Оптички модули смањују грешке у преносу

 

Оптички модулису постале суштинске компоненте у савременој телекомуникационој инфраструктури, пре свега због своје способности да значајно смање грешке у преносу у поређењу са традиционалним системима заснованим на бакру{0}}. Развој ових модула почео је озбиљно током касних 1990-их, када су компаније попут Цисцо и Луцент Тецхнологиес почеле да имају проблеме са интегритетом података са бакарним интерконекцијама при брзинама већим од 1 Гбит/с.

 

 

Историјски развој и исправљање грешака

 

Прва генерацијаоптичких модулауведени око 1998-2000. показали су приближно 60% мање грешака у битовима од њихових бакарних колега на еквивалентним удаљеностима. Ово побољшање је проистекло из отпорности оптичких влакана на електромагнетне сметње (ЕМИ) и радиофреквентне сметње (РФИ), које су мучиле бакарне системе у окружењима центара података у којима су стотине сервера радиле у непосредној близини.

Ране имплементације су коришћене релативно једноставнооптички модулатордизајни засновани на директној модулацији Фабри-Перот ласера. Ови модули су постигли стопе грешке у битовима (БЕР) од око 10^-12, што се сматрало одличним у то време, али недовољно за савремене захтеве. Увођење ласера ​​са дистрибуираном повратном спрегом (ДФБ) 2003. побољшало је ово на 10^-15, чинећи пренос на велике удаљености практичнијим.

 

СФП породица и механизми смањења грешака

 

Спецификација мале величине{0}}Плуггабле, која је произвела -широко прихваћенесфп оптички примопредајник, представљао је велики напредак када је јавно објављен 2001. године. Првобитно развијен од стране конзорцијума који је укључивао Финисар, Агилент и АМП, СФП стандард је обезбедио стандардизовани интерфејс који се може-прикључити који је омогућио бољи интегритет сигнала кроз побољшани електрични дизајн.

Гигабитне имплементације

Тхегигабитни сфп примопредајникпостало посебно важно за умрежавање предузећа. Тестови које су спровеле независне лабораторије 2004. године су показале да правилно примењени СФП модули могу да одржавају-пренос без грешака (нула грешака током 24-тестних периода) на удаљеностима до 10 километара коришћењем једномодног влакна. Ово је било револуционарно у поређењу са бакарним Гигабит Етхернетом, који је био ограничен на 100 метара и још увек је имао повремене грешке због преслушавања.

Тхеоптички сфп модулдизајн је укључио неколико функција{0}}смањивања грешака:

Ласерски драјвери са{0}}компензацијом температуре који су одржавали конзистентну излазну снагу

Напредна кола пријемника са адаптивним еквилизацијом

Уграђено{0}}дијагностичко праћење (често се назива дигитално дијагностичко праћење или ДДМ)

Побољшано кућиште које је обезбедило бољу ЕМИ заштиту

 

Трансцеивереволуција и исправљање грешака

 

Развојоптички модул примопредајникпрошао је кроз неколико различитих фаза. Отприлике 2007-2008, произвођачи су почели да уграђују унапред исправљање грешака (ФЕЦ) директно у модуле. Ово је у почетку било контроверзно јер је повећало трошкове и потрошњу енергије, али је примена на терену показала драматично смањење грешака које се нису могле исправити-неки оператери су пријавили 90% мање кварова везе након усвајања модула са омогућеним ФЕЦ.

Један занимљив развој био јемодул пријемника са оптичким влакнимаса кохерентном детекцијом, која је почела да се појављује у комерцијалним производима око 2010. За разлику од традиционалних система за директну-детекцију, кохерентни пријемници могу да поврате информације о амплитуди и фази, ефективно удвостручујући количину пренетих података уз одржавање сличних стопа грешака. Најраније комерцијалне примене биле су у подморским кабловским системима, где би чак и мала побољшања у стопама грешака могла елиминисати потребу за скупом опремом за регенерацију.

 

Модерне{0}}имплементације велике брзине

 

Технологија дигиталног оптичког модула

Појава надигитални оптички модулоко 2015. означио је још један значајан корак напред. Ови модули су укључивали процесоре дигиталних сигнала (ДСП) који су могли да обављају-анализу грешака у реалном времену и адаптивно еквилизацију. Ране верзије компанија као што су Ацациа Цоммуницатионс и НеоПхотоницс показале су да модули са омогућеним ДСП-ом могу да раде при брзини од 100Г са БЕР бољим од 10^-15 чак и на удаљеностима већим од 1000 километара, што би било немогуће са дизајном само за аналогне.

Тхесфп модул оптичкитехнологија је такође еволуирала тако да укључује мање факторе облика. Спецификација СФП28, ратификована 2014. године, подржавала је 25 Гбит/с по траци уз задржавање истих могућности исправљања грешака као код већи модула. Ово је постигнуто кроз неколико иновација:

Побољшано управљање ласерским цврчањем

Боља компензација хроматске дисперзије

Софистициранија кола за опоравак такта

Подаци са терена од главних добављача облака (иако се обично не објављују) сугеришу да је примена СФП28 у 2016-2017 постигла средње време између отказа (МТБФ) које прелази 10 година, при чему се грешке преноса као узрок квара јављају у мање од 2% случајева.

400Г и више

Тхе400г оптички модулпредставља тренутно стање--уметности-у редукцији грешака. Ови модули, који су почели са комерцијалном применом око 2019. године, обично користе или 8 трака на 50Г свака или 4 траке на 100Г. Прелазак на ПАМ-4 модулацију (уместо традиционалног НРЗ) у почетку је изазвао забринутост у вези са стопама грешке, пошто ПАМ-4 има мању маргину између нивоа сигнала. Међутим, напредак у ДСП технологији и имплементација јачих ФЕЦ кодова (посебно РС(544,514) ФЕЦ) је заправо резултирао сличним или бољим перформансама грешке у поређењу са НРЗ системима.

Корпорација Инпхи (сада део Марвела) објавила је податке 2020. који показују да су њихови 400Г модули постигли пре-ФЕЦ БЕР од приближно 10^-5, што је њихов ФЕЦ механизам исправио да постави-ФЕЦ БЕР бољи од 10^-15. То је значило да су у практичне сврхе грешке у преносу постале готово непостојеће у правилно дизајнираним системима.

 

 

Инфраструктурна разматрања

 

Дизајн модуларног оптичког система

Концепт амодуларни оптички системје добио на снази посебно у хиперскаларним центрима података. Компаније као што су Мицрософт и Фацебоок (Мета) објавиле су беле књиге у којима се описује како им модуларни дизајн омогућава да одвојено оптимизују различите делове оптичке путање. На пример, центар података може да користи вишемодне модуле кратког{2}}домета за везе унутар-рекова (где је цена важнија од апсолутних перформанси) и модуле са једним{4}}модулом за везе између-рекова или међу{6}}конекцијама (где је учинак најважнији).

Овај модуларни приступ је помогао у смањењу укупних стопа грешака система јер се сваки тип везе може оптимизовати за свој специфични случај употребе. Мицрософтов центар података у Квинсију у Вашингтону је наводно забележио 40% смањење грешака у вези након преласка на потпуно модуларну оптичку инфраструктуру 2018.

Имплементације патцх панела

Модуларни оптички патцх панелитакође су допринеле смањењу грешака, иако се њихов утицај често занемарује. Лоше физичке везе на патцх панелима су историјски чиниле 15-20% грешака оптичке везе према Цорнинг студији из 2012. године. Модерни модуларни патцх панели са побољшаним дизајном конектора (посебно ЛЦ и МПО/МТП конектори) су ово значајно смањили.

Увођење ЛЦ конектора са -повлачењем ЛЦ конектора око 2005. године било је посебно важно-ови конектори су обезбедили конзистентније губитке при уметању и повратне губитке у поређењу са ранијим дизајном заснованим на рези-, који би временом могли да се олабаве услед вибрација у окружењу центара података.

 

Техничке спецификације и стандарди

 

Различита тела за стандарде су успоставила спецификације које се директно баве смањењем грешака. ИЕЕЕ 802.3 радна група, на пример, наводи максималне БЕР захтеве за различите Етхернет брзине. За 100ГБАСЕ-СР4 (уобичајена вишемодна имплементација), стандард захтева БЕР не гори од 10^-12 на излазу ФЕЦ декодера, што се преводи на нула грешака током нормалног рада.

Оптицал Интернетворкинг Форум (ОИФ) је био посебно активан у дефинисању интерфејса који минимизирају грешке. Њихови споразуми о примени за ЦЕИ-28Г и ЦЕИ-56Г наводе детаљне електричне карактеристике укључујући подрхтавање, преслушавање и повратне губитке – све то утиче на стопе грешака када се не контролише правилно.

Вреди напоменути да иако стандарди одређују минималне перформансе, комерцијални модули често превазилазе ове захтеве. Истраживање модула главних произвођача из 2019. (Финисар, Лументум, ИИ-ВИ) показало је да типични комерцијални модули раде 2-3 дБ боље од минималног потребног оптичког буџета, пружајући значајну маргину против грешака.

 

Практично искуство у примени

 

Примене у стварном-светском свету су показале да, иако оптички модули обезбеђују одлично смањење грешака у теорији, правилна инсталација и одржавање остају критични. Студија из 2017. године великог северноамеричког телекомуникационог провајдера открила је да је отприлике 80% грешака оптичке везе на крају праћено:

Прљави конектори (31%)

Оштећење влакана (23%)

Нетачна инсталација модула (14%)

Некомпатибилне комбинације модула/влакна (12%)

Ово наглашава да је сам оптички модул само део једначине за смањење грешке. Иста студија је открила да је након имплементације ригорозног протокола чишћења и програма обуке техничара, стопа грешке мреже опала за 67% без промене модула.

 

Будућа дешавања

 

Истраживање још нижих стопа грешака се наставља. Пробабилистичко обликовање констелације, које оптимизује дистрибуцију сигнала за карактеристике канала, показало се обећавајућим у лабораторијским тестовима. Објављени резултати из Нокиа Белл Лабс-а 2021. показали су побољшање БЕР-а од 1-2 дБ коришћењем ове технике, што би значило још поузданији пренос.

Интеграција алгоритама машинског учења за предиктивно одржавање такође показује потенцијал. Анализом образаца у пре-ФЕЦ стопама грешака и дијагностичким подацима доступним из савремених модула, ови системи могу предвидети предстојеће кварове сатима или данима унапред, омогућавајући проактивну замену пре него што дође до грешака које утичу на сервис{2}}.