Optik modüller iletim hatalarını azaltır

 

Optik modüllergeleneksel bakır tabanlı sistemlerle karşılaştırıldığında iletim hatalarını önemli ölçüde azaltma yetenekleri nedeniyle, modern telekomünikasyon altyapısının temel bileşenleri haline geldiler. Bu modüllerin geliştirilmesi, Cisco ve Lucent Technologies gibi şirketlerin 1 Gbit/s'yi aşan hızlarda bakır ara bağlantılarıyla veri bütünlüğü sorunları yaşamaya başladığı 1990'ların sonlarında ciddi anlamda başladı.

 

 

Tarihsel gelişim ve hata düzeltme

 

İlk nesilfiber optik modüller1998-2000 civarında tanıtılan bu sistemler, eşdeğer mesafelerdeki bakır muadillerine göre yaklaşık %60 daha az bit hatası gösterdi. Bu gelişme, fiber optiğin, yüzlerce sunucunun yakın mesafede çalıştığı veri merkezi ortamlarındaki bakır sistemlerini rahatsız eden elektromanyetik girişime (EMI) ve radyo frekansı girişimine (RFI) karşı bağışıklığından kaynaklandı.

İlk uygulamalar nispeten basit kullanıldıoptik modülatörFabry-Pérot lazerlerinin doğrudan modülasyonuna dayanan tasarımlar. Bu modüller 10^-12 civarında bit hata oranlarına (BER) ulaştı; bu o zamanlar mükemmel kabul ediliyordu ancak modern gereksinimler için yetersizdi. 2003 yılında dağıtılmış geri besleme (DFB) lazerlerinin piyasaya sürülmesiyle bu sayı 10^-15'e çıkarıldı ve uzun mesafe iletimi daha pratik hale geldi.

 

SFP ailesi ve hata azaltma mekanizmaları

 

Yaygın olarak- benimsenen Küçük Form-faktörü Takılabilir spesifikasyonusfp optik alıcı-verici2001 yılında kamuoyuna sunulduğunda büyük bir ilerlemeyi temsil ediyordu. Başlangıçta Finisar, Agilent ve AMP'yi içeren bir konsorsiyum tarafından geliştirilen SFP standardı, iyileştirilmiş elektrik tasarımı yoluyla daha iyi sinyal bütünlüğüne olanak tanıyan standartlaştırılmış, çalışırken takılabilir bir arayüz sağlıyordu.

Gigabit uygulamaları

gigabit sfp alıcı-vericikurumsal ağ oluşturma açısından özellikle önemli hale geldi. 2004 yılında bağımsız laboratuvarlar tarafından gerçekleştirilen testler, düzgün bir şekilde uygulanan SFP modüllerinin, tek modlu fiber kullanılarak 10 kilometreye kadar mesafelerde hatasız-ücretsiz iletimi (24-saatlik test periyotları boyunca sıfır hata) koruyabildiğini gösterdi. Bu, 100 metreyle sınırlı olan ve hala çapraz karışma nedeniyle ara sıra hatalarla karşılaşan bakır Gigabit Ethernet ile karşılaştırıldığında devrim niteliğindeydi.

fiber optik sfp modülütasarımda çeşitli hata-azaltma özellikleri yer aldı:

Tutarlı çıkış gücünü koruyan sıcaklık-dengeli lazer sürücüler

Uyarlanabilir dengelemeye sahip gelişmiş alıcı devreleri

Yerleşik-tanı izleme (genellikle Dijital Teşhis İzleme veya DDM olarak adlandırılır)

Daha iyi EMI koruması sağlayan geliştirilmiş muhafaza

 

alıcı-vericievrim ve hata düzeltme

 

Gelişimioptik modül alıcı-vericibirçok farklı aşamadan geçmiştir. 2007-2008 civarında, üreticiler ileri hata düzeltmeyi (FEC) doğrudan modüllere yerleştirmeye başladı. Bu başlangıçta tartışmalıydı çünkü maliyet ve güç tüketimini artırıyordu, ancak saha dağıtımları düzeltilemez hatalarda önemli bir azalma gösterdi-bazı operatörler FEC özellikli modülleri benimsedikten sonra %90 daha az bağlantı hatası bildirdi.

İlginç bir gelişme şuydu:fiber optik alıcı modülü2010 yılı civarında ticari ürünlerde görünmeye başlayan tutarlı algılama ile. Geleneksel doğrudan-algılama sistemlerinden farklı olarak, tutarlı alıcılar hem genlik hem de faz bilgilerini kurtarabilir, benzer hata oranlarını korurken iletilen veri miktarını etkili bir şekilde iki katına çıkarabilir. İlk ticari dağıtımlar, hata oranlarındaki küçük iyileştirmelerin bile pahalı yenileme ekipmanlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırabildiği denizaltı kablo sistemlerindeydi.

 

Modern yüksek-hızlı uygulamalar

 

Dijital optik modül teknolojisi

Ortaya çıkışıdijital optik modül2015 yılı, ileri doğru atılan önemli bir adıma daha işaret etti. Bu modüller, gerçek zamanlı hata analizi ve uyarlanabilir eşitleme gerçekleştirebilen dijital sinyal işlemcilerini (DSP'ler) içeriyordu-. Acacia Communications ve NeoPhotonics gibi şirketlerin ilk sürümleri, DSP-etkin modüllerin, 1000 kilometreyi aşan mesafelerde bile 10^-15'ten daha iyi BER ile 100G hızlarında çalışabildiğini gösterdi; bu, yalnızca analog tasarımlarla imkansız olurdu.

sfp modülü optikteknoloji aynı zamanda daha küçük form faktörlerini içerecek şekilde gelişti. 2014 yılında onaylanan SFP28 spesifikasyonu, daha büyük modüllerle aynı hata düzeltme yeteneklerini korurken şerit başına 25 Gbit/s'yi destekledi. Bu, çeşitli yeniliklerle başarıldı:

Geliştirilmiş lazer cıvıltı yönetimi

Daha iyi kromatik dağılım telafisi

Daha gelişmiş saat kurtarma devreleri

Büyük bulut sağlayıcılarından alınan saha verileri (tipik olarak yayınlanmasa da), 2016-2017'deki SFP28 dağıtımlarının, arızalar arasındaki ortalama sürenin (MTBF) 10 yılı aştığını ve vakaların %2'sinden azında arıza nedeni olarak iletim hatalarının oluştuğunu ileri sürdü.

400G ve ötesi

400g optik modülhata azaltmada-en ileri-teknolojinin-mevcut durumunu temsil eder. 2019 yılı civarında ticari dağıtımına başlayan bu modüller, genellikle her biri 50G'de 8 şerit veya 100G'de 4 şerit kullanır. PAM-4 modülasyonuna geçiş (geleneksel NRZ yerine), PAM-4'ün sinyal seviyeleri arasında daha az marjı olması nedeniyle başlangıçta hata oranlarıyla ilgili endişeleri artırdı. Bununla birlikte, DSP teknolojisindeki ilerlemeler ve daha güçlü FEC kodlarının (özellikle RS(544,514) FEC) uygulanması aslında NRZ sistemleriyle karşılaştırıldığında benzer veya daha iyi hata performansıyla sonuçlandı.

Inphi Corporation (artık Marvell'in bir parçası), 2020'de 400G modüllerinin ön-FEC BER'inin yaklaşık 10^-5 olduğunu gösteren verileri yayınladı; FEC motorları, bunu-FEC BER'i ​​10^-15'ten daha iyi olacak şekilde düzeltti. Bu, pratik amaçlar açısından, düzgün tasarlanmış sistemlerde iletim hatalarının neredeyse yok olduğu anlamına geliyordu.

 

 

Altyapı hususları

 

Modüler optik sistem tasarımı

Bir kavramımodüler optik sistemözellikle hiper ölçekli veri merkezlerinde ilgi görmüştür. Microsoft ve Facebook (Meta) gibi şirketler, modüler tasarımların optik yolun farklı bölümlerini ayrı ayrı optimize etmelerine nasıl olanak tanıdığını açıklayan teknik incelemeler yayınladı. Örneğin, bir veri merkezi, raf içi bağlantılar için kısa-erişimli çok modlu modülleri (burada maliyetin mutlak performanstan daha önemli olduğu durumlarda) ve raflar arası veya{-binalar arası bağlantılar için (performansın çok önemli olduğu yerlerde) tek-modlu modülleri kullanabilir.

Bu modüler yaklaşım, her bağlantı tipinin kendi özel kullanım durumu için optimize edilebilmesi nedeniyle genel sistem hata oranlarının azaltılmasına yardımcı olmuştur. Microsoft'un Quincy, Washington'daki veri merkezinde, 2018'de tamamen modüler bir optik altyapıya geçtikten sonra bağlantı hatalarında %40'lık bir azalma görüldüğü bildirildi.

Patch panel uygulamaları

Modüler fiber optik patch panelleretkileri genellikle göz ardı edilse de hataların azaltılmasına da katkıda bulunmuştur. Corning'in 2012 yılında yaptığı bir araştırmaya göre bağlantı panellerindeki zayıf fiziksel bağlantılar geçmişte optik bağlantı hatalarının %15-20'sinden sorumluydu. Geliştirilmiş konnektör tasarımlarına (özellikle LC ve MPO/MTP konnektörleri) sahip modern modüler bağlantı panelleri bunu önemli ölçüde azaltmıştır.

2005 civarında itme{0}}çekme sekmeli LC konektörlerinin piyasaya sürülmesi özellikle önemliydi;-bu konektörler, veri merkezi ortamlarındaki titreşim nedeniyle zamanla gevşeyebilen önceki mandal-tabanlı tasarımlara kıyasla daha tutarlı ekleme kaybı ve geri dönüş kaybı sağladı.

 

Teknik özellikler ve standartlar

 

Çeşitli standart kuruluşları, doğrudan hata azaltımına yönelik spesifikasyonlar oluşturmuştur. Örneğin IEEE 802.3 çalışma grubu, farklı Ethernet hızları için maksimum BER gereksinimlerini belirtir. 100GBASE-SR4 (yaygın bir çok modlu uygulama) için standart, FEC kod çözücünün çıkışında 10^-12'den daha kötü olmayan BER gerektirir; bu, normal çalışma sırasında sıfır hata anlamına gelir.

Optik Ağlar Arası Çalışma Forumu (OIF), hataları en aza indiren arayüzlerin tanımlanmasında özellikle aktif olmuştur. CEI-28G ve CEI-56G'ye ilişkin Uygulama Anlaşmaları, titreşim, karışma ve geri dönüş kaybı gibi ayrıntılı elektriksel özellikleri belirtir; bunların tümü, uygun şekilde kontrol edilmediğinde hata oranlarını etkiler.

Standartlar minimum performansı belirtirken ticari modüllerin sıklıkla bu gereksinimleri aştığını belirtmekte fayda var. Büyük üreticilerin (Finisar, Lumentum, II-VI) modülleri üzerinde 2019 yılında yapılan bir araştırma, tipik ticari modüllerin gereken minimum optik bütçeden 2-3 dB daha iyi çalıştığını ve hatalara karşı önemli bir marj sağladığını ortaya çıkardı.

 

Pratik dağıtım deneyimi

 

Gerçek-dünya dağıtımları, optik modüllerin teoride mükemmel hata azaltımı sağlamasına rağmen, doğru kurulum ve bakımın önemini koruduğunu göstermiştir. Kuzey Amerika'nın önde gelen bir telekomünikasyon sağlayıcısının 2017 yılında yaptığı bir araştırma, optik bağlantı hatalarının yaklaşık %80'inin sonuçta aşağıdakilere bağlı olduğunu ortaya çıkardı:

Kirli konektörler (%31)

Lif hasarı (%23)

Yanlış modül kurulumu (%14)

Uyumsuz modül/fiber kombinasyonları (%12)

Bu, optik modülün kendisinin hata azaltma denkleminin yalnızca bir parçası olduğunu vurgulamaktadır. Aynı çalışma, sıkı bir temizleme protokolü ve teknisyen eğitim programı uygulandıktan sonra, herhangi bir modül değiştirilmeden ağın hata oranının %67 oranında düştüğünü buldu.

 

Gelecekteki gelişmeler

 

Daha da düşük hata oranlarına yönelik araştırmalar devam ediyor. Kanal özellikleri için sinyal dağıtımını optimize eden olasılıksal takımyıldız şekillendirme, laboratuvar testlerinde ümit verici olmuştur. Nokia Bell Laboratuvarları'nın 2021'de yayınlanan sonuçları, bu tekniğin kullanıldığı BER'de 1-2 dB'lik iyileştirmeler olduğunu gösterdi; bu, daha da güvenilir iletim anlamına gelecektir.

Tahmine dayalı bakım için makine öğrenimi algoritmalarının entegrasyonu da potansiyel göstermektedir. Bu sistemler, modern modüllerde bulunan FEC öncesi hata oranlarındaki ve teşhis verilerindeki kalıpları analiz ederek, saatler veya günler öncesinden yaklaşan arızaları tahmin edebilir ve böylece hizmeti etkileyen hatalar meydana gelmeden önce proaktif değişim yapılmasına olanak tanır.