosfid har bedre veggtilkoplingsvirkningsgrad (wall plug efficiency) sammenlignet med tradisjonelle alternativer. Alle disse fremskrittene betyr at moderne transceivere kan håndtere opptil 400 watt per rackenhet, samtidig som de holder sine indre temperaturer under 50 grader Celsius – noe som oppfyller de termiske standardene fra IEEE og OIF for kontinuerlig høyhastighetsdrift.
Formfaktorer og standarder: Tilpasning av optiske transceivere til infrastrukturbehov
Å velge riktig formfaktor sikrer optimal porttetthet, termisk styring og samspill over hele den utviklende infrastrukturen. Standardiserte mekaniske og elektriske grensesnitt – fra SFP til QSFP-DD – muliggjør «plug-and-play»-kompatibilitet og støtter gradvis oppgradering av båndbredde uten behov for fullstendig systemoppgradering.
SFP, QSFP, OSFP og QSFP-DD – Skalering av tetthet og hastighet fra 1 G til 800 G
SFP-moduler er utmerkede for å levere hastigheter fra 1 G til 10 G i kompakte formfaktorer som fungerer godt i kantnettverk og tilgangspunkter der plass er avgjørende. Deretter har vi QSFP-utgaver som pakker fire kanaler sammen, noe som gjør dem egnet for å støtte hastigheter opp til 100 G i de tett pakka svitsjene som finnes i de fleste moderne skydatabeskyttede sentra. Når vi ser framover mot hva som kommer etter, kan både OSFP- og QSFP-DD-formater håndtere enorme båndbreddekrav på 400 G til og med 800 G takket være sin åttekanalsarkitektur samt bedre løsninger for varmehåndtering. Disse nyere designene dobler faktisk antallet porter per rackenhet sammenlignet med eldre QSFP28-standarder. Ifølge nylige funn ved OFC 2023 har denne utviklingen redusert strømforbruket per gigabit med ca. 30 %, noe som gjør det betraktelig enklere for bedrifter å oppgradere fra eksisterende 100 G-infrastruktur til disse fremkantige 800 G-systemene som er spesialtilpasset arbeidsbelastninger innen kunstig intelligens og maskinlæring.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Avkoding av rekkeviddestandarder for bruk i virkeligheten
Rekkeviddeklassifikasjonene hjelper til å angi hva vi kan forvente av ulike fiber typer ved ulike avstander. Kort rekkevidde (SR) fungerer for avstander under 300 meter ved bruk av multimodefiber, som ofte brukes til å koble utstyr innenfor rack eller på tvers av campusområder. Lang rekkevidde (LR) går lenger og håndterer tilkoblinger opp til 10 kilometer gjennom enkeltmodusfiber, noe som gjør den ideell for nettverksoppsett i byområder. Utvidet rekkevidde (ER) strekker seg enda lenger, til omtrent 40 km, mens langdistanse (ZR) når helt opp til 80 km. Disse lengre rekkeviddene krever kraftigere laser og bedre feilkorrigeringsteknikker for å fungere riktig i kjerne-nettverk og undervannskabler. Mer nylig har data-senter-rekkevidde (DR) og fiber-rekkevidde (FR) dukket opp som spesialiserte kategorier for moderne data-sentre. DR dekker vanligvis 500 meters koblinger mellom servere i spine-leaf-arkitekturer, mens FR gir standardiserte spesifikasjoner som fungerer med ulike fibertyper i henhold til IEEE 802.3-veiledningene, og sikrer kompatibilitet mellom utstyr fra ulike produsenter.
