Hvad er formålet med en optisk transceiver?

 

Mange mennesker kender måske ikke udtrykket "optisk transceiver". Men hver gang du gennemser TikTok, foretager videoopkald eller gemmer filer i skylageret, arbejder denne lille enhed lydløst bag kulisserne.

 

 

Lad os først forstå, hvad en optisk transceiver er

 

En optisk transceiver, generelt kaldet et "optisk modul" i industrien, er i det væsentlige en signalkonverter.

 

Din hjemmerouter, firmaswitch og datacenterservere kører alle på elektriske signaler. Men elektriske signaler har et stort problem-de rejser ikke særlig langt. Med kobberkabler kan et 10G-signal kun rejse 30-50 meter, før det bryder sammen, og det er ekstremt modtageligt for interferens; selv en motor i nærheden, der kører, kan forårsage problemer.

Optiske signaler er forskellige. Teoretisk set kan optiske signaler i enkelt-mode fiber rejse hundredvis af kilometer med en absurd stor båndbredde; en enkelt fiber så tynd som et menneskehår kan overføre titusvis af terabyte data samtidigt.

Men her er problemet: enheder kan ikke behandle optiske signaler.

 

 

Derfor har vi brug for optiske moduler som "oversættere":

Ved afsendelse:konvertere elektriske signaler til optiske signaler og sende dem ind i fiberen.

Når du modtager:at konvertere de optiske signaler i fiberen tilbage til elektriske signaler, som enhederne kan behandle-så enkelt er det.

 

Datacentre – De største forbrugere af optiske moduler

 

Lad mig starte med nogle konkrete tal. Sidste år havde jeg mulighed for at besøge en førende cloud-udbyders datacenter i Zhangbei. Drifts- og vedligeholdelsespersonalet fortalte mig, at deres enkelt campus havde over 500.000 optiske moduler, og de udskiftede flere hundrede hver måned af forskellige årsager; reservedele var stablet op som små bjerge på lageret.

Og dette var kun én campus. Den samlede sum af flere store indenlandske producenter overstiger let ti millioner optiske moduler i drift.

 

Hvorfor bruge så mange?

Serveradgang
I mainstream datacentre i dag er hver server udstyret med mindst to 25G eller 100G netværksporte, som alle kræver optiske moduler. Et rack med 40 servere ville kræve 80 optiske moduler kun for det serverlag.

 

Nogle mennesker spørger: "Hvorfor ikke bare bruge kobberkabler til korte afstande?"

Der findes faktisk sådan en løsning, kaldet DAC (Direct Connect Copper Cable), som faktisk er billig og effektiv inden for 3 meter. Det virker dog ikke længere end 3 meter på grund af kraftig signaldæmpning. Datacenterkabler er sjældent pæne og ryddelige; det involverer ofte drejninger, hvor 5 eller 10 meter er ret almindeligt. I sådanne tilfælde er optiske moduler afgørende.

 

Spine-Leaf Interconnect Architecture

De fleste anstændige datacentre bruger nu en Spine-Leaf-arkitektur. Leaf switche administrerer serveradgang, mens Spine switche håndterer øst-vest trafikvideresendelse.

Afstanden mellem blad og ryg varierer fra ti til et par hundrede meter og er generelt 100G eller højere, hvor store producenter allerede er gået over til 400G.

Ifølge data fra LightCounting i begyndelsen af ​​2024 er 100G optiske moduler stadig den største kategori inden for datacenterforsendelser, men 400G oplever en forbløffende vækst, der stiger med næsten 80 % år-til-år.

Jeg føler, at i 2025 vil 400G blive standarden for nybyggede datacentre.

 

 

Data Center Interconnect (DCI)

 

Store virksomheder har typisk flere datacentre i en by, der kræver høj{0}}hastighedsforbindelse til datasynkronisering og katastrofegendannelse.

DCI-afstande inden for den samme by er normalt 10-80 kilometer. Tidligere blev 100G LR4 og ER4 brugt til dette scenarie, men nu bliver 400G ZR i stigende grad taget i brug. ZR er et sammenhængende optisk modul, der er i stand til at fungere på afstande på 80 kilometer eller endnu længere, med en enkeltbølgelængde på 400G, hvilket er meget kraftfuldt.

 

Sidste år ønskede en kunde at etablere en 400G direkte forbindelse mellem to datacentre 60 kilometer fra hinanden. I første omgang var planen at bruge traditionelt DWDM-udstyr, som ville have kostet flere millioner yuan. Senere skiftede de til en direkte forbindelse med 400G ZR optiske moduler, hvilket reducerede omkostningerne med mere end det halve og forenklede vedligeholdelsen betydeligt. Dette er et vidnesbyrd om fordelene ved teknologiske fremskridt.

 

AI-klynger – den hotteste trend for nylig

 

Store-modeller er blevet populære i de sidste to år, og kravene til netværksbåndbredde til træningsklynger er simpelthen vanvittige.

NVIDIAs DGX H100-server, med 8 GPU'er pr. maskine og hver GPU udstyret med en 400G Ethernet-port, kræver otte 400G optiske moduler pr. maskine. Opsætning af en klynge af titusindvis af GPU'er ville resultere i astronomiske omkostninger for optiske moduler.

Det forlyder, at en stor producent forudbetalte hundredvis af millioner til sine leverandører for at sikre 800G optisk modul produktionskapacitet.

Personligt føler jeg, at efterspørgslen efter AI er kommet for hurtigt, og den optiske modulforsyningskæde har været konsekvent stram. Det mest direkte bevis er, at aktiekurserne hos flere førende producenter af optiske modul er steget i vejret i år.

Teleoperatørnetværk er et traditionelt marked for optiske moduler. Selvom det ikke er så "sexet" som datacentre, er deres skala stabil.

 

5G transportnetværk

 

5G-basestationer er opdelt i tre niveauer: AAU, DU og CU. Forbindelserne mellem dem kaldes fronthaul, midhaul og backhaul.

Fronthaul (AAU til DU) bruger oftest 25G optiske moduler, med afstande, der generelt ikke overstiger 20 kilometer. Dette segment har ekstremt høje krav til latency og synkronisering, ved brug af eCPRI-protokollen, og de optiske moduler har også nogle særlige krav. Sidste år, i et 5G-fronthaul-projekt med en provinsmobiloperatør, var de meget strenge med latenstest af de optiske moduler; adskillige batcher blev returneret på grund af overdreven latenstid. Kvalitetskontrol er afgørende i teleprojekter.

Midhaul og backhaul bruger optiske moduler med højere hastigheder, inklusive 50G og 100G, og over meget længere afstande, potentielt titusinder af kilometer.

Toppen af ​​5G-implementering er faktisk passeret, men 6G er i for-forundersøgelser, så der er stadig muligheder senere.

 

Metropolitan Area Networks (MANs) og Backbone Networks

 

Metropolitan area networks (MAN'er) er primært de netværk, der drives af operatører i byer, som samler forskellig adgangstrafik og sender den op til backbone-netværket.

Rygradsnetværket er et-langdistancetransmissionsnetværk, der spænder over byer og provinser, og som bærer næsten al internettrafik. Backbone-netværk skal bruge DWDM-systemer, der propper dusinvis eller endda hundredvis af bølgelængder ind i en enkelt optisk fiber, hver bølgelængde kører på 100G eller 400G.

De optiske moduler, der anvendes på dette område, er de mest teknologisk avancerede, primært sammenhængende optiske moduler, og er dyre; et enkelt modul kan nemt koste titusindvis af yuan. Helt ærligt har backbone-netværksvirksomheden høje fortjenstmargener, men volumen er lille, og kundebasen er begrænset til nogle få operatører, hvilket gør relationer afgørende.

 

Krav til optisk modul for virksomhedsnetværk

 

Campus netværk

Lidt større virksomheder skal helt sikkert trække fiberkabler mellem kontorbygninger. Det mest ekstreme eksempel, jeg har set, er netværket af en bilfabrikscampus. Fabriksområdet er så stort, at nogle bygninger er tre eller fire kilometer fra hinanden, hvilket kræver 10G LR eller endda ER optiske moduler.

Virksomhedskunder er generelt pris-følsomme. Optiske moduler fra producenten af ​​originaludstyr (OEM) er for dyre, så de fleste vil vælge tredjepartskompatible moduler-. Så længe du finder en pålidelig leverandør, fungerer kompatible moduler generelt uden problemer. Der er dog undtagelser. Nogle store statsejede-virksomheder og finansielle institutioner kræver brug af OEM-moduler i deres indkøbsprocesser, selvom de er to eller tre gange dyrere. Overholdelseskrav er der; der er ingen vej udenom.

 

Lagernetværk

I virksomhedsdatacentre er optiske moduler også nødvendige for at forbinde servere og lagerenheder.

Der er to hovedsystemer til lagringsnetværk: Fibre Channel (FC) og Ethernet. FC er en ældre protokol, men den er stadig meget brugt i brancher som finans og sundhedspleje på grund af dens stabilitet og pålidelighed.

FC optiske moduler har deres egne specifikationer: 8G, 16G og 32G FC, og de kan ikke bruges i flæng med Ethernet optiske moduler. I de senere år har NVMe-ofF-protokollen vundet popularitet, idet den bruger Ethernet til at transportere lagertrafik, og FC's markedsandel er gradvist ved at blive udhulet. Denne proces vil dog være meget langsom, fordi det eksisterende marked er for stort.

 

Andre anvendelser af optiske moduler

 

Industrielle scenarier

Fabriksmiljøer er barske med høje niveauer af elektromagnetisk interferens og drastiske temperaturudsving, som almindelige optiske moduler ikke kan modstå. Optiske moduler i industri-kvalitet kræver et driftstemperaturområde på -40 grader til +85 grader samt modstandsdygtighed over for vibrationer og stød. Omkostningerne er væsentligt højere end almindelige optiske moduler, men industrikunder er ikke bekymrede over de ekstra omkostninger; de prioriterer stabilitet.

En ven, der arbejder på et stålværksprojekt, fortalte mig, at almindelige kontakter simpelthen ikke kan bruges til netværksudstyret i nærheden af ​​deres højovne; de skal bruge industrielt-udstyr med industrielle-optiske moduler, ellers vil netværket overophedes og gå ned.

 

Broadcasting og tv

TV-stationer bruger også optiske moduler til at transmittere videosignaler internt, men protokollen er lidt anderledes; det er SDI over Fiber.

4K og 8K ultra-high-signaler har meget store båndbredder, og komprimering introducerer latens, hvilket er uacceptabelt for live-udsendelser. Derfor anvender radio- og tv-branchen ukomprimeret transmission, hvilket stiller meget høje krav til optiske modulers båndbredde.

 

Militære og særlige applikationer

Militære optiske moduler er en helt anden verden, der kræver forskellige hærdninger og certificeringer, og prisen er også i en helt anden liga-uhyrligt dyr. Specifikke detaljer er ikke praktiske at afsløre, men kort sagt er de tekniske barrierer meget høje, og der er ikke mange spillere, der kan gå ind på dette felt.

 

Hvordan vælger man et optisk modul?

 

Efter at have diskuteret så mange anvendelser, hvordan vælger du et optisk modul i det faktiske arbejde?

 

Først skal du forstå afstanden

Efterlad en vis margen, når du vælger optiske moduler. For eksempel, hvis den målte afstand er 800 meter, skal du vælge

DR (500-meter specifikation) er bestemt ikke nok; du skal bruge FR.

 

For det andet skal du bekræfte fibertypen

Multimode optiske moduler kan kun bruges med multimode fiber, og single-mode optiske moduler kan kun bruges med single-mode fiber. Hvis du vælger den forkerte type, vil modulet ikke lyse.

Multimode fiber har flere kvaliteter: OM1, OM2, OM3, OM4 og OM5. Jo højere karakter, jo længere er den understøttede afstand. I øjeblikket er OM3 og OM4 mainstream. Single-mode fiber er grundlæggende G.652, så du behøver ikke bekymre dig om modellen.

 

For det tredje skal du kontrollere enhedskompatibilitet

Selvom optiske moduler har MSA-standarden, implementerer forskellige udstyrsproducenter stadig forskellige metoder, så ikke alle er nødvendigvis kompatible. Cisco- og Huawei-udstyr har flere begrænsninger på tredjeparts optiske moduler, og nogle af dem kræver kommando-input for at blive genkendt. Arista og Mellanox er relativt mere åbne. For at være på den sikre side, spørg leverandøren, om de har testet det på målenheden. Større kompatible optiske modulproducenter har normalt kompatibilitetslister.

 

For det fjerde skal du være opmærksom på strømforbruget

Høj-optiske moduler bruger mere og mere strøm. Et 400G DR4-modul forbruger 8-10W, mens et 400G ZR-modul kan nå 15-20W.

Hvis alle de optiske moduler er installeret i en switch, kan det samlede strømforbrug være flere hundrede watt, hvilket udgør en udfordring for varmeafledningen. Husk at tage dette med i dit design, for at undgå overbelastning af datacentrets kølesystem.

 

800G-moduler er i øjeblikket i høj efterspørgsel, med nogle modeller med leveringstider på tre til fire måneder. Hvis et projekt har en stram tidsplan, er det vigtigt at sikre forsyninger på forhånd.

 

Fejlfinding af optiske moduler

 

Link ned

Start med det enkleste: Er det optiske modul tilsluttet sikkert? Er det fiberoptiske kabel tilsluttet korrekt? Lad være med at grine, nogle mennesker hører faktisk ikke et "klik", når de tilslutter det fiberoptiske kabel og tror, ​​det er tilsluttet korrekt, når det ikke er det. Kontroller derefter fiberpolariteten. For dobbelt-fiberforbindelser skal senderen (Tx) være forbundet til modtageren (Rx); hvis du forbinder dem omvendt, forhindrer du det i at lyse op. Hvis det stadig ikke virker, skal du bruge en optisk effektmåler til at måle sende- og modtageeffekten for at se, om et af de optiske moduler er defekt.

 

Fejl eller pakketab:

 

Spor linket for at se, hvilket segment af fiberen der er defekt. Hvis du stadig ikke kan finde problemet, kan du prøve at udskifte det optiske modul, fiberen eller porten-ved hjælp af elimineringsprocessen.

 

Lad os tale om nogle teknologiske tendenser

 

 

800G og 1.6T:

 

Silicium fotonik teknologi

Siliciumfotonik er blevet hypet i mange år.

Helt ærligt, så tror jeg personligt, at det er blevet over-markedsført. Teoretisk set kan siliciumfotonik reducere omkostningerne og øge integrationen, men i den faktiske masseproduktion er udbytteproblemer ikke blevet fuldstændig løst. Ydermere kan silicium-baserede materialer ikke bruges til at fremstille lasere; de skal stadig blandes og integreres med III-V gruppematerialer.

Dette er selvfølgelig kun min mening; mange i branchen er uenige. Intel og Cisco promoverer i høj grad siliciumfotonik, og de skal have deres grunde.

 

CPO (sam-pakket optik)

Dette koncept er mere radikalt: det pakker direkte den optiske motor og switch-chippen sammen. Fordelen er en betydelig reduktion i strømforbruget og en stigning i båndbreddetætheden. Ulempen er, at det optiske modul ikke kan udskiftes individuelt; hvis en fejler, skal hele brættet muligvis udskiftes.

Store virksomheder som Google og Meta promoverer kraftigt CPO, og faktiske implementeringer forventes i 2025 eller 2026. Om det bliver mainstream er dog stadig usikkert. Vedligeholdelseskolleger frygter CPO: hvordan erstatter man den, hvis den fejler? Skal hele systemet tages ud af drift?

 

Til sidst

 

Kerneideen er enkel: Optiske transceivere er hjørnestenen i moderne kommunikationsnetværk med ekstremt brede anvendelsesmuligheder.

Fra dit hjemmebredbånd ONU til hovednetværket af teleoperatører; fra virksomhedskontornetværk til hyperskala datacentre; fra 5G-basestationer til AI-træningsklynger-optiske moduler er overalt.

Denne industri er ikke glamourøs, og de tekniske barrierer er ikke så skræmmende som dem i chipindustrien, men dens styrke ligger i dens konstante, kontinuerlige vækst. AI-bølgen har givet branchen et markant løft. Hvis du er netværksingeniør, datacenterdriftsingeniør eller blot interesseret i kommunikationsindustrien, er det bestemt umagen værd at bruge lidt tid på at lære om optiske moduler. Jo længere du arbejder med dette felt, jo mere vil du sætte pris på dette.