Оптичните модули намаляват грешките при предаване

 

Оптични модулисе превърнаха в съществени компоненти в съвременната телекомуникационна инфраструктура, главно поради способността им значително да намаляват грешките при предаване в сравнение с традиционните системи,-базирани на мед. Разработването на тези модули започна сериозно в края на 90-те години на миналия век, когато компании като Cisco и Lucent Technologies започнаха да изпитват проблеми с целостта на данните с медни връзки при скорости над 1 Gbit/s.

 

 

Историческо развитие и коригиране на грешки

 

Първото поколение наоптични модуливъведени около 1998-2000 г. показаха приблизително 60% по-малко битови грешки от техните медни колеги на еквивалентни разстояния. Това подобрение произтича от имунитета на оптичните влакна към електромагнитни смущения (EMI) и радиочестотни смущения (RFI), които измъчваха медните системи в центрове за данни, където стотици сървъри работеха в непосредствена близост.

Ранните реализации са използвани сравнително простооптичен модулаторпроекти, базирани на директна модулация на лазери на Фабри-Перо. Тези модули постигнаха честота на битова грешка (BER) от около 10^-12, което се смяташе за отлично по това време, но недостатъчно за съвременните изисквания. Въвеждането на лазери с разпределена обратна връзка (DFB) през 2003 г. подобри това до 10^-15, правейки предаването на дълги разстояния по-практично.

 

Семейство SFP и механизми за намаляване на грешките

 

Спецификацията Pluggable на малкия форм-фактор, която създаде широко-приетияsfp оптичен трансивър, представляваше голям напредък, когато беше пуснат публично през 2001 г. Първоначално разработен от консорциум, включващ Finisar, Agilent и AMP, стандартът SFP предостави стандартизиран интерфейс с възможност за горещо включване, който позволи по-добра цялост на сигнала чрез подобрен електрически дизайн.

Гигабитови реализации

Theгигабитов sfp трансивърстана особено важен за корпоративната мрежа. Тестовете, проведени от независими лаборатории през 2004 г., показаха, че правилно внедрените SFP модули могат да поддържат предаване-без грешки (нулеви грешки за 24-часови тестови периоди) на разстояния до 10 километра, използвайки едномодово влакно. Това беше революционно в сравнение с медния Gigabit Ethernet, който беше ограничен до 100 метра и все още имаше случайни грешки поради кръстосано смущаване.

Theоптичен sfp модулдизайнът включва няколко функции за-намаляване на грешки:

Температурно{0}}компенсирани лазерни драйвери, които поддържат постоянна изходна мощност

Усъвършенствани схеми на приемници с адаптивно изравняване

Вградено- диагностично наблюдение (често наричано цифрово диагностично наблюдение или DDM)

Подобрен корпус, който осигурява по-добро EMI екраниране

 

Трансивърразвитие и коригиране на грешки

 

Развитието наоптичен модул трансивъре преминал през няколко различни фази. Около 2007-2008 производителите започнаха да вграждат корекция на грешки (FEC) директно в модулите. Първоначално това беше противоречиво, защото добави разходи и консумация на енергия, но внедряването на място показа драматично намаляване на некоригируемите грешки-някои оператори съобщиха за 90% по-малко повреди на връзката след приемането на модули с активиран FEC.

Едно интересно развитие бешеоптичен приемен модулс кохерентно откриване, което започна да се появява в комерсиалните продукти около 2010 г. За разлика от традиционните системи за директно-откриване, кохерентните приемници можеха да възстановят информация както за амплитудата, така и за фазата, като ефективно удвоиха количеството предадени данни, като същевременно поддържат подобни нива на грешки. Най-ранните комерсиални внедрявания бяха в подводни кабелни системи, където дори малки подобрения в процента на грешки биха могли да премахнат необходимостта от скъпо оборудване за регенериране.

 

Модерни високоскоростни-внедрявания

 

Технология на цифров оптичен модул

Появата нацифров оптичен модулоколо 2015 г. отбеляза още една значителна стъпка напред. Тези модули включват цифрови сигнални процесори (DSP), които могат да извършват-анализ на грешки в реално време и адаптивно изравняване. Ранни версии от компании като Acacia Communications и NeoPhotonics показаха, че DSP-активираните модули могат да работят при скорости от 100G с BER, по-добър от 10^-15 дори на разстояния, надвишаващи 1000 километра, което би било невъзможно само с аналогови конструкции.

Thesfp оптичен модултехнологията също се разви, за да включва по-малки форм-фактори. Спецификацията SFP28, ратифицирана през 2014 г., поддържа 25 Gbit/s на лента, като същевременно поддържа същите възможности за коригиране на грешки като по-големите модули. Това беше постигнато чрез няколко иновации:

Подобрено управление на лазерното чуруликане

По-добра компенсация на хроматична дисперсия

По-сложни схеми за възстановяване на часовника

Теренни данни от големи облачни доставчици (макар и обикновено непубликувани) предполагат, че внедряването на SFP28 през 2016-2017 г. е постигнало средно време между отказите (MTBF), надхвърлящо 10 години, като грешките при предаване като причина за отказ се появяват в по-малко от 2% от случаите.

400G и повече

The400g оптичен модулпредставлява текущото състояние-на--намаляването на грешките. Тези модули, които започнаха търговско внедряване около 2019 г., обикновено използват или 8 ленти при 50G всяка, или 4 ленти при 100G. Преходът към PAM-4 модулация (вместо традиционната NRZ) първоначално повдигна опасения относно честотата на грешките, тъй като PAM-4 има по-малък марж между нивата на сигнала. Въпреки това, напредъкът в DSP технологията и внедряването на по-силни FEC кодове (особено RS(544,514) FEC) всъщност доведе до подобна или по-добра производителност при грешки в сравнение със системите NRZ.

Inphi Corporation (сега част от Marvell) публикува данни през 2020 г., показващи, че техните модули 400G са постигнали преди-FEC BER от приблизително 10^-5, което техният FEC двигател коригира, за да публикува-FEC BER по-добър от 10^-15. Това означаваше, че за практически цели грешките при предаване са станали почти несъществуващи в правилно проектирани системи.

 

 

Съображения относно инфраструктурата

 

Проектиране на модулна оптична система

Концепцията за aмодулна оптична системанабра популярност, особено в хипермащабни центрове за данни. Компании като Microsoft и Facebook (Meta) публикуваха бели книги, описващи как модулните дизайни им позволяват да оптимизират отделно различни части от оптичния път. Например център за данни може да използва многомодови модули с малък-обхват за връзки в-рекап (където цената е по-важна от абсолютната производителност) и модули с един-режим за -връзки между стелажи или -сгради (където производителността е от първостепенно значение).

Този модулен подход спомогна за намаляване на общия процент на системни грешки, тъй като всеки тип връзка може да бъде оптимизиран за своя специфичен случай на употреба. Съобщава се, че центърът за данни на Microsoft в Куинси, Вашингтон е отбелязал 40% намаление на грешките при връзката след преминаването към напълно модулна оптична инфраструктура през 2018 г.

Реализации на пач панел

Модулни фиброоптични пач панелисъщо са допринесли за намаляване на грешките, въпреки че тяхното въздействие често се пренебрегва. Според проучване на Corning от 2012 г. лошите физически връзки в пач панелите са причина за 15-20% от грешките в оптичните връзки. Съвременните модулни пач панели с подобрен дизайн на конектори (особено LC и MPO/MTP конектори) са намалили значително това.

Въвеждането на LC конектори за натискане-издърпване около 2005 г. беше особено важно-тези конектори осигуряваха по-последователни загуби при вмъкване и загуби при връщане в сравнение с по-ранните дизайни, базирани на резе-, които можеха да се разхлабят с течение на времето поради вибрации в средата на центъра за данни.

 

Технически спецификации и стандарти

 

Различни органи по стандартизация са установили спецификации, които директно се отнасят до намаляването на грешките. Работната група IEEE 802.3, например, определя максималните изисквания за BER за различни Ethernet скорости. За 100GBASE-SR4 (обща многорежимна реализация) стандартът изисква BER не по-лош от 10^-12 на изхода на FEC декодера, което означава нулеви грешки по време на нормална работа.

Форумът за оптична интернет работа (OIF) беше особено активен в дефинирането на интерфейси, които минимизират грешките. Техните споразумения за изпълнение за CEI-28G и CEI-56G определят подробни електрически характеристики, включително трептене, кръстосано смущаване и загуба на връщане – всички те оказват влияние върху процента на грешки, когато не се контролират правилно.

Струва си да се отбележи, че докато стандартите определят минимална производителност, търговските модули често надхвърлят тези изисквания. Проучване от 2019 г. на модули от големи производители (Finisar, Lumentum, II-VI) установи, че типичните търговски модули работят с 2-3 dB по-добре от минималния изискуем оптичен бюджет, осигурявайки значителна граница срещу грешки.

 

Практически опит при внедряване

 

-Внедряването в реалния свят показа, че докато оптичните модули осигуряват отлично намаляване на грешките на теория, правилното инсталиране и поддръжка остават критични. Проучване от 2017 г. на голям северноамерикански доставчик на телекомуникации установи, че приблизително 80% от грешките на оптичната връзка в крайна сметка са проследени до:

Мръсни конектори (31%)

Увреждане на влакната (23%)

Неправилна инсталация на модула (14%)

Несъвместими комбинации модул/влакно (12%)

Това подчертава, че самият оптичен модул е ​​само част от уравнението за намаляване на грешката. Същото проучване установи, че след прилагане на строг протокол за почистване и програма за обучение на техници, процентът на грешки в мрежата е намалял с 67%, без да се променят никакви модули.

 

Бъдещи развития

 

Изследванията за още по-ниски нива на грешка продължават. Вероятностното оформяне на констелация, което оптимизира разпределението на сигнала за характеристиките на канала, показа обещаващо в лабораторни тестове. Публикуваните резултати от Nokia Bell Labs през 2021 г. демонстрираха подобрения на BER с 1-2 dB с помощта на тази техника, което би довело до още по-надеждно предаване.

Интегрирането на алгоритми за машинно обучение за предсказуема поддръжка също показва потенциал. Чрез анализиране на модели в нивата на грешки преди -FEC и диагностични данни, налични от съвременните модули, тези системи могат да предскажат предстоящи повреди часове или дни предварително, което позволява проактивна подмяна, преди да се появят-засягащи услугата грешки.