Grundlagen und aktuelle Trends optischer Transceiver

Optische Transceiver: Geräte, die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation unterstützen

Optische Transceiver sind Geräte, die elektrische Signale in optische Signale und umgekehrt umwandeln und spielen eine Schlüsselrolle bei der Unterstützung moderner Hochgeschwindigkeitskommunikationsnetze. Sie werden häufig in Rechenzentren und Kommunikationssystemen eingesetzt, um die schnelle und effiziente Übertragung großer Datenmengen zu ermöglichen. In diesem Artikel besprechen wir die Grundlagen optischer Transceiver, die optische Rechenzentren unterstützen, sowie aktuelle Trends.

Das Herzstück eines Rechenzentrums bilden die in Server-Racks angeordneten Server. Jeder Server verfügt über optische Netzwerkkarten (NICs), die wiederum über optische Transceiver verfügen, die eine Hochgeschwindigkeitskommunikation mit Servern und anderen Netzwerkgeräten ermöglichen. Netzwerk-Switches, die den Datenverkehr innerhalb von Rechenzentren steuern und Daten zwischen Servern und Netzwerksegmenten übertragen, enthalten viele optische Transceiver. Diese Switches werden üblicherweise über Racks oder in dedizierten Netzwerk-Racks platziert.

Die Funktionsprinzipien eines optischen Transceivers sind relativ einfach. Auf der Sendeseite wird eine Halbleiter-Laserdiode verwendet, um ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln. Diese Laserdiode moduliert die Lichtintensität basierend auf dem elektrischen Eingangssignal, um ein Signal an eine optische Faser zu senden. Auf der Empfängerseite wandelt dann eine Fotodiode das optische Signal von der optischen Faser in ein elektrisches Signal um. Nachdem die Fotodiode einfallendes Licht in elektrischen Strom umgewandelt hat, wird der Strom verstärkt und das ursprüngliche elektrische Signal durch digitale Signalverarbeitung wiederhergestellt.

Optische Transceiver werden häufig in Rechenzentren, Netzwerken von Telekommunikationsanbietern, großen Unternehmensnetzwerken und mehr eingesetzt. In diesen Umgebungen ist die optische Kommunikation für die Hochgeschwindigkeitsübertragung großer Datenmengen über weite Distanzen unverzichtbar. Spezifische Anwendungsfälle umfassen Internetdienstanbieter, Cloud Computing, 5G-Mobilfunknetze, Big-Data-Analyse und Streaming-Dienste. Da diese Dienste eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung benötigen, wirkt sich die Leistung optischer Transceiver direkt auf die Servicequalität aus.

Fotodioden: das Herz optischer Transceiver

Die Leistungsfähigkeit einer Fotodiode, dem Herzstück eines optischen Transceivers, hängt maßgeblich von ihrer Struktur und Materialauswahl ab. Zu den häufig verwendeten Fotodiodenstrukturen gehören PIN (positiv-intrinsisch-negativ) und Avalanche-Photodioden (APD).

PIN-Strukturen bieten eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und geringes Rauschen und werden häufig in optischen Transceivern eingesetzt. APD-Strukturen hingegen verstärken den Fotostrom intern. Dies ermöglicht eine hochempfindliche Detektion, erfordert jedoch eine hohe Betriebsspannung und führt zu mehr Rauschen. Es werden Materialien wie Silizium (Si), Germanium (Ge) und Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) verwendet, die jeweils optimale Leistung in unterschiedlichen Wellenlängenbändern bieten.

Geschichte der optischen Transceiver-Standards

Die Standards für optische Transceiver haben sich parallel zum Fortschritt und den Anforderungen der Kommunikationstechnologie weiterentwickelt. Frühe optische Transceiver zeichneten sich durch niedrige Geschwindigkeiten und große Formfaktoren aus. In den letzten Jahren werden sie jedoch immer kleiner, schneller und energieeffizienter. Einige repräsentative Standards sind SFP (Small Form-Factor Pluggable), SFP+, QSFP (Quad Small Form-Factor Pluggable), QSFP28 und CFP (C Form-Factor Pluggable). Sie definieren Spezifikationen wie Datenrate, Größe, Stromverbrauch und Übertragungsdistanz, um die Kompatibilität zwischen verschiedenen Herstellern zu gewährleisten.

Die neuesten optischen Transceiver-Technologien zielen auf weitere Verbesserungen bei hoher Geschwindigkeit und Dichte ab. So wurden beispielsweise optische Transceiver mit Übertragungsgeschwindigkeiten von 400 Gbit/s und 800 Gbit/s entwickelt, und die praktische Umsetzung schreitet voran. Diese Hochgeschwindigkeits-Transceiver nutzen zudem die Integration mittels Silizium-Photonik-Technologie, um deutlich kleinere Formfaktoren und die Integration in elektronische Schaltungen zu ermöglichen. (Referenz: https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00001/08659/) (JP)​

Ein weiterer wichtiger Technologietrend ist die Verbesserung der Energieeffizienz. Da der Stromverbrauch von Rechenzentren stetig steigt, ist die Reduzierung des Stromverbrauchs optischer Transceiver zu einer wichtigen Herausforderung geworden. Zu den laufenden Bemühungen, diese Herausforderung zu meistern, gehören die Entwicklung effizienter Lichtquellen und Lichtempfänger, die Entwicklung stromsparender Schaltungen und die Optimierung des Wärmedesigns.

Die Aussichten für den Markt für optische Transceiver gelten als äußerst vielversprechend. Das weltweite Marktvolumen soll von 13,6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 25 Milliarden US-Dollar im Jahr 2029 wachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 13,0 % entspricht. (Quelle: https://www.gii.co.jp/report/mama1459082-optical-transceiver-market-by-form-factor-sff-sfp.html) (JP)​

Angesichts der 6G-Kommunikation, des explosionsartigen Wachstums von IoT-Geräten (Internet of Things) und des zunehmenden Datenverkehrs durch KI und maschinelles Lernen dürfte die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitskommunikation mit hohem Datenvolumen exponentiell steigen. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, wird sich Optischer Transceiver-Technologie voraussichtlich weiterentwickeln.

Optischer Transceiver Technologie ist eine wichtige Basistechnologie, die unsere Informationsgesellschaft unterstützt. Mit ihrer Weiterentwicklung hat sie das Potenzial, die Art und Weise, wie wir leben und arbeiten, grundlegend zu verändern. Mit der technologischen Innovation der Photodiode, dem Herzstück des optischen Transceivers, will Dexerials den Weg für eine bessere Zukunft der Kommunikation ebnen.