Optilised moodulid vähendavad edastusvigu

 

Optilised moodulidon muutunud kaasaegse telekommunikatsiooni infrastruktuuri olulisteks komponentideks, peamiselt tänu nende võimele märkimisväärselt vähendada edastusvigu võrreldes traditsiooniliste vase{0}}põhiste süsteemidega. Nende moodulite väljatöötamine algas tõsiselt 1990. aastate lõpus, kui sellistel ettevõtetel nagu Cisco ja Lucent Technologies tekkisid vasest ühenduste puhul andmete terviklikkuse probleemid kiirusega üle 1 Gbit/s.

 

 

Ajalooline areng ja vigade parandamine

 

Esimene põlvkondfiiberoptilised moodulidaastatel 1998–2000 kasutusele võetud, näitasid ligikaudu 60% vähem bitivigu kui nende vasest analoogidel samaväärsel kaugusel. See paranemine tulenes fiiberoptika tundlikkusest elektromagnetiliste häirete (EMI) ja raadiosageduslike häirete (RFI) suhtes, mis vaevasid vasksüsteeme andmekeskuste keskkondades, kus sajad serverid töötasid vahetus läheduses.

Varasemad rakendused olid suhteliselt lihtsadoptiline modulaatordisainid, mis põhinevad Fabry{0}}Pérot laserite otsesel modulatsioonil. Need moodulid saavutasid bitivigade määra (BER) umbes 10^-12, mida peeti tollal suurepäraseks, kuid tänapäevaste nõuete jaoks ebapiisavaks. Hajutatud tagasiside (DFB) laserite kasutuselevõtt 2003. aastal parandas selle 10^-15-ni, muutes kaugedastuse praktilisemaks.

 

SFP perekond ja vigade vähendamise mehhanismid

 

Small Form{0}}faktori Pluggable spetsifikatsioon, mis andis laialdaselt-kasutatudsfp optiline transiiver, kujutas endast suurt edusamme, kui see avaldati 2001. aastal. Algselt töötati välja konsortsiumi poolt, kuhu kuulusid Finisar, Agilent ja AMP. SFP standard pakkus standardiseeritud kuum{1}}ühendatavat liidest, mis võimaldas täiustatud elektrilise disaini kaudu paremat signaali terviklikkust.

Gigabiti rakendused

Thegigabitine sfp transiivermuutus eriti oluliseks ettevõtete võrgustike loomisel. Sõltumatute laborite poolt 2004. aastal läbi viidud katsed näitasid, et korralikult rakendatud SFP-moodulid suudavad ühemoodilist kiudopti kasutades säilitada vigadeta-edastuse (24-tunnise testiperioodi jooksul pole viga) kuni 10 kilomeetri kaugusel. See oli revolutsiooniline võrreldes vasest Gigabit Ethernetiga, mis oli piiratud 100 meetriga ja siiski esines aeg-ajalt läbirääkimise tõttu vigu.

Thefiiberoptiline sfp mooduldisain sisaldas mitmeid vigade{0}}vähendamise funktsioone:

Temperatuuri{0}}kompenseeritud laserdraiverid, mis säilitasid ühtlase väljundvõimsuse

Täiustatud vastuvõtja ahelad koos adaptiivse ekvalifitseerimisega

Sisseehitatud{0}}diagnostika jälgimine (mida sageli nimetatakse digitaalseks diagnostika jälgimiseks või DDM-ks)

Täiustatud korpus, mis tagas parema EMI-varjestuse

 

Transiiverevolutsioon ja vigade parandamine

 

Arengutoptilise mooduli transiiveron läbinud mitu erinevat faasi. Umbes 2007. -2008. aastal hakkasid tootjad manustama edasises veaparanduses (FEC) otse moodulitesse. See oli algselt vastuoluline, kuna see suurendas kulusid ja energiatarbimist, kuid kohapealsed juurutused näitasid parandamatute vigade dramaatilist vähenemist{5}}mõned operaatorid teatasid pärast FEC-toega moodulite kasutuselevõttu 90% vähem lingitõrkeid.

Üks huvitav areng olifiiberoptiline vastuvõtja moodulkoherentse tuvastusega, mis hakati kommertstoodetes ilmuma 2010. aasta paiku. Erinevalt traditsioonilistest otsetuvastussüsteemidest{1}}susid koherentsed vastuvõtjad taastada nii amplituudi- kui ka faasiteabe, kahekordistades tõhusalt edastatavate andmete hulka, säilitades samal ajal sarnase veamäära. Varaseimad kommertskasutused olid veealustes kaablisüsteemides, kus isegi väikesed veamäärade paranemised võivad kaotada vajaduse kallite regenereerimisseadmete järele.

 

Kaasaegsed kiired{0}}rakendused

 

Digitaalse optilise mooduli tehnoloogia

Tekkiminedigitaalne optiline moodul2015. aasta paiku tähistas järjekordne oluline samm edasi. Need moodulid sisaldasid digitaalseid signaaliprotsessoreid (DSP-sid), mis võisid teostada reaalajas veaanalüüsi ja adaptiivset võrdsustamist. Varasemad versioonid sellistelt ettevõtetelt nagu Acacia Communications ja NeoPhotonics näitasid, et DSP-toega moodulid võisid töötada 100G kiirusega, BER-ga, mis on parem kui 10^-15, isegi vahemaadel, mis ületavad 1000 kilomeetrit, mis oleks olnud võimatu ainult analoogsüsteemide puhul.

Thesfp moodul optilinetehnoloogia arenes, hõlmates ka väiksemaid vormitegureid. 2014. aastal ratifitseeritud SFP28 spetsifikatsioon toetas kiirust 25 Gbit/s sõiduraja kohta, säilitades samal ajal suuremate moodulite veaparandusvõimalused. See saavutati mitme uuenduse abil:

Täiustatud laserkiire juhtimine

Parem kromaatilise dispersiooni kompenseerimine

Keerulisemad kella taastamise ahelad

Suuremate pilveteenuse pakkujate väliandmed (kuigi neid tavaliselt ei avaldata) näitasid, et SFP28 juurutamine aastatel 2016–2017 saavutas riketevahelise keskmise aja (MTBF) üle 10 aasta, kusjuures edastusvead esinesid tõrke põhjusena vähem kui 2% juhtudest.

400G ja rohkem

The400g optiline moodulesindab vigade vähendamise--teisaegset taset-. Need moodulid, mida hakati kommertskasutusega kasutusele võtma 2019. aasta paiku, kasutavad tavaliselt 8 rada 50G iga või 4 rada 100G juures. Üleminek PAM-4 modulatsioonile (tavalise NRZ asemel) tekitas esialgu muret veamäärade pärast, kuna PAM-4-l on signaalitasemete vahel väiksem varu. Kuid DSP-tehnoloogia edusammud ja tugevamate FEC-koodide (eriti RS(544,514) FEC) rakendamine tõid tegelikult kaasa sarnase või parema veatulemuse võrreldes NRZ-süsteemidega.

Inphi Corporation (nüüd Marvelli osa) avaldas 2020. aastal andmed, mis näitavad, et nende 400G moodulid saavutasid enne -FEC BER umbes 10^-5, mille nende FEC mootor korrigeeris pärast -FEC BER paremat kui 10^-15. See tähendas, et praktilistel eesmärkidel olid korralikult projekteeritud süsteemides edastusvead peaaegu olematuks muutunud.

 

 

Infrastruktuuri kaalutlused

 

Modulaarse optilise süsteemi disain

Mõiste amodulaarne optikasüsteemon saavutanud veojõu eriti hüperskaala andmekeskustes. Sellised ettevõtted nagu Microsoft ja Facebook (Meta) on avaldanud valged raamatud, milles kirjeldatakse, kuidas modulaarne disain võimaldab neil optilise tee erinevaid osi eraldi optimeerida. Näiteks võib andmekeskus kasutada riiulisiseste-ühenduste jaoks (kus hind on olulisem kui absoluutne jõudlus) ja ühe-režiimi mooduleid riiulitevaheliste ühenduste või hoonetevaheliste ühenduste jaoks (kus jõudlus on esmatähtis).

See modulaarne lähenemisviis on aidanud vähendada süsteemi üldist veamäära, kuna iga ühenduse tüüpi saab optimeerida selle konkreetse kasutusjuhtumi jaoks. Microsofti andmekeskuses Washingtonis Quincys vähenes väidetavalt 40% lingivigade arv pärast üleminekut täielikult modulaarsele optilisele infrastruktuurile 2018. aastal.

Patch-paneeli rakendused

Modulaarsed fiiberoptilised patch-paneelidon samuti aidanud kaasa vigade vähendamisele, kuigi nende mõju jäetakse sageli tähelepanuta. Corningi 2012. aasta uuringu kohaselt moodustasid plaastripaneelide kehvad füüsilised ühendused ajalooliselt 15–20% optiliste lingi vigadest. Täiustatud pistikukujundusega (eriti LC- ja MPO/MTP-pistikutega) kaasaegsed moodulpaneelid on seda oluliselt vähendanud.

Push{0}}pull tab LC-pistikute kasutuselevõtt 2005. aasta paiku oli eriti oluline-need konnektorid tagasid järjekindlama sisestuskadu ja tagastuskadu võrreldes varasemate riivi-põhiste konstruktsioonidega, mis võivad andmekeskuse keskkondades vibratsiooni tõttu aja jooksul lahti saada.

 

Tehnilised kirjeldused ja standardid

 

Erinevad standardiasutused on kehtestanud spetsifikatsioonid, mis käsitlevad otseselt vigade vähendamist. Näiteks IEEE 802.3 töörühm määrab kindlaks maksimaalsed BER-nõuded erinevatele Etherneti kiirustele. 100GBASE-SR4 (tavaline mitmerežiimiline teostus) puhul nõuab standard FEC-dekoodri väljundis BER-i, mis ei ole halvem kui 10^-12, mis tähendab normaalse töö käigus nulli viga.

Optilise Interneti-tööfoorum (OIF) on olnud eriti aktiivne vigade teket minimeerivate liideste määratlemisel. Nende CEI-28G ja CEI-56G rakenduslepingud määravad kindlaks üksikasjalikud elektrilised omadused, sealhulgas värinad, ülekõla ja tagastuskadu – kõik need mõjutavad veamäärasid, kui neid korralikult ei kontrollita.

Väärib märkimist, et kuigi standardid määravad kindlaks minimaalse jõudluse, ületavad kommertsmoodulid sageli neid nõudeid. Suurte tootjate (Finisar, Lumentum, II-VI) moodulite 2019. aasta uuring näitas, et tüüpilised kaubanduslikud moodulid töötasid minimaalsest nõutavast optilisest eelarvest 2–3 dB paremini, pakkudes märkimisväärset vigade kaitset.

 

Praktiline juurutamise kogemus

 

Tegelik{0}}juurutamine on näidanud, et kuigi optilised moodulid võimaldavad teoreetiliselt suurepäraselt vigu vähendada, on õige paigaldamine ja hooldus endiselt kriitilise tähtsusega. 2017. aasta uuring Põhja-Ameerika suure telekommunikatsiooniteenuse pakkuja kohta näitas, et ligikaudu 80% optilise lingi vigadest leiti lõpuks:

Määrdunud pistikud (31%)

Kiukahjustus (23%)

Mooduli vale paigaldamine (14%)

Kokkusobimatud mooduli/kiu kombinatsioonid (12%)

See rõhutab, et optiline moodul ise on vaid osa vea vähendamise võrrandist. Samas uuringus leiti, et pärast range puhastusprotokolli ja tehnikute koolitusprogrammi rakendamist langes võrgu veamäär ilma mooduleid muutmata 67%.

 

Edasised arengud

 

Veelgi väiksema veamäära uurimine jätkub. Tõenäosuslik tähtkuju kujundamine, mis optimeerib signaali jaotust kanali omaduste jaoks, on laboratoorsetes katsetes osutunud paljulubavaks. Nokia Bell Labsi 2021. aastal avaldatud tulemused näitasid seda tehnikat kasutades BER-i täiustusi 1–2 dB võrra, mis tagaks veelgi usaldusväärsema edastuse.

Masinõppe algoritmide integreerimine ennustava hoolduse jaoks näitab samuti potentsiaali. Analüüsides eel-FEC-i veamäärade mustreid ja kaasaegsetest moodulitest saadaolevaid diagnostikaandmeid, suudavad need süsteemid ennustada eelseisvaid tõrkeid tunde või päevi ette, võimaldades enne hooldust{2}}mõjutavate vigade tekkimist.