"شبکه" برای اکثر مردم معاصر به یک "ضرورت" تبدیل شده است.
دلیل اینکه چنین عصر شبکه مناسبی می تواند فرا برسد، می توان گفت که "فناوری ارتباطات فیبر نوری" ضروری است.
در سال 1966، سورگوم چینی بریتانیایی مفهوم فیبر نوری را پیشنهاد کرد، که اوج توسعه ارتباطات فیبر نوری در سراسر جهان را شعله ور ساخت. اولین نسل از سیستم های امواج نوری که در 0.8 میکرومتر در سال 1978 کار می کردند، رسماً مورد استفاده تجاری قرار گرفتند و نسل دوم امواج نوری. سیستم های ارتباطی با استفاده از فیبر چند حالته در روزهای اولیه به سرعت در اوایل دهه 1980 معرفی شدند. در سال 1990، سیستم امواج نوری نسل سوم که با سرعت 2.4 گیگابیت بر ثانیه و 1.55 میکرومتر کار می کرد، قادر به ارائه خدمات ارتباطی تجاری بود.
سورگوم "پدر فیبر" که سهم بزرگی در "انتقال نور در فیبر برای ارتباطات نوری" داشت، در سال 2009 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.
ارتباطات فیبر نوری در حال حاضر به یکی از ارکان اصلی ارتباطات مدرن تبدیل شده است که نقشی محوری در شبکه های مخابراتی مدرن ایفا می کند. همچنین به عنوان نماد مهم انقلاب فناوری جدید جهان و ابزار اصلی انتقال اطلاعات در جامعه اطلاعاتی آینده دیده می شود.
در سال های اخیر، بازار برنامه های کاربردی داده های بزرگ، رایانش ابری، 5G، اینترنت اشیا و هوش مصنوعی به سرعت توسعه یافته است. بازار برنامه های بدون سرنشین که در راه است، رشد انفجاری را برای ترافیک داده به ارمغان می آورد. اتصال به مرکز داده به تدریج به تحقیقات ارتباطات نوری تبدیل شده است. نقطه داغ
داخل مرکز داده بزرگ گوگل
مرکز داده فعلی دیگر تنها یک یا چند اتاق کامپیوتر نیست، بلکه مجموعه ای از خوشه های مرکز داده است. برای دستیابی به کار عادی خدمات مختلف اینترنتی و بازارهای کاربردی، مراکز داده باید با هم کار کنند. در زمان واقعی. و تعامل گسترده اطلاعات بین مراکز داده، تقاضا برای شبکه های ارتباطی مرکز داده را ایجاد کرده است و ارتباطات فیبر نوری به وسیله ای ضروری برای دستیابی به اتصال تبدیل شده است.
برخلاف تجهیزات سنتی انتقال شبکه دسترسی مخابراتی، اتصال به مرکز داده نیاز به دستیابی به اطلاعات بیشتر و انتقال متراکم بیشتری دارد، که نیازمند تجهیزات سوئیچینگ برای داشتن سرعت بالاتر، مصرف انرژی کمتر و کوچک‌سازی بیشتر است. یکی از عوامل اصلی که تعیین می‌کند آیا این قابلیت‌ها می‌توانند ماژول گیرنده نوری به دست آمده است.
برخی از دانش اولیه در مورد ماژول های فرستنده گیرنده نوری
شبکه اطلاعات عمدتاً از فیبر نوری به عنوان رسانه انتقال استفاده می کند، اما محاسبه و تجزیه و تحلیل فعلی نیز باید بر اساس سیگنال های الکتریکی باشد و ماژول گیرنده نوری دستگاه اصلی برای تحقق تبدیل فوتوالکتریک است.
اجزای اصلی ماژول نوری عبارتند از Transimitter (زیر ماژول ساطع نور) / گیرنده (زیر ماژول دریافت نور) یا گیرنده (ماژول گیرنده نوری)، تراشه الکتریکی، و همچنین شامل اجزای غیرفعال مانند لنزها، اسپلیترها و ترکیب کننده ها می باشد. ترکیب مدار محیطی
در انتهای فرستنده: سیگنال الکتریکی توسط Transimitter به سیگنال نوری تبدیل می شود و سپس توسط آداپتور نوری به فیبر نوری وارد می شود؛ در انتهای گیرنده: سیگنال نوری در فیبر نوری توسط گیرنده از طریق آداپتور نوری دریافت می شود. و به سیگنال الکتریکی تبدیل شده و برای پردازش به واحد محاسبات ارسال می شود.
شماتیک ماژول فرستنده گیرنده نوری
با توسعه فناوری یکپارچه سازی نوری، شکل بسته بندی ماژول فرستنده گیرنده نوری نیز دستخوش تغییراتی شده است. قبل از اینکه صنعت ماژول های نوری شکل بگیرد، در روزهای اولیه توسط سازندگان عمده تجهیزات مخابراتی توسعه یافت. رابط ها متنوع بودند و نمی توانستند به طور جهانی مورد استفاده قرار گیرند. این امر باعث شد که ماژول‌های گیرنده نوری قابل تعویض نباشند. برای توسعه صنعت، "توافقنامه چند منبع (MSA)" نهایی به وجود آمد. با استاندارد MSA، شرکت هایی که به طور مستقل بر روی توسعه فرستنده گیرنده تمرکز داشتند شروع به ظهور کردند و صنعت رشد کرد.
ماژول گیرنده نوری را می توان با توجه به فرم بسته به SFP، XFP، QSFP، CFP و غیره تقسیم کرد:
· SFP (Small Form-factor Pluggable) یک استاندارد ماژول فرستنده گیرنده جمع و جور و قابل اتصال برای برنامه های مخابراتی و دیتاکام است که از نرخ انتقال حداکثر 10 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می کند.
XFP (10 گیگابیتی Small Form Factor Pluggable) یک ماژول فرستنده گیرنده قابل اتصال با فرمت کوچک با نرخ 10G است که از پروتکل های ارتباطی متعدد مانند اترنت 10G، کانال فیبر 10G و فرستنده گیرنده های SONETOC-192.XFP پشتیبانی می کند که می توانند در ارتباطات داده استفاده شوند و بازارهای مخابراتی و ویژگی های مصرف برق بهتری نسبت به سایر فرستنده های 10 گیگابیت بر ثانیه ارائه می دهند.
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) یک استاندارد فرستنده گیرنده جمع و جور و قابل اتصال برای برنامه های ارتباط داده با سرعت بالا است. با توجه به سرعت، QSFP را می توان به ماژول های نوری 4×1G QSFP، 4×10GQSFP+، 4×25G QSFP28 تقسیم کرد. در حال حاضر QSFP28 به طور گسترده در مراکز داده جهانی استفاده می شود.
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) بر اساس یک ماژول ارتباطی تقسیم نوری متراکم استاندارد شده با نرخ انتقال 100-400 گیگابیت بر ثانیه است. اندازه ماژول CFP بزرگتر از اندازه SFP/XFP/QSFP است و عموماً برای انتقال از راه دور مانند شبکه های شهری استفاده می شود.
ماژول گیرنده نوری برای ارتباطات مرکز داده
ارتباطات مرکز داده را می توان با توجه به نوع اتصال به سه دسته تقسیم کرد:
(1) مرکز داده برای کاربر توسط رفتار کاربر نهایی مانند مرور صفحه وب، ارسال و دریافت ایمیل ها و جریان های ویدئویی با دسترسی به ابر ایجاد می شود.
(2) اتصال به مرکز داده، عمدتاً برای تکثیر داده ها، نرم افزار و ارتقاء سیستم استفاده می شود.
(3) در داخل مرکز داده، عمدتا برای ذخیره سازی اطلاعات، تولید و استخراج استفاده می شود. بر اساس پیش بینی سیسکو، ارتباطات داخلی مرکز داده بیش از 70 درصد از ارتباطات مرکز داده را تشکیل می دهد و توسعه ساخت مرکز داده باعث توسعه ماژول های نوری پرسرعت شده است.
ترافیک داده همچنان به رشد خود ادامه می دهد و روند گسترده و هموار مرکز داده توسعه ماژول های نوری را از دو جنبه هدایت می کند:
· افزایش الزامات نرخ انتقال
· افزایش تقاضای کمیت
در حال حاضر، نیازمندی‌های ماژول‌های نوری مرکز داده جهانی از ماژول‌های نوری 10/40G به ماژول‌های نوری 100G تغییر یافته است. ارتقای ابری علی‌بابا چین اولین سال استفاده گسترده از ماژول‌های نوری 100G در سال 2018 خواهد بود. انتظار می‌رود این ماژول ارتقا یابد. ماژول های نوری 400G در سال 2019.
مسیر تکامل ماژول ابر علی
روند مراکز داده در مقیاس بزرگ منجر به افزایش نیازهای فاصله انتقال شده است. فاصله انتقال فیبرهای چند حالته با افزایش نرخ سیگنال محدود می شود و انتظار می رود که به تدریج با فیبرهای تک حالته جایگزین شود. هزینه پیوند فیبر از دو بخش تشکیل شده است: ماژول نوری و فیبر نوری. برای فواصل مختلف، راه‌حل‌های قابل اجرا متفاوتی وجود دارد. برای اتصال بین فاصله متوسط و بلند مورد نیاز برای ارتباطات مرکز داده، دو راه‌حل انقلابی از MSA وجود دارد:
· PSM4 (حالت موازی تک حالت 4 خط)
· CWDM4 (خط 4 مولتی پلکسر تقسیم طول موج درشت)
در میان آنها، استفاده از فیبر PSM4 چهار برابر CWDM4 است. هنگامی که فاصله پیوند طولانی است، هزینه راه حل CWDM4 نسبتا کم است. از جدول زیر، می‌توانیم مقایسه راه‌حل‌های ماژول نوری مرکز داده 100G را مشاهده کنیم:
امروزه فناوری پیاده‌سازی ماژول‌های نوری 400G به کانون توجه صنعت تبدیل شده است. عملکرد اصلی ماژول نوری 400G بهبود توان عملیاتی داده و به حداکثر رساندن پهنای باند و تراکم پورت مرکز داده است. روند آینده آن دستیابی به گسترده است. افزایش، نویز کم، کوچک سازی و یکپارچه سازی، برای رفع نیازهای نسل بعدی شبکه های بی سیم و برنامه های ارتباطی مراکز داده در مقیاس بزرگ.
ماژول نوری اولیه 400G از روش مدولاسیون سیگنال 25G NRZ 16 کاناله (Non-Returnto Zero) در بسته CFP8 استفاده می کرد. مزیت آن این است که فناوری مدولاسیون سیگنال 25G NRZ بالغ بر روی ماژول نوری 100G را می توان قرض گرفت، اما نقطه ضعف آن این است که که 16 سیگنال باید به صورت موازی ارسال شوند، و مصرف انرژی و حجم نسبتاً زیاد است، که برای برنامه های مرکز داده مناسب نیست. در ماژول نوری 400G فعلی، 8 کانال 53G NRZ یا 4 کانال 106G PAM4 (4 پالس) مدولاسیون دامنه) مدولاسیون سیگنال عمدتاً برای تحقق انتقال سیگنال 400G استفاده می شود.
از نظر بسته بندی ماژول، از OSFP یا QSFP-DD استفاده می شود و هر دو بسته می توانند 8 رابط سیگنال الکتریکی ارائه دهند. در مقایسه، بسته QSFP-DD از نظر اندازه کوچکتر است و برای برنامه های مرکز داده مناسب تر است. بسته OSFP کمی بزرگتر است و انرژی بیشتری مصرف می کند و آن را برای برنامه های مخابراتی مناسب تر می کند.
قدرت "هسته" ماژول های نوری 100G/400G را تجزیه و تحلیل کنید
اجرای ماژول های نوری 100G و 400G را به اختصار معرفی کرده ایم. موارد زیر را می توان در نمودارهای شماتیک محلول 100G CWDM4، محلول 400G CWDM8 و محلول 400G CWDM4 مشاهده کرد:
شماتیک 100G CWDM4
شماتیک 400G CWDM8
شماتیک 400G CWDM4
در ماژول نوری، کلید تحقق تبدیل سیگنال فوتوالکتریک، آشکارساز نور است. برای اینکه در نهایت این برنامه ها را برآورده کنید، چه نوع نیازهایی را باید از "هسته" برآورده کنید؟
راه‌حل 100G CWDM4 به پیاده‌سازی 4λx25GbE، راه‌حل 400G CWDM8 به پیاده‌سازی 8λx50GbE، و راه‌حل 400G CWDM4 به پیاده‌سازی 4λx100GbE نیاز دارد. مطابق با روش مدولاسیون، نرخ مدولاسیون 100G CWDM0G4 و 4 از دستگاه‌های 25 گیگابیت و 53 گیگابیت. طرح 400G CWDM4 از طرح مدولاسیون PAM4 استفاده می‌کند، که همچنین به دستگاه باید نرخ مدولاسیون 53 گیگابیت یا بیشتر داشته باشد.
نرخ مدولاسیون دستگاه با پهنای باند دستگاه مطابقت دارد. برای یک ماژول نوری 100G باند 1310 نانومتری، یک آشکارساز یا آرایه آشکارساز InGaAs با پهنای باند 25 گیگاهرتز کافی است.