“เครือข่าย” ได้กลายเป็น “ความจำเป็น” สำหรับคนร่วมสมัยส่วนใหญ่
เหตุผลที่ว่าทำไมยุคเครือข่ายที่สะดวกสบายเช่นนี้จึงเกิดขึ้นได้ “เทคโนโลยีการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก” อาจกล่าวได้ว่าขาดไม่ได้
ในปี พ.ศ. 2509 ข้าวฟ่างจีนของอังกฤษได้เสนอแนวคิดเรื่องใยแก้วนำแสง ซึ่งจุดประกายจุดสุดยอดของการพัฒนาการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกทั่วโลก ระบบคลื่นแสงรุ่นแรกที่ทำงานที่ 0.8 ไมโครเมตรในปี 2521 ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างเป็นทางการ และคลื่นแสงรุ่นที่สอง ระบบการสื่อสารที่ใช้ไฟเบอร์แบบมัลติโหมดในช่วงแรกๆ ได้รับการแนะนำอย่างรวดเร็วในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ภายในปี 1990 ระบบคลื่นออปติคัลรุ่นที่สามที่ทำงานด้วยความเร็ว 2.4 Gb/s และ 1.55 µm สามารถให้บริการด้านการสื่อสารเชิงพาณิชย์ได้
ข้าวฟ่าง "บิดาแห่งเส้นใย" ซึ่งมีส่วนสำคัญในการ "ส่งผ่านแสงในเส้นใยเพื่อการสื่อสารด้วยแสง" ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2552
การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงได้กลายเป็นหนึ่งในเสาหลักของการสื่อสารสมัยใหม่ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในเครือข่ายโทรคมนาคมสมัยใหม่นอกจากนี้ยังถูกมองว่าเป็นสัญลักษณ์สำคัญของการปฏิวัติทางเทคโนโลยีใหม่ของโลกและเป็นวิธีหลักในการส่งข้อมูลในสังคมสารสนเทศในอนาคต
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตลาดแอพพลิเคชั่นของบิ๊กดาต้า, คลาวด์คอมพิวติ้ง, 5G, Internet of Things และปัญญาประดิษฐ์ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วตลาดแอพพลิเคชั่นไร้คนขับที่กำลังมาถึงกำลังนำการเติบโตอย่างรวดเร็วมาสู่การรับส่งข้อมูลการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลค่อยๆ พัฒนาไปสู่การวิจัยการสื่อสารด้วยแสงจุดร้อน
ภายในศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ของ Google
ศูนย์ข้อมูลปัจจุบันไม่ได้เป็นเพียงห้องคอมพิวเตอร์เพียงห้องเดียวหรือไม่กี่ห้องอีกต่อไป แต่เป็นชุดของคลัสเตอร์ศูนย์ข้อมูล เพื่อให้การทำงานปกติของบริการอินเทอร์เน็ตและตลาดแอปพลิเคชันต่างๆ บรรลุผลสำเร็จ ศูนย์ข้อมูลจำเป็นต้องทำงานร่วมกันแบบเรียลไทม์ และการโต้ตอบของข้อมูลระหว่างศูนย์ข้อมูลจำนวนมากได้สร้างความต้องการสำหรับเครือข่ายการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูล และการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงได้กลายเป็นวิธีที่จำเป็นในการเชื่อมต่อโครงข่าย
ซึ่งแตกต่างจากอุปกรณ์ส่งข้อมูลเครือข่ายโทรคมนาคมแบบเดิม การเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลจำเป็นต้องได้รับข้อมูลมากขึ้นและการรับส่งข้อมูลที่มีความหนาแน่นมากขึ้น ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์สวิตชิ่งให้มีความเร็วสูงขึ้น ใช้พลังงานน้อยลง และย่อให้เล็กลง ปัจจัยหลักประการหนึ่งที่กำหนดว่าความสามารถเหล่านี้สามารถทำได้หรือไม่ ประสบความสำเร็จคือโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสง
ความรู้พื้นฐานบางประการเกี่ยวกับโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสง
เครือข่ายข้อมูลส่วนใหญ่ใช้ใยแก้วนำแสงเป็นสื่อกลางในการส่ง แต่การคำนวณและการวิเคราะห์ในปัจจุบันต้องอาศัยสัญญาณไฟฟ้าด้วย และโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสงเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับการแปลงตาแมว
ส่วนประกอบหลักของโมดูลออปติคัล ได้แก่ Transimitter (Light Emitting Submodule)/Receiver (Light Receiving Submodule) หรือ Transceiver (Optical Transceiver Module) ชิปไฟฟ้า และยังรวมถึงส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น เลนส์ ตัวแยกสัญญาณ และตัวรวมกันองค์ประกอบวงจรต่อพ่วง
ที่จุดสิ้นสุดการส่ง: สัญญาณไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นสัญญาณออปติคัลโดย Transimitter จากนั้นจึงป้อนไปยังไฟเบอร์ออปติกโดยอะแดปเตอร์ออปติคัล ที่จุดสิ้นสุดการรับ: ตัวรับสัญญาณจะได้รับสัญญาณออปติคัลในใยแก้วนำแสงผ่านอะแดปเตอร์ออปติคัล และแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าแล้วส่งไปยังหน่วยคำนวณเพื่อทำการประมวลผล
แผนผังโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสง
ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการรวม optoelectronic รูปแบบบรรจุภัณฑ์ของโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสงได้รับการเปลี่ยนแปลงบางอย่างเช่นกันก่อนที่อุตสาหกรรมโมดูลออปติคัลจะก่อตัวขึ้น อุตสาหกรรมดังกล่าวได้รับการพัฒนาโดยผู้ผลิตอุปกรณ์โทรคมนาคมรายใหญ่ในช่วงแรกๆอินเทอร์เฟซมีความหลากหลายและไม่สามารถใช้งานได้ในระดับสากลสิ่งนี้ทำให้โมดูลตัวรับส่งสัญญาณออปติคัลไม่สามารถเปลี่ยนแทนกันได้ สำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรม ข้อตกลงขั้นสุดท้าย “Multi Source Agreement (MSA)” ได้ถือกำเนิดขึ้นด้วยมาตรฐาน MSA บริษัทต่างๆ ที่มุ่งเน้นการพัฒนาเครื่องรับส่งสัญญาณอย่างอิสระจึงเริ่มเกิดขึ้น และอุตสาหกรรมก็เติบโตขึ้น
โมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสงสามารถแบ่งออกเป็น SFP, XFP, QSFP, CFP ฯลฯ ตามรูปแบบแพ็คเกจ:
· SFP (Small Form-factor Pluggable) เป็นมาตรฐานโมดูลตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบได้ขนาดกะทัดรัดสำหรับแอปพลิเคชันโทรคมนาคมและดาต้าคอมที่รองรับอัตราการถ่ายโอนสูงสุด 10Gbps
XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) เป็นโมดูลตัวรับส่งสัญญาณขนาดเล็กแบบเสียบได้อัตรา 10G ที่รองรับโปรโตคอลการสื่อสารที่หลากหลาย เช่น 10G Ethernet, 10G Fibre Channel และ SONETOC-192.XFP transceivers สามารถใช้ในการสื่อสารข้อมูลและ ตลาดโทรคมนาคมและมีคุณสมบัติการใช้พลังงานที่ดีกว่าตัวรับส่งสัญญาณ 10Gbps อื่น ๆ
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) เป็นมาตรฐานตัวรับส่งสัญญาณขนาดกะทัดรัดแบบเสียบได้สำหรับแอปพลิเคชันการสื่อสารข้อมูลความเร็วสูงตามความเร็ว QSFP สามารถแบ่งออกเป็น 4 × 1G QSFP, 4 × 10GQSFP +, 4 × 25G QSFP28 โมดูลออปติคัลปัจจุบัน QSFP28 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในศูนย์ข้อมูลทั่วโลก
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) อิงจากโมดูลการสื่อสารแบบแยกคลื่นแสงแบบหนาแน่นที่ได้มาตรฐานซึ่งมีอัตราการส่งข้อมูล 100-400 Gbpsขนาดของโมดูล CFP มีขนาดใหญ่กว่าของ SFP/XFP/QSFP และโดยทั่วไปจะใช้สำหรับการส่งข้อมูลทางไกล เช่น เครือข่ายในเขตปริมณฑล
โมดูลตัวรับส่งสัญญาณแสงสำหรับการสื่อสารในศูนย์ข้อมูล
การสื่อสารของศูนย์ข้อมูลสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทตามประเภทของการเชื่อมต่อ:
(1) ศูนย์ข้อมูลสำหรับผู้ใช้สร้างขึ้นจากพฤติกรรมของผู้ใช้ปลายทาง เช่น การท่องเว็บ การส่งและรับอีเมล และสตรีมวิดีโอโดยการเข้าถึงระบบคลาวด์
(2) การเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูล ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการจำลองข้อมูล ซอฟต์แวร์และการอัพเกรดระบบ
(3) ภายในดาต้าเซ็นเตอร์ ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับจัดเก็บข้อมูล การสร้าง และการขุดตามการคาดการณ์ของซิสโก้ การสื่อสารภายในศูนย์ข้อมูลคิดเป็นกว่า 70% ของการสื่อสารในศูนย์ข้อมูล และการพัฒนาโครงสร้างศูนย์ข้อมูลทำให้เกิดการพัฒนาโมดูลออปติคัลความเร็วสูง
การรับส่งข้อมูลยังคงเติบโต และแนวโน้มขนาดใหญ่และแบนราบของศูนย์ข้อมูลกำลังขับเคลื่อนการพัฒนาโมดูลออปติคัลในสองด้าน:
· ข้อกำหนดอัตราการส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้น
· ความต้องการปริมาณเพิ่มขึ้น
ในปัจจุบัน ข้อกำหนดของโมดูลออปติคัลศูนย์ข้อมูลทั่วโลกได้เปลี่ยนจากโมดูลออปติคัล 10/40G เป็นโมดูลออปติคัล 100G การส่งเสริมการขายของ Alibaba Cloud ของจีนจะกลายเป็นปีแรกของการใช้งานโมดูลออปติคัล 100G ขนาดใหญ่ในปี 2561 คาดว่าจะอัปเกรด โมดูลออปติคัล 400G ในปี 2019
เส้นทางวิวัฒนาการของโมดูลคลาวด์อาลี
แนวโน้มของศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ทำให้ข้อกำหนดระยะการส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นระยะการส่งข้อมูลของเส้นใยมัลติโหมดถูกจำกัดด้วยอัตราสัญญาณที่เพิ่มขึ้น และคาดว่าจะค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยเส้นใยโหมดเดียว ค่าใช้จ่ายของลิงก์ไฟเบอร์ประกอบด้วยสองส่วน: โมดูลออปติคัลและไฟเบอร์ออปติกสำหรับระยะทางที่แตกต่างกัน มีวิธีแก้ปัญหาที่แตกต่างกัน สำหรับการเชื่อมต่อระหว่างระยะกลางถึงระยะไกลที่จำเป็นสำหรับการสื่อสารในศูนย์ข้อมูล มีสองโซลูชันที่ปฏิวัติวงการที่เกิดจาก MSA:
· PSM4 (Parallel Single Mode 4 เลน)
· CWDM4 (Multiplexer Division Multiplexer ความยาวคลื่นหยาบ 4 เลน)
ในหมู่พวกเขา การใช้ไฟเบอร์ PSM4 นั้นมากกว่า CWDM4 ถึงสี่เท่าเมื่อระยะลิงก์ยาว ต้นทุนโซลูชัน CWDM4 ค่อนข้างต่ำจากตารางด้านล่าง เราจะเห็นการเปรียบเทียบโซลูชันโมดูลออปติคัล 100G ของศูนย์ข้อมูล:
วันนี้ เทคโนโลยีการใช้งานโมดูลออปติคัล 400G ได้กลายเป็นจุดสนใจของอุตสาหกรรม หน้าที่หลักของโมดูลออปติคัล 400G คือการปรับปรุงการรับส่งข้อมูลและเพิ่มแบนด์วิดท์และความหนาแน่นของพอร์ตของศูนย์ข้อมูลสูงสุด แนวโน้มในอนาคตคือการบรรลุผลในวงกว้าง อัตราขยาย สัญญาณรบกวนต่ำ การย่อขนาด และการรวมเข้าด้วยกัน เพื่อตอบสนองความต้องการของเครือข่ายไร้สายยุคหน้าและแอปพลิเคชันการสื่อสารศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่พิเศษ
โมดูลออปติคัล 400G รุ่นแรกใช้วิธีการมอดูเลตสัญญาณ 25G NRZ (Non-Returnto Zero) 16 ช่องในแพ็คเกจ CFP8 ข้อดีคือสามารถยืมเทคโนโลยีการปรับสัญญาณ 25G NRZ ที่พัฒนาบนโมดูลออปติคัล 100G ได้ แต่ข้อเสียคือ ว่าต้องส่งสัญญาณ 16 สัญญาณแบบขนาน และปริมาณการใช้ไฟฟ้าและปริมาณค่อนข้างมาก ซึ่งไม่เหมาะสำหรับการใช้งานศูนย์ข้อมูล ในโมดูลออปติคัล 400G ปัจจุบัน, 8 ช่อง 53G NRZ หรือ 4-channel 106G PAM4 (4 พัลส์) การมอดูเลตสัญญาณแอมพลิจูด) การมอดูเลตสัญญาณส่วนใหญ่จะใช้เพื่อรับรู้การส่งสัญญาณ 400G
ในแง่ของบรรจุภัณฑ์โมดูล ใช้ OSFP หรือ QSFP-DD และทั้งสองแพ็คเกจสามารถให้อินเทอร์เฟซสัญญาณไฟฟ้า 8 แบบในการเปรียบเทียบ แพ็คเกจ QSFP-DD มีขนาดเล็กกว่าและเหมาะสำหรับการใช้งานศูนย์ข้อมูลมากกว่าแพ็คเกจ OSFP มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยและกินไฟมากกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านโทรคมนาคม
วิเคราะห์พลัง "แกนหลัก" ของโมดูลออปติคัล 100G/400G
เราได้แนะนำการใช้งานโมดูลออปติคัล 100G และ 400G สั้น ๆข้อมูลต่อไปนี้สามารถเห็นได้ในแผนผังของโซลูชัน 100G CWDM4, โซลูชัน 400G CWDM8 และโซลูชัน 400G CWDM4:
แผนผัง 100G CWDM4
แผนผัง 400G CWDM8
แผนผัง 400G CWDM4
ในโมดูลออปติคัล กุญแจสำคัญในการรับรู้การแปลงสัญญาณโฟโตอิเล็กทริกคือเครื่องตรวจจับแสงเพื่อให้บรรลุแผนเหล่านี้ในที่สุด คุณต้องการตอบสนองความต้องการอะไรบ้างจาก "แกนกลาง"?
โซลูชัน 100G CWDM4 ต้องการการใช้งาน4λx25GbE โซลูชัน 400G CWDM8 ต้องการการใช้งาน8λx50GbE และโซลูชัน 400G CWDM4 ต้องการการใช้งาน4λx100GbE ซึ่งสอดคล้องกับวิธีการมอดูเลต รูปแบบ 100G CWDM4 และ 400G CWDM8 ใช้การมอดูเลต NRZ ซึ่งสอดคล้องกับอัตราการมอดูเลตของ อุปกรณ์ 25Gbd และ 53Gbd รูปแบบ 400G CWDM4 ใช้รูปแบบการมอดูเลต PAM4 ซึ่งกำหนดให้อุปกรณ์มีอัตราการมอดูเลต 53Gbd ขึ้นไป
อัตราการมอดูเลตอุปกรณ์สอดคล้องกับแบนด์วิดท์ของอุปกรณ์สำหรับโมดูลออปติคัล 100G แบนด์ 1310nm เครื่องตรวจจับ InGaAs แบนด์วิดท์ 25GHz หรืออาร์เรย์เครื่องตรวจจับก็เพียงพอแล้ว