اتجاهات تكنولوجيا جهاز الإرسال والاستقبال البصري لمركز البيانات في عام 2022

مع التطور السريع للحوسبة السحابية ، والبيانات الضخمة ، والفيديو فائق الدقة ، والذكاء الاصطناعي ، وتطبيقات صناعة 5G ، يستمر تواتر الوصول إلى الشبكة وطرق الوصول في الزيادة ، ويزداد معدل نقل بيانات الشبكة بسرعة ، مما يشكل تحديات أكبر للبيانات مركز الترابط (DCI). بأخذ مركز بيانات بهندسة CLOS ذات أوراق العمود الفقري كمثال ، تظهر سيناريوهات التوصيل البيني البصري النموذجية في الجدول 1. السيناريوهات الثلاثة الأولى هي التوصيل البيني داخل مركز البيانات ، والسيناريو الرابع هو الترابط بين مراكز البيانات.

سيناريوهات الترابط		المسافة النموذجية		المتطلبات النموذجية للوحدات البصرية
				الجيل الأخير	في الوقت الحاضر	الجيل القادم
السيناريو شنومكس	خادم إلى TOR (داخل مركز البيانات)	2 م (داخل الرف) 30/50 م عبر الرفوف	داخل غرفة الآلة	25G AOC / DOC	100G AOC / DAC	200G AOC / DAC
السيناريو شنومكس	TOR إلى ورقة (داخل مركز البيانات)	≥70 م / 100 م	داخل المبنى	100 جرام SR4	400 جرام SR8 / SR4.2	800 جرام PSM8 / PSM4
السيناريو شنومكس	من ورقة إلى العمود الفقري (داخل مركز البيانات)	500 م / 2 كم	بين المباني	100 جرام CWDM4	400 جرام من FR4 / DR4	800 جرام من FR4 / PSM4
السيناريو شنومكس	بين مراكز البيانات	80-120m	بين الجامعات	100 جرام DWDM	400 جرام ZR / ZR +	800 جرام ZR

الجدول 1: سيناريوهات الترابط البصري النموذجية لمراكز البيانات

1. متطلبات الوحدة البصرية للربط الداخلي لمراكز البيانات

يمثل الترابط الداخلي لمركز البيانات نسبة كبيرة من التوزيع العام لحركة مركز البيانات. يتم عرض المتطلبات النموذجية للوحدات البصرية في الجدول 1 ، وهناك اتجاهات تطوير نحو السرعة العالية ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، والتكلفة المنخفضة ، والذكاء ، وما إلى ذلك.

(1) الاتجاه نحو السرعة العالية

بدأ الاتصال الداخلي داخل Amazon و Google و Microsoft و Facebook وغيرها من مراكز البيانات الكبيرة جدًا في أمريكا الشمالية في النشر التجاري لوحدات بصرية 400 جيجابت / ثانية بين عامي 2019 و 2020. وتتحول مراكز البيانات المحلية تدريجياً من 100 جيجابت / ثانية إلى 400 جيجابت / ثانية أجهزة الإرسال والاستقبال ، ومن المتوقع أن يتحقق نشر المقياس في عام 2022. كما هو موضح في الرسم البياني 1 ، من المتوقع أن يصل معدل نقل رقائق تبديل مركز البيانات إلى 51.2 تيرا بايت / ثانية في عام 2023 و 102.4 تيرا بايت / ثانية بعد عام 2025. معدلات أعلى تبلغ 800 جيجا بايت / ثانية ستصبح s و 1.6 تيرا بايت / ثانية اختيارات مهمة لتحقيق تبادل بيانات النطاق الترددي العالي.

الرسم التخطيطي 1: الاتجاه المتطور لمعدل نقل رقاقة تبديل مركز البيانات

(2) الاتجاه نحو الاستهلاك المنخفض

مع استمرار زيادة قدرة تحويل الرقائق ، بدأ استهلاك الطاقة للوحدات الضوئية يتجاوز استهلاك شرائح التبديل ، ليصبح عاملاً رئيسياً في حلول الشبكة. استهلاك الطاقة المبكر للوحدات الضوئية 400 جيجابت / ثانية هو 10 ~ 12 وات ، ومن المتوقع أن يكون استهلاك الطاقة على المدى الطويل من 8 إلى 10 وات ؛ يبلغ استهلاك الطاقة للوحدات الضوئية 800 جيجابت / ثانية حوالي 16 وات. بالإضافة إلى ذلك ، تتوقع الصناعة تقليل استهلاك الطاقة وتكلفة ربط SerDes عن طريق تغليف المحرك البصري وشريحة التبديل ، وتغطي تقنية CPO (البصريات المجمعة) الرقائق الإلكترونية والمحركات الضوئية معًا ، والتي أصبحت نقطة ساخنة للبحث في الصناعة.

(3) الاتجاه نحو التكلفة المنخفضة

هناك متطلبات ضخمة للربط البيني في مراكز البيانات ، والتكلفة المنخفضة هي إحدى القوى الدافعة الرئيسية للتطوير المستمر لحلول تكنولوجيا الوحدات الضوئية. أولاً ، تظهر كبلات الوصول في السيناريو الأول اتجاهًا للتنويع. تعمل بعض الحلول على تقليل مسافة التوصيل البيني عن طريق تعديل تصميم الخزانة ، واستخدام الكابلات النحاسية المتصلة مباشرة (DAC) منخفضة التكلفة بدلاً من الكابلات الضوئية ؛ ثانيًا ، مع بيئة التشغيل المستقرة والاستبدال السريع للوحدات الضوئية لمركز البيانات ، تستكشف الصناعة بنشاط حلولًا لخفض التكاليف عن طريق تقليل متطلبات درجة الحرارة والموثوقية طويلة الأجل وما إلى ذلك ؛ ثالثًا ، مع استمرار زيادة السرعة ، يكون الاتجاه الهابط للحلول المتماسكة واضحًا ، كما أن الحلول غير المتماسكة تسعى جاهدة أيضًا للتوسع إلى مسافات طويلة. المخططان "يلتقيان" في بعض سيناريوهات التطبيق ، وستكون نسبة الطلب على المخططات المختلفة في مشاهد "الاجتماع" مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالعوامل بما في ذلك التكلفة.

(4) الاتجاه نحو الذكاء

بدأت OTT في الاهتمام بتعزيز قدرات التشغيل والصيانة وتحسين جودة الوحدات الضوئية. تتحقق المراقبة الصحية للوحدات الضوئية والإنذار المبكر بالأعطال من خلال الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي والبيانات الضخمة ، مما يضع متطلبات جديدة للخصائص والمواصفات الوظيفية لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية.

أنواع الوحدات البصرية		شكل عامل	معدل الواجهة البصرية جيجابت / ثانية	معدل الواجهة الكهربائية جيجابت / ثانية	بعد انتقال	عدد الألياف	استهلاك الطاقة النموذجي
100Gb / ثانية	VR	QSFP28	100	100	30 / 50m	1	<3.5W
	SR4		4 × 25	4 × 25	70 / 100m	4
	PSM4		4 × 25	4 × 25	500m	4
	CWDM4		4 × 25	4 × 25	2km	1
	LR4		4 × 25	4 × 25	10km	1
200Gb / ثانية	VR2	QSFP56	2 × 100	2 × 100	30 / 50m	2	<6.5W
	SR4		4 × 50	4 × 50	70 / 100m	4
	FR4		4 × 50	4 × 50	2km	1
	LR4		4 × 50	4 × 50	10km	1
400Gb / ثانية	VR4	QSFP-DD / OSFP	4 × 100	4 × 100	30 / 50m	4	<12.0W
	SR8		8 × 50	8 × 50	100m	8
	SR4.2		8 × 50	8 × 50	100m	4
	DR4		4 × 100	4 × 100	500m	4
	FR4		4 × 100	4 × 100	2km	1
	LR4		4 × 100	4 × 100	10km	1
800Gb / ثانية	VR8	QSFP-DD800 / OSFP / QSFP224 / CPO	8 × 100	8 × 100	30 / 50m	8	16W
	PSM8		8 × 100	8 × 100	70 / 100m	8
	DR8		8 × 100	8 × 100	500m	8
	DR4		4 × 200	8 × 100	500m	4
	2 × FR4		8 × 100	8 × 100	2km	2
	FR4		4 × 200	8 × 100	2km	1

الجدول 2: متطلبات الوحدة البصرية للربط الداخلي لمركز البيانات

2. الوحدات البصرية المستخدمة في الربط البيني بين مراكز البيانات

في المرحلة المبكرة ، كان يتم الوصول إليه بشكل أساسي من خلال الإنترنت. مع زيادة حركة الأعمال ، وصلت حركة البيانات إلى أكثر من تيرا بايت / ثانية ، وتتطلب مشاكل مثل تأخير الشبكة والازدحام والأمن واجهات خاصة لدعمها. تعتبر مراكز البيانات صناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة. نظرًا لقيود الإمداد بالطاقة والبيئة المحيطة ، لا يمكن توسيع نطاق مركز البيانات الفردي إلى ما لا نهاية. يتيح التطبيق الشامل لتقنية المحاكاة الافتراضية الحديثة العديد من مراكز البيانات المنفصلة ماديًا للعمل كمركز بيانات افتراضي ، ويمكن لشركات الإنترنت الكبيرة مشاركة الحمل بين مراكز البيانات والخدمات المتعددة ، مما يقلل بشكل فعال طلب مركز البيانات على إمدادات الطاقة ، ويسهل النشر السريع . بالإضافة إلى ذلك ، بالنظر إلى التعافي من الكوارث والنسخ الاحتياطي ، تتكون العديد من مراكز البيانات الكبيرة من مواقع متعددة ، يلزم بينها عدد كبير من قنوات تبادل البيانات ذات زمن الوصول المنخفض. تفرض جميع سيناريوهات التطبيق المذكورة أعلاه متطلبات قوية على DCI. تبلغ مسافة DCI بشكل عام عدة كيلومترات إلى عشرات الكيلومترات ، أو حتى أكثر من 100 كيلومتر. السيناريوهات النموذجية للربط البيني هي كما يلي:

(أ) DCI-Campus: قم بالاتصال بمركز بيانات على مسافة قصيرة. عادة ما تكون مسافة الإرسال حوالي 2 كم ، وتتوسع إلى مسافة أطول تبلغ 10 كم ؛

(ب) DCI-Edge: مركز البيانات الموزع في منطقة الاتصال. عادة ما تكون مسافة الإرسال 80 كم ~ 120 كم ؛

(ج) المترو / المسافات الطويلة: يمتد إلى منطقة العاصمة والإرسال لمسافات طويلة ، ويمكن أن تصل المسافة إلى مئات أو آلاف الكيلومترات. من أجل الاستفادة الكاملة من موارد الألياف الضوئية ، تُستخدم تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) على نطاق واسع ، ويمكن استخدام رموز تعديل مختلفة لمسافات نقل مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أنه ليس جزءًا من البنية التحتية لـ DCI ، يتم أيضًا دمج الشبكات اللاسلكية في شبكة مركز البيانات.

بالنسبة إلى DCI في نطاق 20 كم ، اعتمادًا على عرض النطاق الترددي للاتصال وموارد الألياف ، يمكن اختيار تقنية التعديل والكشف المباشر CWDM أو DWDM. لمسافة النقل من 20 كم إلى 80 كم ، تتنافس تقنية DWDM المتماسكة ، وتكنولوجيا التعديل والكشف المباشر من حيث تكلفة البناء والتشغيل والموثوقية ، وما إلى ذلك لمسافة النقل من 80 كم إلى 120 كم ، DWDM متماسك التكنولوجيا هي الحل السائد. من أجل تقليل التعقيد التقني والتكلفة بشكل أكبر ، يتم أيضًا تطوير وحدات الضوء الملون والضوء الرمادي على أساس التعديل المباشر وتقنية الكشف في وقت واحد. بالنسبة لمسافات الإرسال التي تبلغ مئات الكيلومترات وأكثر ، من الضروري إرسال إشارات عالية السرعة على كل طول موجي لزيادة عرض النطاق الترددي للواجهة الإجمالية ، والتكنولوجيا المتماسكة هي الحل السائد.

معدل	شكل عامل	بعد انتقال	تقنية الكشف	تعديل وضع	المعيار المرجعي / المواصفات
100Gb / ثانية	CFP2	80-120km	منطق	QPSK	افتح ZR +
	QSFP28	80-120km	التعديل والكشف المباشر	PAM4	اللون
	QSFP28	80km	التعديل والكشف المباشر	NRZ	_
400Gb / ثانية	QSFP-DD	80-120km	منطق	16QAM	منظمة العفو الدولية 400ZR
800Gb / ثانية	QSFP-DD800	10km	منطق	16QAM	منظمة العفو الدولية 800LR
	QSFP-DD800	80-120km	منطق	16QAM	منظمة العفو الدولية 800ZR

الجدول 3: متطلبات الوحدات البصرية للتوصيل البيني بين مراكز البيانات

3. تكنولوجيا الوحدات الضوئية المستخدمة في الربط البيني لمركز البيانات

100G QSFP28 و 400G QSFP-DD ، أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية OSFP على أساس الطول الموجي الفردي 100 جيجابت / ثانية

يضع إنشاء مركز البيانات مطالب قوية للسرعة العالية ، والحجم الصغير ، والتكلفة المنخفضة ، واستهلاك الطاقة المنخفض للوحدات الضوئية. يمكن أن تستفيد تقنية الموجة الواحدة بسرعة 100 جيجابت / ثانية بشكل فعال من تحسين النطاق الترددي والتطور المتكرر للرقائق الكهروضوئية ، فضلاً عن العمليات والتعبئة المتكاملة للغاية ، لتحقيق كثافة واجهة أعلى وتكلفة منخفضة مع تلبية نفس متطلبات النطاق الترددي وتقليل التعقيد البصري.

من حيث التوحيد القياسي الدولي ، أصدرت IEEE802.3 و 100 G Lambda MSA أو أسست سلسلة من المعايير ذات الصلة 100 / 400Gb / s على أساس الطول الموجي الأحادي 100Gb / s ، كما هو موضح في الجدول 4. فيما يتعلق بمعايير الصناعة ، فإن CCSA هي صياغة معايير الصناعة لجهاز الإرسال والاستقبال البصري أحادي الموجة 100 جيجابت / ثانية ، بما في ذلك مواصفات المسافة لـ DR (500 م) ، FR1 (2 كم) ، LR1 (10 كم) ، LR1-20 (20 كم) ، و ER1-30 / 40 (30/40 كم) ) ؛ YD / T 3538.3-2020: تم إصدار "400 جيجابت / ثانية بجهاز الإرسال والاستقبال البصري القابل للتوصيل بتعديل الكثافة ، الجزء 3: 4 × 100 جيجابت / ثانية" في عام 2020 ، والذي يحتوي على مواصفات المسافة من DR4 (500 م) و FR4 (2 كم) ؛ في الوقت نفسه ، تنفذ FiberMall بنشاط موضوعات بحثية مثل وحدات بصرية بعيدة المدى لتعديل كثافة 4 × 100 جيجابت / ثانية وأجهزة بصرية عالية السرعة بسعة 100 جيجابايت وما فوق.

	المبدأ التوجيهي	الولايه او المحافظه	الطول الموجي التشغيلي	المسافات
100 جرام في آر	IEEE 802.3 ديسيبل	قيد البحث	842-948nm	30 م (OM3) 50 م (OM4 / 5)
100 جرام ريال	IEEE 802.3 ديسيبل	قيد البحث	844-863nm	60 م (OM3) 100 م (OM4 / 5)
100 جرام DR	إيي 802.3cd-2018	نشرت	1304.5-1317.5nm	500m
100 جرام FR1	إيي 802.3cu-2021 100 جرام لامدا MSA (100G-FR و 100G-LR المواصفات الفنية Rev 2.0)	نشرت	1304.5-1317.5nm	2km
100 جرام LR1		نشرت	1304.5-1317.5nm	10km
100 جرام LR1-20	100 جرام لامدا MSA (100G-LR1-20,100G-ER1-30 and 100G-ER1-40 المواصفات الفنية Rev 1.1)	نشرت	1304.5-1317.5nm	20km
100 جرام ER1-30 / 40		نشرت	1308.09-1310.19nm	30 / 40km
400 جرام VR4	IEEE 802.3 ديسيبل	قيد البحث	824-948nm	30 م (OM3) 50 م (OM4 / 5)
400 جرام SR4	IEEE 802.3 ديسيبل	قيد البحث	844-863nm	60 م (OM3) 100 م (OM4 / 5)
400 جرام DR4	معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات 802.3bs-2017	قيد البحث	1304.5-1317.5nm	500m
400 جرام FR4	إيي 802.3cu-2021 100 جرام لامدا MSA (400G-FR4 المواصفات الفنية Rev 2.0)	نشرت	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	2km
400 جرام LR4-6	إيي 802.3cu-2021	نشرت	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	6km
400 جرام LR4-10	100 جرام لامدا MSA (400 جرام-LR4-10 المواصفات الفنية الإصدار 1.0)	نشرت	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	10km
400G ER4	100 جرام لامدا MSA	قيد البحث	nLWDM	30 / 40km

الجدول 4 ، التقدم المحرز في المعايير الدولية ذات الصلة 100 / 400Gb / s على أساس الطول الموجي الفردي 100Gb / s

من حيث عامل الشكل ، أصدرت QSFP-DD MSA و OSFP MSA مواصفات 400 جيجابت / ثانية QSFP-DD و 400 جيجابت / ثانية OSFP على التوالي ، باستخدام واجهة كهربائية 8 × 56 جيجابت / ثانية. قام QSFP-DD MSA بتحديث وإصدار إصدار 6.01 من المواصفات بما في ذلك 400Gb / s QSFP112 في عام 2021. سيصدر QSFP112 MSA ، بقيادة Alibaba و Baidu ، قريبًا المواصفات ذات الصلة لتعزيز تطبيقات ربط مركز البيانات.

（1）500m/2km 100/400Gb/s optical transceivers

كما هو موضح في الرسم البياني أدناه ، تعتمد الوحدة البصرية 100 جيجابت / ثانية ذات الطول الموجي الفردي من الجيل الأول بشكل أساسي على واجهة كهربائية 400 × 8 جيجابت / ثانية ، الأمر الذي يتطلب DSP لتحقيق تحويل معدل 56: 8 علبة التروس. تعتمد الوحدة الضوئية من الجيل الثاني بسرعة 4 جيجابت / ثانية واجهة كهربائية 400 × 4 جيجابت / ثانية ، والتي يمكنها تبسيط الاتصال بين شريحة التبديل والوحدة الضوئية ، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة والتكلفة.

الشكل 2: الجيل الأول والثاني من الوحدات الضوئية بسرعة 400 جيجابت / ثانية على أساس الطول الموجي الأحادي 100 جيجابت / ثانية

فيما يتعلق بتكنولوجيا الواجهة الضوئية ، دخلت الوحدة البصرية 400Gb / s 500m DR4 القائمة على الألياف أحادية الوضع للاستخدام التجاري ، وهناك ثلاثة أنواع من الحلول: EML و DML وضوئيات السيليكون. من بينها ، حل EML هو الحل التقليدي بأعلى مستوى من النضج. في نهاية عام 2020 ، أصدرت Lumentum شريحة PAM100 DML بسرعة 4 جيجابت / ثانية لتوفير دعم قوي لحل DML ، الأمر الذي يتطلب التحكم في درجة الحرارة لضمان أداء النطاق الترددي عند درجة الحرارة القياسية (0 ~ 70 درجة مئوية). فيما يتعلق بالرقائق الإلكترونية ، افتقرت الصناعة إلى الموجة الواحدة 100 جيجابت / ثانية PAM4 DML التي تدعم الرقائق الإلكترونية في الأيام الأولى. في الوقت الحالي ، أطلقت شركات الاتصالات الضوئية مثل Insica و Aluksen منتجات مرتبطة ببرنامج التشغيل و TIA ، لكن نضج سلسلة الصناعة لا يزال بحاجة إلى مزيد من التحسين.

الاستثمار وحماس البحث والتطوير لحلول السليكون الضوئية مرتفع. أطلقت Intel و Lumentum و II-VI و Acacia و FiberMall وشركات أخرى منتجات وحدة فوتونات السيليكون DR400 4 جيجابت / ثانية ، كما أصدرت علي بابا أيضًا وحدات فوتونات سيليكون مطورة ذاتيًا. إن حلول السليكون الضوئية لمختلف الشركات المصنعة في الصناعة ليست موحدة ، مما يجلب تحديات معينة لتشكيل مزايا الحجم. نظرًا لعوامل مثل فقد الاقتران العالي ، والليزر CW DFB عالي الطاقة ، ومحركات التأرجح الكبيرة ، لا يزال حل الضوئيات السيليكونية بعيدًا عن توقعات الصناعة من حيث استهلاك الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك أيضًا جدل في الصناعة حول اختيار الحلول التقنية CWDM4 و PSM4 في سيناريوهات تطبيق 500 متر. كلاهما له إيجابيات وسلبيات خاصة به ، لذلك يجب مراعاة العوامل المختلفة مثل الأداء والتكلفة بشكل شامل.

	حل EML	حل DML	حلول السيليكون الضوئية
استهلاك الطاقة	معتدل	منخفض	معتدل
التكلفة	معتدل	منخفض	يعتمد على معدل النجاح على نطاق واسع
نضج	مرتفع	منخفض	معتدل
التكنولوجيا الرئيسية	_	ارتفاع عرض النطاق الترددي الخطي DML 、 سائق DML	معدل منخفض الطاقة
الحلول	CWDM4	PSM4 أو CWDM4	PSM4
عدد أسلاك التوصيل المصنوعة	2	8 أو 2	8
لصق الألياف	LC / UCD / SN / MDC	MPO / LC / UCD / SN / MDC	MPO / UCD / SN / MDC

الجدول 5: مقارنة بين الحلول التقنية 400Gb / s 500m DR4

تعمل الوحدة البصرية DR400 + 4Gb / s على زيادة مسافة الإرسال إلى 2 كم ، حاليًا مع حل EML باعتباره الحل الرئيسي. اعتمدت الوحدات البصرية 100Gb / s DR و 100 Gb / s FR1 بشكل أساسي عامل الشكل QSFP28 ، وتستخدم في سيناريوهات كبل الاختراق بطول 500 متر و 2 كيلومتر مع وحدات بصرية 400 جيجابت / ثانية DR4 و 400 جيجابت / ثانية DR4 + على التوالي. يتم استخدام سيناريو الاختراق حاليًا في OTTs الكبيرة في أمريكا الشمالية. الميزة هي أنه يمكن أن يدرك التطبيق العملي والمرونة للتوصيل البيني لإشارة الخدمة وتحسين كثافة المنفذ بشكل فعال ؛ العيب هو أن الصيانة معقدة وأن أنواع الوحدات تزداد. سيؤثر فشل أو استبدال أي رابط على الروابط الأخرى. يعتمد سيناريو تطبيق FR400 بسرعة 2 جيجابت / ثانية 4 كم بشكل أساسي الحل التقني CWDM4 ، والذي يمكن أن يقلل بشكل كبير من الطلب على الألياف الضوئية ويحقق مزايا التكلفة الشاملة. في الوقت نفسه ، نظرًا لوجود عدد كبير من الوحدات الضوئية بمسافات نقل مختلفة ، تتوقع بعض OTTs المحلية استخدام حل FR400 بسرعة 2 جيجابت / ثانية 4 كم لتحقيق حامل موحد يبلغ 500 م و 2 كم لتقليل تعقيد التشغيل والصيانة. في الوقت الحاضر ، تم إنتاج منتجات الوحدات الضوئية بسرعة 100/400 جيجابت / ثانية على أساس الطول الموجي الفردي 100 جيجابت / ثانية بكميات كبيرة من قبل العديد من الشركات المصنعة في جميع أنحاء العالم.

النوع	شكل عامل	ممثل المصنعين المحليين والأجانب
		EML	الضوئيات السيليكونية / DML
100 جرام DR	QSFP28 / SFP56-DD	سيسكو ، جونيبر ، فايبر مول ، II-VI	إنتل
100 جرام جمهورية مقدونيا	QSFP28 / SFP56-DD	سيسكو ، جونيبر ، فايبر مول	إنتل
400 جرام DR4	QSFP-DD	سيسكو ، أريستا ، جونيبر ، II-VI ، فايبر مول	Intel ، II-VI ، AOI (DML)
400 جرام DR4 +	QSFP-DD	بروأدكم	إنتل
400 جرام FR4	QSFP-DD	جونيبر ، فايبر مول ، II-VI ، سيسكو ، أريستا	_

الجدول 6: الشركات المصنعة للوحدات الضوئية التمثيلية لـ 100 جيجابت / ثانية DR / FR1 و 400 جيجابت / ثانية DR4 / DR4 + / FR4

تصنيف الجهاز	رقاقة مفتاح	الصانع الممثل
		500m	2km
رقاقة بصرية	كاشف سعة 53 جيجا بايت	من Broadcom GCS	من Broadcom GCS
	53 جيجا بايت ليزر	Lumentum 、 II-VI 、 AOI (DML)	Mitsubishi 、 Lumentum 、 Broadcom (EML)
رقاقة كهربائية	53GBaud خطي TIA	إنفي ، برودكوم ، سيمتيك ، ماكوم	إنفي ، برودكوم ، سيمتيك ، ماكوم
	53GBaud سائق خطي	إنفي ، برودكوم ، سيمتيك ، ماكوم	إنفي ، برودكوم ، سيمتيك ، ماكوم
	DSP	إنفي ، برودكوم	إنفي ، برودكوم
شريحة متكاملة من الضوئيات السيليكونية		إنتل ، أكايكا ، روكلي	إنتل ، أكايكا ، روكلي

الجدول 7: الشركات المصنعة التمثيلية لجهاز الرقاقة الكهروضوئية الأساسية 100 / 400Gb / s 500m / 2km

（2）10km/40km 100/400Gb/s optical transceivers

الحلول التقنية السائدة للوحدات الضوئية 10km / 40km 100 / 400Gb / s موضحة في الجدول 8. يستخدم جانب الإرسال للوحدة البصرية LR100 1Gb / s شريحة 53GBaud EML ولديه حلان لعامل الشكل: BOX و TO. يتميز الأخير بميزة التكلفة المنخفضة ، لكن هامش النطاق الترددي صغير ومعدل النجاح أقل قليلاً. يتميز جهاز EML بسعة 53 جيجا بايت غير المبرد بمزايا التكلفة المنخفضة واستهلاك الطاقة المنخفض. يتم استخدامه حاليًا في سيناريوهات تبلغ 2 كم أو أقل ، ويحتاج تطبيق 10 كم إلى مزيد من التحقق. يستخدم الجانب المستلم شريحة PIN 53GBaud ، مع التعايش بين BOX و TO ، ومحكم الإغلاق ، وعامل الشكل غير المحكم ، والذي قد يتطور إلى عامل الشكل المحكم TO وعامل الشكل غير المحكم COB في المستقبل.

نوع الوحدة	شكل عامل	واجهة كهربائية	واجهة بصرية	رقاقة بصرية	عامل شكل OSA
100 جيجابت / ثانية LR1	QSFP28	4x25 جرام NRZ	1x 100 جرام بام 4	EML + PIN	TO / BOX
100 جيجابت / ثانية ER1	QSFP28	4x25 جرام NRZ	1x 100 جرام بام 4	EML + APD	TO / BOX
400 جيجابت / ثانية LR4	QSFP-DD	8x50 جرام بام 4	4x 100 جرام بام 4	EML + PIN	قطعة خبز / صندوق
400 جيجابت / ثانية ER4	QSFP-DD	8x50 جرام بام 4	4x 100 جرام بام 4	EML + APD EML + (SOA + PIN)	BOX

الجدول 8: الحلول التقنية السائدة 100 / 400Gb / s 10 / 40km

يظهر الرسم التخطيطي للوحدة البصرية 100Gb / s LR1 / ER1 في الشكلين (أ) و (ب) أدناه. يستخدم جهاز الإرسال شريحة 53GBaud EML ؛ يستخدم جهاز الاستقبال شريحة 53GBaud PIN / APD ، وتدعم شريحة 4: 1 PAM4 DSP KP4 FEC. يتم عرض مخططات الكتلة للوحدات البصرية 400Gb / s LR4 و ER4 في الرسم التخطيطي (ج) و (د) على التوالي. يستخدم جهاز الإرسال 400Gb / s LR4 شرائح صفيف 4 × 53GBaud EML (عامل الشكل BOX / COB) ، ويستخدم جهاز الاستقبال شريحة صفيف PIN 4 × 53GBaud (عامل الشكل BOX / COB ؛ التعايش المحكم وغير المحكم) ؛ جهاز الإرسال 400Gb / s ER4 يستخدم شريحة صفيف 4 × 53GBd EML (حزمة BOX) ، مع تحديد الطول الموجي ؛ يتم تحديد حل المستقبل ، مع إمكانية حلول APD و SOA + PIN عالية الأداء (حزمة BOX / COB ، والتعايش بين عامل الشكل المحكم وغير المحكم). تتبنى الوحدة البصرية 400Gb / s LR4 / ER4 شريحة 8: 4 PAM4 DSP وتدعم KP4 FEC. مقارنة بالحلول التقليدية ، يمكن للوحدات الضوئية 100 / 400Gb / s القائمة على تقنية 100Gb / s ذات الطول الموجي الفردي توفير العديد من الشرائح الضوئية ، وبالتالي تقليل التكلفة واستهلاك الطاقة وتعقيد التصنيع وتحسين معدل النجاح. تعتمد الرقاقة الإلكترونية DSP مع وظائف Driver و CDR و Gearbox المدمجة ، مما يقلل من تعقيد التصميم ويسهل تركيز المنتج على مصممي الشرائح.

الرسم التخطيطي 3: وحدات بصرية 100 / 400Gb / s تعتمد على تقنية الموجة الواحدة 100Gb / s

في الوقت الحاضر ، أصدر عدد من الشركات المصنعة المحلية والأجنبية منتجات ذات إنتاج ضخم وعلامات طريق تعتمد على تقنية 100 جيجابت / ثانية ذات الطول الموجي الفردي:

• تم توفير 100 جيجابت / ثانية LR1 من قبل العديد من الشركات المصنعة للوحدات على دفعات. مع النضج التدريجي لتكنولوجيا تغليف الأجهزة البصرية 53GBaud ، تحسن معدل تأهيل منتجات الوحدات الضوئية تدريجياً ، ومن المتوقع أن تكون التكلفة الحالية أفضل من تكلفة حل LR100 بسعة 4 جيجابت / ثانية ؛

• بالنسبة إلى 400 جيجابت / ثانية LR4 ، يمكن لعدد من الشركات المصنعة للوحدات النمطية تقديم عينات بيتا ، ومن المتوقع أن تكون التكلفة أفضل من تكلفة حل LR400 بسعة 8 جيجابت / ثانية. مع الزيادة التدريجية في الطلب على رقاقات 53GBaud الضوئية في المستقبل ، هناك مجال كبير لخفض التكلفة ؛

• 100Gb / s ER1 و 400Gb / s ER4 قيد البحث حاليًا من قبل العديد من الشركات المصنعة للوحدات النمطية. حقق 100Gb / s ER1 اختراقة أولية ويمكنه تحقيق انتقال 40 كم في بيئة المختبر. 400Gb / s ER4 قيد البحث ، ومن المتوقع إطلاق نموذج أولي بحلول نهاية عام 2022 بناءً على الأساس الجيد لـ 100G ER1. يواجه كل من 100Gb / s ER1 و 400Gb / s ER4 حاليًا تحديات مثل متطلبات كفاءة الاقتران البصري العالية في نهاية الإرسال ، ومتطلبات حساسية الرقاقة العالية عند الطرف المستقبل ، والحاجة إلى الفحص.

النوع	شكل عامل	مصنعي الوحدات الضوئية التمثيلية
		ضيق الهواء	غير محكم
100 جرام LR1	QSFP28	CIG ، FiberMall ، جونيبر ، AOI ، سيسكو	الثاني إلى السادس
100G ER1	QSFP28	Sifotonics AOI 、 FiberMall	_
400 جرام LR4	QSFP-DD	سيدي ، العرعر ، فايبرمول ، الهيئة العربية للتصنيع	موليكس 、 CIG II-VI
400G ER4	QSFP-DD	فايبر مول 、 سيسكو	_

Table9 ، مصنعي الوحدات الضوئية التمثيلية لـ 100 جيجابت / ثانية LR1 / ER1 و 400 جيجابت / ثانية LR4 / ER4

يتم إنتاج أجهزة الرقاقة الكهروضوئية الأساسية لتقنية PAM100 أحادية الموجة بسرعة 4 جيجابت / ثانية بشكل أساسي من قبل الشركات المصنعة الأجنبية ، وقد أحرزت بعض الشركات المصنعة المحلية تقدمًا في المرحلة الحالية. معدل التأهيل لفحص ليزرات 53GBaud EML من ليزر 25GBaud EML منخفض ، وهناك حاجة إلى تحسين تصميم هيكل الرقاقة ، والمواد المنشطات ، وما إلى ذلك ، وذلك لحل تحديات ومشاكل زيادة عرض النطاق الترددي مع ضمان الموثوقية. شريحة كاشف 53GBaud APD ناضجة نسبيًا في الداخل والخارج ، والمنتجات المحلية لديها أداء ممتاز. ال بام4 دي اس بي لقد تطورت الشريحة بسرعة في الصين في العامين الماضيين بمعدل 50 جيجابت / ثانية بها عينات على دفعات صغيرة وأداء اختبار جيد. منتجات 100Gb / s و 400Gb / s في مرحلة البحث والتطوير.

تصنيف الجهاز	رقاقة مفتاح	الصانع الممثل
		10km	40km
رقاقة بصرية	53 جيجا بايت EML	ميتسوبيشي ، سيدي ، لومينتوم ، برودكوم ، نيوبوتونيكس	ميتسوبيشي ، سيدي ، لومينتوم ، برودكوم ، نيوبوتونيكس
	53 جيجا بايت PIN	كيوسيمي ، جي سي إس ، ألبيس	_
	53 جيجا بايت APD	_	ماكوم
رقاقة كهربائية	53GBaud خطي TIA	إنفي ، سيمتيك ، ماكوم	إنفي ، سيمتيك ، ماكوم
	DSP	إنفي ، برودكوم	إنفي ، برودكوم

Table10 ： 100Gb / s 10 / 40km جهاز الرقاقة الإلكترونية الضوئية الأساسية للوحدة الضوئية

تصنيف الجهاز	رقاقة مفتاح	الصانع الممثل
		10km	40km
الجهاز البصري	53 جيجا كودم إمل	ميتسوبيشي ، سيدي ، لومينتوم ، برودكوم ، نيوبوتونيكس	_
	53 جيجا نلودم إمل	_	ميتسوبيشي ، سيدي ، لومينتوم ، برودكوم ، نيوبوتونيكس
	53 جيجا بايت PIN	Kyosemi ، GCS ، Albis	_
	53 جيجا بايت APD	_	ماكوم
رقاقة كهربائية	53 جيجا بايت TIA الخطي	إنفي ، سيمتيك ، ماكوم	إنفي ، سيمتيك ، ماكوم
	DSP	إنفي ، من Broadcom	إنفي ، من Broadcom

Table11 ： 400Gb / s 10 / 40km جهاز الرقاقة الإلكترونية الضوئية الأساسية للوحدة الضوئية

من حيث التطبيق والنشر ، نمت منتجات الوحدات الضوئية بسرعة 100 جيجابت / ثانية LR1 و 400 جيجابت / ثانية LR4 بشكل أساسي إلى مرحلة النضج ، وزادت الشحنات تدريجياً بناءً على طلب السوق ؛ من المتوقع أن تصبح محركات 100Gb / s ER1 و 400Gb / s ER4 متاحة تجارياً في منتصف عام 2022. بدأت الوحدات الضوئية 100 / 400Gb / s القائمة على تقنية 100Gb / s ذات الطول الموجي الفردي أيضًا في احتلال موقع مهم في مخطط نشر المشغل وتكامل بائعي المعدات ، وسيكون هناك طلب كبير عليها في السنوات القليلة المقبلة. وفقًا لوضع الشبكة الحاملة للناقلات ، تُستخدم الوحدات الضوئية 30/40 كم بشكل أساسي في سيناريوهات المسافات اللاسلكية المتوسطة والعودة. عندما تتمتع 100Gb / s ER1 بميزة تكلفة ، فإنها ستصبح منافسًا قويًا مع 100Gb / s ER4 الحالية. في المستقبل ، قد يدعم السوق متطلبات إشارة OTN بسرعة 400 جيجابت / ثانية على أساس دعم تطبيقات Ethernet وهناك حاجة إلى مزيد من المناقشة لتعزيز مساحة التطبيق بمعدل 100 جيجابت / ثانية ER1 و 400 جيجابت / ثانية ER4.

(3) وحدة بصرية 50/100 / 400Gb / s 80 ~ 120km

لمسافة النقل من 80 إلى 120 كم ، يمكن لتقنية DWDM المتماسكة حل مشكلة تشتت الارتباط من خلال DSP ، وتقليل متطلبات نسبة الإشارة الضوئية إلى الضوضاء ، والحصول على أداء جيد. من أجل زيادة تقليل استهلاك الطاقة والتكلفة والمساحة المشغولة ، تستكشف الصناعة أيضًا حلول تقنية DWDM الملونة والضوء الرمادي باستخدام تقنية التعديل والكشف المباشرة لمسافة نقل 80 ~ 120 كم.

الحلول		كود التضمين	الفرقة الموجية	تباعد قناة	رقم القناة	نوع FEC	تعويض التشتت	كفاءة الطاقة	قدرة الألياف	شكل عامل	التكلفة النسبية
ضوء ملون	منطق	100 جرام DQPSK	C	100 غيغاهرتز	48/96	CFEC	FEC	18 واط / 100 جرام	4.8 / 9.6 تيرا بايت / ثانية	QSFP-DD / CFP2-DCO / CFP	3
		400 جرام 16 متر مربع	C	100 غيغاهرتز	48	CFEC	FEC	5 واط / 100 جرام	19.2 Tb / s	QSFP-DD / CFP2-DCO / OSFP / CFP-16L	8
	الطين المباشر والكشف	50 جرام بام 4	C	50 غيغاهرتز	80	KR4 / KP4 / IFEC / SFEC	تعويض التشتت الخارجي مطلوب بعد ± 100ps	4.5 واط / 100 جرام	4 Tb / s	QSFP28	1
		100 جرام بام 4	C	100 غيغاهرتز	80	KR4 / KP4 / IFEC / SFEC	تعويض التشتت الخارجي مطلوب بعد ± 40ps	4.5 واط / 100 جرام	8 Tb / s	QSFP28	1.5
ضوء رمادي	الطين المباشر والكشف	4X25G NRZ	O	_	_	KR4	لا يوجد تعويض تشتت مطلوب	6.5 واط / 100 جرام	100 Gb / s	QSFP28	0.5

جدول 12 ، مقارنة بين الحلول التقنية 100G / 400G 80 ~ 120km

الخلاصة:

لقد أتاح التطور السريع وبناء مراكز البيانات فرصًا وحيوية لسوق الوحدات الضوئية. في الوقت نفسه ، قاموا أيضًا بإثارة مطالب جديدة وتحديات أعلى للوحدات الضوئية مثل السرعة العالية والأداء العالي واستهلاك الطاقة المنخفض والتكلفة المنخفضة والذكاء. إن تعزيز الابتكار التكنولوجي وتوجيه تكتل السوق وتقوية دعم القاعدة الصناعية هي وسائل فعالة لمواجهة تلك التحديات. يتعين على جميع الأطراف في الصناعة والسلسلة الصناعية في المنبع والمصب تشكيل قوة مشتركة وتعزيز التقدم المنسق. فيما يتعلق بالابتكار التكنولوجي ، يتم استخدام البحث والتطوير والابتكار في التقنيات مثل المواد الجديدة والتصاميم الجديدة والعمليات الجديدة والتعبئة الجديدة ونطاقات التردد الجديدة لتلبية الطلبات الجديدة للوحدات البصرية في سيناريوهات التطبيق المختلفة.