EN
Funcția de bază a transceiver-elor optice în rețelele de înaltă viteză
Conversia electric-optică și păstrarea integrității semnalului
Transceiverle optice acționează ca intermediari între echipamentele de rețea electrice și acele fire subțiri de sticlă pe care le numim fibre optice. Aceste mici motoare preiau semnalele electrice și le transformă în impulsuri reale de lumină prin diode laser, apoi inversează întregul proces la celălalt capăt, unde fotodetectorii captează lumina și o convertesc înapoi în electricitate. Această comunicare bidirecțională ne permite să transmitem cantități uriașe de date prin rețelele de fibră optică cu viteze uimitoare. Menținerea semnalelor curate și intacte este esențială. De aceea, producătorii se bazează pe tehnici avansate, cum ar fi modulația PAM4 împreună cu procesoarele de semnal digital. Aceste tehnologii combat efecte precum dispersia (împrăștierea semnalului), atenuarea (pierderea semnalului) și diverse efecte neliniare ciudate care pot perturba transmisia. Chiar și la viteze fulgerătoare de 400 G și peste, aceste sisteme reușesc să mențină eroarea de bit aproape inexistentă. Imaginați-vă cum ar arăta centrele noastre de date și operațiunile de inteligență artificială fără o astfel de inginerie electro-optică precisă. Am rămâne blocați să așteptăm la nesfârșit finalizarea acestor transferuri masive de date.
Cum lungimea de undă, rata de date și distanța interacționează pentru a defini performanța
Performanța și fezabilitatea implementării transceiverelor depind, de fapt, de trei factori cheie care acționează împreună: lungimea de undă, debitul de date și distanța. La alegerea lungimilor de undă, compatibilitatea cu tipurile de fibră este foarte importantă. Pentru distanțe scurte, se folosește în mod obișnuit lungimea de undă de 850 nm împreună cu fibra multimod, care poate transmite, de exemplu, semnale de 100G pe o distanță de aproximativ 100 de metri. În schimb, pentru distanțe mai lungi, inginerii recurg la lungimea de undă de 1550 nm împreună cu fibra monomod, care poate transmite semnale de 400G pe distanțe de până la aproximativ 2 km. Pe măsură ce debitele de date cresc de la 400G până la 800G, nu se poate evita utilizarea fie a opticului coerent, fie a acelor tehnici avansate de semnalizare PAM4. Totuși, acest lucru are un cost: consumul crescut de energie și o vulnerabilitate mai mare față de problemele apărute pe traseul de transmisie. Factorul distanță impune, de asemenea, limite destul de stricte. Cele mai multe conexiuni de 80 km au un debit maxim de 200G, datorită problemelor legate de dispersia cromatică și de scăderea nivelului de zgomot. Pe de altă parte, legăturile mai scurte de 10 km pot suporta, de fapt, viteze de 800G, dacă se aplică metode adecvate de corecție a erorilor înainte (FEC) și compensare prin prelucrarea numerică a semnalului (DSP). Proiectanții de rețele din lumea reală petrec mult timp echilibrând aceste cerințe concurente, construind sisteme care trebuie să se poată scala și adapta la cerințele pieței pe care le vor impune în timp.
Componente esențiale care alimentează transceiverii optici moderni
Diodă laser, fotodetectori și procesoare digitale de semnal (DSP): permițând viteză și precizie
Transceiverle optice de astăzi depind de trei componente principale care lucrează împreună: diodele laser, fotodetectorii și acei procesori digitali de semnal sofisticați pe care îi numim DSP-uri. Diodele laser generează aceste semnale optice stabile și rapide, de obicei prin intermediul tehnologiei cu feedback distribuit sau al configurațiilor mai noi bazate pe fotonica pe siliciu, ceea ce contribuie la menținerea pierderii de semnal la un nivel minim în timpul transmisiei datelor prin cabluri de fibră optică. În ceea ce privește fotodetectorii, majoritatea sistemelor folosesc fie tipul PIN, fie cel avalanșă pentru a transforma lumina primită înapoi în semnale electrice clare. Acești detectori trebuie să fie extrem de răspunzători, păstrând în același timp nivelurile de zgomot la un minimum, astfel încât datele să rămână intacte. Apoi, DSP-urile efectuează o multitudine de sarcini complexe în spatele scenei, cum ar fi egalizarea semnalelor în timp real, recuperarea sincronizării ceasului și decodificarea corecțiilor FEC pentru remedierea oricăror probleme apărute în timpul transmisiei. Toate aceste componente funcționează în perfectă armonie pentru a atinge acele rate excepționale de eroare pe bit sub 1E-15, chiar și pe distanțe depășind 100 de kilometri. Și nu trebuie uitate nici cerințele de latență deterministă, care fac ca aceste sisteme să fie esențiale pentru funcționarea centrelor moderne de date la scară foarte mare și pentru susținerea infrastructurii noastre în continuă extindere de rețea 5G.
Provocarea eficienței de 400G+: Echilibrarea puterii, căldurii și lățimii de bandă
Depășirea pragului de 400 G generează probleme serioase legate de căldură și consumul de energie. De fiecare dată când viteza de transfer a datelor se dublează, cerințele de putere cresc cu aproximativ 60–70 %, ceea ce conduce la o acumulare mai mare de căldură în porturile comutatoarelor, care sunt foarte dens împachetate. Dacă nu este controlată, această căldură suplimentară distorsionează semnalele, determină uzurarea accelerată a componentelor și, în cele din urmă, reduce fiabilitatea sistemului. Industria a dezvoltat mai multe abordări pentru a face față acestor probleme. Unele companii producătoare integrează radiatoruri cu microcanale, altele implementează sisteme adaptive de gestionare a energiei, capabile să reducă consumul energetic cu aproximativ 30 % în perioadele de trafic scăzut. Se observă, de asemenea, o adoptare tot mai largă a tehnologiei fotonice pe siliciu, care scurtează conexiunile electrice lungi dintre componente, reducând atât pierderile de semnal, cât și generarea de căldură. În domeniul materialelor, avem și aici progrese: laserii fabricați din fosfid de indiu oferă o eficiență superioară la nivelul „wall plug” comparativ cu soluțiile tradiționale. Toate aceste progrese înseamnă că transceiverii moderni pot gestiona până la 400 de wați pe unitate de rack, menținând în același timp temperaturile interne sub 50 de grade Celsius — un parametru care respectă standardele termice stabilite de IEEE și OIF pentru funcționarea continuă la viteze ridicate.
Factorii de formă și standardele: Potrivirea transceiverelor optice cu nevoile infrastructurii
Selectarea factorului de formă potrivit asigură o densitate optimă a porturilor, o gestionare termică eficientă și interoperabilitatea în cadrul infrastructurilor în continuă evoluție. Interfețele mecanice și electrice standardizate — de la SFP până la QSFP-DD — permit compatibilitatea „plug-and-play”, susținând în același timp actualizări progresive ale lățimii de bandă fără necesitatea unor reconfigurări complete ale sistemului.
SFP, QSFP, OSFP și QSFP-DD — Creșterea densității și a vitezei, de la 1G până la 800G
Modulele SFP sunt excelente pentru furnizarea de viteze cuprinse între 1 G și 10 G, în formate compacte care funcționează bine în rețelele de margine (edge networking) și în punctele de acces, unde spațiul este un factor determinant. Apoi avem versiunile QSFP, care integrează patru canale împreună, făcându-le potrivite pentru susținerea vitezelor până la 100 G în comutatoarele dens populate, frecvent întâlnite în centrele moderne de date cloud. Privind în perspectivă ceea ce urmează, atât formatele OSFP, cât și cele QSFP-DD pot gestiona cerințele masive de lățime de bandă de 400 G, respectiv chiar de 800 G, datorită arhitecturii lor cu opt canale, precum și soluțiilor îmbunătățite de gestionare a căldurii. Aceste noi designuri dublează, de fapt, numărul de porturi pe unitate de rack, comparativ cu standardele mai vechi QSFP28. Conform rezultatelor recente prezentate la OFC 2023, această evoluție a reușit să reducă consumul de energie pe gigabit cu aproximativ 30 %, facilitând astfel în mod semnificativ actualizarea infrastructurii existente de 100 G către aceste sisteme de ultimă generație de 800 G, optimizate în mod specific pentru sarcini de inteligență artificială și învățare automată.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Descifrarea standardelor de rază de acțiune pentru implementări în lumea reală
Clasificările de distanță ajută la stabilirea a ceea ce putem aștepta de la diferitele tipuri de fibră la diverse distanțe. Distanța scurtă (SR) este potrivită pentru distanțe sub 300 de metri, utilizând fibră multimod, care este frecvent întâlnită în conectarea echipamentelor din interiorul rack-urilor sau între clădiri din cadrul unui campus. Distanța lungă (LR) acoperă distanțe mai mari, gestionând conexiuni până la 10 km prin fibră monomod, fiind astfel ideală pentru configurații de rețele la nivelul orașului. Distanța extinsă (ER) acoperă distanțe și mai mari, până la aproximativ 40 km, iar distanța foarte lungă (ZR) ajunge până la 80 km. Aceste distanțe mai mari necesită lasere mai puternice și tehnici mai avansate de corecție a erorilor pentru a funcționa corespunzător în rețelele de bază și în cablurile subacvatice. Mai recent, au apărut categoriile Distanță pentru centre de date (DR) și Distanță pe fibră (FR), ca tipuri specializate destinate centrelor moderne de date. DR acoperă în mod tipic legături de 500 de metri între servere în arhitecturi spine-leaf, în timp ce FR oferă specificații standardizate care funcționează cu diferite tipuri de fibră, conform ghidurilor IEEE 802.3, asigurând compatibilitatea între echipamentele provenite de la diferiți producători.
