Vieno režimo šviesolaidiniai siųstuvai-imtuvai yra gaminami nuotoliui

 

Vieno režimo šviesolaidiniai siųstuvai-imtuvai yra sukurti taip, kad, naudojant specializuotus bangos ilgius ir lazerių technologijas, perduotų duomenis nuo 2 kilometrų iki daugiau nei 120 kilometrų. Šie įrenginiai daugiausia veikia 1310 nm ir 1550 nm bangos ilgiuose, o atstumo klasifikacijos apima LR (ilgas pasiekiamumas, 10 km), ER (išplėstinis pasiekiamumas, 40 km) ir ZR (iki 80 km ar daugiau).

 

 

Vieno režimo šviesolaidinio siųstuvo-imtuvo technologijos supratimas

 

Vienmodžiai siųstuvai-imtuvai iš esmės skiriasi nuo savo daugiamodių analogų šerdies skersmeniu ir šviesos sklidimu. Veikiant 9 mikrometrų -šerdies skersmeniui, žymiai mažesniam nei daugiamodžių 50-62,5 mikrometrų, šie vienmodžiai šviesolaidiniai siųstuvai-imtuvai leidžia šviesolaidžiu sklisti tik vieno režimo šviesai. Ši konstrukcija pašalina modalinę dispersiją, pagrindinį veiksnį, ribojantį perdavimo atstumą daugiamodėse sistemose.

Vienmodžio šviesolaidinio siųstuvo-imtuvo technologijos fizika sutelkta į signalo vientisumo palaikymą dideliais atstumais. Kai šviesa sklinda per siaurą šerdį, ji iš esmės eina vienu tiesioginiu keliu, o ne atsimuša keliais kampais. Šis tiesus{2}}linijos sklidimas sumažina signalo pablogėjimą ir įgalina nepaprastas atstumo galimybes, kurios apibrėžia šiuos siųstuvus-imtuvus.

Bangos ilgio pasirinkimas vaidina lemiamą vaidmenį optimizuojant atstumą. 1310 nm bangos ilgis patiria minimalią chromatinę dispersiją, todėl idealiai tinka vidutiniam-atstumui iki 40 kilometrų. Tuo tarpu 1550 nm bangos ilgis pasižymi mažesniu slopinimu-maždaug 0,2 dB/km, palyginti su 0,35 dB/km, esant 1310 nm

 

Vienmodžio šviesolaidinio siųstuvo-imtuvo atstumo klasifikacijos

 

LR (Long Reach) siųstuvai-imtuvai

LR siųstuvai-imtuvai yra metropolinių tinklų ir universiteto miestelio ryšio standartas. Šie moduliai, veikiantys 1310 nm bangos ilgiu, palaiko iki 10 kilometrų atstumus per standartinį vienmodį skaidulą. 10GBASE-LR specifikacija, plačiai pritaikyta 10 gigabitų eterneto programoms, naudoja paskirstytojo grįžtamojo ryšio lazerio (DFB) technologiją, kad išlaikytų signalo kokybę visame atstumo diapazone.

LR modulių galios biudžeto skaičiavimai paprastai suteikia 15 dB optinių nuostolių, atsižvelgiant į skaidulų slopinimą, jungčių nuostolius ir sujungimus. Ši paraštė užtikrina patikimą veikimą net su keliomis pataisų plokštėmis ir jungtimis išilgai ryšio kelio. LR siųstuvų-imtuvai kainuoja daug pigiau nei išplėstinio{3}}pasiekimo alternatyvos, todėl jie yra tinkamiausias pasirinkimas daugeliui duomenų centrų sujungimo 10 kilometrų atstumu.

ER (Extended Reach) siųstuvai-imtuvai

ER siųstuvų-imtuvų pajėgumas išplečiamas iki 40 kilometrų, naudojant 1550 nm bangos ilgį ir išoriškai moduliuotą lazerio (EML) technologiją. Šie moduliai plačiai pritaikomi didmiesčių tinkluose, jungiančiuose geografiškai paskirstytus duomenų centrus ir telekomunikacijų įrenginius. 10GBASE-ER standartas palaiko 10 Gb/s našumą visose sukurtose šviesolaidinėse sąsajose iki 40 kilometrų.

Techninis įgyvendinimas reikalauja kruopštaus dėmesio galios lygiams. ER siųstuvai-imtuvai generuoja žymiai didesnę išėjimo galią nei LR moduliai, todėl trumpesnėms nei 20 kilometrų nuorodoms reikalingi optiniai slopintuvai, kad būtų išvengta imtuvo prisotinimo. Ši charakteristika atspindi esminį-išlygą: didesnė galia leidžia pasiekti ilgesnį laiką, tačiau trumpesni ryšiai tampa sudėtingesni.

ZR (Extended Range) siųstuvai-imtuvai

ZR siųstuvai-imtuvai išplečia ribas iki 80 kilometrų ir toliau, nors jie veikia už IEEE standarto ribų. Naudodami 1550 nm bangos ilgį ir labai didelę perdavimo galią, ZR moduliai įgalina ilgalaikius ryšius tarp miestų ir metropolinių zonų. 10GBASE-ZR variantas palaiko 10 Gbps duomenų perdavimo spartą per šiuos išplėstinius intervalus.

Norint įdiegti ZR optiką, reikia kruopštaus pluošto apibūdinimo. Ryšių biudžetuose turi būti atsižvelgiama į tikslų skaidulų slopinimą, jungties kokybę ir aplinkos veiksnius. Daugelis operatorių, prieš įdiegdami ZR modulius, atlieka optinio laiko{2}}domeno reflektometro (OTDR) bandymus, kad patikrintų, ar pluošto gamykla palaiko programą. Labai didelė lazerio galia reikalauja didelio slopinimo bet kokiam ryšiui iki 40 kilometrų.

 

Rinkos augimas ir pramonės taikymas

 

Optinių siųstuvų-imtuvų rinka demonstruoja tvirtą plėtrą, o vieno režimo variantai užima didelę dalį. Rinkos tyrimai rodo, kad pasaulinis optinių siųstuvų-imtuvų sektorius 2024 m. pasiekė 12,6 mlrd. USD, o prognozės rodo, kad iki 2033 m. jis išaugs iki 34,9 mlrd. 2024 m. vienmodžiai siųstuvai-imtuvai užėmė 57 % rinkos, o tai rodo, kad jie dominuoja tolimojo{9}}programavimo įrenginiuose.

Duomenų centrai sudaro didžiausią taikomųjų programų segmentą – 2024 m. jiems tenka 61 % optinių siųstuvų-imtuvų poreikio. Hiperskalės operatoriai, įskaitant „Amazon Web Services“, „Microsoft Azure“ ir „Google Cloud drive“, įdiegia 400G ir 800G vienmodžių šviesolaidinių siųstuvų-imtuvus, skirtus duomenų centrų sujungimo programoms. Šie įrenginiai reikalauja patikimo ryšio tarp geografiškai paskirstytų vietovių, o atstumai dažnai viršija daugiamodės skaidulos galimybes.

Telekomunikacijų tinklai yra antra pagrindinė taikymo sritis. Pasaulinis 5G diegimas pagreitina vieno režimo siųstuvų-imtuvų paklausą priekinio, vidutinio nuotolio ir atgalinio perdavimo infrastruktūroje. Mobiliojo ryšio tinklo operatoriai reikalauja didelio-pralaidumo, mažos-delsos ryšio tarp mobiliojo ryšio bokštų, kraštinių skaičiavimo mazgų ir pagrindinių tinklų-programų, puikiai tinkančių vieno režimo technologijos ilgo- pasiekiamumo savybėms.

Šiaurės Amerika pirmauja regioniniame diegime, 2024 m. užėmusi 36 % rinkos, kurią lėmė didelė duomenų centrų infrastruktūra ir agresyvi 5G tinklo plėtra. Atidžiai seka Azijos Ramiojo vandenyno regionas, kurio dalis yra 38 %, o didžiausias augimo tempas – 16,47 % CAGR, kurį skatina Kinijos vidaus tiekimo grandinės plėtra ir spartus skaitmeninės infrastruktūros kūrimas Indijoje, Japonijoje ir Pietų Korėjoje.

 

Formos veiksniai ir greičio raida

 

Vieno režimo siųstuvai-imtuvai naudojami įvairiuose formos faktoriuose, kurių kiekvienas yra optimizuotas tam tikram prievado tankiui ir duomenų perdavimo spartai. SFP (Small Form-Factor Pluggable) moduliai palaiko 1 Gbps spartą ir integruojami į didelio-tankio jungiklių konfigūracijas su LC dvipusėmis jungtimis. Šie moduliai tebėra paplitę įmonių tinkluose ir šviesolaidinio-į-namų diegimo įrenginiuose, kur 1 Gigabit Ethernet užtikrina pakankamą pralaidumą.

SFP+ siųstuvai-imtuvai patobulina iki 10 Gbps, naudodami tą patį kompaktišką plotą kaip ir SFP. 10 Gb/s slenkstis rodo posūkio tašką, kai vienas režimas tampa ekonomiškai konkurencingas su kelių režimų daugeliu programų. SFP+ moduliai dominuoja 10 gigabitų eterneto diegimuose tiek duomenų centruose, tiek telekomunikacijų tinkluose, o variantai apima visą LR/ER/ZR atstumo spektrą.

Didesnės spartos{0}} formatai, įskaitant QSFP28 (100 Gb/s), QSFP56 (200 Gb/s) ir QSFP-DD (400 Gb/s), tęsia evoliuciją. Šiuose moduliuose naudojamos kelios optinės juostos, -paprastai 4 arba 8 kanalai-, kiekviena juosta veikia 25 Gb/s, 50 Gb/s arba didesniu greičiu, naudojant PAM4 (4 lygio impulsų amplitudės moduliacijos) kodavimą. Šių siųstuvų-imtuvų vieno režimo variantai įgalina 100G, 200G ir 400G perdavimą 10-80 kilometrų atstumu, priklausomai nuo bangos ilgio ir optinės technologijos.

Rinkos tendencija link 800G modulių paspartėjo 2024 m., kai didelio masto operatoriai įdiegė pradinius kiekius dirbtinio intelekto mokymo grupių sujungimams. Šie siųstuvai-imtuvai atspindi dabartinę našumo ribą, sujungdami aštuonias 100 Gbps juostas su nuoseklia optikos technologija, kad išlaikytų signalo kokybę išplėstuose vienmodio skaidulų diapazonuose.

 

 

Bangos ilgio padalijimo tankinimo plėtiniai

 

CWDM (angl. Coarse Wavelength Division Multiplexing) ir DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) technologijos padaugina vienmodio skaidulų pajėgumą, perduodant kelis bangos ilgius vienu metu vienoje skaidulų poroje. CWDM siųstuvai-imtuvai veikia nuo 1270 nm iki 1610 nm spektre su 20 nm kanalų tarpais, paprastai palaikydami nuo 8 iki 18 bangų ilgių. Šis metodas leidžia palyginti ekonomiškai efektyviai išplėsti didmiesčių tinklų ir duomenų centrų jungčių pajėgumus iki 80 kilometrų.

DWDM žymiai padidina tankį, naudodamas glaudžiai išdėstytus kanalus maždaug 1550 nm{1}}paprastai 50 GHz arba 100 GHz atstumu ITU tinkle. Šiuolaikinės DWDM sistemos palaiko 40, 80 ar net 96 kanalų vienoje skaidulų poroje, o kiekvienas kanalas perduoda 100 G, 200 G arba 400 G duomenų perdavimo spartą. Ši technologija reikalauja tikslaus bangos ilgio valdymo ir temperatūros stabilizavimo, todėl didėja siųstuvo-imtuvo sudėtingumas ir kaina, palyginti su standartiniais vieno režimo moduliais.

Darni optika yra pažangi vieno režimo technologijos riba. Šie siųstuvai-imtuvai moduliuoja ir optinio signalo amplitudę, ir fazę, naudodami sudėtingą skaitmeninį signalo apdorojimą, kad maksimaliai padidintų informacijos tankį ir pasiektų. 400G koherentiniai prijungiamieji įrenginiai gali perduoti 80-120 kilometrų metro atstumu be optinio stiprinimo, o tolimojo susisiekimo variantai pasiekia šimtus kilometrų su tinkama DWDM infrastruktūra.

 

Diegimo svarstymai ir geriausia praktika

 

Norint sėkmingai įdiegti vieno režimo siųstuvą-imtuvą, reikia atkreipti dėmesį į pluošto įrenginio kokybę ir jungties tikslumą. 9-mikrometrų šerdis reikalauja švaros standartų, viršijančių kelių režimų reikalavimus – dėl vienos dulkių dalelės gali smarkiai nutrūkti įterpimas arba visiškai sugesti. Tinkamas skaidulų patikrinimas naudojant mikroskopinius taikiklius prieš kiekvieną jungties sujungimą tampa būtinas, o ne neprivalomas.

Jungčių tipai turi įtakos našumui ir pritaikymui. LC („Lucent Connector“) dvipusis ryšys dominuoja šiuolaikiniuose diegimuose, siūlydamas nedidelį plotą ir patikimą fiksavimo mechanizmą. SC (abonento jungtis) suteikia didesnę, tvirtesnę konstrukciją, tinkamiausią telekomunikacijų programoms ir lauko įrenginiams. MPO/MTP kelių skaidulų jungtys palaiko lygiagrečius optinius siųstuvus-imtuvus, leidžiančius 12 arba 24 skaidulų jungtis vienoje kompaktiškoje sąsajoje.

Pluošto tipo pasirinkimas turi įtakos atstumo galimybėms ir atnaujinimo lankstumui. OS2 vienmodis šviesolaidis atitinka dabartinį standartą, kurio slopinimas ne didesnis kaip 0,4 dB/km esant 1310 nm ir 0,3 dB/km esant 1550 nm. Nejautrūs lenkimo- variantai sumažina makrolenkimo praradimą esant siauram maršruto scenarijui, nors standartinis OS2 pluoštas užtikrina puikų daugelio duomenų centrų ir telekomunikacijų programų veikimą.

Biudžeto planavimo susiejimas apima visus optinių nuostolių šaltinius perdavimo kelyje. Skaidulų slopinimas kaupiasi važiuojant atstumu – 10 kilometrų esant 0,35 dB/km prisideda 3,5 dB nuostolių. Kiekviena jungčių pora prideda 0,3–0,75 dB, priklausomai nuo kokybės. Lydomieji sujungimai sukelia minimalius nuostolius (tipiškai 0,05 dB), o mechaniniai sujungimai gali sukelti 0,2–0,5 dB. Kaupiamasis nuostolis turi neviršyti siųstuvo-imtuvo galios biudžeto, paprastai 15–30 dB, priklausomai nuo pasiekiamumo klasifikacijos.

 

Mokesčių{0}}našumo-kompromisai

 

Vieno režimo siųstuvams-imtuvams taikomos aukščiausios kainos, palyginti su daugiamodėmis alternatyvomis, atspindinčios sudėtingą lazerinę technologiją ir griežtesnes gamybos tolerancijas. 10 GBASE-SR daugiamodis SFP+ modulis, kuriame naudojama VCSEL (vertikalaus-ertmės paviršiaus-spinduliavimo lazerio) technologija, kainuoja 50-150 USD, o lygiavertis 10 GBASE-LR vieno režimo SFP+ su DFB lazeriu veikia 200–400 USD. Šis 2–4 kartų didesnis kainų skirtumas tarp greičio ir formos veiksnių išlieka.

Kainos lygtis pasikeičia, kai atsižvelgiama į bendrą sistemos ekonomiką. Vieno režimo šviesolaidis kainuoja šiek tiek daugiau nei daugiamodis-galbūt 10-15 %, tačiau šis skirtumas nublanksta, palyginti su siųstuvo-imtuvo kainomis. Tačiau viengubas režimas pašalina atstumo apribojimus, o tai gali sumažinti infrastruktūros sąnaudas sumažinant įrangos spintų ir pluošto konsolidavimo taškų, reikalingų dideliuose įrenginiuose, skaičių.

Atnaujinimo lankstumas suteikia dar vieną ekonominį aspektą. Šiandien įdiegtas vieno režimo šviesolaidis palaiko būsimus siųstuvų-imtuvų atnaujinimus nuo 10G iki 100G iki 400G ir daugiau nekeičiant kabelio-šviesolaidžio pralaidumas gerokai viršija bet kokią turimą ar numatomą siųstuvo-imtuvo technologiją. Priešingai, daugiamodis šviesolaidis reikalauja kabelio atnaujinimo, kai pereinama tarp pagrindinių greičio kartų, ypač kai didėja atstumo reikalavimai.

Trečiosios{0}}šalies suderinami siųstuvų-imtuvai iš esmės keičia kainų dinamiką. Su MSA (daugia{2}}šaltinio sutartimi) suderinami nepriklausomų tiekėjų moduliai paprastai kainuoja 50-80 % mažiau nei OĮG prekės ženklo ekvivalentai, išlaikant visišką suderinamumą ir panašų patikimumą. Tai atveria vieno režimo technologiją programoms, kuriose anksčiau dominavo daugiamodis režimas vien dėl išlaidų, ypač 10G ir 25G greičiui.

 

Dažnai užduodami klausimai

 

Koks didžiausias atstumas vienmodžiams šviesolaidiniams siųstuvams-imtuvams?

Standartiniai vieno režimo siųstuvų-imtuvai pasiekia 80 kilometrų (ZR klasifikacija), naudodami 1550 nm bangos ilgį, o specializuoti koherentiniai siųstuvų-imtuvai su optiniu sustiprinimu nukeliauja iki šimtų kilometrų tolimųjų nuotolių{2}}telekomunikacijų programoms.

Ar vieno režimo siųstuvai-imtuvai gali veikti mažesniais atstumais nei jų įvertinimas?

Taip, LR, ER ir ZR siųstuvai-imtuvai veikia mažesniu atstumu nei maksimalus įvertinimas. Tačiau ER moduliams gali prireikti optinių slopintuvų jungtims, kurių ilgis yra mažesnis nei 20 kilometrų, o ZR moduliams reikia slopinimo, kad būtų išvengta imtuvo perkrovos.

Kodėl naudoti 1310 nm, palyginti su 1550 nm bangos ilgiu?

1310 nm užtikrina beveik -nulinę chromatinę dispersiją, supaprastinus siųstuvo-imtuvo konstrukciją iki 10–40 kilometrų atstumu. 1550nm užtikrina mažesnį skaidulų slopinimą (0,2 dB/km, palyginti su 0,35 dB/km), todėl pasiekiamas didesnis nei 40 kilometrų atstumas ir suderinamumas su sistemomis.

Ar vienmodžiai ir daugiamodiai siųstuvai-imtuvai yra keičiami?

Ne, vienmodžiai ir daugiamodiai siųstuvai-imtuvai nėra sąveikūs. Jie reikalauja atitinkamo pluošto tipo, veikia skirtingais bangos ilgiais ir naudoja nesuderinamas optines technologijas. Sumaišius tipus, visiškai sugenda ryšys arba labai pablogėja našumas.

 

Techninio įgyvendinimo gairės

 

Skaitmeninės diagnostikos stebėjimo (DDM) funkcija pagerina šiuolaikinių vieno režimo siųstuvų-imtuvų veikimo matomumą. Ši funkcija, dar vadinama skaitmeniniu optiniu stebėjimu (DOM), teikia realiojo laiko duomenis apie optinio perdavimo galią, priėmimo galią, temperatūrą, lazerio poslinkio srovę ir maitinimo įtampą. Tinklo operatoriai naudoja DDM, kad iki visiško ryšio gedimo identifikuotų blogėjančias šviesolaidines gamyklas, sugendančius siųstuvus-imtuvus arba nešvarias jungtis.

Temperatūra turi įtakos siųstuvo-imtuvo pasirinkimui tam tikroje aplinkoje. Komercinio-laipsnio siųstuvai-imtuvai veikia nuo 0 iki 70 laipsnių, tinka daugumai duomenų centro programų. Pramoninės-klasės variantai išplečiami nuo -40 laipsnių iki 85 laipsnių lauko telekomunikacijų įrenginiams, mobiliojo ryšio bokštų įrangai ir atšiaurioms pramonės aplinkoms. Pailgintos temperatūros siųstuvai-imtuvai turi papildomą šilumos valdymą ir komponentų pasirinkimą, kad būtų išlaikytas našumas platesniame diapazone.

Siųstuvo-imtuvo suderinamumas apima ne tik fizinį tinkamumą ir bangos ilgio suderinimą. Optinės galios biudžetai turi būti suderinti-didelės-galios siųstuvo suporavimas su mažo-jautrumo imtuvu, tačiau atvirkštinis derinys nepavyksta. Daugumoje siųstuvų-imtuvų yra standartinės MSA{5} specifikacijos, užtikrinančios sąveiką, tačiau tikrinimas išlieka apdairus, ypač kai derinami tiekėjai arba siųstuvų-imtuvų kartos.

Energijos suvartojimo svarstyklės su greičiu ir pasiekiamumu. 10 GBASE-SR daugiamodis SFP+ sunaudoja maždaug 1 vatą, o 10 GBASE-LR vieno režimo reikalauja 1,5 vato dėl DFB lazerio galios reikalavimų. Šis diferencialas veikia didesniu greičiu-400 GBASE-DR4 daugiamodis QSFP-DD sunaudoja 12-14 vatų, o 400 GBASE-FR4 vieno režimo – 14–16 vatų. Diegiant didelio masto su tūkstančiais siųstuvų-imtuvų, galios skirtumai lemia dideles eksploatacines išlaidas ir aušinimo poreikius.

 

Ateities technologijų kryptys

 

Silicio fotonika yra transformuojantis gamybos metodas, įgaunantis trauką vienmodžiuose siųstuvuose-imtuvuose. Ši technologija gamina optinius komponentus naudojant standartinius puslaidininkinius procesus, todėl gali sumažinti sąnaudas ir energijos sąnaudas, tuo pačiu padidinant integracijos tankį. Pagrindiniai debesų paslaugų teikėjai, įskaitant „Microsoft“ ir „Amazon“, daug investavo į silicio fotonikos kūrimą, o 400G ir 800G modulių diegimas paspartėjo.

Supakuota optika (CPO) dar labiau integruojasi, nes optiniai siųstuvai-imtuvai montuojami tiesiai ant jungiklių ASIC paketų. Tai pašalina SerDes (serializer/deserializer) energijos suvartojimą ir delsą, susijusį su elektriniu signalizavimu tarp jungiklio lustų ir atskirų siųstuvo-imtuvo modulių. CPO įgalina naujos-kartos 1.6T ir 3.2T perjungimą su priimtina galia, nors šis metodas reikalauja esminių sistemos architektūros ir aušinimo konstrukcijos pakeitimų.

Nuosekli prijungiamieji įrenginiai ir toliau gerina našumą, suteikdami anksčiau išskirtines didelės linijos{0}}kortele-pagrįstoms sistemoms galimybes į kompaktiškas QSFP-DD ir OSFP formas. Šie siųstuvai-imtuvai leidžia perduoti 400 G ir 800 G 80-120 kilometrų metro atstumu, naudojant sudėtingą moduliaciją ir klaidų taisymą. Didelio masto duomenų centrų operatoriai diegia nuoseklius prijungimo įrenginius, kad ekonomiškai efektyvus ilgalaikis ryšys be tradicinių DWDM atsakiklių lentynų.

Tvarumo sumetimai vis labiau įtakoja siųstuvo-imtuvo dizainą. Gamintojai kuria modulius iš perdirbtų medžiagų, diegia energiją taupančius tuščiosios eigos režimus ir projektuoja taisymui, o ne šalinimui. Pramonės tikslas iki 2030 m. sukurti anglies{3}neutralų optinį tinklą skatina mažos-galios siųstuvų-imtuvų naujoves, efektyvius vėsinimo metodus ir žiedinės ekonomikos gamybos praktiką.

Vienmodžio optinio pluošto siųstuvų-imtuvų rinka ir toliau sparčiai vystosi, subalansuodama atstumo reikalavimus, sąnaudų apribojimus, galios biudžetą ir našumo poreikius. Duomenų srauto augimui spartėjant naudojant debesų kompiuteriją, 5G tinklus ir dirbtinio intelekto programas, šie įrenginiai tebėra pasaulinės ryšių infrastruktūros pagrindas. Tinkamas atstumo klasifikacijų, bangos ilgio charakteristikų ir taikymo reikalavimų supratimas leidžia optimaliai pasirinkti siųstuvą-imtuvą tam tikriems tinklo scenarijams.