“เครือข่าย” ได้กลายเป็น “ความจำเป็น” สำหรับคนร่วมสมัยส่วนใหญ่
สาเหตุที่ทำให้ยุคเครือข่ายที่สะดวกสบายเช่นนี้มาถึงได้ “เทคโนโลยีการสื่อสารใยแก้วนำแสง” เรียกได้ว่าเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้
ในปี พ.ศ. 2509 ข้าวฟ่างจีนในอังกฤษได้เสนอแนวคิดเรื่องใยแก้วนำแสง ซึ่งจุดประกายจุดสำคัญของการพัฒนาการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงทั่วโลก ระบบคลื่นแสงรุ่นแรกที่ทำงานที่ 0.8 ไมโครเมตรในปี พ.ศ. 2521 ได้รับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างเป็นทางการ และคลื่นแสงรุ่นที่สอง ระบบการสื่อสารที่ใช้มัลติโหมดไฟเบอร์ในช่วงแรกๆ ได้รับการแนะนำอย่างรวดเร็วในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ภายในปี 1990 ระบบคลื่นแสงรุ่นที่สามที่ทำงานที่ 2.4 Gb/s และ 1.55 μm สามารถให้บริการการสื่อสารเชิงพาณิชย์ได้
ข้าวฟ่าง "บิดาแห่งเส้นใย" ผู้มีส่วนช่วยในการ "ส่งผ่านแสงในเส้นใยเพื่อการสื่อสารด้วยแสง" ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2552
การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงได้กลายเป็นหนึ่งในเสาหลักของการสื่อสารสมัยใหม่ โดยมีบทบาทสำคัญในเครือข่ายโทรคมนาคมสมัยใหม่ นอกจากนี้ยังถูกมองว่าเป็นสัญลักษณ์สำคัญของการปฏิวัติทางเทคโนโลยีใหม่ของโลกและเป็นช่องทางหลักในการส่งข้อมูลในสังคมสารสนเทศในอนาคต
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตลาดแอปพลิเคชันสำหรับข้อมูลขนาดใหญ่ คลาวด์คอมพิวติ้ง 5G อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง และปัญญาประดิษฐ์ได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว ตลาดแอปพลิเคชันไร้คนขับที่กำลังจะมาถึงกำลังนำการเติบโตอย่างรวดเร็วมาสู่การรับส่งข้อมูล การเชื่อมต่อโครงข่ายของศูนย์ข้อมูลค่อยๆ พัฒนาไปสู่การวิจัยการสื่อสารด้วยแสง ฮอตสปอต
ภายในศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ของ Google
ศูนย์ข้อมูลในปัจจุบันไม่ได้เป็นเพียงห้องคอมพิวเตอร์ห้องเดียวหรือไม่กี่ห้องอีกต่อไป แต่ยังเป็นกลุ่มของคลัสเตอร์ศูนย์ข้อมูล เพื่อให้บรรลุการทำงานปกติของตลาดบริการอินเทอร์เน็ตและแอปพลิเคชันต่างๆ ศูนย์ข้อมูลจำเป็นต้องทำงานร่วมกันแบบเรียลไทม์ และการโต้ตอบข้อมูลจำนวนมากระหว่างศูนย์ข้อมูลทำให้เกิดความต้องการเครือข่ายการเชื่อมต่อโครงข่ายของศูนย์ข้อมูล และการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงได้กลายเป็นวิธีที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุการเชื่อมต่อโครงข่าย
ต่างจากอุปกรณ์ส่งสัญญาณเครือข่ายการเข้าถึงโทรคมนาคมแบบดั้งเดิม การเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลจำเป็นต้องได้รับข้อมูลที่มากขึ้นและการรับส่งข้อมูลที่หนาแน่นมากขึ้น ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์สวิตชิ่งให้มีความเร็วสูงขึ้น ใช้พลังงานน้อยลง และมีขนาดเล็กลงมากขึ้น หนึ่งในปัจจัยหลักที่กำหนดว่าความสามารถเหล่านี้สามารถ ความสำเร็จคือโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสง
ความรู้พื้นฐานบางประการเกี่ยวกับโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสง
เครือข่ายข้อมูลส่วนใหญ่ใช้ใยแก้วนำแสงเป็นสื่อในการส่งสัญญาณ แต่การคำนวณและการวิเคราะห์ในปัจจุบันจะต้องขึ้นอยู่กับสัญญาณไฟฟ้าด้วย และโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสงเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับการแปลงโฟโตอิเล็กทริค
ส่วนประกอบหลักของโมดูลออปติคอลคือตัวส่งสัญญาณ (โมดูลย่อยการเปล่งแสง)/ตัวรับ (โมดูลย่อยการรับแสง) หรือตัวรับส่งสัญญาณ (โมดูลตัวรับส่งสัญญาณออปติคัล) ชิปไฟฟ้า และยังรวมถึงส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น เลนส์ ตัวแยกสัญญาณ และตัวรวมสัญญาณ องค์ประกอบของวงจรต่อพ่วง
ที่ปลายส่งสัญญาณ: สัญญาณไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นสัญญาณแสงโดย Transimitter จากนั้นอินพุตไปยังใยแก้วนำแสงโดยอะแดปเตอร์แสง ที่ปลายรับ: สัญญาณแสงในใยแก้วนำแสงจะได้รับจากตัวรับสัญญาณผ่านอะแดปเตอร์แสง และแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าและส่งไปยังหน่วยประมวลผลเพื่อประมวลผล
แผนผังโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสง
ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ รูปแบบบรรจุภัณฑ์ของโมดูลตัวรับส่งสัญญาณออปติคอลก็มีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างเช่นกัน ก่อนที่อุตสาหกรรมโมดูลออปติคัลจะถูกสร้างขึ้น อุตสาหกรรมดังกล่าวได้รับการพัฒนาโดยผู้ผลิตอุปกรณ์โทรคมนาคมรายใหญ่ในช่วงแรกๆ อินเทอร์เฟซมีความหลากหลายและไม่สามารถใช้งานได้ในระดับสากล ซึ่งทำให้โมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสงไม่สามารถใช้แทนกันได้ สำหรับการพัฒนาของอุตสาหกรรม ได้มีการจัดทำ "ข้อตกลงหลายแหล่ง (MSA)" ขั้นสุดท้าย ด้วยมาตรฐาน MSA บริษัทที่มุ่งเน้นการพัฒนาตัวรับส่งสัญญาณอย่างเป็นอิสระเริ่มปรากฏตัวขึ้น และอุตสาหกรรมก็เติบโตขึ้น
โมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสงสามารถแบ่งออกเป็น SFP, XFP, QSFP, CFP ฯลฯ ตามแบบฟอร์มแพ็คเกจ:
· SFP (Small Form-factor Pluggable) เป็นมาตรฐานโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบได้ขนาดกะทัดรัดสำหรับแอปพลิเคชันโทรคมนาคมและดาต้าคอมที่รองรับอัตราการถ่ายโอนสูงสุด 10Gbps
XFP (ปลั๊กฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็ก 10 กิกะบิต) เป็นโมดูลตัวรับส่งสัญญาณฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็กแบบเสียบได้อัตรา 10G ที่รองรับโปรโตคอลการสื่อสารที่หลากหลาย เช่น 10G Ethernet, 10G Fibre Channel และ SONETOC-192 ตัวรับส่งสัญญาณ XFP สามารถใช้ในการสื่อสารข้อมูลและ ตลาดโทรคมนาคมและมีคุณลักษณะการใช้พลังงานที่ดีกว่าตัวรับส่งสัญญาณ 10Gbps อื่นๆ
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) เป็นมาตรฐานตัวรับส่งสัญญาณขนาดกะทัดรัดที่เสียบได้สำหรับแอปพลิเคชันการสื่อสารข้อมูลความเร็วสูง ตามความเร็ว QSFP สามารถแบ่งออกเป็นโมดูลออปติคัล 4×1G QSFP, 4×10GQSFP+, 4×25G QSFP28 ปัจจุบัน QSFP28 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในศูนย์ข้อมูลทั่วโลก
· CFP (Centum gigabit Form Pluggable) ใช้โมดูลการสื่อสารแบบแยกแสงแบบคลื่นความหนาแน่นมาตรฐานที่มีอัตราการส่งข้อมูล 100-400 Gbps ขนาดของโมดูล CFP มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของ SFP/XFP/QSFP และโดยทั่วไปจะใช้สำหรับการส่งข้อมูลทางไกล เช่น เครือข่ายบริเวณมหานคร
โมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสงสำหรับการสื่อสารของศูนย์ข้อมูล
การสื่อสารของศูนย์ข้อมูลสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทตามประเภทการเชื่อมต่อ:
(1) ศูนย์ข้อมูลสำหรับผู้ใช้ถูกสร้างขึ้นจากพฤติกรรมของผู้ใช้ปลายทาง เช่น การเรียกดูเว็บเพจ การส่งและรับอีเมลและสตรีมวิดีโอโดยการเข้าถึงระบบคลาวด์
(2) การเชื่อมต่อโครงข่ายศูนย์ข้อมูล ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการจำลองข้อมูล ซอฟต์แวร์ และการอัพเกรดระบบ
(3) ภายในศูนย์ข้อมูล ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการจัดเก็บข้อมูล การสร้าง และการขุด ตามการคาดการณ์ของ Cisco การสื่อสารภายในศูนย์ข้อมูลคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 70% ของการสื่อสารของศูนย์ข้อมูล และการพัฒนาโครงสร้างศูนย์ข้อมูลทำให้เกิดการพัฒนาโมดูลออปติคอลความเร็วสูง
ปริมาณการรับส่งข้อมูลยังคงเติบโต และแนวโน้มขนาดใหญ่และแบนราบของศูนย์ข้อมูลกำลังผลักดันการพัฒนาโมดูลออปติคัลในสองด้าน:
· ข้อกำหนดอัตราการส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้น
· ความต้องการปริมาณเพิ่มขึ้น
ปัจจุบัน ข้อกำหนดของโมดูลออปติคัลศูนย์ข้อมูลทั่วโลกได้เปลี่ยนจากโมดูลออปติคัล 10/40G เป็นโมดูลออปติคัล 100G โปรโมชั่น Alibaba Cloud ของจีนจะกลายเป็นปีแรกของการใช้งานโมดูลออปติคัล 100G ขนาดใหญ่ในปี 2561 โดยคาดว่าจะอัปเกรดได้ โมดูลออปติคัล 400G ในปี 2562
เส้นทางวิวัฒนาการโมดูลอาลีคลาวด์
แนวโน้มของศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ส่งผลให้ข้อกำหนดด้านระยะการส่งข้อมูลเพิ่มมากขึ้น ระยะการส่งของไฟเบอร์มัลติโหมดถูกจำกัดด้วยอัตราสัญญาณที่เพิ่มขึ้น และคาดว่าจะค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยไฟเบอร์โหมดเดี่ยว ค่าใช้จ่ายของการเชื่อมต่อไฟเบอร์ประกอบด้วยสองส่วน: โมดูลออปติคัลและไฟเบอร์ออปติก สำหรับระยะทางที่แตกต่างกัน มีวิธีแก้ไขปัญหาที่แตกต่างกันออกไป สำหรับการเชื่อมต่อระยะกลางถึงระยะไกลที่จำเป็นสำหรับการสื่อสารของศูนย์ข้อมูล มีโซลูชันปฏิวัติสองวิธีที่เกิดจาก MSA:
· PSM4 (โหมดเดี่ยวขนาน 4 เลน)
· CWDM4 (มัลติเพล็กเซอร์แบ่งความยาวคลื่นหยาบ 4 เลน)
ในหมู่พวกเขาการใช้งานไฟเบอร์ PSM4 นั้นมากกว่า CWDM4 ถึงสี่เท่า เมื่อระยะลิงก์ยาว ต้นทุนโซลูชัน CWDM4 ก็ค่อนข้างต่ำ จากตารางด้านล่าง เราจะเห็นการเปรียบเทียบโซลูชันโมดูลออปติคัล 100G ของศูนย์ข้อมูล:
ปัจจุบัน เทคโนโลยีการใช้งานโมดูลออปติคัล 400G ได้กลายเป็นจุดสนใจของอุตสาหกรรม หน้าที่หลักของโมดูลออปติคัล 400G คือการปรับปรุงการรับส่งข้อมูลและเพิ่มแบนด์วิธและความหนาแน่นของพอร์ตของศูนย์ข้อมูลให้สูงสุด แนวโน้มในอนาคตคือการบรรลุผลในวงกว้าง อัตราขยาย สัญญาณรบกวนต่ำ การย่อขนาดและการบูรณาการ เพื่อตอบสนองความต้องการของเครือข่ายไร้สายยุคถัดไปและแอปพลิเคชันการสื่อสารของศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่พิเศษ
โมดูลออปติคัล 400G รุ่นแรกๆ ใช้วิธีการมอดูเลตสัญญาณ 16-channel 25G NRZ (Non-Returnto Zero) ในแพ็คเกจ CFP8 ข้อดีคือเทคโนโลยีการปรับสัญญาณ 25G NRZ ที่ครบกำหนดบนโมดูลออปติคัล 100G สามารถยืมได้ แต่ข้อเสียคือ โดยจะต้องส่งสัญญาณ 16 สัญญาณแบบขนาน และการใช้พลังงานและปริมาตรค่อนข้างมากซึ่งไม่เหมาะกับการใช้งานในศูนย์ข้อมูล ในโมดูลออปติคัล 400G ในปัจจุบัน 8 ช่อง 53G NRZ หรือ 4 ช่อง 106G PAM4 (4 Pulse) Amplitude Modulation) การปรับสัญญาณส่วนใหญ่จะใช้เพื่อรับรู้การส่งสัญญาณ 400G
ในแง่ของบรรจุภัณฑ์โมดูล จะใช้ OSFP หรือ QSFP-DD และทั้งสองแพ็คเกจสามารถให้อินเทอร์เฟซสัญญาณไฟฟ้าได้ 8 อินเทอร์เฟซ ในการเปรียบเทียบ แพ็คเกจ QSFP-DD มีขนาดเล็กกว่าและเหมาะสำหรับการใช้งานในศูนย์ข้อมูลมากกว่า แพ็คเกจ OSFP มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยและกินไฟมากกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านโทรคมนาคมมากขึ้น
วิเคราะห์กำลัง "คอร์" ของโมดูลออปติคัล 100G/400G
เราได้แนะนำการใช้งานโมดูลออปติคัล 100G และ 400G โดยย่อแล้ว ข้อมูลต่อไปนี้สามารถเห็นได้ในแผนผังของโซลูชัน 100G CWDM4, โซลูชัน 400G CWDM8 และโซลูชัน 400G CWDM4:
แผนผัง 100G CWDM4
แผนผัง 400G CWDM8
แผนผัง CWDM4 400G
ในโมดูลออปติคัล กุญแจสำคัญในการแปลงสัญญาณโฟโตอิเล็กทริคคือตัวตรวจจับแสง เพื่อที่จะบรรลุแผนเหล่านี้ได้ในที่สุด คุณจำเป็นต้องตอบสนองความต้องการประเภทใดจาก "แกนกลาง"?
โซลูชัน 100G CWDM4 ต้องการการใช้งาน 4lx25GbE โซลูชัน 400G CWDM8 ต้องการการใช้งาน 8γx50GbE และโซลูชัน 400G CWDM4 ต้องการการใช้งาน 4lx100GbE สอดคล้องกับวิธีการมอดูเลชัน รูปแบบ 100G CWDM4 และ 400G CWDM8 ใช้การมอดูเลต NRZ ซึ่งสอดคล้องกับอัตราการมอดูเลตของ อุปกรณ์ 25Gbd และ 53Gbd โครงการ 400G CWDM4 ใช้รูปแบบการมอดูเลต PAM4 ซึ่งกำหนดให้อุปกรณ์มีอัตราการมอดูเลต 53Gbd ขึ้นไปด้วย
อัตราการมอดูเลตอุปกรณ์สอดคล้องกับแบนด์วิดท์ของอุปกรณ์ สำหรับโมดูลออปติคัล 100G ในย่านความถี่ 1310 นาโนเมตร ตัวตรวจจับ InGaAs แบนด์วิธ 25GHz หรืออาร์เรย์ตัวตรวจจับก็เพียงพอแล้ว