Die Technologie optischer Verbindungen entwickelt sich aufgrund des rasanten Anstiegs der Netzwerk- und Systembitraten schnell weiter. Kupferkabel zwischen Servern und Routern stoßen zunehmend an ihre Grenzen, während Glasfaserverbindungen immer häufiger zum Einsatz kommen. Laut einem Bericht von Ovum wird sich dieser Markt bis 2012 voraussichtlich verdoppeln und ein Volumen von 150 Millionen Euro erreichen. Diese Prognose umfasst den Absatz von POP4- und SNAP12-Transceivern, aktiven optischen 4- und 12-Kanal-InfiniBand-Kabeln sowie elektrooptischen Wandlern.

Die optische Signalübertragung erfolgt typischerweise seriell, insbesondere über große Entfernungen. Mit dem Aufkommen von 40- und 100-GbE-Verbindungen (Conectrónica Nr. 120, September 2008) könnte die Nachfrage nach parallelen optischen Verbindungen jedoch deutlich steigen. Tabelle I zeigt einige Beispiele für parallele Schnittstellen. Der Ersatz von Kupferkabeln durch Glasfaser wurde stets durch Kosten-, Bandbreiten- und Entfernungsüberlegungen vorangetrieben. Ein neuer Faktor, der in letzter Zeit hinzugekommen ist, ist der Energieverbrauch. Schätzungen zufolge entfallen 9 % der weltweiten Energieerzeugung auf die Anbindung von Rechenzentren an Endnutzer über die Telekommunikationsinfrastruktur. Beispielsweise verbraucht eine 10GBase-T-Schnittstelle etwa 6 W (Chips der zweiten Generation), während optische Schnittstellen bei gleicher Datenrate weniger als 1 W benötigen. Angesichts dieser Zahlen ist die Bedeutung der Reduzierung des Stromverbrauchs elektronischer Geräte, insbesondere von Routern und Servern, offensichtlich. Einige Netzbetreiber und Gerätehersteller prüfen die Möglichkeit, Layer-2-Ethernet-Verbindungen einzurichten, um die Übertragung von Layer-3-Paketen zwischen Routern zu vermeiden. Dies hätte einen sehr positiven Einfluss auf den Markt für POP4- und SNAP12-Schnittstellen. Angesichts der bevorstehenden Einführung von 40- und 100-GbE-Netzen erwägen einige Rechenzentrumsleiter sogar den direkten Ersatz von Cat6-Kabeln durch optische Technologie. Diese ist zuverlässiger und etwa fünfmal leichter als Kupferkabel und bietet zudem erhebliche Energieeinsparungen. In diesem Artikel analysieren wir einige der kürzlich auf den Markt gekommenen optischen Verbindungen, die größtenteils auf Parallelschaltungen basieren.

Verbindungstypen:
Verbindungen lassen sich nach einer Vielzahl von Kriterien klassifizieren, am häufigsten jedoch nach ihrer logischen Funktion und physikalischen Implementierung sowie der Topologie des Verbindungsnetzwerks. Verbindungen werden anhand von Merkmalen wie Bandbreite, Entfernung und Latenz klassifiziert. In einer hierarchischen Struktur lässt sich als erste Verbindungsart die interne Verbindung innerhalb der Server definieren, also Datenbusverbindungen zwischen Mikroprozessoren, Controllern und RAM. Hierbei sind Merkmale wie Latenz und Bandbreite von großer Bedeutung. Diese Systeme werden durch Ein-/Ausgabebusse erweitert, die Festplatten oder Netzwerkkarten anbinden. Die Übertragungsraten reichen von 33 MHz (PCI) bis über 2 Gbit/s (PCI-Express), die Wortlängen von 32–100 Bit. Durch die Gruppierung mehrerer Prozessoren entsteht ein Cluster, die nächste hierarchische Ebene mit typischen Entfernungen von 10–100 m. Cluster-Verbindungen zeichnen sich üblicherweise durch parallele Verbindungen (mehrere Leitungen pro Verbindung) aus, im Gegensatz zu LAN/SAN-Verbindungen, die zur Vereinfachung der Kabelverlegung nur einen Kommunikationskanal nutzen. LAN/SANs überbrücken Entfernungen von mehreren zehn oder hundert Metern und bieten Bandbreiten zwischen 1 und 10 Gbit/s. Die letzte Ebene der Hierarchie bilden MAN/WANs, deren Verbindungen zwischen Routern und Switches mehrere Kilometer umfassen. Die zur Verbindung dieser unterschiedlichen Systeme verwendeten Komponenten und Kabel basieren auf verschiedenen Technologien. Tabelle II fasst die aktuell verfügbaren Verbindungsebenen sowie die Implementierungsprognosen für optische Technologien zusammen. Abbildung 1 zeigt die zukünftige Entwicklung des Marktes für optische Verbindungen.

Bestehende Produkte:
Die meisten parallelen optischen Produkte basieren auf aktiven Kabeln, d. h. Glasfaserkabeln mit werkseitig installierten Sendern und Empfängern an beiden Enden. Dadurch können Anwender eine Kupferschnittstelle (CX4 oder QSFP) durch das aktive Kabel ersetzen, das das Signal an einem Ende von elektrisch in optisch und am anderen Ende umgekehrt wandelt. Mit diesem Kabeltyp lässt sich die Reichweite von 15 m (Kupferkabel) auf 300 m erweitern. Das macht es zur idealen Lösung für Verbindungen unter 30 m (Rackverbindungen). Für Distanzen ab 100 m ist strukturierte Verkabelung eleganter, obwohl manche Anwender aufgrund der geringeren Kosten weiterhin aktive optische Kabel bevorzugen. Beispielsweise kostet ein aktives Kabel etwa 200 US-Dollar, während jedes Steckmodul rund 300 US-Dollar kostet. Unternehmen wie Intel, Luxtera, Zarlink, Finisar, Reflex Photonics, Tyco Electronics und Lightwire haben daher in den letzten zwei Jahren Produkte auf Basis aktiver optischer Kabel angekündigt, die sich jedoch hinsichtlich Bitrate, Reichweite und Steckertyp unterscheiden.
Luxtera hat das Blazar LUX5010 (Abbildung 2) auf den Markt gebracht, ein QSFP-kompatibles aktives Glasfaserkabel, bestehend aus einer 4-Kanal-Singlemode-Bandfaser mit Geschwindigkeiten von bis zu 10,5 Gbit/s und den zugehörigen Transceivern. Die Baugruppe ermöglicht eine Gesamtbitrate von 40 Gbit/s über Entfernungen von bis zu 300 m. Darüber hinaus erwägt das Unternehmen die Entwicklung von 12-Kanal-InfiniBand-QDR-Produkten (120 Gbit/s) als Ersatz für die derzeitigen Kupferschnittstellen. Zarlink hat das ZLynx-Kabel entwickelt, das sowohl 10GbE als auch InfiniBand DDR über einen CX4-Stecker unterstützt (Abbildung 3). Es handelt sich um ein aktives (4+4) x 5-Gbit/s-Glasfaserkabel.
Allerdings sind nicht alle Unternehmen an aktiven Glasfaserkabeln interessiert. JDSU beispielsweise bietet keine Produkte mit diesen Eigenschaften an. Stattdessen verkauft das Unternehmen Parallelmodule auf Basis von SNAP12 und plant, Produkte zu entwickeln, die den aufkommenden 40- und 100-GbE-Markt unterstützen, wobei es auf seine Expertise in den Bereichen Packaging und VCSEL-Chips zurückgreift.

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JDSU ist zweifellos ein führendes Unternehmen im Markt für aktive optische Module und bietet eine breite Palette an Transceivern für 850, 1310 und 1550 nm: 4/2/1G SFP, 10G XFP, SFP+ und 30G SNAP12. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für 12 x 2,7 Gbit/s (32,4 Gbit/s) Transceiver, die mit SNAP12 kompatibel sind. Das Startup Xloom hat ebenfalls eine parallele optische Verbindung auf den Markt gebracht, die nicht auf aktiven optischen Kabeln basiert, sondern aus einem Vierkanal-Transceiver besteht, der mit dem 10GBASE-CX4-Standard kompatibel ist. Dieses Produkt, bekannt als AVDAT 4X (Abbildung 5), eignet sich ideal zur Reichweitenerweiterung von 10G-Ethernet-Switches auf Entfernungen von über 200 m. Zusätzlich unterstützt es InfiniBand SDR (10 Gbit/s pro Link) und DDR (20 Gbit/s pro Link) sowie Fibre Channel.

 

Wie ersichtlich, herrscht reges Treiben auf dem Markt für optische Verbindungen. Mit der Fertigstellung der 40- und 100-GbE-Standards, die für Juni 2010 geplant ist, dürfte sich diese Dynamik noch verstärken. Dies wird zu einem nahezu vollständigen Ersatz der heute noch verwendeten elektrischen Schnittstellen führen. Die Entwicklung optischer Verbindungen wäre jedoch ohne die kontinuierlichen Verbesserungen der zugehörigen optischen Technologien nicht möglich. Daher stellen aktuelle Meldungen wie die Ankündigung von Intel, einen 40-Gbit/s-Siliziummodulator entwickelt zu haben, einen bedeutenden Fortschritt dar, da sie die Möglichkeit optischer Verbindungen zwischen Chips mit Geschwindigkeiten im Terabit-Bereich andeuten.

 

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Francisco Ramos Pascual. Doktor der Telekommunikationstechnik.
Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia.