Optiniai moduliai sumažina perdavimo klaidas

 

Optiniai moduliaitapo esminiais šiuolaikinės telekomunikacijų infrastruktūros komponentais, visų pirma dėl jų gebėjimo žymiai sumažinti perdavimo klaidas, palyginti su tradicinėmis vario{0}}sistemomis. Šių modulių kūrimas buvo rimtai pradėtas 1990-ųjų pabaigoje, kai tokios įmonės kaip Cisco ir Lucent Technologies pradėjo susidurti su duomenų vientisumo problemomis dėl varinių jungčių, kurių greitis viršija 1 Gbit/s.

 

 

Istorinė raida ir klaidų taisymas

 

Pirmoji kartašviesolaidiniai moduliaipristatyti apie 1998–2000 m., parodė maždaug 60 % mažiau bitų klaidų nei jų variniai analogai lygiaverčiais atstumais. Šis pagerėjimas atsirado dėl šviesolaidžio atsparumo elektromagnetiniams trukdžiams (EMI) ir radijo dažnių trukdžiams (RFI), kurie kenkė varinėms sistemoms duomenų centrų aplinkoje, kur arti veikė šimtai serverių.

Ankstyvieji diegimai buvo gana paprastioptinis moduliatoriusdizainas, pagrįstas tiesioginiu Fabry{0}}Pérot lazerių moduliavimu. Šie moduliai pasiekė maždaug 10^-12 bitų klaidų dažnį (BER), kuris tuo metu buvo laikomas puikiu, bet nepakankamu šiuolaikiniams reikalavimams. 2003 m. pradėjus naudoti paskirstyto grįžtamojo ryšio (DFB) lazerius, šis skaičius pagerintas iki 10^-15, todėl tolimojo perdavimo dažnis tapo praktiškesnis.

 

SFP šeima ir klaidų mažinimo mechanizmai

 

„Small Form{0}}factor Pluggable“ specifikacija, kuri sukūrė plačiai-priimtąsfp optinis siųstuvas-imtuvas2001 m. viešai išleistas buvo didelis pažanga. Iš pradžių sukurtas konsorciumo, kuriame dalyvavo „Finisar“, „Agilent“ ir AMP, SFP standartas suteikė standartizuotą „hot{1}}prijungiamą sąsają, kuri leido užtikrinti geresnį signalo vientisumą dėl patobulinto elektros dizaino.

Gigabito diegimas

Thegigabit sfp siųstuvas-imtuvastapo ypač svarbiu įmonių tinklų kūrimui. 2004 m. nepriklausomų laboratorijų atlikti bandymai parodė, kad tinkamai įdiegti SFP moduliai gali išlaikyti perdavimą be klaidų - (nulis klaidų per 24-val. bandymo laikotarpius) iki 10 kilometrų atstumu, naudojant vienmodį šviesolaidį. Tai buvo revoliucinė, palyginti su variniu Gigabit Ethernet, kuris buvo apribotas iki 100 metrų ir vis tiek retkarčiais pasitaikydavo klaidų dėl skersinio pokalbio.

Thešviesolaidinis sfp modulisdizainas apima keletą klaidų{0}}mažinimo funkcijų:

Temperatūra{0}}kompensuojamos lazerinės tvarkyklės, palaikančios pastovią išėjimo galią

Pažangios imtuvų grandinės su adaptyviu išlyginimu

Integruotas{0}}diagnostikos stebėjimas (dažnai vadinamas skaitmeniniu diagnostikos stebėjimu arba DDM)

Patobulintas korpusas, užtikrinantis geresnį EMI ekranavimą

 

Siųstuvas-imtuvasevoliucija ir klaidų taisymas

 

Vystymasisoptinio modulio siųstuvas-imtuvasišgyveno keletą skirtingų etapų. Apie 2007 m Iš pradžių tai buvo prieštaringa, nes tai padidino sąnaudas ir energijos sąnaudas, tačiau įdiegus vietoje, nepataisomų klaidų skaičius smarkiai sumažėjo{5}}kai kurie operatoriai pranešė apie 90 % mažiau nuorodų gedimų pritaikę modulius su FEC.

Viena įdomi raida buvošviesolaidinis imtuvo modulissu nuosekliu aptikimu, kuris buvo pradėtas rodyti komerciniuose produktuose apie 2010 m. Skirtingai nuo tradicinių tiesioginio -aptikimo sistemų, nuoseklūs imtuvai gali atkurti tiek amplitudės, tiek fazės informaciją, efektyviai padvigubinti perduodamų duomenų kiekį, išlaikant panašų klaidų lygį. Ankstyviausi komerciniai diegimai buvo povandeninių kabelių sistemose, kur net nedideli klaidų lygio patobulinimai galėjo panaikinti brangios regeneravimo įrangos poreikį.

 

Šiuolaikiniai didelės spartos{0}}diegimai

 

Skaitmeninio optinio modulio technologija

Atsiradimasskaitmeninis optinis modulisapie 2015 m. buvo dar vienas reikšmingas žingsnis į priekį. Šiuose moduliuose buvo skaitmeninių signalų procesoriai (DSP), kurie galėjo atlikti klaidų analizę realiuoju laiku ir adaptyvųjį išlyginimą. Ankstyvosios versijos iš kompanijų, tokių kaip Acacia Communications ir NeoPhotonics, parodė, kad DSP{4}}įgalinti moduliai gali veikti 100 G greičiu, o BER yra geresnis nei 10^-15, net ir didesniais nei 1000 kilometrų atstumais, o tai būtų buvę neįmanoma naudojant tik analoginį dizainą.

Thesfp modulis optinistechnologija taip pat vystėsi įtraukdama mažesnius formos veiksnius. SFP28 specifikacija, ratifikuota 2014 m., palaikė 25 Gbit/s vienoje juostoje išlaikant tokias pačias klaidų taisymo galimybes kaip ir didesni moduliai. Tai buvo pasiekta naudojant keletą naujovių:

Patobulintas lazerio čirškėjimo valdymas

Geresnė chromatinės dispersijos kompensacija

Sudėtingesnės laikrodžio atkūrimo grandinės

Pagrindinių debesijos paslaugų teikėjų lauko duomenys (nors paprastai neskelbtini) rodo, kad SFP28 diegimas 2016–2017 m. vidutinis laikas tarp gedimų (MTBF) viršijo 10 metų, o perdavimo klaidos buvo gedimo priežastis mažiau nei 2 % atvejų.

400G ir daugiau

The400g optinis modulisatspindi dabartinę klaidų mažinimo-pažangą--. Šie moduliai, pradėti komerciškai diegti maždaug 2019 m., paprastai naudoja 8 juostas, kurių kiekvienas yra 50 G, arba 4 juostas 100 G. Perėjimas prie PAM-4 moduliacijos (vietoj tradicinio NRZ) iš pradžių sukėlė susirūpinimą dėl klaidų dažnio, nes PAM-4 turi mažesnę skirtumą tarp signalo lygių. Tačiau DSP technologijos pažanga ir stipresnių FEC kodų (ypač RS(544,514) FEC) įdiegimas iš tikrųjų lėmė panašų arba geresnį klaidų našumą, palyginti su NRZ sistemomis.

2020 m. „Inphi Corporation“ (dabar „Marvell“ dalis) paskelbė duomenis, rodančius, kad jų 400G moduliai iki -FEC BER buvo maždaug 10^-5, o jų FEC variklis pakoregavo į -FEC BER geresnį nei 10^-15. Tai reiškė, kad praktiniais tikslais tinkamai suprojektuotose sistemose perdavimo klaidų beveik nebuvo.

 

 

Infrastruktūros svarstymai

 

Modulinės optinės sistemos projektavimas

Sąvoka amodulinė optikos sistemaįgijo trauką, ypač didelio masto duomenų centruose. Tokios įmonės kaip „Microsoft“ ir „Facebook“ („Meta“) paskelbė baltąsias knygas, kuriose aprašoma, kaip modulinis dizainas leidžia joms atskirai optimizuoti skirtingas optinio kelio dalis. Pavyzdžiui, duomenų centre gali būti naudojami trumpo-daugio režimo moduliai, skirti jungties-vidiniam stelažui (kai kaina yra svarbesnė už absoliutų našumą), ir vieno-režimo moduliai, skirti jungtims tarp-stelažų arba tarp{6}}pastatymo (kur našumas yra svarbiausias).

Šis modulinis metodas padėjo sumažinti bendrą sistemos klaidų skaičių, nes kiekvienas ryšio tipas gali būti optimizuotas pagal konkrečią naudojimo atvejį. Pranešama, kad „Microsoft“ duomenų centre Kvinsyje, Vašingtone, 2018 m. perėjus prie visiškai modulinės optinės infrastruktūros, nuorodų klaidų sumažėjo 40 proc.

Patch skydelio diegimas

Modulinės šviesolaidinės plokštėstaip pat prisidėjo prie klaidų mažinimo, nors jų poveikis dažnai nepastebimas. Remiantis 2012 m. Corning tyrimu, prastos fizinės jungtys prie pataisų skydelių istoriškai sudarė 15–20 % optinių ryšių klaidų. Šiuolaikinės modulinės plokštės su patobulinta jungčių konstrukcija (ypač LC ir MPO/MTP jungtimis) tai gerokai sumažino.

Push{0}}pull tab LC jungčių pristatymas apie 2005 m. buvo ypač svarbus,-šios jungtys užtikrino nuoseklesnį įterpimo ir grąžinimo praradimą, palyginti su ankstesniais užraktu{3}}pagrįstais dizainais, kurie laikui bėgant galėjo atsilaisvinti dėl vibracijos duomenų centro aplinkoje.

 

Techninės specifikacijos ir standartai

 

Įvairios standartų institucijos nustatė specifikacijas, kurios tiesiogiai sprendžia klaidų mažinimą. Pavyzdžiui, IEEE 802.3 darbo grupė nustato didžiausius BER reikalavimus skirtingiems Ethernet greičiams. 100GBASE-SR4 (įprastas kelių režimų diegimas) standartas reikalauja, kad BER FEC dekoderio išvestyje būtų ne blogesnis nei 10^-12, o tai reiškia, kad normaliai veikiant klaidų nėra.

Optinio interneto darbo forumas (OIF) buvo ypač aktyvus nustatant sąsajas, kurios sumažina klaidas. Jų CEI-28G ir CEI-56G įgyvendinimo sutartyse nurodytos išsamios elektrinės charakteristikos, įskaitant virpesį, skersinį pokalbį ir grąžinimo praradimą – visa tai daro įtaką klaidų dažniui, kai nėra tinkamai kontroliuojama.

Verta paminėti, kad nors standartai nurodo minimalų našumą, komerciniai moduliai dažnai viršija šiuos reikalavimus. 2019 m. atlikta didžiųjų gamintojų (Finisar, Lumentum, II-VI) modulių apklausa parodė, kad įprasti komerciniai moduliai veikė 2–3 dB geriau nei minimalus reikalaujamas optinis biudžetas, todėl buvo gerokai apsisaugota nuo klaidų.

 

Praktinė diegimo patirtis

 

Realus{0}}pasaulio diegimas parodė, kad nors optiniai moduliai teoriškai puikiai sumažina klaidas, tinkamas įrengimas ir priežiūra išlieka labai svarbūs. 2017 m. atliktas didelio Šiaurės Amerikos telekomunikacijų paslaugų teikėjo tyrimas parodė, kad maždaug 80 % optinio ryšio klaidų galiausiai buvo atsektos dėl:

Nešvarios jungtys (31 %)

pluošto pažeidimas (23 %)

Neteisingas modulio montavimas (14%)

Nesuderinami modulio / pluošto deriniai (12 %)

Tai pabrėžia, kad pats optinis modulis yra tik klaidų mažinimo lygties dalis. Tame pačiame tyrime nustatyta, kad įgyvendinus griežtą valymo protokolą ir technikų mokymo programą, tinklo klaidų lygis sumažėjo 67%, nekeičiant jokių modulių.

 

Būsimi pokyčiai

 

Dar mažesnio klaidų lygio tyrimai tęsiami. Tikimybinis žvaigždyno formavimas, optimizuojantis signalo pasiskirstymą pagal kanalo charakteristikas, buvo perspektyvus laboratoriniais tyrimais. 2021 m. paskelbti „Nokia Bell Labs“ rezultatai parodė, kad naudojant šią techniką BER pagerėjo 1–2 dB, o tai reiškia dar patikimesnį perdavimą.

Mašininio mokymosi algoritmų integravimas nuspėjamai priežiūrai taip pat rodo potencialą. Analizuodamos išankstinių -FEC klaidų dažnių ir šiuolaikinių modulių diagnostikos duomenų šablonus, šios sistemos gali numatyti gresiančius gedimus prieš kelias valandas ar dienas, todėl galima aktyviai pakeisti prieš įvykstant techninei priežiūrai-veikiančioms klaidoms.