ตัวรับส่งสัญญาณแสงประเภทใดที่ช่วยให้การส่งข้อมูลมีความเร็วสูง?

หน้าที่หลักของตัวรับส่งสัญญาณแสงในเครือข่ายความเร็วสูง

การแปลงสัญญาณจากไฟฟ้าเป็นแสงและการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคัลทำหน้าที่เป็นตัวกลางระหว่างอุปกรณ์เครือข่ายแบบไฟฟ้ากับเส้นใยแก้วนำแสงบางเฉียบเหล่านั้น ชิ้นส่วนขนาดเล็กแต่ทรงพลังเหล่านี้รับสัญญาณไฟฟ้าแล้วแปลงให้กลายเป็นพัลส์แสงจริงผ่านไดโอดเลเซอร์ จากนั้นจึงดำเนินกระบวนการกลับด้านที่ปลายอีกด้านหนึ่ง โดยโฟโต้ดีเทกเตอร์จะรับแสงที่ส่งมาและแปลงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าอีกครั้ง ระบบสองทางนี้ทำให้เราสามารถส่งข้อมูลปริมาณมหาศาลผ่านเครือข่ายเส้นใยแก้วนำแสงได้ด้วยความเร็วที่น่าทึ่ง การรักษาความบริสุทธิ์และความสมบูรณ์ของสัญญาณจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง นี่คือเหตุผลที่ผู้ผลิตจึงอาศัยเทคนิคขั้นสูงต่าง ๆ เช่น การมอดูเลตแบบ PAM4 ร่วมกับโปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัล (DSP) เทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยต่อสู้กับปรากฏการณ์ต่าง ๆ อาทิ การกระจายของสัญญาณ (dispersion), การสูญเสียสัญญาณ (attenuation) และผลกระทบเชิงไม่เชิงเส้น (nonlinear effects) ที่อาจทำให้การส่งสัญญาณผิดพลาด แม้ในความเร็วสูงระดับ 400G และสูงกว่านั้น ระบบทั้งหลายนี้ยังคงสามารถควบคุมอัตราความผิดพลาดของบิต (bit error rate) ให้ต่ำจนเกือบไม่มีเลย ลองจินตนาการดูว่าศูนย์ข้อมูลและระบบปฏิบัติการปัญญาประดิษฐ์ (AI) ของเราจะเป็นอย่างไร หากปราศจากวิศวกรรมอิเล็กโทร-ออปติคัลที่แม่นยำเช่นนี้ — เราคงต้องคอยรออย่างไม่สิ้นสุดเพื่อให้การถ่ายโอนข้อมูลขนาดใหญ่เสร็จสิ้น

การโต้ตอบระหว่างความยาวคลื่น อัตราการส่งข้อมูล และระยะทางในการกำหนดประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพและความเป็นไปได้ในการติดตั้งตัวรับส่งสัญญาณนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักสามประการที่ทำงานร่วมกัน ได้แก่ ความยาวคลื่น อัตราการส่งข้อมูล และระยะทาง เมื่อเลือกความยาวคลื่น ความเข้ากันได้กับประเภทของเส้นใยแก้วนำแสงมีความสำคัญมาก สำหรับระยะทางสั้น ๆ มักใช้ความยาวคลื่น 850 นาโนเมตรร่วมกับเส้นใยแบบหลายโหมด (multimode fiber) ซึ่งสามารถรองรับการส่งข้อมูลระดับ 100G ได้ในระยะประมาณ 100 เมตร แต่สำหรับระยะทางไกลกว่านั้น วิศวกรจะหันไปใช้ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรร่วมกับเส้นใยแบบโหมดเดียว (single-mode fiber) ซึ่งสามารถส่งสัญญาณระดับ 400G ได้ไกลถึงประมาณ 2 กิโลเมตร เมื่ออัตราการส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นจาก 400G ไปจนถึง 800G จะไม่สามารถหลีกเลี่ยงการใช้เทคโนโลยีออปติกแบบโคฮีเรนต์ (coherent optics) หรือเทคนิคการส่งสัญญาณแบบ PAM4 ที่ซับซ้อนได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้มาพร้อมกับต้นทุนที่เพิ่มขึ้น ได้แก่ การใช้พลังงานที่สูงขึ้น และความไวต่อปัญหาต่าง ๆ บนเส้นทางการส่งสัญญาณที่มากขึ้น ปัจจัยด้านระยะทางก็กำหนดข้อจำกัดที่ค่อนข้างเข้มงวดเช่นกัน โดยส่วนใหญ่การเชื่อมต่อระยะ 80 กิโลเมตรจะรองรับได้สูงสุดที่ระดับ 200G เนื่องจากปัญหาการกระจายสี (chromatic dispersion) และระดับสัญญาณรบกวนที่ลดลง ในทางกลับกัน ลิงก์ระยะสั้น 10 กิโลเมตรสามารถรองรับความเร็วระดับ 800G ได้จริง หากมีการใช้วิธีการแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้า (Forward Error Correction: FEC) ที่เหมาะสม รวมทั้งการชดเชยด้วยการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (Digital Signal Processing: DSP) นักออกแบบเครือข่ายในโลกแห่งความเป็นจริงจึงต้องใช้เวลาจำนวนมากในการปรับสมดุลความต้องการที่ขัดแย้งกันเหล่านี้ เพื่อสร้างระบบที่สามารถขยายขนาดและปรับตัวให้สอดคล้องกับแนวโน้มของตลาดที่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา

ชิ้นส่วนสำคัญที่ขับเคลื่อนตัวรับ-ส่งสัญญาณแสงสมัยใหม่

ไดโอดเลเซอร์ โฟโต้ดีเทกเตอร์ และ DSP: ทำให้เกิดความเร็วและความแม่นยำ

ตัวรับส่งสัญญาณแสงในปัจจุบันขึ้นอยู่กับสามส่วนหลักที่ทำงานร่วมกัน ได้แก่ ไดโอดเลเซอร์ (laser diodes), โฟโตดีเทคเตอร์ (photodetectors) และโปรเซสเซอร์สัญญาณแบบดิจิทัล (Digital Signal Processors: DSPs) ที่มีความซับซ้อน ไดโอดเลเซอร์สร้างสัญญาณแสงที่มีเสถียรภาพและรวดเร็ว โดยทั่วไปใช้เทคโนโลยีแบบกระจายการตอบสนอง (distributed feedback) หรือโครงสร้างฟอโตนิกส์บนซิลิคอน (silicon photonics) รุ่นใหม่ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียสัญญาณให้น้อยที่สุดขณะส่งข้อมูลผ่านสายไฟเบอร์ออปติก เมื่อพิจารณาโฟโตดีเทคเตอร์ ส่วนใหญ่ระบบจะใช้ชนิด PIN หรือชนิดแอวลาแชนช์ (avalanche) เพื่อแปลงแสงที่เข้ามาให้กลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ชัดเจน โฟโตดีเทคเตอร์เหล่านี้จำเป็นต้องมีความไวสูงมากในขณะที่ควบคุมระดับสัญญาณรบกวน (noise) ให้ต่ำเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของข้อมูล จากนั้น DSPs จะปฏิบัติงานที่ซับซ้อนหลายประการอยู่เบื้องหลัง เช่น การปรับสมดุลสัญญาณแบบเรียลไทม์ (real-time equalization), การกู้คืนจังหวะเวลาของสัญญาณนาฬิกา (clock timing recovery) และการถอดรหัสการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบ FEC (FEC correction decoding) เพื่อแก้ไขปัญหาใดๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการส่งสัญญาณ องค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้ทำงานประสานกันอย่างลงตัว เพื่อบรรลุอัตราความผิดพลาดของบิต (bit error rate) ที่น่าทึ่งต่ำกว่า 1E-15 แม้ในระยะทางที่เกิน 100 กิโลเมตร และอย่าลืมข้อกำหนดด้านความหน่วงเชิงระบบที่แน่นอน (deterministic latency requirements) ซึ่งทำให้ระบบเหล่านี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อการดำเนินงานศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ระดับไฮเปอร์สเกล (hyperscale data centers) ในปัจจุบัน และการรองรับโครงสร้างพื้นฐานเครือข่าย 5G ที่กำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง

ความท้าทายด้านประสิทธิภาพที่ 400G+: การรักษาสมดุลระหว่างพลังงาน ความร้อน และแบนด์วิดธ์

การส่งผ่านข้อมูลเกินเกณฑ์ 400G จะก่อให้เกิดปัญหาอย่างรุนแรงทั้งในด้านความร้อนและการใช้พลังงาน ทุกครั้งที่อัตราการส่งข้อมูลเพิ่มเป็นสองเท่า ความต้องการพลังงานจะเพิ่มขึ้นประมาณ 60 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งส่งผลให้ความร้อนสะสมมากขึ้นภายในพอร์ตสวิตช์ที่จัดเรียงอย่างหนาแน่น หากปล่อยไว้โดยไม่มีการควบคุม ความร้อนส่วนเกินนี้จะทำให้สัญญาณบิดเบือน ทำให้ชิ้นส่วนเสื่อมสภาพเร็วขึ้น และในที่สุดลดความน่าเชื่อถือของระบบลง ขณะนี้อุตสาหกรรมได้พัฒนาแนวทางต่าง ๆ เพื่อจัดการกับปัญหาเหล่านี้ ผู้ผลิตบางรายนำระบบระบายความร้อนแบบไมโครแชนเนล (micro-channel heatsinks) มาผสานรวมไว้ในผลิตภัณฑ์ บางรายใช้ระบบจัดการพลังงานแบบปรับตัว (adaptive power management systems) ซึ่งสามารถลดการใช้พลังงานได้ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์เมื่อมีปริมาณการรับส่งข้อมูลน้อย นอกจากนี้ยังมีการนำไปใช้งานเทคโนโลยีโฟโตนิกส์บนซิลิคอน (silicon photonics) มากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งช่วยย่อระยะทางของการเชื่อมต่อแบบไฟฟ้าที่ยาวระหว่างองค์ประกอบต่าง ๆ ทำให้ลดการสูญเสียสัญญาณและลดการผลิตความร้อนลงด้วย ด้านวัสดุก็มีความก้าวหน้าเช่นกัน เลเซอร์ที่ผลิตจากอินเดียมฟอสไฟด์ (indium phosphide) มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสง (wall plug efficiency) ดีกว่าทางเลือกดั้งเดิม ความก้าวหน้าทั้งหมดนี้หมายความว่าทรานซีเวอร์สมัยใหม่สามารถรองรับกำลังไฟได้สูงสุดถึง 400 วัตต์ต่อแร็กยูนิต (rack unit) พร้อมรักษาอุณหภูมิภายในให้ต่ำกว่า 50 องศาเซลเซียส ซึ่งสอดคล้องตามมาตรฐานความร้อนที่กำหนดโดย IEEE และ OIF สำหรับการปฏิบัติงานความเร็วสูงอย่างต่อเนื่อง

รูปแบบและมาตรฐาน: การจับคู่ตัวรับส่งสัญญาณแสงให้สอดคล้องกับความต้องการของโครงสร้างพื้นฐาน

การเลือกรูปแบบที่เหมาะสมจะช่วยให้ได้ความหนาแน่นของพอร์ตที่ดีที่สุด การจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ และความสามารถในการทำงานร่วมกัน (interoperability) ทั่วทั้งโครงสร้างพื้นฐานที่กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง มาตรฐานเชิงกลและเชิงไฟฟ้า—ตั้งแต่ SFP ไปจนถึง QSFP-DD—ทำให้สามารถใช้งานร่วมกันได้ทันที (plug-and-play compatibility) ขณะเดียวกันก็รองรับการอัปเกรดแบนด์วิดท์แบบค่อยเป็นค่อยไปโดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนระบบโดยสมบูรณ์

SFP, QSFP, OSFP และ QSFP-DD — การเพิ่มความหนาแน่นและความเร็วจาก 1G ถึง 800G

โมดูล SFP เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการส่งข้อมูลที่ความเร็วตั้งแต่ 1G ถึง 10G ในรูปแบบขนาดกะทัดรัด ซึ่งใช้งานได้ดีในเครือข่ายขอบ (edge networking) และจุดเข้าถึง (access points) ที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ ต่อมาคือเวอร์ชัน QSFP ซึ่งรวมช่องสัญญาณ (lanes) จำนวนสี่ช่องเข้าด้วยกัน ทำให้สามารถรองรับความเร็วสูงสุดถึง 100G ได้อย่างเหมาะสมในสวิตช์ที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งพบได้ทั่วไปในศูนย์ข้อมูลคลาวด์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ เมื่อมองไปข้างหน้าสู่เทคโนโลยีรุ่นต่อไป ทั้งรูปแบบ OSFP และ QSFP-DD สามารถรองรับความต้องการแบนด์วิดท์มหาศาลระดับ 400G ไปจนถึง 800G ได้ เนื่องจากสถาปัตยกรรมแบบแปดช่องสัญญาณ (eight-lane architecture) พร้อมด้วยวิธีการจัดการความร้อนที่ดีกว่าเดิม ทั้งสองรูปแบบการออกแบบใหม่นี้ยังเพิ่มจำนวนพอร์ตต่อหน่วยแร็ก (rack unit) เป็นสองเท่า เมื่อเปรียบเทียบกับมาตรฐาน QSFP28 รุ่นเก่า ตามผลการวิจัยล่าสุดที่งาน OFC 2023 การพัฒนาดังกล่าวสามารถลดการใช้พลังงานต่อจิกะบิตลงได้ประมาณ 30% ซึ่งทำให้บริษัทต่างๆ สามารถอัปเกรดโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ซึ่งใช้ความเร็ว 100G ไปสู่ระบบขั้นสูงระดับ 800G ได้ง่ายขึ้นอย่างมาก โดยระบบนี้ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อรองรับภาระงานด้านปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence) และการเรียนรู้ของเครื่อง (Machine Learning)

SR, LR, ER, ZR, DR, FR: การถอดรหัสมาตรฐานระยะการเข้าถึงสำหรับการใช้งานจริง

การจัดหมวดหมู่ระยะการส่งสัญญาณ (Reach Classifications) ช่วยกำหนดสิ่งที่เราสามารถคาดหวังได้จากไฟเบอร์ชนิดต่าง ๆ ที่ระยะทางที่แตกต่างกัน ระยะสั้น (Short Reach หรือ SR) เหมาะสำหรับการใช้งานที่ระยะทางไม่เกิน 300 เมตร โดยใช้ไฟเบอร์แบบมัลติโหมด (multimode fiber) ซึ่งมักพบในการเชื่อมอุปกรณ์ภายในแร็กเดียวกัน หรือระหว่างอาคารในมหาวิทยาลัย/แคมปัส ระยะไกล (Long Reach หรือ LR) สามารถส่งสัญญาณได้ไกลขึ้นถึง 10 กิโลเมตรผ่านไฟเบอร์แบบซิงเกิลโหมด (single-mode fiber) จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงข่ายเครือข่ายระดับเมือง ระยะไกลพิเศษ (Extended Reach หรือ ER) ขยายระยะการส่งสัญญาณออกไปอีกจนถึงประมาณ 40 กิโลเมตร ในขณะที่ระยะไกลมาก (Long Haul หรือ ZR) สามารถส่งสัญญาณได้ไกลสุดถึง 80 กิโลเมตร การส่งสัญญาณที่ระยะทางยาวขึ้นเหล่านี้จำเป็นต้องใช้เลเซอร์ที่มีกำลังสูงกว่าและเทคนิคการแก้ไขข้อผิดพลาดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น เพื่อให้ทำงานได้อย่างเหมาะสมในโครงข่ายหลัก (backbone networks) และสายเคเบิลใต้ทะเล (undersea cables) เมื่อไม่นานมานี้ ยังมีการเปิดตัวหมวดหมู่เฉพาะสำหรับศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่เพิ่มเติม ได้แก่ Data Center Reach (DR) และ Fiber Reach (FR) โดย DR มักใช้สำหรับลิงก์ระยะ 500 เมตรระหว่างเซิร์ฟเวอร์ในสถาปัตยกรรม spine-leaf ส่วน FR ให้ข้อกำหนดมาตรฐานที่สามารถใช้งานร่วมกันได้กับไฟเบอร์ชนิดต่าง ๆ ตามแนวทางของ IEEE 802.3 เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์จากผู้ผลิตต่างรายจะสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างเข้ากันได้