EN
Kärnfunktionen för optiska transceivers i höghastighetsnätverk
Omvandling från elektrisk till optisk signal och bevarande av signalintegritet
Optiska transceivers fungerar som mellanled mellan elektrisk nätverksutrustning och de tunna glassträngar vi kallar optiska fibrer. Dessa lilla arbetshästar omvandlar elektriska signaler till ljuspulser med hjälp av laserdioder och gör sedan om processen i andra änden, där fotodetektorer registrerar ljuset och omvandlar det tillbaka till elektricitet. Denna tvåvägskommunikation gör det möjligt att skicka enorma mängder data över fibernätverk med imponerande hastigheter. Att hålla signalerna rena och oförändrade är av stort betydelse. Därför använder tillverkare avancerade tekniker som PAM4-modulering i kombination med digitala signalprocessorer (DSP). Dessa teknologier motverkar bland annat signalutbredning (dispersion), signalförluster (dämpning) samt olika icke-linjära effekter som kan störa överföringarna. Även vid mycket höga hastigheter som 400 Gbit/s och högre lyckas dessa system hålla bitfel nästan obefintliga. Föreställ dig hur våra datacenter och AI-drift skulle se ut utan en sådan exakt elektro-optisk teknik – vi skulle bli tvungna att vänta i evighet på att stora datatransferer skulle slutföras.
Hur våglängd, datatakt och avstånd samverkar för att definiera prestanda
Prestandan och genomförbarheten av distributionen av transceivers beror egentligen på tre nyckelfaktorer som samverkar: våglängd, datatrafik och avstånd. Vid valet av våglängder är kompatibiliteten med fibertyper av stor betydelse. För kortare avstånd används vanligtvis 850 nm tillsammans med flermodfiber för att hantera exempelvis 100G över cirka 100 meter. För längre sträckor vänder ingenjörer sig dock till 1550 nm tillsammans med enmodfiber, vilket kan överföra 400G-signaler över avstånd upp till cirka 2 kilometer. När datatrafiken stiger från 400G upp till 800G går det inte att komma ifrån behovet av antingen koherent optik eller de avancerade PAM4-signaleringsmetoderna. Detta medför dock en kostnad: ökad effektförbrukning och större sårbarhet för problem i överföringsvägen. Faktorn avstånd ställer också ganska strikta gränser. De flesta 80 km-länkar når maximalt 200G på grund av problem med kromatisk dispersion och minskande brusnivåer. Å andra sidan kan kortare 10 km-länkar faktiskt hantera 800G-hastigheter om lämpliga metoder för framåt rättning av fel (FEC) samt kompensation med digital signalbehandling (DSP) tillämpas. I verkligheten ägnar nätverksdesigners mycket tid åt att balansera dessa motstridiga krav när de utvecklar system som måste kunna skalas och anpassas till vad marknaden kräver över tid.
Kritiska komponenter som driver moderna optiska transceivers
Laserdioder, fotodetektorer och DSP: möjliggör höghastighet och noggrannhet
Idagens optiska transceivers är beroende av tre huvudsakliga delar som arbetar tillsammans: laserdioder, fotodetektorer och de sofistikerade digitala signalprocessorer vi kallar DSP:er. Laserdiodeln genererar stabila, snabba optiska signaler, vanligtvis antingen genom distribuerad återkopplingsteknik eller nyare siliciumfotoniklösningar, vilket hjälper till att minimera signalförlusten vid dataöverföring genom glasfiberkablar. När det gäller fotodetektorer använder de flesta system antingen PIN- eller avalanche-typ för att omvandla inkommande ljus till tydliga elektriska signaler. Dessa detektorer måste vara mycket responsiva samtidigt som de håller brusnivåerna låga, så att datan förblir intakt. Sedan finns det DSP:erna som utför en rad komplexa uppgifter bakom kulisserna, till exempel realtidsjämnning av signaler, återställning av klocktiming och avkodning av FEC-korrigeringar för att åtgärda eventuella fel som uppstår under överföringen. Alla dessa komponenter arbetar i samordning för att uppnå de imponerande bitfelgraderna under 1E-15 även över avstånd på mer än 100 kilometer. Och låt oss inte glömma de deterministiska latenskraven som gör dessa system oumbärliga för drift av moderna hyperskala-datacenter och för stöd av vår växande 5G-nätverksinfrastruktur.
Utmaningen med 400G+ effektivitet: Att balansera effekt, värme och bandbredd
Att överskrida 400 G-gränsen skapar allvarliga problem med värme och effektförbrukning. Varje gång datatalet fördubblas ökar effektkraven med cirka 60–70 procent, vilket innebär att mer värme koncentreras till de tätt packade switchportarna. Om denna extra värme inte kontrolleras orsakar den signalförvrängning, gör komponenter slitage snabbare och minskar slutligen systemets pålitlighet. Branchen har utvecklat flera olika strategier för att hantera dessa problem. Vissa tillverkare integrerar mikrokanalskylplattor, andra implementerar adaptiva elkraftshanteringsystem som kan minska energianvändningen med cirka 30 procent vid lätt trafikbelastning. Det sker också en ökad användning av silikonfotonikteknik, vilket förkortar de långa elektriska anslutningarna mellan komponenter och därmed minskar både signalförluster och värmeutveckling. På materialområdet sker också förbättringar: Lasrar tillverkade av indiumfosfid har bättre väggeffektivitet jämfört med traditionella alternativ. Alla dessa framsteg innebär att moderna transceivers kan hantera upp till 400 watt per rackenhet samtidigt som de håller sina inre temperaturer under 50 grader Celsius – en prestanda som uppfyller de termiska standarder som IEEE och OIF har fastställt för kontinuerlig höghastighetsdrift.
Formfaktorer och standarder: Anpassning av optiska transceivers till infrastrukturbehoven
Att välja rätt formfaktor säkerställer optimal porttäthet, termisk hantering och samverkan över en utvecklingsbar infrastruktur. Standardiserade mekaniska och elektriska gränssnitt – från SFP till QSFP-DD – möjliggör plug-and-play-kompatibilitet samtidigt som de stödjer stegvisa bandbreddsuppgraderingar utan att hela systemet behöver bytas ut.
SFP, QSFP, OSFP och QSFP-DD – Skalning av täthet och hastighet från 1G till 800G
SFP-moduler är utmärkta för att leverera hastigheter mellan 1 G och 10 G i kompakta formfaktorer som fungerar väl i kantnätverk och åtkomstpunkter där utrymme är avgörande. Sedan har vi QSFP-versioner som integrerar fyra kanaler, vilket gör dem lämpliga för att stödja hastigheter upp till 100 G i de tätt packade switchar som finns i de flesta moderna molndatacenter. När vi tittar framåt mot nästa steg kan både OSFP- och QSFP-DD-formaten hantera massiva bandbreddskrav på 400 G och till och med 800 G tack vare sin åttakanalsarkitektur samt förbättrade lösningar för värmehantering. Dessa nyare designerna dubblar faktiskt antalet portar per rackenhet jämfört med äldre QSFP28-standarder. Enligt senaste resultaten från OFC 2023 har denna utveckling lett till en minskning av efforförbrukningen per gigabit med cirka 30 %, vilket gör det mycket lättare för företag att uppgradera från sin befintliga 100 G-infrastruktur till dessa banbrytande 800 G-system som är optimerade specifikt för arbetsbelastningar inom artificiell intelligens och maskininlärning.
SR, LR, ER, ZR, DR, FR: Avkodning av räckhetsstandarder för insatser i verkligheten
Räckviddklassificeringarna hjälper till att fastställa vad vi kan förvänta oss från olika fibrertyper vid olika avstånd. Kort räckvidd (SR) fungerar för avstånd under 300 meter med multimodfiber, vilket ofta används för att ansluta utrustning inom rack eller mellan campusområden. Lång räckvidd (LR) når längre och hanterar anslutningar upp till 10 kilometer genom enmodfiber, vilket gör den idealisk för nätverksuppsättningar som täcker hela städer. Utökad räckvidd (ER) når ännu längre, cirka 40 km, medan långsträckning (ZR) sträcker sig hela vägen till 80 km. Dessa längre räckvidder kräver kraftfullare lasrar och bättre felkorrigeringstekniker för att fungera korrekt i kärnnätverk och underjordiska kablar. Mer nyligen har datacenter-räckvidd (DR) och fiber-räckvidd (FR) kommit fram som specialiserade kategorier för moderna datacenter. DR täcker vanligtvis 500 meters länkar mellan servrar i spine-leaf-arkitekturer, medan FR ger standardiserade specifikationer som fungerar med olika fibertyper enligt IEEE 802.3-riktlinjer, vilket säkerställer kompatibilitet mellan utrustning från olika tillverkare.
