Большие модели ИИ, HPC, большие данные, облачные вычисления и другие направления стремительно развиваются, что обуславливает быстрый рост вычислительной инфраструктуры и растущий спрос на высокоскоростную и высокоэффективную передачу данных.
Существует три способа увеличения скорости оптического приемопередатчика:
- Технологии модуляции более высокого порядка, такие как NRZ → PAM4 → xQAM
- Увеличить скорость оптических устройств (более высокая скорость передачи данных), например, с 25G → 50G → 100G → 200G
- Увеличьте количество параллельных каналов (больше полос): Увеличьте количество пар волокон, например, SR4 с 4 парами многомодового волокна, передающего 100G (25G на канал); Используйте мультиплексирование с разделением по длине волны, например, LR4 с парой одномодовых волокон, передающего 100G (25G на длину волны), или 40G BiDi, передающего 40G (одноволоконный двунаправленный, 20G на длину волны)
Давайте сосредоточимся на идее спектрального уплотнения.
Что такое мультиплексирование с разделением по длине волны?
Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) — это технология, используемая в оптоволоконной связи для увеличения пропускной способности и скорости передачи данных. Она разделяет оптические сигналы на несколько длин волн, каждая из которых несет независимый сигнал, тем самым достигая передачи нескольких сигналов без помех друг другу.
Общая классификация WDM
Существует два распространенных режима передачи WDM: однонаправленный по двум волокнам и двунаправленный по одному волокну.
- Одноволоконный двунаправленный относится к оптическому каналу, который передает данные в двух разных направлениях по одному оптоволокну одновременно. Используемые длины волн отделены друг от друга, и каждая длина волны передает данные в одном направлении для достижения полнодуплексной связи между обеими сторонами.
- Двухволоконный однонаправленный означает, что все оптические пути передаются в одном направлении по одному оптоволокну одновременно. Различные длины волн несут различные оптические сигналы, которые объединяются на передающем конце и передаются по одному оптоволокну. На приемном конце они демультиплексируются для завершения передачи нескольких оптических сигналов. Обратное направление передается по другому оптоволокну. Передача в двух направлениях завершается двумя оптоволокнами соответственно.
Существуют различные технологии мультиплексирования с разделением по длине волны в многомодовых и одномодовых оптоволоконных средах.
В случае многомодового волокна часто используется мультиплексирование с разделением по длине волны на короткие расстояния (SWDM); в случае одномодового волокна первым выбором является мультиплексирование с разделением по длине волны на большие расстояния. Технологии мультиплексирования с разделением по длине волны на большие расстояния в основном включают CWDM, DWDM и LAN-WDM. Двунаправленное мультиплексирование с разделением по длине волны по одному волокну в основном представлено технологией BiDi, которая может использоваться как в многомодовых, так и в одномодовых средах. Кроме того, в случае 400G и 800G также используются мультиплексирование с разделением по длине волны, такие как SR4.2, DR4.2 и DR8.2, которые мы опишем отдельно позже.
SWDM
SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing) похож на CWDM в одномодовом режиме. SWDM расширяет 850 нм, используемые в традиционном многомодовом оптическом волокне, до 850 нм-950 нм, увеличивая длину волны передачи многомодового оптического волокна. Он использует экономичный источник света коротковолнового вертикального резонатора поверхностного излучения лазера (VCSEL) и оптимизированное широкополосное многомодовое волокно (WBMMF) для мультиплексирования 4 длин волн на 1 многомодовое оптическое волокно для передачи, уменьшая количество требуемых волоконно-оптических жил до 1/4 от исходного числа, при этом увеличивая эффективную модовую полосу пропускания (EMB) оптического волокна для увеличения расстояния передачи. Рабочая длина волны, используемая SWDM, начинается с 850 нм и увеличивается на одну длину волны каждые 30 нм, а именно: 850 нм, 880 нм, 910 нм и 940 нм.
В марте 2017 года группа 100G Short Wavelength Division Multiplexing Multi-Source Agreement (SWDM MSA) впервые выпустила стандарты 40G и 100G SWDM. MSA определяет оптические интерфейсы SWDM 4x10Gbps и 4x25Gbps для оптических передатчиков 100Gbit/s для Ethernet. Расстояние передачи 40G может достигать 440 м, а расстояние передачи 100G может достигать 150 м.
BiDi
BiDi (двунаправленный) означает одноволоконный двунаправленный, что означает, что оптические сигналы в двух направлениях могут одновременно отправляться и приниматься по одному оптоволокну.
На рисунке ниже показан режим реализации BiDi в случаях 40G и 100G. В сценариях центров обработки данных использование BiDi может сэкономить ресурсы оптоволоконной линии связи, что особенно заметно в старых центрах обработки данных. Поэтому многомодовые модули 40G и 100G BiDi часто используются в больших количествах. Длина волны передачи оптического трансивера 40G/100G BiDi SR обычно составляет 850 нм и 900 нм, поэтому более точным режимом описания модуля является 40G/100G BiDi SR1.2 (по сравнению с более поздним 400G SR4.2).
40G BiDi и 100G BiDi
В дополнение к многомодовым BiDi, используемым в центрах обработки данных, существуют также одномодовые модули BiDi для передачи на большие расстояния. Если расстояние передачи составляет до 40 км, длина волны оптического приемопередатчика обычно составляет 1310 нм/1550 нм, 1310 нм/1490 нм. Если расстояние передачи составляет более 40 км, длина волны обычно составляет 1550 нм/1490 нм.
CWDM
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexer) имеет 18 различных каналов длин волн. Различные длины волн каждого канала разделены на 20 нм и используют длины волн от 1270 нм до 1610 нм. CWDM поддерживает меньше каналов, чем DWDM, что делает его идеальным решением для связи на короткие расстояния, поскольку он компактен и экономически эффективен. Самым большим преимуществом системы CWDM является ее низкая стоимость.
CWDM
100G CWDM4 QSFP28 — это стандарт, анонсированный организацией CWDM4 MSA в 2014 году, который использует четыре центральные длины волн 1271 нм, 1291 нм, 1311 нм и 1331 нм для передачи оптического сигнала. Этот стандарт обеспечивает совместимое расстояние покрытия (2 км) и недорогое решение на основе существующих 100G SR4 QSFP28 и 100G LR4 QSFP28.
DWDM
DWDM — это плотное мультиплексирование с разделением по длине волны с разнесением каналов 1.6/0.8/0.4 нм (200 ГГц/100 ГГц/50 ГГц). По сравнению с каналами CWDM, каждый канал занимает 20 нм пространства, и на одном оптическом волокне можно мультиплексировать больше длин волн, тем самым увеличивая пропускную способность. Система DWDM может обеспечить максимальную пропускную способность одного волокна в 160 волн, увеличивая пропускную способность одного оптического волокна в десятки и сотни раз, значительно экономя ресурсы оптического волокна и снижая затраты на строительство линии. Она в основном используется для передачи данных большой емкости на большие расстояния в магистральных сетях. С помощью EDFA (усилителей на эрбиевом волокне) система DWDM может работать на расстоянии в тысячи километров.
ЛВС-WDM
LAN-WDM основан на мультиплексировании с разделением по длине волны каналов Ethernet, а его разнос каналов составляет 200~800 ГГц, что находится между DWDM (100 ГГц, 50 ГГц) и CWDM (около 3 ТГц). Диапазон длин волн LAN-WDM использует 12 длин волн в диапазоне от 1269 нм до 1332 нм с интервалом длин волн 4 нм (1269.23, 1273.54, 1277.89, 1282.26, 1286.66, 1291.1, 1295.56, 1300.05, 1304.58, 1309.14, 1313.73, 1318.35 нм). Рабочая длина волны LAN-WDM характеризуется тем, что находится вблизи нулевой дисперсии, с небольшой дисперсией и хорошей стабильностью. LAN-WDM может поддерживать до 12 длин волн и 25G, что увеличивает емкость и может дополнительно экономить оптоволокно. Наиболее часто используемым является LAN-WDM4, который имеет расстояние передачи около 10 км и использует длины волн 1295.56 нм, 1300.05 нм, 1304.58 нм и 1309.14 нм.
ЛВС-WDM
СР4.2, ДР4.2, ДР8.2
В случае 400G и 800G также используется мультиплексирование с разделением по длине волны, такое как SR4.2, DR4.2 и DR8.2. Если взять 400GBASE-SR4.2 в качестве примера, скорость оптического приемопередатчика составляет 400 Гбит/с, SR означает, что соединение находится в пределах 150 м, 4 означает 4 пары оптических волокон (8 жил), а 2 означает, что каждое ядро несет 2 длины волны. Он использует технологии BiDi и PAM4 (50 Гбит/с), используя двухволновое мультиплексирование 850 нм и 910 нм, достигая 400 Гбит/с посредством параллельной передачи 8 оптических волокон.
Многомодовые волокна в сценариях многомодового применения
Недавно построенные центры обработки данных и интеллектуальные вычислительные центры, как правило, чаще используют оптоволокно OM4. Эффективная полоса пропускания OM4 более чем в два раза больше, чем у OM3, с большей дальностью передачи. По сравнению с OM4, OM5 в основном расширяет канал с высокой пропускной способностью, позволяя ему поддерживать передачу в диапазоне 850 нм ~ 950 нм. При использовании мультиплексирования с разделением по длине волны он обеспечивает более высокую эффективную полосу пропускания и большую дальность передачи, чем OM4. В сценариях 40G/100G/400G без WDM нет никакой разницы в производительности между OM4 и OM5. При использовании WDM (например, BiDi, SWDM и SR4.2) OM5 может обеспечить большую дальность передачи, чем OM4. Поэтому при прокладке кабелей в центрах обработки данных и интеллектуальных вычислительных центрах необходимо выбирать тип многомодового оптоволокна на основе фактических условий.