Optiskie moduļi samazina pārraides kļūdas

 

Optiskie moduļiir kļuvuši par būtiskām mūsdienu telekomunikāciju infrastruktūras sastāvdaļām, galvenokārt pateicoties to spējai ievērojami samazināt pārraides kļūdas salīdzinājumā ar tradicionālajām vara{0}}sistēmām. Šo moduļu izstrāde nopietni sākās deviņdesmito gadu beigās, kad tādi uzņēmumi kā Cisco un Lucent Technologies sāka saskarties ar datu integritātes problēmām ar vara starpsavienojumiem ar ātrumu, kas pārsniedz 1 Gbit/s.

 

 

Vēsturiskā attīstība un kļūdu labošana

 

Pirmā paaudzeoptiskās šķiedras moduļikas tika ieviesti aptuveni 1998.–2000. gadā, uzrādīja par aptuveni 60% mazāk bitu kļūdu nekā to vara kolēģiem līdzvērtīgos attālumos. Šis uzlabojums izrietēja no optiskās šķiedras imunitātes pret elektromagnētiskajiem traucējumiem (EMI) un radiofrekvences traucējumiem (RFI), kas skāra vara sistēmas datu centru vidēs, kur simtiem serveru darbojās tiešā tuvumā.

Agrīnās ieviešanas tika izmantotas salīdzinoši vienkāršioptiskais modulatorsdizaini, kuru pamatā ir Fabry{0}}Pérot lāzeru tieša modulācija. Šie moduļi sasniedza bitu kļūdu līmeni (BER) aptuveni 10^-12, kas tajā laikā tika uzskatīts par izcilu, taču mūsdienu prasībām nepietiekams. Izkliedētās atgriezeniskās saites (DFB) lāzeru ieviešana 2003. gadā to uzlaboja līdz 10^-15, padarot tālsatiksmes pārraidi praktiskāku.

 

SFP saime un kļūdu samazināšanas mehānismi

 

Small Form{0}}faktora Pluggable specifikācija, kas radīja plaši-pieņemtosfp optiskais raiduztvērējs2001. gadā, kad tas tika publiski izlaists, bija ievērojams sasniegums. Sākotnēji to izstrādāja konsorcijs, kurā bija Finisar, Agilent un AMP, un SFP standarts nodrošināja standartizētu savienojamu{1}}interfeisu, kas ļāva nodrošināt labāku signāla integritāti, izmantojot uzlabotu elektrisko dizainu.

Gigabitu ieviešana

Thegigabit sfp raiduztvērējskļuva īpaši svarīgi uzņēmumu tīklu veidošanai. Neatkarīgu laboratoriju veiktie testi 2004. gadā parādīja, ka pareizi ieviesti SFP moduļi var uzturēt pārraidi bez kļūdām (-nulle kļūdu 24-stundu testa periodos) attālumos līdz 10 kilometriem, izmantojot vienmoda šķiedru. Tas bija revolucionārs salīdzinājumā ar vara Gigabit Ethernet, kas bija ierobežots līdz 100 metriem un joprojām piedzīvoja neregulāras kļūdas šķērsrunas dēļ.

Theoptiskās šķiedras sfp modulisdizains ietvēra vairākas kļūdu{0}}samazināšanas funkcijas:

Temperatūras{0}}kompensēti lāzera draiveri, kas uzturēja nemainīgu izejas jaudu

Uzlabotas uztvērēju shēmas ar adaptīvo izlīdzināšanu

Iebūvēta{0}}diagnostikas uzraudzība (bieži saukta par digitālo diagnostikas uzraudzību vai DDM)

Uzlabots korpuss, kas nodrošināja labāku EMI ekranējumu

 

Raiduztvērējsevolūcija un kļūdu labošana

 

Attīstībaoptiskā moduļa raiduztvērējsir izgājis vairākas atšķirīgas fāzes. Aptuveni 2007. -2008. gadā ražotāji sāka tieši moduļos iegult kļūdu labošanu (FEC). Sākotnēji tas bija pretrunīgs, jo tas palielināja izmaksas un enerģijas patēriņu, taču izvietošana uz vietas uzrādīja dramatisku nelabojamo kļūdu samazināšanos{5}}daži operatori ziņoja par 90% mazāk saišu kļūdu pēc FEC iespējotu moduļu ieviešanas.

Viena interesanta attīstība bijaoptiskās šķiedras uztvērēja modulisar saskaņotu noteikšanu, kas sāka parādīties komerciālos produktos ap 2010. gadu. Atšķirībā no tradicionālajām tiešās-atklāšanas sistēmām koherentie uztvērēji varēja atgūt gan amplitūdas, gan fāzes informāciju, efektīvi dubultojot pārsūtīto datu apjomu, vienlaikus saglabājot līdzīgu kļūdu līmeni. Agrākā komerciālā izvēršana bija zemūdens kabeļu sistēmās, kur pat nelieli kļūdu līmeņa uzlabojumi varēja novērst vajadzību pēc dārgām reģenerācijas iekārtām.

 

Mūsdienīgas ātrdarbīgas{0}}ieviešanas iespējas

 

Digitālo optisko moduļu tehnoloģija

Rašanāsdigitālais optiskais modulisap 2015. gadu iezīmēja vēl vienu nozīmīgu soli uz priekšu. Šajos moduļos bija iekļauti digitālie signālu procesori (DSP), kas varēja veikt reāllaika kļūdu analīzi un adaptīvo izlīdzināšanu. Sākotnējās versijas no tādiem uzņēmumiem kā Acacia Communications un NeoPhotonics parādīja, ka DSP-iespējotie moduļi var darboties ar 100 G ātrumu ar BER, kas ir labāks par 10^-15, pat attālumos, kas pārsniedz 1000 kilometrus, kas nebūtu iespējams, izmantojot tikai analogās konstrukcijas.

Thesfp optiskais modulistehnoloģija attīstījās arī, iekļaujot mazākus formas faktorus. SFP28 specifikācija, kas ratificēta 2014. gadā, atbalstīja 25 Gbit/s uz joslu, vienlaikus saglabājot tādas pašas kļūdu labošanas iespējas kā lielākiem moduļiem. Tas tika panākts ar vairākiem jauninājumiem:

Uzlabota lāzera čivināšanas vadība

Labāka hromatiskās dispersijas kompensācija

Sarežģītākas pulksteņa atkopšanas shēmas

Lielāko mākoņa pakalpojumu sniedzēju lauka dati (lai gan parasti netiek publicēti) liecināja, ka SFP28 izvietošana 2016.–2017. gadā sasniedza vidējo laiku starp kļūmēm (MTBF), kas pārsniedz 10 gadus, un pārraides kļūdas kā kļūmes cēlonis radās mazāk nekā 2 % gadījumu.

400 G un vairāk

The400g optiskais modulisatspoguļo pašreizējo stāvokli--saskaņā ar kļūdu samazināšanu-. Šajos moduļos, kuru komerciālā izvēršana sākās ap 2019. gadu, parasti tiek izmantotas 8 joslas ar 50 G katrā vai 4 joslas ar 100 G. Pāreja uz PAM-4 modulāciju (tradicionālās NRZ vietā) sākotnēji radīja bažas par kļūdu biežumu, jo PAM-4 ir mazāka starpība starp signāla līmeņiem. Tomēr DSP tehnoloģiju attīstība un spēcīgāku FEC kodu (īpaši RS(544,514) FEC) ieviešana faktiski radīja līdzīgu vai labāku kļūdu veiktspēju salīdzinājumā ar NRZ sistēmām.

Korporācija Inphi (tagad daļa no Marvell) 2020. gadā publicēja datus, kas liecina, ka viņu 400 G moduļi ir sasnieguši pirms-FEC BER — aptuveni 10^-5, ko viņu FEC programma koriģēja uz post-FEC BER, kas ir labāka par 10^-15. Tas nozīmēja, ka praktiskos nolūkos pareizi projektētās sistēmās pārsūtīšanas kļūdas gandrīz vairs nepastāvēja.

 

 

Infrastruktūras apsvērumi

 

Modulārās optiskās sistēmas projektēšana

Jēdziens amodulārā optiskā sistēmair guvusi pievilcību īpaši hipermēroga datu centros. Tādi uzņēmumi kā Microsoft un Facebook (Meta) ir publicējuši baltās grāmatas, kurās aprakstīts, kā moduļu dizains ļauj optimizēt dažādas optiskā ceļa daļas atsevišķi. Piemēram, datu centrs var izmantot īsas-attiecības daudzrežīmu moduļus iekš-statīva savienojumiem (kur izmaksas ir svarīgākas par absolūto veiktspēju) un viena-režīma moduļus starp-statņu vai starp{6}}ēku savienojumiem (kur veiktspēja ir vissvarīgākā).

Šī modulārā pieeja ir palīdzējusi samazināt kopējo sistēmas kļūdu līmeni, jo katru savienojuma veidu var optimizēt tā konkrētajam lietošanas gadījumam. Tiek ziņots, ka Microsoft datu centrā Kvinsijā, Vašingtonā, saišu kļūdu skaits ir samazinājies par 40% pēc pārejas uz pilnībā modulāru optisko infrastruktūru 2018. gadā.

Patch paneļa ieviešanas

Moduļu optiskās šķiedras plāksteri paneļiir arī veicinājuši kļūdu samazināšanu, lai gan to ietekme bieži tiek ignorēta. Saskaņā ar Corning 2012. gada pētījumu, sliktie fiziskie savienojumi ielāpu paneļos vēsturiski veidoja 15–20% optisko saišu kļūdu. Mūsdienu moduļu plākstera paneļi ar uzlabotu savienotāju dizainu (īpaši LC un MPO/MTP savienotājiem) to ir ievērojami samazinājuši.

Push{0}}pull tab LC savienotāju ieviešana ap 2005. gadu bija īpaši svarīga,-šie savienotāji nodrošināja konsekventāku ievietošanas zudumu un atgriešanās zudumu, salīdzinot ar iepriekšējiem fiksatora-dizainiem, kas laika gaitā varēja kļūt vaļīgi datu centra vidēs vibrācijas dēļ.

 

Tehniskās specifikācijas un standarti

 

Dažādas standartu iestādes ir izstrādājušas specifikācijas, kas tieši attiecas uz kļūdu samazināšanu. Piemēram, IEEE 802.3 darba grupa nosaka maksimālās BER prasības dažādiem Ethernet ātrumiem. 100GBASE-SR4 (parasta daudzrežīmu ieviešana) standarts pieprasa, lai BER FEC dekodētāja izejā nav zemāka par 10^-12, kas nozīmē nulles kļūdu normālas darbības laikā.

Optiskā tīkla darba forums (OIF) ir īpaši aktīvs, definējot saskarnes, kas samazina kļūdas. Viņu CEI-28G un CEI-56G ieviešanas līgumos ir norādīti detalizēti elektriskie raksturlielumi, tostarp nervozitāte, šķērsruna un atdeves zudumi, un tas viss ietekmē kļūdu līmeni, ja netiek pareizi kontrolēts.

Ir vērts atzīmēt, ka, lai gan standarti nosaka minimālo veiktspēju, komerciālie moduļi bieži pārsniedz šīs prasības. 2019. gadā veiktā lielāko ražotāju (Finisar, Lumentum, II-VI) moduļu aptauja atklāja, ka parastie komerciālie moduļi darbojās par 2–3 dB labāk nekā minimālais nepieciešamais optiskais budžets, tādējādi nodrošinot ievērojamu kļūdu novēršanu.

 

Praktiska izvietošanas pieredze

 

Reālā{0}}izvēršana ir parādījusi, ka, lai gan optiskie moduļi teorētiski nodrošina lielisku kļūdu samazināšanu, pareiza uzstādīšana un apkope joprojām ir ļoti svarīga. 2017. gadā veiktais liela Ziemeļamerikas telekomunikāciju pakalpojumu sniedzēja pētījums atklāja, ka aptuveni 80% optisko saišu kļūdu galu galā tika izsekotas ar:

Netīri savienotāji (31%)

Šķiedru bojājumi (23%)

Nepareiza moduļa uzstādīšana (14%)

Nesaderīgas moduļu/šķiedru kombinācijas (12%)

Tas uzsver, ka pats optiskais modulis ir tikai daļa no kļūdu samazināšanas vienādojuma. Tajā pašā pētījumā konstatēts, ka pēc stingra tīrīšanas protokola un tehniķu apmācības programmas ieviešanas tīkla kļūdu līmenis samazinājās par 67%, nemainot nevienu moduļu.

 

Nākotnes attīstība

 

Turpinās pētījumi par vēl zemāku kļūdu līmeni. Laboratorijas testos ir izrādījusies daudzsološa varbūtības zvaigznāju veidošana, kas optimizē signāla sadalījumu kanāla raksturlielumiem. 2021. gadā publicētie Nokia Bell Labs rezultāti parādīja BER uzlabojumus par 1–2 dB, izmantojot šo metodi, kas nozīmētu vēl uzticamāku pārraidi.

Mašīnmācīšanās algoritmu integrācija paredzamajai apkopei arī parāda potenciālu. Analizējot modeļus pirms-FEC kļūdu biežuma un diagnostikas datos, kas pieejami no mūsdienu moduļiem, šīs sistēmas var paredzēt gaidāmās kļūmes stundas vai dienas iepriekš, ļaujot veikt proaktīvu nomaiņu, pirms rodas kļūdas, kas ietekmē pakalpojumu.