Mae modiwlau optegol yn lleihau gwallau trosglwyddo

 

Modiwlau optegolwedi dod yn gydrannau hanfodol mewn seilwaith telathrebu modern, yn bennaf oherwydd eu gallu i leihau gwallau trawsyrru yn sylweddol o gymharu â systemau copr traddodiadol. Dechreuodd datblygiad y modiwlau hyn o ddifrif ar ddiwedd y 1990au, pan ddechreuodd cwmnïau fel Cisco a Lucent Technologies brofi problemau cywirdeb data gyda rhyng-gysylltiadau copr ar gyflymder uwch na 1 Gbit yr eiliad.

 

 

Datblygiad hanesyddol a chywiro gwallau

 

Y genhedlaeth gyntaf omodiwlau ffibr optiga gyflwynwyd tua 1998-2000 yn dangos tua 60% yn llai o wallau didau na'u cymheiriaid copr ar bellteroedd cyfatebol. Deilliodd y gwelliant hwn o imiwnedd opteg ffibr i ymyrraeth electromagnetig (EMI) ac ymyrraeth amledd radio (RFI), a oedd yn plagio systemau copr mewn amgylcheddau canolfannau data lle roedd cannoedd o weinyddion yn gweithredu'n agos.

Defnyddiwyd gweithrediadau cynnar yn gymharol symlmodulator optegoldyluniadau yn seiliedig ar fodyliad uniongyrchol o laserau Fabry-Pérot. Cyflawnodd y modiwlau hyn gyfraddau gwallau did (BER) o tua 10^-12, a ystyriwyd yn rhagorol ar y pryd ond yn annigonol ar gyfer gofynion modern. Fe wnaeth cyflwyno laserau adborth wedi'u dosbarthu (DFB) yn 2003 wella hyn i 10^-15, gan wneud trosglwyddo pellter hir yn fwy ymarferol.

 

Teulu SFP a mecanweithiau lleihau gwallau

 

Manyleb y Ffactor Fach -Ffactor Pluggable, a gynhyrchodd y-a fabwysiadwyd yn eangtransceiver optegol sfp, yn cynrychioli datblygiad mawr pan gafodd ei ryddhau'n gyhoeddus yn 2001. Wedi'i ddatblygu i ddechrau gan gonsortiwm a oedd yn cynnwys Finisar, Agilent, ac AMP, roedd safon SFP yn darparu rhyngwyneb plygadwy poeth safonol a oedd yn caniatáu gwell cywirdeb signal trwy ddyluniad trydanol gwell.

Gweithrediadau Gigabit

Mae'rtrosglwyddydd sfp gigabitdaeth yn arbennig o bwysig ar gyfer rhwydweithio menter. Dangosodd profion a gynhaliwyd gan labordai annibynnol yn 2004 y gallai modiwlau SFP a weithredwyd yn gywir gynnal trosglwyddiad di-wall (dim gwallau dros gyfnodau prawf 24-awr) hyd at 10 cilomedr gan ddefnyddio ffibr un modd. Roedd hyn yn chwyldroadol o'i gymharu â chopr Gigabit Ethernet, a oedd yn gyfyngedig i 100 metr ac yn dal i brofi gwallau achlysurol oherwydd crosstalk.

Mae'rmodiwl ffibr optig sfpmae'r dyluniad yn cynnwys nifer o nodweddion lleihau gwall:

Tymheredd-gyrwyr laser digolledu a oedd yn cynnal pŵer allbwn cyson

Cylchedau derbynnydd uwch gyda chydraddoli addasol

Wedi'i ymgorffori-mewn monitro diagnostig (a elwir yn Monitro Diagnostig Digidol neu DDM yn aml)

Gwell tai a oedd yn darparu gwell amddiffyniad EMI

 

Trosglwyddyddesblygiad a chywiro gwallau

 

Mae datblygiad ytransceiver modiwl optegolwedi mynd trwy sawl cyfnod gwahanol. Tua 2007-2008, dechreuodd gweithgynhyrchwyr ymgorffori cywiro gwallau ymlaen (FEC) yn uniongyrchol mewn modiwlau. Roedd hyn yn ddadleuol i ddechrau oherwydd ei fod yn ychwanegu cost a defnydd pŵer, ond dangosodd gosodiadau maes ostyngiad dramatig mewn gwallau na ellir eu cywiro-adroddodd rhai gweithredwyr 90% yn llai o fethiannau cyswllt ar ôl mabwysiadu modiwlau a alluogir gan FEC.

Un datblygiad diddorol oedd ymodiwl derbynnydd ffibr optiggyda chanfod cydlynol, a ddechreuodd ymddangos mewn cynhyrchion masnachol tua 2010. Yn wahanol i systemau canfod uniongyrchol traddodiadol, gallai derbynyddion cydlynol adennill gwybodaeth am osgled a chyfnod, gan ddyblu swm y data a drosglwyddir i bob pwrpas tra'n cynnal cyfraddau gwallau tebyg. Roedd y gosodiadau masnachol cynharaf mewn systemau ceblau tanfor, lle gallai hyd yn oed gwelliannau bach mewn cyfraddau gwallau ddileu'r angen am offer adfywio drud.

 

Gweithrediadau-cyflymder uchel modern

 

Technoleg modiwl optegol digidol

Ymddangosiad ymodiwl optegol digidolroedd tua 2015 yn gam arwyddocaol arall ymlaen. Roedd y modiwlau hyn yn ymgorffori proseswyr signal digidol (DSPs) a allai gyflawni dadansoddiad gwall amser real a chydraddoli addasol. Dangosodd fersiynau cynnar gan gwmnïau fel Acacia Communications a NeoPhotonics y gallai modiwlau a alluogir gan DSP- weithredu ar gyfraddau 100G gyda BER yn well na 10 ^-15 hyd yn oed dros bellteroedd dros 1000 cilomedr, a fyddai wedi bod yn amhosibl gyda dyluniadau analog yn unig.

Mae'rmodiwl optegol sfpdatblygodd technoleg hefyd i gynnwys ffactorau ffurf llai. Roedd manyleb SFP28, a gadarnhawyd yn 2014, yn cefnogi 25 Gbit yr eiliad y lôn tra'n cynnal yr un galluoedd cywiro gwallau â modiwlau mwy. Cyflawnwyd hyn trwy nifer o arloesiadau:

Gwell rheolaeth chirp laser

Gwell iawndal gwasgariad cromatig

Cylchedau adfer cloc mwy soffistigedig

Roedd data maes gan ddarparwyr cwmwl mawr (er na chaiff ei gyhoeddi fel arfer) yn awgrymu bod gosodiadau SFP28 yn 2016-2017 wedi cyflawni amser cymedrig rhwng methiannau (MTBF) dros 10 mlynedd, gyda gwallau trawsyrru fel achos y methiant yn digwydd mewn llai na 2% o achosion.

400G a thu hwnt

Mae'rModiwl optegol 400gyn cynrychioli cyflwr cyfredol y-celf mewn lleihau gwall. Mae’r modiwlau hyn, a ddechreuodd eu defnyddio’n fasnachol tua 2019, fel arfer yn defnyddio naill ai 8 lôn ar 50G yr un neu 4 lôn ar 100G. I ddechrau, cododd y newid i fodiwleiddio PAM-4 (yn lle NRZ traddodiadol) bryderon ynghylch cyfraddau gwallau, gan fod gan PAM-4 lai o ymyl rhwng lefelau signal. Fodd bynnag, arweiniodd datblygiadau mewn technoleg DSP a gweithredu codau FEC cryfach (yn enwedig RS (544,514) FEC) at berfformiad gwall tebyg neu well o gymharu â systemau NRZ.

Cyhoeddodd Inphi Corporation (sydd bellach yn rhan o Marvell) ddata yn 2020 yn dangos bod eu modiwlau 400G wedi cyflawni cyn-FEC BER o tua 10^-5, y cywirodd eu peiriant FEC i bostio-FEC BER yn well na 10^-15. Roedd hyn yn golygu, at ddibenion ymarferol, nad oedd gwallau trawsyrru bron yn bodoli mewn systemau a ddyluniwyd yn gywir.

 

 

Ystyriaethau seilwaith

 

Dyluniad system optegol modiwlaidd

Mae'r cysyniad o asystem optig modiwlaiddwedi ennill tyniant yn enwedig mewn canolfannau data hyperscale. Mae cwmnïau fel Microsoft a Facebook (Meta) wedi cyhoeddi papurau gwyn sy'n disgrifio sut mae dyluniadau modiwlaidd yn caniatáu iddynt wneud y gorau o wahanol rannau o'r llwybr optegol ar wahân. Er enghraifft, efallai y bydd canolfan ddata yn defnyddio modiwlau -cyrraedd amlfodd byr ar gyfer cysylltiadau rac mewnol (lle mae'r gost yn bwysicach na pherfformiad absoliwt) a modiwlau modd sengl ar gyfer cysylltiadau adeiladu rhyng-rac neu ryng{6} (lle mae perfformiad yn hollbwysig).

Mae'r dull modiwlaidd hwn wedi helpu i leihau cyfraddau gwallau system cyffredinol oherwydd gellir optimeiddio pob math o gysylltiad ar gyfer ei achos defnydd penodol. Dywedir bod canolfan ddata Microsoft yn Quincy, Washington wedi gweld gostyngiad o 40% mewn gwallau cyswllt ar ôl trosglwyddo i seilwaith optegol modiwlaidd llawn yn 2018.

Gweithrediadau panel clwt

Paneli clwt ffibr optig modiwlaiddhefyd wedi cyfrannu at leihau gwallau, er bod eu heffaith yn aml yn cael ei hanwybyddu. Yn hanesyddol, roedd cysylltiadau corfforol gwael mewn paneli patsh yn cyfrif am 15-20% o wallau cyswllt optegol yn ôl astudiaeth 2012 gan Corning. Mae paneli clwt modiwlaidd modern gyda chynlluniau cysylltwyr gwell (yn enwedig cysylltwyr LC a MPO/MTP) wedi lleihau hyn yn sylweddol.

Roedd cyflwyno cysylltwyr gwthio{0}}tab LC o gwmpas 2005 yn arbennig o bwysig-roedd y cysylltwyr hyn yn darparu colled mewnosod a dychwelyd mwy cyson o gymharu â chynlluniau clicied cynharach, a allai ddod yn rhydd dros amser oherwydd dirgryniadau mewn amgylcheddau canolfannau data.

 

Manylebau a safonau technegol

 

Mae gwahanol gyrff safonau wedi sefydlu manylebau sy'n mynd i'r afael yn uniongyrchol â lleihau gwallau. Mae gweithgor IEEE 802.3, er enghraifft, yn pennu gofynion BER uchaf ar gyfer gwahanol gyflymderau Ethernet. Ar gyfer 100GBASE-SR4 (gweithrediad amlfodd cyffredin), nid yw'r safon yn gofyn am BER ddim gwaeth na 10^-12 ar allbwn y datgodiwr FEC, sy'n cyfateb i ddim gwallau yn ystod gweithrediad arferol.

Mae'r Fforwm Gwaith Rhyngrwyd Optegol (OIF) wedi bod yn arbennig o weithgar wrth ddiffinio rhyngwynebau sy'n lleihau gwallau. Mae eu Cytundebau Gweithredu ar gyfer CEI-28G a CEI-56G yn nodi nodweddion trydanol manwl gan gynnwys jitter, crosstalk, a cholled dychwelyd - pob un ohonynt yn effeithio ar gyfraddau gwallau pan na chânt eu rheoli'n iawn.

Mae'n werth nodi, er bod safonau'n pennu isafswm perfformiad, mae modiwlau masnachol yn aml yn rhagori ar y gofynion hyn. Canfu arolwg yn 2019 o fodiwlau gan weithgynhyrchwyr mawr (Finisar, Lumentum, II-VI) fod modiwlau masnachol nodweddiadol yn gweithredu 2-3 dB yn well na’r gyllideb optegol ofynnol, gan ddarparu elw sylweddol yn erbyn gwallau.

 

Profiad ymarferol o leoli

 

Mae gosodiadau byd go iawn wedi dangos, er bod modiwlau optegol yn darparu gostyngiad rhagorol mewn gwallau mewn theori, mae gosod a chynnal a chadw priodol yn parhau i fod yn hollbwysig. Canfu astudiaeth yn 2017 o ddarparwr telathrebu mawr yng Ngogledd America fod tua 80% o wallau cyswllt optegol wedi’u holrhain yn y pen draw i:

Cysylltwyr budr (31%)

Difrod ffibr (23%)

Gosod modiwl anghywir (14%)

Cyfuniadau modiwl/ffibr anghydnaws (12%)

Mae hyn yn amlygu mai dim ond rhan o'r hafaliad lleihau gwall yw'r modiwl optegol ei hun. Canfu'r un astudiaeth, ar ôl gweithredu protocol glanhau trylwyr a rhaglen hyfforddi technegwyr, bod cyfradd gwallau'r rhwydwaith wedi gostwng 67% heb newid unrhyw fodiwlau.

 

Datblygiadau yn y dyfodol

 

Mae ymchwil i gyfraddau gwallau is fyth yn parhau. Mae siapio cytser tebygol, sy'n gwneud y gorau o'r dosbarthiad signal ar gyfer nodweddion y sianel, wedi dangos addewid mewn profion labordy. Dangosodd canlyniadau a gyhoeddwyd gan Nokia Bell Labs yn 2021 welliannau BER o 1-2 dB gan ddefnyddio'r dechneg hon, a fyddai'n trosi i drosglwyddiad hyd yn oed yn fwy dibynadwy.

Mae integreiddio algorithmau dysgu peiriant ar gyfer cynnal a chadw rhagfynegol hefyd yn dangos potensial. Trwy ddadansoddi patrymau yng nghyfraddau gwallau cyn-FEC a data diagnostig sydd ar gael o fodiwlau modern, gall y systemau hyn ragweld methiannau sydd ar ddod oriau neu ddyddiau ymlaen llaw, gan ganiatáu amnewid rhagweithiol cyn i wasanaeth-sy'n effeithio ar wallau ddigwydd.