"רשת" הפכה ל"הכרח" עבור רוב האנשים העכשוויים.
הסיבה לכך שעידן רשת כל כך נוח יכול להגיע, ניתן לומר ש"טכנולוגיית תקשורת סיבים אופטית" היא הכרחית.
בשנת 1966, הסורגום הסיני הבריטי הציע את הרעיון של סיבים אופטיים, שהצית את השיא של פיתוח תקשורת סיבים אופטיים ברחבי העולם. הדור הראשון של מערכות גל אור הפועלות ב-0.8 מיקרומטר ב-1978 הוכנס רשמית לשימוש מסחרי, והדור השני של גל אור. מערכות תקשורת המשתמשות בסיבים מולטי-מודים בימים הראשונים הוצגו במהירות בתחילת שנות ה-80. עד שנת 1990, מערכת הגלים האופטיים מהדור השלישי הפועלת במהירות של 2.4 ג'יגה-ביט לשנייה ו-1.55 מיקרומטר הצליחה לספק שירותי תקשורת מסחריים.
סורגום "אבי הסיבים", שתרם תרומה פורצת דרך ל"העברת האור בסיבים לתקשורת אופטית", זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2009.
תקשורת סיבים אופטיים הפכה כעת לאחד מעמודי התווך העיקריים של התקשורת המודרנית, וממלאת תפקיד מרכזי ברשתות תקשורת מודרניות. הוא נתפס גם כסמל חשוב למהפכה הטכנולוגית החדשה בעולם וכאמצעי העברת המידע העיקרי בחברת המידע העתידית.
בשנים האחרונות התפתח במהירות שוק האפליקציות של ביג דאטה, מחשוב ענן, 5G, האינטרנט של הדברים ובינה מלאכותית. שוק היישומים הבלתי מאוישים שמגיע מביא צמיחה נפיצה לתעבורת הנתונים. חיבור בין מרכזי נתונים התפתח בהדרגה למחקר תקשורת אופטית. נקודה חמה.
בתוך מרכז הנתונים הגדול של גוגל
מרכז הנתונים הנוכחי אינו עוד רק חדר מחשב בודד או כמה חדרי מחשבים, אלא קבוצה של אשכולות מרכזי נתונים. על מנת להשיג את העבודה הרגילה של שירותי אינטרנט ושוקי יישומים שונים, מרכזי נתונים צריכים לעבוד יחד. ואינטראקציה מסיבית של מידע בין מרכזי נתונים יצרה את הביקוש לרשתות חיבור בין מרכזי נתונים, ותקשורת סיבים אופטיים הפכה לאמצעי הכרחי להשגת חיבור הדדי.
בניגוד לציוד השידור המסורתי של רשתות גישה לטלקום, חיבור בין מרכזי נתונים צריך להשיג מידע רב יותר ושידור צפוף יותר, מה שמצריך העברת ציוד למהירות גבוהה יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר ויותר מזעור. אחד מגורמי הליבה שקובעים אם יכולות אלו יכולות להיות הושג מודול מקלט משדר אופטי.
קצת ידע בסיסי על מודולי משדר אופטי
רשת המידע משתמשת בעיקר בסיבים אופטיים כאמצעי השידור, אך החישוב והניתוח הנוכחי חייבים להתבסס גם על אותות חשמליים, ומודול המקלט האופטי הוא מכשיר הליבה למימוש המרה פוטו-אלקטרית.
מרכיבי הליבה של המודול האופטי הם משדר (תת-מודול פולט אור)/מקלט (תת-מודול קליטת אור) או משדר (מודול משדר אופטי), שבב חשמלי, וכוללים גם רכיבים פסיביים כגון עדשות, מפצלים ומשלבים. הרכב מעגל היקפי.
בקצה המשדר: האות החשמלי מומר לאות אופטי על ידי Transimitter, ולאחר מכן קלט לסיב האופטי על ידי המתאם האופטי; בקצה המקבל: האות האופטי בסיב האופטי מתקבל על ידי המקלט דרך המתאם האופטי והומר לאות חשמלי ונשלח ליחידת המחשוב לעיבוד.
סכימה של מודול משדר אופטי
עם התפתחות טכנולוגיית האינטגרציה האופטו-אלקטרונית, צורת האריזה של מודול מקלט המשדר האופטי עברה גם כמה שינויים. לפני שתעשיית המודולים האופטיים נוצרה, היא פותחה על ידי יצרני ציוד הטלקום הגדולים בימים הראשונים. הממשקים היו מגוונים ולא ניתן היה להשתמש בהם באופן אוניברסלי. זה הפך את המודולים של מקלטי המשדר האופטי לא ניתנים להחלפה. למען פיתוח התעשייה, נוצר "הסכם ריבוי מקורות (MSA)" הסופי. עם תקן MSA החלו לצוץ חברות שהתמקדו באופן עצמאי בפיתוח Transceiver, והתעשייה עלתה.
ניתן לחלק את מודול מקלט המשדר האופטי ל-SFP, XFP, QSFP, CFP וכו' לפי טופס החבילה:
· SFP (Small Form-factor Pluggable) הוא תקן מודול משדר קומפקטי הניתן לחיבור עבור יישומי טלקום ונתונים התומך בקצבי העברה של עד 10Gbps.
ה-XFP (ניתן לחיבור של 10 ג'יגה-ביט Small Form Factor) הוא מודול מקלט-משדר קטן בעל דרגת 10G-נתון, התומך במספר פרוטוקולי תקשורת כגון 10G Ethernet, 10G Fibre Channel ו-SONETOC-192.XFP-משדרים שניתן להשתמש בהם בתקשורת נתונים ו שווקי תקשורת ומציעים מאפייני צריכת חשמל טובים יותר מאשר מקלטי משדר אחרים של 10Gbps.
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) הוא תקן משדר קומפקטי הניתן לחיבור עבור יישומי תקשורת נתונים במהירות גבוהה. על פי המהירות, ניתן לחלק את ה-QSFP למודולים אופטיים 4×1G QSFP, 4×10GQSFP+, 4×25G QSFP28. נכון לעכשיו, נעשה שימוש נרחב ב-QSFP28 במרכזי נתונים גלובליים.
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) מבוסס על מודול תקשורת פיצול אופטי צפוף גלים סטנדרטי עם קצב שידור של 100-400 Gbps. הגודל של מודול ה-CFP גדול יותר מזה של ה-SFP/XFP/QSFP, והוא משמש בדרך כלל לשידור למרחקים ארוכים כגון רשת מטרופולין.
מודול משדר אופטי לתקשורת במרכז נתונים
ניתן לחלק את התקשורת במרכז הנתונים לשלוש קטגוריות בהתאם לסוג החיבור:
(1) מרכז הנתונים למשתמש נוצר על ידי התנהגות משתמש הקצה כגון גלישה בדף האינטרנט, שליחת וקבלה של מיילים וזרמי וידאו על ידי גישה לענן;
(2) חיבור בין מרכזי נתונים, המשמש בעיקר לשכפול נתונים, שדרוגי תוכנה ומערכות;
(3) בתוך מרכז הנתונים הוא משמש בעיקר לאחסון מידע, ייצור וכרייה. לפי התחזית של סיסקו, התקשורת הפנימית במרכזי הנתונים מהווה יותר מ-70% מהתקשורת במרכזי הנתונים, ופיתוח בניית מרכזי הנתונים הוליד פיתוח של מודולים אופטיים במהירות גבוהה.
תעבורת הנתונים ממשיכה לגדול, והמגמה בקנה מידה גדול והשטחה של מרכז הנתונים מניעה את הפיתוח של מודולים אופטיים בשני היבטים:
· דרישות קצב שידור מוגברות
· עלייה בביקוש לכמות
נכון לעכשיו, הדרישות של מודולים אופטיים של מרכז נתונים גלובלי השתנו ממודולים אופטיים של 10/40G למודולים אופטיים של 100G. קידום הענן Alibaba של סין יהפוך לשנה הראשונה של יישום בקנה מידה גדול של מודולים אופטיים 100G בשנת 2018. הוא צפוי להשתדרג. מודולים אופטיים של 400G בשנת 2019.
נתיב האבולוציה של מודול הענן עלי
המגמה של מרכזי נתונים בקנה מידה גדול הובילה לעלייה בדרישות מרחק השידור. מרחק השידור של סיבים מולטי-מודים מוגבל על ידי העלייה בקצב האות וצפוי להיות מוחלף בהדרגה בסיבים חד-מודים. עלות קישור הסיבים מורכבת משני חלקים: המודול האופטי והסיב האופטי. למרחקים שונים, ישנם פתרונות ישימים שונים. עבור החיבור למרחקים בינוניים עד ארוכים הנדרשים לתקשורת במרכז הנתונים, ישנם שני פתרונות מהפכניים שנולדו מ-MSA:
· PSM4 （מצב יחיד מקביל 4 נתיבים）
· CWDM4 （מרבבי חלוקת אורך גל גס 4 נתיבים）
ביניהם, השימוש בסיבים PSM4 הוא פי ארבעה מזה של CWDM4. כאשר מרחק הקישור ארוך, עלות פתרון CWDM4 נמוכה יחסית. מהטבלה שלהלן, אנו יכולים לראות השוואה בין פתרונות המודול האופטי של מרכז הנתונים 100G:
כיום, טכנולוגיית ההטמעה של מודולים אופטיים 400G הפכה למוקד התעשייה. תפקידו העיקרי של המודול האופטי 400G הוא לשפר את תפוקת הנתונים ולמקסם את רוחב הפס וצפיפות היציאה של מרכז הנתונים. המגמה העתידית שלו היא להשיג רחב רווח, רעש נמוך, מזעור ואינטגרציה, כדי לענות על הצרכים של הדור הבא של רשתות אלחוטיות ויישומי תקשורת מרכזי נתונים בקנה מידה גדול במיוחד.
המודול האופטי המוקדם של 400G השתמש בשיטת אפנון אות 16 ערוצים 25G NRZ (Non-Returnto Zero) בחבילת CFP8. היתרון הוא שניתן לשאול את טכנולוגיית אפנון האות NRZ 25G שהבשילה על המודול האופטי 100G, אך החיסרון הוא שצריך להעביר 16 אותות במקביל, וצריכת החשמל והנפח גדולים יחסית, מה שלא מתאים ליישומי מרכז נתונים. במודול האופטי הנוכחי של 400G, 8 ערוצים 53G NRZ או 4 ערוצים 106G PAM4 (4 Pulse אפנון האותות (Amplitude Modulation) משמש בעיקר למימוש העברת אות 400G.
במונחים של אריזת מודול, נעשה שימוש ב-OSFP או QSFP-DD, ושתי החבילות יכולות לספק 8 ממשקי אותות חשמליים. לשם השוואה, חבילת QSFP-DD קטנה יותר בגודלה ומתאימה יותר ליישומי מרכז נתונים; חבילת OSFP מעט גדולה יותר בגודלה וצורכת יותר חשמל, מה שהופך אותה למתאים יותר ליישומי טלקום.
נתח את כוח "הליבה" של מודולים אופטיים של 100G/400G
הצגנו בקצרה את היישום של מודולים אופטיים של 100G ו-400G. ניתן לראות את הדברים הבאים בדיאגרמות הסכמטיות של פתרון 100G CWDM4, פתרון 400G CWDM8 ופתרון 400G CWDM4:
סכימה של 100G CWDM4
סכימה של 400G CWDM8
סכימה של 400G CWDM4
במודול האופטי, המפתח למימוש המרת האות הפוטואלקטרי הוא הפוטו-גלאי. על מנת לעמוד סוף סוף בתוכניות הללו, איזה סוג של צרכים אתה צריך לענות מה"ליבה"?
פתרון 100G CWDM4 דורש הטמעה של 4λx25GbE, פתרון 400G CWDM8 דורש הטמעת 8λx50GbE, ופתרון 400G CWDM4 דורש הטמעה של 4λx100GbE. בהתאם לשיטת האפנון, שיטת האפנון 100G ו-DM4 מכבדת את שיטת ה-CWDM0 קצב האפנון של התקני 25Gbd ו-53Gbd. סכימת 400G CWDM4 מאמצת את סכימת האפנון PAM4, המחייבת גם את ההתקן לקצב אפנון של 53Gbd או יותר.
קצב אפנון המכשיר מתאים לרוחב הפס של המכשיר. עבור מודול אופטי בפס 1310nm 100G, גלאי InGaAs או מערך גלאים ברוחב פס של 25GHz מספיקים.