Grandes modelos de IA, HPC, big data, computação em nuvem e outros negócios se desenvolvem rapidamente, o que impulsiona o rápido crescimento da infraestrutura de computação e a crescente demanda por transmissão de dados de alta velocidade e alta eficiência.
Existem três maneiras de aumentar a taxa do transceptor óptico:
- Tecnologias de modulação de ordem superior, como NRZ → PAM4 → xQAM
- Aumentar a velocidade dos dispositivos ópticos (maior taxa de transmissão), como de 25G → 50G → 100G → 200G
- Aumentar o número de canais paralelos (mais pistas): Aumentar o número de pares de fibras, como SR4 com 4 pares de fibras multimodo, transmitindo 100G (25G por canal); Usar multiplexação por divisão de comprimento de onda, como LR4 com um par de fibras monomodo, transmitindo 100G (25G por comprimento de onda), ou 40G BiDi, transmitindo 40G (fibra única bidirecional, 20G por comprimento de onda)
Vamos nos concentrar na ideia de multiplexação por divisão de comprimento de onda.
O que é multiplexação por divisão de comprimento de onda?
Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM) é uma tecnologia usada em comunicações de fibra óptica para aumentar a capacidade e a velocidade de transmissão de dados. Ela divide sinais ópticos em múltiplos comprimentos de onda, cada um dos quais carrega um sinal independente, conseguindo assim a transmissão de múltiplos sinais sem interferir uns com os outros.
Classificação WDM comum
Existem dois modos comuns de transmissão WDM: unidirecional de fibra dupla e bidirecional de fibra única.
- Bidirecional de fibra única se refere a um canal óptico que transmite em duas direções diferentes em uma única fibra óptica ao mesmo tempo. Os comprimentos de onda usados são separados um do outro, e cada comprimento de onda transmite dados em uma direção para atingir comunicação full-duplex entre ambos os lados.
- Unidirecional de fibra dupla significa que todos os caminhos ópticos são transmitidos na mesma direção em uma fibra óptica ao mesmo tempo. Diferentes comprimentos de onda transportam diferentes sinais ópticos, que são combinados na extremidade de envio e transmitidos por uma fibra óptica. Na extremidade de recebimento, eles são demultiplexados para completar a transmissão de múltiplos sinais ópticos. A direção reversa é transmitida por outra fibra óptica. A transmissão nas duas direções é completada por duas fibras ópticas, respectivamente.
Existem diferentes tecnologias de multiplexação por divisão de comprimento de onda em ambientes de fibra multimodo e fibra monomodo
No caso de fibra multimodo, a multiplexação por divisão de comprimento de onda de curta distância (SWDM) é frequentemente usada; No caso de modo único, a multiplexação por divisão de comprimento de onda de longa distância é a primeira escolha. As tecnologias de multiplexação por divisão de comprimento de onda de longa distância incluem principalmente CWDM, DWDM e LAN-WDM. A multiplexação por divisão de comprimento de onda bidirecional de fibra única é representada principalmente pela tecnologia BiDi, que pode ser usada em ambientes multimodo e modo único. Além disso, no caso de 400G e 800G, também há usos de multiplexação por divisão de comprimento de onda, como SR4.2, DR4.2 e DR8.2, que descreveremos separadamente mais tarde.
SWDM
SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing) é semelhante ao CWDM em modo único. O SWDM estende os 850 nm usados na fibra óptica multimodo tradicional para 850 nm-950 nm, estendendo o comprimento de onda de transmissão da fibra óptica multimodo. Ele usa uma fonte de luz laser de superfície de cavidade vertical de onda curta (VCSEL) econômica e fibra multimodo de banda larga otimizada (WBMMF) para multiplexar 4 comprimentos de onda em 1 fibra óptica multimodo para transmissão, reduzindo o número de núcleos de fibra óptica necessários para 1/4 do número original, enquanto aumenta a largura de banda modal efetiva (EMB) da fibra óptica para estender a distância de transmissão. O comprimento de onda operacional usado pelo SWDM começa em 850 nm e aumenta em um comprimento de onda a cada 30 nm, a saber: 850 nm, 880 nm, 910 nm e 940 nm.
Em março de 2017, o grupo 100G Short Wavelength Division Multiplexing Multi-Source Agreement (SWDM MSA) lançou pela primeira vez os padrões 40G e 100G SWDM. O MSA define interfaces ópticas SWDM 4x10Gbps e 4x25Gbps para transmissores ópticos de 100Gbit/s para Ethernet. A distância de transmissão 40G pode atingir 440m, e a distância de transmissão 100G pode atingir 150m.
BiDi
BiDi (Bidirecional) significa bidirecional de fibra única, o que significa que sinais ópticos em duas direções podem ser enviados e recebidos simultaneamente em uma fibra óptica.
A figura abaixo mostra o modo de implementação BiDi em casos de 40G e 100G. Em cenários de data center, o uso de BiDi pode economizar recursos de link de fibra, o que é particularmente proeminente em data centers mais antigos. Portanto, módulos BiDi multimodo 40G e 100G são frequentemente usados em grandes quantidades. O comprimento de onda de transmissão do transceptor óptico 40G/100G BiDi SR é geralmente 850nm e 900nm, então o modo de descrição de módulo mais preciso é 40G/100G BiDi SR1.2 (comparado ao posterior 400G SR4.2).
40G BiDi e 100G BiDi
Além do BiDi multimodo usado em data centers, também há módulos BiDi monomodo para transmissão de longa distância. Se a distância de transmissão estiver dentro de 40 km, o comprimento de onda do transceptor óptico é geralmente 1310nm/1550nm, 1310nm/1490nm. Se a distância de transmissão for maior que 40 km, o comprimento de onda é geralmente 1550nm/1490nm.
CWDM
O CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexer) tem 18 canais de comprimento de onda diferentes. Os diferentes comprimentos de onda de cada canal são separados por 20 nm e usam comprimentos de onda de 1270 nm a 1610 nm. O CWDM suporta menos canais do que o DWDM, o que o torna uma solução ideal para comunicações de curta distância porque é compacto e econômico. A maior vantagem do sistema CWDM é seu baixo custo.
CWDM
100G CWDM4 QSFP28 é um padrão anunciado pela organização CWDM4 MSA em 2014, que usa quatro comprimentos de onda centrais de 1271nm, 1291nm, 1311nm e 1331nm para transmissão de sinal óptico. Este padrão fornece uma distância de cobertura compatível (2km) e solução de baixo custo com base no 100G SR4 QSFP28 e 100G LR4 QSFP28 existentes.
DWDM
DWDM é multiplexação por divisão de comprimento de onda densa, com um espaçamento de canal de 1.6/0.8/0.4 nm (200 GHz/100 GHz/50 GHz). Comparado com canais CWDM, cada canal consome 20 nm de espaço, e mais comprimentos de onda podem ser multiplexados na mesma fibra óptica, aumentando assim a capacidade de transmissão. O sistema DWDM pode fornecer uma capacidade máxima de transmissão de fibra única de 160 ondas, aumentando a capacidade de transmissão de uma única fibra óptica em dezenas a centenas de vezes, economizando muito recursos de fibra óptica e reduzindo os custos de construção de linha. É usado principalmente para transmissão de dados de longa distância e grande capacidade em redes tronco. Com a ajuda de EDFA (amplificadores de fibra dopados com érbio), o sistema DWDM pode operar em um alcance de milhares de quilômetros.
LAN-WDM
LAN-WDM é baseado na multiplexação por divisão de comprimento de onda de canais Ethernet, e seu espaçamento de canal é de 200~800GHz, que está entre DWDM (100GHz, 50GHz) e CWDM (cerca de 3THz). A faixa de comprimento de onda LAN-WDM usa 12 comprimentos de onda na banda de 1269nm a 1332nm com um intervalo de comprimento de onda de 4nm (1269.23, 1273.54, 1277.89, 1282.26, 1286.66, 1291.1, 1295.56, 1300.05, 1304.58, 1309.14, 1313.73, 1318.35nm). O comprimento de onda operacional LAN-WDM é caracterizado por estar localizado próximo à dispersão zero, com pequena dispersão e boa estabilidade. LAN-WDM pode suportar até 12 comprimentos de onda e 25G, o que aumenta a capacidade e pode economizar ainda mais fibra óptica. O mais comumente usado é LAN-WDM4, que tem uma distância de transmissão de cerca de 10km e usa comprimentos de onda de 1295.56nm, 1300.05nm, 1304.58nm e 1309.14nm.
LAN-WDM
SR4.2, DR4.2, DR8.2
No caso de 400G e 800G, multiplexação por divisão de comprimento de onda, como SR4.2, DR4.2 e DR8.2, também é usada. Tomando 400GBASE-SR4.2 como exemplo, a taxa do transceptor óptico é de 400 Gbps, SR significa que a conexão está dentro de 150m, 4 significa 4 pares de fibras ópticas (8 núcleos) e 2 significa que cada núcleo carrega 2 comprimentos de onda. Ele usa tecnologia BiDi e PAM4 (50Gbps), usando multiplexação de dois comprimentos de onda de 850nm e 910nm, atingindo 400Gbps por meio de transmissão paralela de 8 fibras ópticas.
Fibras multimodo em cenários de aplicação multimodo
Os data centers e centros de computação inteligentes recém-construídos tendem a usar a fibra óptica OM4 com mais frequência. A largura de banda efetiva do OM4 é mais que o dobro da do OM3, com uma distância de transmissão maior. Comparado com o OM4, o OM5 amplia principalmente o canal de alta largura de banda, permitindo que ele suporte a transmissão na banda de 850 nm a 950 nm. Ao usar multiplexação por divisão de comprimento de onda, ele fornece maior largura de banda efetiva e maior distância de transmissão do que o OM4. Em cenários não WDM de 40G/100G/400G, não há diferença no desempenho entre o OM4 e o OM5. Ao usar WDM (como BiDi, SWDM e SR4.2), o OM5 pode fornecer uma distância de transmissão maior do que o OM4. Portanto, ao conduzir o cabeamento em data centers e centros de computação inteligentes, é necessário selecionar o tipo de fibra óptica multimodo com base nas condições reais.