Optiset moduulit vähentävät lähetysvirheitä

 

Optiset moduuliton tullut olennaisia ​​komponentteja nykyaikaisessa tietoliikenneinfrastruktuurissa, mikä johtuu pääasiassa niiden kyvystä vähentää merkittävästi lähetysvirheitä perinteisiin kupari{0}}pohjaisiin järjestelmiin verrattuna. Näiden moduulien kehittäminen aloitettiin tosissaan 1990-luvun lopulla, kun Ciscon ja Lucent Technologiesin kaltaiset yritykset alkoivat kokea tietojen eheysongelmia kupariliitännöissä yli 1 Gbit/s nopeuksilla.

 

 

Historiallinen kehitys ja virheiden korjaus

 

Ensimmäinen sukupolvivalokuitumoduulitkäyttöön noin 1998-2000 osoitti noin 60 % vähemmän bittivirheitä kuin niiden kupariset vastineet vastaavilla etäisyyksillä. Tämä parannus johtui kuituoptiikan sietokyvystä sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja radiotaajuushäiriöitä (RFI) vastaan, mikä vaivasi kuparijärjestelmiä datakeskusympäristöissä, joissa sadat palvelimet toimivat lähellä.

Varhaiset toteutukset olivat suhteellisen yksinkertaisiaoptinen modulaattorimallit, jotka perustuvat Fabry{0}}Pérot-laserien suoraan modulaatioon. Nämä moduulit saavuttivat bittivirhesuhteet (BER) noin 10^-12, jota pidettiin tuolloin erinomaisena mutta riittämättömänä nykyaikaisiin vaatimuksiin. Hajautetun takaisinkytkennän (DFB) lasereiden käyttöönotto vuonna 2003 paransi tämän 10^-15:een, mikä teki pitkän matkan lähetyksestä käytännöllisemmän.

 

SFP-perhe ja virheiden vähentämismekanismit

 

Small Form{0}}factor Pluggable -spesifikaatio, joka tuotti laajalti-hyväksytynsfp optinen lähetin-vastaanotin, oli suuri edistysaskel, kun se julkaistiin vuonna 2001. Alunperin Finisarin, Agilentin ja AMP:n muodostaman konsortion kehittämä SFP-standardi tarjosi standardoidun hot{1}}liitettävän liitännän, joka mahdollisti signaalin paremman eheyden parannetun sähkösuunnittelun ansiosta.

Gigabitin toteutukset

Thegigabit sfp lähetin-vastaanotintuli erityisen tärkeäksi yritysten verkottumisen kannalta. Riippumattomien laboratorioiden vuonna 2004 tekemät testit osoittivat, että oikein toteutetut SFP-moduulit pystyivät ylläpitämään virheettömän-lähetyksen (nolla virhettä 24-tunnin testijakson aikana) jopa 10 kilometrin etäisyydellä yksimuotokuitua käyttämällä. Tämä oli vallankumouksellinen verrattuna kupariseen Gigabit Ethernetiin, joka oli rajoitettu 100 metriin ja jossa silti esiintyi satunnaisia ​​ylikuulumisen aiheuttamia virheitä.

Thekuituoptinen sfp-moduulisuunnitteluun sisältyi useita virheen{0}}vähentämisominaisuuksia:

Lämpötila{0}}kompensoidut laserohjaimet, jotka säilyttivät tasaisen lähtötehon

Kehittyneet vastaanotinpiirit mukautuvalla taajuuskorjauksella

Sisäänrakennettu{0}}diagnostiikkavalvonta (kutsutaan usein nimellä Digital Diagnostic Monitoring tai DDM)

Parannettu kotelo, joka tarjosi paremman EMI-suojauksen

 

Lähetin-vastaanotinevoluutio ja virheenkorjaus

 

Kehitysoptisen moduulin lähetin-vastaanotinon käynyt läpi useita erillisiä vaiheita. Vuoden 2007{3}}2008 tienoilla valmistajat alkoivat upottaa eteenpäin virheenkorjausta (FEC) suoraan moduuleihin. Tämä oli alun perin kiistanalainen, koska se lisäsi kustannuksia ja virrankulutusta, mutta kenttäkäyttöönotto osoitti korjaamattomien virheiden dramaattisen vähenemisen-jotkut operaattorit ilmoittivat 90 % vähemmän linkkivirheitä otettuaan käyttöön FEC-yhteensopivia moduuleja.

Yksi mielenkiintoinen kehitys olikuituoptinen vastaanotinmoduulikoherentilla ilmaisulla, joka alkoi näkyä kaupallisissa tuotteissa vuoden 2010 tienoilla. Toisin kuin perinteiset suorat-ilmaisujärjestelmät, koherentit vastaanottimet pystyivät palauttamaan sekä amplitudi- että vaihetiedot, mikä kaksinkertaisti lähetetyn datan määrän samalla kun virhetasot säilyivät samana. Varhaisimmat kaupalliset käyttöönotot tapahtuivat merenalaisissa kaapelijärjestelmissä, joissa pienetkin parannukset virhetasoissa voisivat poistaa kalliiden regenerointilaitteiden tarpeen.

 

Nykyaikaiset nopeat{0}}toteutukset

 

Digitaalinen optinen moduulitekniikka

Syntyminendigitaalinen optinen moduulinoin 2015 merkitsi jälleen merkittävää askelta eteenpäin. Näissä moduuleissa oli digitaalisia signaaliprosessoreita (DSP), jotka pystyivät suorittamaan reaaliaikaisen-virheanalyysin ja mukautuvan taajuuskorjauksen. Varhaiset versiot yhtiöiltä, ​​kuten Acacia Communications ja NeoPhotonics, osoittivat, että DSP-yhteensopivat moduulit pystyivät toimimaan 100 G:n taajuudella BER:llä, joka oli parempi kuin 10^-15 jopa yli 1000 kilometrin etäisyyksillä, mikä olisi ollut mahdotonta vain analogisilla malleilla.

Theoptinen sfp-moduulitekniikka on myös kehittynyt sisältämään pienempiä muototekijöitä. Vuonna 2014 ratifioitu SFP28-spesifikaatio tuki 25 Gbit/s kaistaa kohden säilyttäen samalla samat virheenkorjausominaisuudet kuin suuremmissa moduuleissa. Tämä saavutettiin useilla innovaatioilla:

Paranneltu lasersirkutuksen hallinta

Parempi kromaattisen dispersion kompensointi

Kehittyneemmät kellonpalautuspiirit

Suurten pilvipalveluntarjoajien kenttätiedot (tosin niitä ei yleensä julkaista) viittasivat siihen, että SFP28-asetuksissa vuosina 2016–2017 keskimääräinen vikojen välinen aika (MTBF) oli yli 10 vuotta, ja siirtovirheet olivat vian syynä alle 2 prosentissa tapauksista.

400G ja enemmän

The400g optinen moduuliedustaa virheiden vähentämisen nykyistä---tekniikkaa. Nämä moduulit, jotka aloittivat kaupallisen käyttöönoton noin vuonna 2019, käyttävät tyypillisesti joko 8 kaistaa 50 G:ssä tai 4 kaistaa 100 G:ssä. Siirtyminen PAM-4-modulaatioon (perinteisen NRZ:n sijaan) herätti aluksi huolta virhesuhteista, koska PAM-4:llä on pienempi marginaali signaalitasojen välillä. DSP-tekniikan kehitys ja vahvempien FEC-koodien (erityisesti RS(544,514) FEC) käyttöönotto johtivat kuitenkin samanlaiseen tai parempaan virhesuorituskykyyn verrattuna NRZ-järjestelmiin.

Inphi Corporation (nyt osa Marvellia) julkaisi vuonna 2020 tiedot, joiden mukaan heidän 400G-moduulinsa saavuttivat ennen-FEC BER:n noin 10^-5, jonka heidän FEC-moottorinsa korjasi post-FEC BER:ksi, joka oli parempi kuin 10^-15. Tämä tarkoitti käytännössä sitä, että oikein suunnitelluissa järjestelmissä lähetysvirheet olivat lähes olemattomia.

 

 

Infrastruktuurinäkökohdat

 

Modulaarisen optisen järjestelmän suunnittelu

Käsite amodulaarinen optiikkajärjestelmäon saanut vetovoimaa erityisesti hyperscale-palvelinkeskuksissa. Yritykset, kuten Microsoft ja Facebook (Meta), ovat julkaisseet valkoisia kirjoja, joissa kuvataan, kuinka modulaarinen rakenne mahdollistaa optisen polun eri osien optimoinnin erikseen. Esimerkiksi palvelinkeskus voi käyttää lyhyen-monimoodimoduuleja telineen-sisäisiin yhteyksiin (joissa hinta on tärkeämpi kuin absoluuttinen suorituskyky) ja yksi-moodimoduuleja telineiden välisiin-tai rakennusten välisiin yhteyksiin (jos suorituskyky on ensiarvoisen tärkeää).

Tämä modulaarinen lähestymistapa on auttanut vähentämään järjestelmän yleisiä virheprosentteja, koska jokainen yhteystyyppi voidaan optimoida sen erityiseen käyttötapaukseen. Microsoftin palvelinkeskuksen Quincyssä Washingtonissa kerrotaan, että linkkivirheet vähenivät 40 prosenttia sen jälkeen, kun se siirtyi täysin modulaariseen optiseen infrastruktuuriin vuonna 2018.

Patch-paneelin toteutukset

Modulaariset kuituoptiset patch-paneelitovat myös osaltaan vähentäneet virheitä, vaikka niiden vaikutus jää usein huomiotta. Corningin vuonna 2012 tekemän tutkimuksen mukaan huonot fyysiset yhteydet patch-paneeleissa olivat historiallisesti 15-20 % optisten linkkien virheistä. Nykyaikaiset modulaariset patch-paneelit, joissa on parannettu liitinrakenne (erityisesti LC- ja MPO/MTP-liittimet), ovat vähentäneet tätä merkittävästi.

Push{0}}pull tab LC-liittimien käyttöönotto vuonna 2005 oli erityisen tärkeää,-nämä liittimet tarjosivat johdonmukaisemman lisäys- ja paluuhäviön verrattuna aikaisempiin lukko-pohjaisiin malleihin, jotka saattoivat löystyä ajan myötä palvelinkeskusympäristöjen tärinän vuoksi.

 

Tekniset tiedot ja standardit

 

Useat standardielimet ovat laatineet eritelmiä, jotka koskevat suoraan virheiden vähentämistä. Esimerkiksi IEEE 802.3 -työryhmä määrittelee BER-vaatimukset eri Ethernet-nopeuksille. 100GBASE-SR4:lle (yleinen monimuotototeutus) standardi vaatii BER-arvoa vähintään 10^-12 FEC-dekooderin lähdössä, mikä tarkoittaa nollaa virhettä normaalin toiminnan aikana.

Optical Internetworking Forum (OIF) on ollut erityisen aktiivinen virheet minimoivien rajapintojen määrittämisessä. Heidän CEI-28G:n ja CEI-56G:n käyttöönottosopimuksissa määritellään yksityiskohtaiset sähköiset ominaisuudet, mukaan lukien värinä, ylikuuluminen ja paluuhäviö – jotka kaikki vaikuttavat virhesuhteisiin, jos niitä ei ohjata kunnolla.

On syytä huomata, että vaikka standardit määrittelevät vähimmäissuorituskyvyn, kaupalliset moduulit usein ylittävät nämä vaatimukset. Suurten valmistajien (Finisar, Lumentum, II-VI) moduuleista vuonna 2019 tehdyssä tutkimuksessa havaittiin, että tyypilliset kaupalliset moduulit toimivat 2–3 dB paremmin kuin vaadittu optinen vähimmäisbudjetti, mikä tarjosi merkittävän virhemarginaalin.

 

Käytännön käyttöönottokokemusta

 

Tosimaailman{0}}käyttöönotot ovat osoittaneet, että vaikka optiset moduulit vähentävät teoriassa erinomaisesti virheitä, asianmukainen asennus ja huolto ovat edelleen kriittisiä. Erään suuren pohjoisamerikkalaisen televiestintäpalveluntarjoajan vuonna 2017 tekemässä tutkimuksessa havaittiin, että noin 80 % optisten linkkien virheistä johtui lopulta seuraavista syistä:

Likaiset liittimet (31 %)

Kuituvaurio (23 %)

Väärä moduulin asennus (14 %)

Yhteensopimattomat moduuli/kuituyhdistelmät (12 %)

Tämä korostaa, että itse optinen moduuli on vain osa virheenvähennysyhtälöä. Samassa tutkimuksessa havaittiin, että tiukan puhdistusprotokollan ja teknikon koulutusohjelman käyttöönoton jälkeen verkon virheprosentti laski 67 % ilman moduuleja vaihtamatta.

 

Tuleva kehitys

 

Tutkimus vieläkin alhaisemmista virhemääristä jatkuu. Todennäköisyyspohjainen konstellaatiomuotoilu, joka optimoi signaalin jakautumisen kanavaominaisuuksien mukaan, on osoittanut lupaavaa laboratoriotesteissä. Nokia Bell Labsin vuonna 2021 julkaisemat tulokset osoittivat BER-parannuksia 1-2 dB tällä tekniikalla, mikä merkitsisi entistä luotettavampaa lähetystä.

Koneoppimisalgoritmien integrointi ennakoivaan ylläpitoon tarjoaa myös potentiaalia. Analysoimalla esi--FEC-virhesuhteiden ja nykyaikaisista moduuleista saatavan diagnostisten tietojen malleja nämä järjestelmät voivat ennustaa uhkaavat viat tunteja tai päiviä etukäteen, mikä mahdollistaa ennakoivan vaihdon ennen huoltoon vaikuttavien virheiden esiintymistä.