Оптические трансиверы: перспективы рынка и основные критерии выбора

Оптический трансивер (от англ. TRANSmitter – передатчик и reCEIVER – приeмник) или компактный сменный оптический модуль – это приeмо-передающее устройство, которое используется в волоконно-оптических линиях связи для обмена данными между сетевым оборудованием: коммутаторами, маршрутизаторами, мультиплексорами и другим телекоммуникационным оборудованием. При передаче данных трансиверы выполняют электрооптическое преобразование сигнала, а при приеме – оптоэлектронное.

Широкое применение сменных оптических трансиверов объясняется рядом существенных преимуществ:

  • Возможность гибкого масштабирования сети
  • Возможность комбинирования разного типа решений (типы спектрального уплотнения, разные скорости, разные типы оптического кабеля) в рамках одного узла
  • Высокая ремонтопригодность и легкость замены приемо-передающей системы

Стремительное развитие телекоммуникационных сетей привело к увеличению скоростей передачи данных в волоконно-оптических системах. На рисунке 1 представлена диаграмма, описывающая динамику развития рынка оптических трансиверов за последние 5 лет.

Динамика развития рынка оптических трансиверов

Рисунок 1. Структура рынка оптических трансиверов

К концу 2020 года появились первые проприетарные коммерческие системы передачи данных со скоростью 400G и 800G на одной длине волны. Мировые лидеры производства оптических компонентов и коммутаторов разрабатывают сразу 3 спецификации трансиверов, работающих на скоростях, превышающих 400G. Эти спецификации стандартизируют высокоскоростные трансиверы, позволяя запустить их серийное производство и обеспечить совместимость оборудования разных производителей друг с другом.

Наиболее зависимыми от пропускной способности каналов являются дата-центры. Как показывает практика, первоначально именно там «проверяются» новые высокоскоростные решения. В дальнейшем, по мере распространения технологии и снижения ее себестоимости, эти решения перенимают остальные участники телекоммуникационного рынка, такие как магистральные провайдеры, частные корпоративные сети, интернет провайдеры и др.

На рисунке 2, представленном в отчете Yole Development в конце 2020 года, отображены тенденции развития рынка коммутаторов и трансиверов для дата-центров.

Рисунок 2.  Тенденции развития рынка коммутаторов и трансиверов

Как показано на рисунке, примерно каждые 3 года пропускная способность каналов и производительность маршрутизаторов удваивается и появляется серьезный конкурент сменным трансиверам – кремнивая фотоника (Si-photonics). По сути, это приемо-передающий модуль, выполненный непосредственно на плате устройства, а не в виде сменного модуля. Технологию еще называют «совместно упакованная оптика» (co-packaged optics). Решение позволяет значительно снизить стоимость и увеличить энергоэффективность каналообразующего оборудования. По прогнозным оценкам аналитиков ожидается, что к 2025 году именно такое решение будет основным для передачи данных внутри дата-центров и центров обмена данными.

При выборе оптического трансивера необходимо учитывать ряд важных факторов:

  1. Интерфейсы, поддерживаемые существующим сетевым оборудованием
  2. Необходимая скорость передачи и протокол канала
  3. Возможность использования технологии спектрального уплотнения
  4. Протяженность линии связи
  5. Тип оптического кабеля и коннекторов
  6. Температурный режим
  7. Наличие функции DDM

Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных факторов.

1. Форм-факторы оптических трансиверов

Форм-фактор оптического трансивера определяет его габариты, скорость передачи и энергопотребление. Более новые форм-факторы могут быть обратно совместимы с более ранними (рисунок 3). Некоторые форм-факторы совпадают по габаритам, но, в случае если сетевое оборудование не поддерживает определенный стандарт, то неподдерживаемый трансивер работать не будет. Узнать какие форм-факторы поддерживает коммутатор можно в технической документации устройства или непосредственно в консоли управления оборудования.

Совместимость трансиверов разных форм-факторовРисунок 3. Совместимость трансиверов разных форм-факторов

Важно отметить, что трансивер должен быть совместим с Вашим сетевым оборудованием. Для ряда коммутаторов требуется, чтобы микрокод трансивера был обновлен именно под конкретного производителя. Эта процедура называется «прошивка модулей» и выполняется с использованием специального устройства – программатора и файла-прошивки.

В случае, если необходимый интерфейс не поддерживается Вашим активным оборудованием, например, требуется принять 40G на канал в 10G коммутатор, то используются устройства, называемые транспондерами, которые могут преобразовать канал 40G в 4 канала по 10G. Подробнее с оборудованием можно ознакомиться разделе «Транспондеры». Также следует отметить, что часть задач можно решить с использованием специальных кабельных сборок – DAC/AOC (ссылка на DAC/AOC).

2. Скорости и протоколы

При выборе оптического трансивера нужно учитывать необходимый Вам протокол передачи данных. В подавляющем большинстве случаев это Ethernet, но для некоторых задач необходимо будет использовать и другие протоколы, например, для построения систем хранения данных в основном используется Fibre Channel.

В таблице ниже приведен перечень наиболее распространенных протоколов и их линейные скорости.

ПротоколыРисунок 4 поможет Вам сориентироваться и верно подобрать форм-фактор оптического трансивера исходя из требуемой скорости передачи данных.

Соответствие форм-фактора и скорости передачи трансивера Рисунок 4. Соответствие форм-фактора и скорости передачи трансивера

3. Использование технологии спектрального уплотнения

Выбор технологии спектрального уплотнения определяется имеющейся волоконной емкостью и топологией построения сети. По сути, технология спектрального уплотнения позволяет передавать несколько каналов на разных несущих длинах волн в одном оптическом одномодовом волокне.

Все оптические трансиверы можно условно разделить на три вида:

  • Без спектрального уплотнения, когда в одном волокне передается только одна несущая длина волны. Такие модули требуют два волокна для работы в режиме приемо-передачи – одно на прием, а другое на передачу.
  • BiDi (двунаправленные) или WDM – данные передаются в одном волокне на двух разных длинах волн. В трансиверах используются так называемые оптические сборки BOSA (bidirectional optical sub-assembly). Данные модули работают парами, то есть трансивер на одной стороне работает только с парным трансивером на другой стороне. У модулей будут разные рабочие длины волн на прием и передачу.
  • CWDM/LWDM/MWDM/DWDM – технологии спектрального уплотнения, позволяющие использовать больше двух несущих длин волн в одном волокне. Такие оптические трансиверы, отличаются друг от друга диапазоном используемых длин волн и количеством каналов.

CWDM – 18 длин волн или 9 дуплексных каналов, 12701610 нм с шагом 20 нм

MWDM – 12 длин волн или 6 дуплексных каналов, 12701370 нм с шагом 20±3,5 нм

LWDM – 12 длин волн или 6 дуплексных каналов, 12701320 нм с шагом ~5 нм

DWDM – 40 длин волн или 20 дуплексных каналов для сетки частот 100 ГГЦ, 15281565 нм с шагом 0,8 нм / 96 длин волн или 48 дуплексных каналов для сетки частот 50 ГГЦ, 15271567 нм с шагом 0,4 нм

Возможно создание и гибридных систем, например, организация системы передачи данных, в которой обе технологии – CWDM и DWDM – используются одновременно.

Следует отметить, что большое значение при выборе типа спектрального уплотнения имеет дальность передачи данных. Так, при передаче на большие расстояния (более 80 км) оптический сигнал необходимо усиливать специальными устройствами – EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), которые увеличивают мощность передаваемого оптического сигнала в диапазоне 1529 – 1564 нм, что возможно только для DWDM-систем.

В некоторых современных высокоскоростных трансиверах, например QSFP+ и QSFP28, для работы используется одновременно 4 несущие длины волны (в диапазоне CWDM или LWDM), что в свою очередь ограничивает возможность их применения в составе систем спектрального уплотнения. На помощь приходят передовые решения в области систем активного спектрального уплотнения, которые позволяют преобразовать сигнал в другой интерфейс, а также объединять меньшие по емкости каналы в один канал 100G/200G. Для передачи сигнала в линию используются когерентные трансиверы (технология, использующая модуляцию амплитуды и фазы световых колебаний, а также передачу через две поляризации), которые в рабочем диапазоне DWDM позволяют передавать сигнал на дистанцию, превышающую 10 000 км (с использованием промежуточных узлов регенерации сигнала).

Для работы в составе хPON-сетей используются специализированные SFP-модули.

4. Протяженность линии связи

Ключевым критерием выбора трансивера является оптический бюджет. При передаче данных на дальние расстояния (более 80 км) основными «ограничителями» являются затухание сигнала и нелинейные искажения сигнала, вызванные хроматической дисперсией в оптическом волокне (уширение импульсов).

Первая проблема решается путем использования трансиверов с более мощными передатчиками (тип лазера) и чувствительными приемниками (тип фотодиода), а также установкой оптических усилителей или 3R-регенераторов.

Для решения второй проблемы, связанной с нелинейным искажением сигнала, необходимо использовать компенсаторы дисперсии или волокно с пониженным показателем дисперсии (G.655), или технологию когерентной передачи, которая не подвержена дисперсии.

Помимо оптического бюджета у каждого трансивера есть параметр, называемый «максимально возможная мощность на входе фотоприемника». При превышении порогового значения мощности оптического сигнала возникает вероятность появления ошибок или выхода из строя фотодиода, и, как следствие, всего трансивера. В данном случае необходимо использовать оптические аттенюаторы.

Для коротких трасс (до 500 м для скоростей более 10G и до 2 км для скоростей до 1G) возможно использование многогодового волокна и трансиверов, работающих на длине волны 850 нм. Данное решение позволяет снизить затраты на организацию канала, поскольку стоимость таких трансиверов меньше, чем стоимость трансиверов для одномодовых волокон.

Для коммутаций в рамках одной стойки или одного зала возможно использование кабельных сборок – DAC (до 7 м) или AOC (до 300 м). Заранее «предсобранная» пара трансиверов, соединенных между собой медным (twinax – DAC) или оптическим (AOC) кабелем, является наиболее бюджетным решением.

5. Тип оптического кабеля и коннектор

Как упоминалось выше, оптический кабель можно классифицировать, выделив два вида – одномодовый и многомодовый. Несмотря на то, что разъемы для одномодовых и многомодовых кабелей одинаковые, использовать непредназначенные для данного типа волокна трансиверы крайне нежелательно, так как это может сказаться на стабильности и качестве работы канала.

Что касается соединения, то трансиверы отличаются друг от друга типом разъема (наиболее распространенные – SC, LC, CS и MPO). Для каждого трансивера требуется свой тип коннектора оптического патчкорда.

Оптические коннекторы6. Температурный режим

Оптические трансиверы могут быть выполнены в стандартном (standart) или промышленном (industrial) исполнении. Диапазон рабочих температур для стандартного исполнения составляет от 0 до -70 °C, для индустриального от -40 до -85 °C.

7. Поддержка DDM

DDM (Digital Diagnostics Monitoring, у некоторых производителей может называться DOM или DDMI) – это аппаратная функция оптического трансивера, которая позволяет с помощью удаленного доступа к сетевому оборудованию получать данные о параметрах установленных модулей: напряжение, температура, ток смещения, мощность лазера, уровень принимаемого сигнала и пр.

Данная функция полезна при эксплуатации и диагностике повреждений. Подключение показаний DDM к системам мониторинга позволяет своевременно предупреждать возникновение аварийной ситуации на линии, а также точно определить участок сети, на котором возникла неисправность.

Обращайтесь к нам при строительстве или модернизации оптической сети любого масштаба. Наши инженеры помогут Вам выбрать оборудование, полностью соответствующее специфике проекта и особенностям топологии сети.

Дата публикации: апрель 2021

Заявка на звонок

В форме есть ошибки

Мы перезвоним Вам с 9:00 до 18:00 по Москве

Исправление ошибки

Спасибо за помощь в контроле качества нашего ресурса!