“Mạng” đã trở thành một “điều tất yếu” đối với hầu hết con người hiện đại.
Sở dĩ có được một thời đại mạng tiện lợi như vậy có thể nói là “công nghệ truyền thông cáp quang” là không thể thiếu.
Năm 1966, lúa miến Trung Quốc thuộc Anh đề xuất khái niệm sợi quang, khơi dậy đỉnh cao phát triển truyền thông sợi quang trên toàn thế giới. Thế hệ hệ thống sóng ánh sáng đầu tiên hoạt động ở tần số 0,8 μm vào năm 1978 chính thức được đưa vào sử dụng thương mại và thế hệ sóng ánh sáng thứ hai Hệ thống thông tin liên lạc sử dụng cáp quang đa mode những ngày đầu đã nhanh chóng được giới thiệu vào đầu những năm 1980. Đến năm 1990, hệ thống sóng quang thế hệ thứ ba hoạt động ở tốc độ 2,4 Gb/s và 1,55 μm đã có thể cung cấp các dịch vụ thông tin liên lạc thương mại.
“Cha đẻ của sợi” lúa miến, người đã có đóng góp mang tính đột phá trong việc “truyền ánh sáng bằng sợi quang trong truyền thông quang học”, đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2009.
Truyền thông cáp quang hiện đã trở thành một trong những trụ cột chính của truyền thông hiện đại, đóng vai trò then chốt trong các mạng viễn thông hiện đại. Nó còn được coi là biểu tượng quan trọng của cuộc cách mạng công nghệ mới trên thế giới và là phương tiện truyền tải thông tin chính trong xã hội thông tin tương lai.
Trong những năm gần đây, thị trường ứng dụng dữ liệu lớn, điện toán đám mây, 5G, Internet of Things và trí tuệ nhân tạo đã phát triển nhanh chóng. Thị trường ứng dụng không người lái sắp tới đang mang lại sự tăng trưởng bùng nổ cho lưu lượng dữ liệu. Kết nối trung tâm dữ liệu đã dần phát triển thành nghiên cứu truyền thông quang học. điểm nóng.
Bên trong trung tâm dữ liệu lớn của Google
Trung tâm dữ liệu hiện tại không còn chỉ là một hoặc một vài phòng máy tính mà là một tập hợp các cụm trung tâm dữ liệu. Để đạt được hoạt động bình thường của các thị trường ứng dụng và dịch vụ Internet khác nhau, các trung tâm dữ liệu cần phải làm việc cùng nhau. Thời gian thực và sự tương tác lớn về thông tin giữa các trung tâm dữ liệu đã tạo ra nhu cầu về mạng kết nối trung tâm dữ liệu và truyền thông cáp quang đã trở thành một phương tiện cần thiết để đạt được kết nối.
Không giống như thiết bị truyền dẫn mạng truy cập viễn thông truyền thống, kết nối trung tâm dữ liệu cần đạt được nhiều thông tin hơn và đường truyền dày đặc hơn, điều này đòi hỏi thiết bị chuyển mạch phải có tốc độ cao hơn, mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và thu nhỏ hơn. Một trong những yếu tố cốt lõi quyết định liệu những khả năng này có thể thực hiện được hay không đạt được là mô-đun thu phát quang.
Một số kiến thức cơ bản về module thu phát quang
Mạng thông tin chủ yếu sử dụng sợi quang làm phương tiện truyền dẫn, nhưng việc tính toán và phân tích dòng điện cũng phải dựa trên tín hiệu điện và mô-đun thu phát quang là thiết bị cốt lõi để thực hiện chuyển đổi quang điện.
Các thành phần cốt lõi của mô-đun quang là Bộ phát (Mô-đun con phát sáng)/Bộ thu (Mô-đun con nhận ánh sáng) hoặc Bộ thu phát (Mô-đun thu phát quang), chip điện và cũng bao gồm các thành phần thụ động như thấu kính, bộ chia và bộ kết hợp. Thành phần mạch ngoại vi.
Ở đầu phát: tín hiệu điện được Transimitter chuyển đổi thành tín hiệu quang, sau đó được đầu vào sợi quang bằng bộ chuyển đổi quang; Ở đầu nhận: tín hiệu quang trong sợi quang được Bộ thu nhận thông qua bộ chuyển đổi quang và chuyển thành tín hiệu điện gửi đến bộ phận tính toán để xử lý.
Sơ đồ mô-đun thu phát quang
Với sự phát triển của công nghệ tích hợp quang điện tử, hình thức đóng gói của mô-đun thu phát quang cũng đã trải qua một số thay đổi. Trước khi ngành công nghiệp module quang hình thành, nó đã được các nhà sản xuất thiết bị viễn thông lớn phát triển từ rất sớm. Các giao diện rất đa dạng và không thể sử dụng phổ biến. Điều này làm cho các mô-đun thu phát quang không thể thay thế cho nhau. Để phát triển ngành, “Thỏa thuận đa nguồn (MSA)” cuối cùng đã ra đời. Với tiêu chuẩn MSA, các công ty tập trung độc lập vào việc phát triển Bộ thu phát bắt đầu xuất hiện và ngành này phát triển.
Mô-đun thu phát quang có thể được chia thành SFP, XFP, QSFP, CFP, v.v. theo dạng gói:
· SFP (Có thể cắm hệ số dạng nhỏ) là một tiêu chuẩn mô-đun thu phát nhỏ gọn, có thể cắm được dành cho các ứng dụng viễn thông và datacom hỗ trợ tốc độ truyền lên tới 10Gbps.
XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) là mô-đun thu phát có thể cắm hệ số dạng nhỏ tốc độ 10G hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông như 10G Ethernet, 10G Fiber Channel và bộ thu phát SONETOC-192.XFP có thể được sử dụng trong truyền thông dữ liệu và thị trường viễn thông và cung cấp đặc tính tiêu thụ điện năng tốt hơn so với các bộ thu phát 10Gbps khác.
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) là một tiêu chuẩn thu phát nhỏ gọn, có thể cắm được cho các ứng dụng truyền dữ liệu tốc độ cao. Theo tốc độ, QSFP có thể được chia thành các mô-đun quang 4×1G QSFP, 4×10GQSFP+, 4×25G QSFP28. Hiện nay QSFP28 đã được sử dụng rộng rãi trong các trung tâm dữ liệu toàn cầu.
· CFP (Centum gigabit Form Pluggable) dựa trên mô-đun truyền thông phân tách quang sóng dày đặc được tiêu chuẩn hóa với tốc độ truyền 100-400 Gbps. Kích thước của mô-đun CFP lớn hơn kích thước của SFP/XFP/QSFP và thường được sử dụng để truyền đường dài như mạng khu vực đô thị.
Mô-đun thu phát quang cho truyền thông trung tâm dữ liệu
Truyền thông trung tâm dữ liệu có thể được chia thành ba loại theo loại kết nối:
(1) Trung tâm dữ liệu cho người dùng được tạo ra bởi hành vi của người dùng cuối như duyệt trang web, gửi và nhận email và luồng video bằng cách truy cập vào đám mây;
(2) Kết nối trung tâm dữ liệu, chủ yếu được sử dụng để sao chép dữ liệu, nâng cấp phần mềm và hệ thống;
(3) Bên trong trung tâm dữ liệu, nó chủ yếu được sử dụng để lưu trữ, tạo và khai thác thông tin. Theo dự báo của Cisco, truyền thông nội bộ của trung tâm dữ liệu chiếm hơn 70% truyền thông của trung tâm dữ liệu và sự phát triển của việc xây dựng trung tâm dữ liệu đã kéo theo sự phát triển của các mô-đun quang tốc độ cao.
Lưu lượng dữ liệu tiếp tục tăng và xu hướng làm phẳng và quy mô lớn của trung tâm dữ liệu đang thúc đẩy sự phát triển của các mô-đun quang học ở hai khía cạnh:
· Tăng yêu cầu tốc độ truyền
· Tăng nhu cầu về số lượng
Hiện tại, yêu cầu của mô-đun quang trung tâm dữ liệu toàn cầu đã thay đổi từ mô-đun quang 10/40G sang mô-đun quang 100G. Chương trình khuyến mãi đám mây Alibaba của Trung Quốc sẽ trở thành năm đầu tiên áp dụng mô-đun quang 100G trên quy mô lớn vào năm 2018. Dự kiến sẽ nâng cấp Mô-đun quang 400G năm 2019.
Lộ trình phát triển mô-đun đám mây Ali
Xu hướng của các trung tâm dữ liệu quy mô lớn đã dẫn đến yêu cầu về khoảng cách truyền dẫn ngày càng tăng. Khoảng cách truyền của sợi đa mode bị giới hạn bởi sự gia tăng tốc độ tín hiệu và dự kiến sẽ dần được thay thế bằng sợi đơn mode. Chi phí của liên kết sợi bao gồm hai phần: mô-đun quang và sợi quang. Đối với các khoảng cách khác nhau, có các giải pháp áp dụng khác nhau. Đối với kết nối khoảng cách trung bình và dài cần thiết cho hoạt động liên lạc của trung tâm dữ liệu, có hai giải pháp mang tính cách mạng ra đời từ MSA:
· PSM4（Chế độ đơn song song 4 làn）
· CWDM4（Bộ ghép kênh phân chia bước sóng thô 4 làn)
Trong số đó, mức sử dụng sợi PSM4 gấp bốn lần so với CWDM4. Khi khoảng cách liên kết dài, chi phí giải pháp CWDM4 tương đối thấp. Từ bảng bên dưới, chúng ta có thể thấy so sánh các giải pháp mô-đun quang 100G của trung tâm dữ liệu:
Ngày nay, công nghệ triển khai mô-đun quang 400G đã trở thành trọng tâm của ngành. Chức năng chính của mô-đun quang 400G là cải thiện thông lượng dữ liệu và tối đa hóa băng thông và mật độ cổng của trung tâm dữ liệu. Xu hướng tương lai của nó là đạt được phạm vi rộng khuếch đại, độ ồn thấp, thu nhỏ và tích hợp, để đáp ứng nhu cầu của mạng không dây thế hệ tiếp theo và các ứng dụng truyền thông trung tâm dữ liệu quy mô cực lớn.
Mô-đun quang 400G đời đầu sử dụng phương pháp điều chế tín hiệu 25G NRZ (Non-Returnto Zero) 16 kênh trong gói CFP8. Ưu điểm là có thể mượn công nghệ điều chế tín hiệu 25G NRZ đã trưởng thành trên mô-đun quang 100G, nhưng nhược điểm là 16 tín hiệu đó cần được truyền song song, mức tiêu thụ điện năng và âm lượng tương đối lớn, không phù hợp cho các ứng dụng trung tâm dữ liệu. Trong mô-đun quang 400G hiện tại, 8 kênh 53G NRZ hoặc 4 kênh 106G PAM4 (4 xung Điều chế biên độ) điều chế tín hiệu chủ yếu được sử dụng để thực hiện truyền tín hiệu 400G.
Về mặt đóng gói mô-đun, OSFP hoặc QSFP-DD được sử dụng và cả hai gói đều có thể cung cấp 8 giao diện tín hiệu điện. Để so sánh, gói QSFP-DD có kích thước nhỏ hơn và phù hợp hơn cho các ứng dụng trung tâm dữ liệu; gói OSFP có kích thước lớn hơn một chút và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, khiến nó phù hợp hơn với các ứng dụng viễn thông.
Phân tích sức mạnh “lõi” của module quang 100G/400G
Chúng tôi đã giới thiệu ngắn gọn cách triển khai các mô-đun quang 100G và 400G. Có thể thấy những điều sau đây trong sơ đồ nguyên lý của giải pháp 100G CWDM4, giải pháp 400G CWDM8 và giải pháp 400G CWDM4:
Sơ đồ 100G CWDM4
Sơ đồ 400G CWDM8
Sơ đồ 400G CWDM4
Trong mô-đun quang, chìa khóa để thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang điện là bộ tách sóng quang. Để cuối cùng có thể đáp ứng được những kế hoạch này, bạn cần đáp ứng những nhu cầu gì từ “cốt lõi”?
Giải pháp 100G CWDM4 yêu cầu triển khai 4λx25GbE, giải pháp 400G CWDM8 yêu cầu triển khai 8λx50GbE và giải pháp 400G CWDM4 yêu cầu triển khai 4λx100GbE. Tương ứng với phương pháp điều chế, các sơ đồ 100G CWDM4 và 400G CWDM8 áp dụng điều chế NRZ, tương ứng với tốc độ điều chế của Thiết bị 25Gbd và 53Gbd. Sơ đồ 400G CWDM4 áp dụng sơ đồ điều chế PAM4, sơ đồ này cũng yêu cầu thiết bị phải có tốc độ điều chế từ 53Gbd trở lên.
Tốc độ điều chế của thiết bị tương ứng với băng thông của thiết bị. Đối với mô-đun quang 100G băng tần 1310nm, bộ dò hoặc dãy máy dò InGaAs băng thông 25GHz là đủ.