»Omrežje« je za večino sodobnih ljudi postalo »nuja«.
Razlog, zakaj lahko pride tako priročna omrežna doba, je "optična komunikacijska tehnologija" nepogrešljiva.
Leta 1966 je britanski kitajski sirek predlagal koncept optičnih vlaken, ki je zanetil vrhunec razvoja komunikacije z optičnimi vlakni po vsem svetu. Prva generacija sistemov svetlobnih valov, ki delujejo pri 0,8 μm, je bila leta 1978 uradno dana v komercialno uporabo, druga generacija svetlobnih komunikacijski sistemi, ki so v zgodnjih dneh uporabljali večmodna vlakna, so bili hitro uvedeni v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Do leta 1990 je sistem optičnih valov tretje generacije, ki deluje pri 2,4 Gb/s in 1,55 μm, lahko zagotavljal komercialne komunikacijske storitve.
»Oče vlaken« sirek, ki je naredil prelomni prispevek k »prenosu svetlobe v vlaknih za optično komunikacijo«, je leta 2009 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.
Komunikacija z optičnimi vlakni je zdaj postala eden glavnih stebrov sodobne komunikacije in igra ključno vlogo v sodobnih telekomunikacijskih omrežjih. Velja tudi za pomemben simbol nove svetovne tehnološke revolucije in glavno sredstvo prenosa informacij v prihodnji informacijski družbi.
V zadnjih letih se je trg aplikacij velikih podatkov, računalništva v oblaku, 5G, interneta stvari in umetne inteligence hitro razvil. Trg aplikacij brez posadke, ki prihaja, prinaša eksplozivno rast podatkovnega prometa. Medsebojno povezovanje podatkovnih centrov se je postopoma razvilo v raziskave optičnih komunikacij. vroča točka.
Znotraj Googlovega velikega podatkovnega centra
Trenutni podatkovni center ni več le ena ali nekaj računalniških sob, temveč niz gruč podatkovnih centrov. Da bi dosegli normalno delovanje različnih internetnih storitev in trgov aplikacij, morajo podatkovni centri delovati skupaj. V realnem času in množična interakcija informacij med podatkovnimi centri je ustvarila povpraševanje po omrežjih za medsebojno povezovanje podatkovnih centrov, komunikacija z optičnimi vlakni pa je postala nujno sredstvo za doseganje medsebojnega povezovanja.
Za razliko od tradicionalne opreme za prenos telekomunikacijskega dostopnega omrežja mora medsebojno povezovanje podatkovnih centrov doseči več informacij in gostejši prenos, kar zahteva, da ima preklopna oprema večjo hitrost, nižjo porabo energije in večjo miniaturizacijo. Eden od ključnih dejavnikov, ki določajo, ali so te zmogljivosti lahko dosežen je optični sprejemno-sprejemni modul.
Nekaj osnovnega znanja o modulih optičnih oddajnikov
Informacijsko omrežje v glavnem uporablja optična vlakna kot prenosni medij, vendar mora trenutni izračun in analiza temeljiti tudi na električnih signalih, optični sprejemno-sprejemni modul pa je osnovna naprava za uresničitev fotoelektrične pretvorbe.
Glavne komponente optičnega modula so oddajnik (podmodul za oddajanje svetlobe)/sprejemnik (podmodul za sprejem svetlobe) ali oddajnik (modul za optični oddajnik), električni čip, vključujejo pa tudi pasivne komponente, kot so leče, razdelilniki in združevalniki. Sestava perifernega vezja.
Na oddajnem koncu: električni signal pretvori Transimitter v optični signal, nato pa ga optični adapter vnese v optično vlakno; Na sprejemnem koncu: optični signal v optičnem vlaknu sprejme sprejemnik prek optičnega adapterja. in pretvori v električni signal ter pošlje računalniški enoti v obdelavo.
Shema modula optičnega oddajnika
Z razvojem tehnologije optoelektronske integracije je bila tudi oblika pakiranja optičnega oddajno-sprejemnega modula deležna nekaterih sprememb. Preden se je oblikovala industrija optičnih modulov, so jo v zgodnjih dneh razvili glavni proizvajalci telekomunikacijske opreme. Vmesniki so bili raznoliki in jih ni bilo mogoče univerzalno uporabljati. Zaradi tega optični oddajno-sprejemni moduli niso zamenljivi. Za razvoj industrije je nastal končni »Multi Source Agreement (MSA)«. S standardom MSA so se začela pojavljati podjetja, ki so se neodvisno osredotočila na razvoj transiverja, in industrija se je dvignila.
Modul optičnega oddajnika je mogoče razdeliti na SFP, XFP, QSFP, CFP itd. Glede na obliko paketa:
· SFP (Small Form-factor Pluggable) je kompakten standard sprejemno-sprejemnega modula, ki ga je mogoče priključiti, za telekomunikacijske in podatkovne aplikacije, ki podpira hitrosti prenosa do 10 Gbps.
XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) je vtični modul sprejemnika in oddajnika s hitrostjo 10 G s faktorjem majhne oblike, ki podpira več komunikacijskih protokolov, kot so 10G Ethernet, 10G Fibre Channel in SONETOC-192. Oddajno-sprejemne naprave XFP se lahko uporabljajo v podatkovnih komunikacijah in telekomunikacijskih trgih in ponujajo boljše karakteristike porabe energije kot drugi sprejemniki in oddajniki 10 Gbps.
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) je kompakten vtični standard sprejemnika in oddajnika za aplikacije visoke hitrosti podatkovne komunikacije. Glede na hitrost lahko QSFP razdelimo na optične module 4×1G QSFP, 4×10GQSFP+, 4×25G QSFP28. Trenutno se QSFP28 pogosto uporablja v globalnih podatkovnih centrih.
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) temelji na standardiziranem komunikacijskem modulu z optično delitvijo gostih valov s hitrostjo prenosa 100-400 Gbps. Velikost modula CFP je večja od velikosti modula SFP/XFP/QSFP in se običajno uporablja za prenos na dolge razdalje, kot je metropolitansko omrežje.
Optični sprejemno-sprejemni modul za komunikacijo v podatkovnem centru
Komunikacijo podatkovnega centra lahko razdelimo v tri kategorije glede na vrsto povezave:
(1) Podatkovni center za uporabnika je ustvarjen z vedenjem končnega uporabnika, kot je brskanje po spletni strani, pošiljanje in prejemanje e-pošte in video tokov z dostopom do oblaka;
(2) medsebojno povezovanje podatkovnih centrov, ki se večinoma uporablja za replikacijo podatkov, nadgradnjo programske opreme in sistema;
(3) Znotraj podatkovnega centra se uporablja predvsem za shranjevanje informacij, ustvarjanje in rudarjenje. Po napovedih Cisca interna komunikacija podatkovnih centrov predstavlja več kot 70 % komunikacije podatkovnih centrov, razvoj izgradnje podatkovnih centrov pa je spodbudil razvoj hitrih optičnih modulov.
Podatkovni promet še naprej raste, trend velikega obsega in sploščenja podatkovnih centrov pa spodbuja razvoj optičnih modulov v dveh vidikih:
· Povečane zahteve glede hitrosti prenosa
· Povečanje povpraševanja po količini
Trenutno so se zahteve optičnih modulov globalnih podatkovnih centrov spremenile iz optičnih modulov 10/40G na optične module 100G. Kitajska Alibaba Cloud Promotion bo leta 2018 postala prvo leto obsežne uporabe optičnih modulov 100G. Pričakuje se, da bo nadgrajen 400G optični moduli leta 2019.
Razvojna pot Ali modula v oblaku
Trend velikih podatkovnih centrov je povzročil povečanje zahtev glede razdalje prenosa. Razdalja prenosa večmodnih vlaken je omejena s povečanjem hitrosti signala in pričakuje se, da bodo postopoma nadomeščena z enomodnimi vlakni. Stroški optične povezave so sestavljeni iz dveh delov: optičnega modula in optičnega vlakna. Za različne razdalje so na voljo različne uporabne rešitve. Za medsebojno povezavo na srednje do velike razdalje, ki je potrebna za komunikacijo v podatkovnem centru, obstajata dve revolucionarni rešitvi, ki ju je rodil MSA:
· PSM4（Vzporedni enosmerni 4 pasovi）
· CWDM4（Grobi multiplekser valovne dolžine 4 steze）
Med njimi je uporaba vlaken PSM4 štirikrat večja kot CWDM4. Ko je razdalja povezave velika, so stroški rešitve CWDM4 relativno nizki. Iz spodnje tabele lahko vidimo primerjavo rešitev optičnega modula podatkovnega centra 100G:
Danes je tehnologija implementacije optičnih modulov 400G postala središče industrije. Glavna funkcija optičnega modula 400G je izboljšati prepustnost podatkov ter povečati pasovno širino in gostoto vrat podatkovnega centra. Njegov prihodnji trend je doseči široko ojačenje, nizek šum, miniaturizacija in integracija, za izpolnjevanje potreb naslednje generacije brezžičnih omrežij in komunikacijskih aplikacij ultra velikih podatkovnih centrov.
Zgodnji optični modul 400G je uporabljal 16-kanalno metodo modulacije signala 25G NRZ (Non-Returnto Zero) v paketu CFP8. Prednost je, da si je mogoče izposoditi tehnologijo modulacije signala 25G NRZ, ki je dozorela na optičnem modulu 100G, slabost pa je da je treba vzporedno prenašati 16 signalov, poraba energije in glasnost pa sta razmeroma velika, kar ni primerno za aplikacije v podatkovnem centru. V trenutnem optičnem modulu 400G je 8-kanalni 53G NRZ ali 4-kanalni 106G PAM4 (4 Pulse Amplitudna modulacija) modulacija signala se uporablja predvsem za prenos signala 400G.
Kar zadeva pakiranje modulov, se uporablja OSFP ali QSFP-DD in oba paketa lahko zagotovita 8 električnih signalnih vmesnikov. Za primerjavo je paket QSFP-DD manjši in primernejši za aplikacije v podatkovnem centru; paket OSFP je nekoliko večji in porabi več energije, zato je bolj primeren za telekomunikacijske aplikacije.
Analizirajte »jedrno« moč optičnih modulov 100G/400G
Na kratko smo predstavili implementacijo optičnih modulov 100G in 400G. V shematskih diagramih rešitve 100G CWDM4, rešitve 400G CWDM8 in rešitve 400G CWDM4 je razvidno naslednje:
Shema 100G CWDM4
Shema 400G CWDM8
Shema 400G CWDM4
V optičnem modulu je ključ do pretvorbe fotoelektričnega signala fotodetektor. Kakšne potrebe morate zadovoljiti iz »jedra«, da bi končno izpolnili te načrte?
Rešitev 100G CWDM4 zahteva implementacijo 4λx25GbE, rešitev 400G CWDM8 zahteva implementacijo 8λx50GbE, rešitev 400G CWDM4 pa zahteva implementacijo 4λx100GbE. V skladu z metodo modulacije shemi 100G CWDM4 in 400G CWDM8 sprejmeta modulacijo NRZ, ki ustreza modulacijski stopnji Naprave 25Gbd in 53Gbd. Shema 400G CWDM4 sprejme modulacijsko shemo PAM4, ki prav tako zahteva, da ima naprava stopnjo modulacije 53Gbd ali več.
Hitrost modulacije naprave ustreza pasovni širini naprave. Za 100G optični modul s pasom 1310 nm zadostuje detektor InGaAs s pasovno širino 25 GHz ali polje detektorjev.