Elektronik-Entwicklung

11. Nov. 2021 | 09:20 Uhr | von David Binder

Schnelle Datenübertragung: Schnittstelle in die Zukunft

Wo Lichtwellenleiter elektrische Leitungen ersetzen

Auf längeren Strecken wird das Kupferkabel zum Nadelöhr für schnelle Datenübertragung. Lichtwellenleiter übernehmen hier schon Jahre. Opto-elektrische Transceiver und Data-Networking-Steckverbinder für Pluggable-Module spielen dabei eine wichtige Rolle.

Steckverbinder für Lichtwellenleiter

Steckverbinder und mechanisches Kit zur Aufnahme und Kontaktierung des opto-elektrischen Transceivers. (Bild: Yamaichi Electronics)

Soweit wir auch zurückblicken, Datenraten haben stets zugenommen. Eines der ersten „High-Speed“-Modems übertrug 14,4 kbit/s; heute sind Internet-Anschlüsse mit 200 Mbit/s verfügbar. Ein Mann hatte diese Entwicklung in groben Zügen bereits im Jahre 1965 vorausgesagt: Gordon Moore, Mitgründer von Intel, schätzte, dass sich die Dichte von integrierten Schaltkreisen jährlich verdoppeln würde. Diese Aussage ging als „Moore’s Law" in die Industriegeschichte ein. Jährlich höhere Dichten an Schaltkreisen hatten, so darf man durchaus interpretieren, auch steigende Datenraten zur Folge.

Aktuell sind die Treiber für steigende Datenraten Megatrends wie 5G-Mobilfunk, 4K-Video-Streaming und die Cloud. Die spannende Frage stellt sich, wie unsere Netzwerke konzipiert werden müssen, um diesen hohen Datenraten gerecht zu werden. Eine – vielleicht die relevanteste – Antwort darauf könnte die nächste Generation von Lichtleitertechnik, „Coherent Optics“, sein.

Das Ende des Elektrons ist der Beginn des Photons

Fiber to the Antenna (FTTA).
Bild 1: Fiber to the Antenna (FTTA). (Bild: Deutsche Telekom)

Kupferleitungen bremsen schnelle Daten aus. Schon jetzt legen Daten längere Strecken über die Glasfaser zurück. Die Zeit scheint gekommen, wo Daten auch für kürzeste Strecken (wenige cm) vom Kupfer auf die Glasfaser umsteigen müssen, um schneller zu fließen. Der Glasfaseranschluss rückt also immer näher an den Anwender oder an die integrierten Schaltkreise heran. Es gibt bereits so viele Begriffe dafür, wie FTTH, FTTC, FTTD (Fiber to the Home, Cabinet, Desk), dass sich der Begriff FTTX gebildet hat. Wobei „X“ für alle möglichen Übergangspunkte einer Glasfaser steht. Besonders interessante Übergangspunkte sind Fiber to the Antenna im 5G/LTE-Netzwerk (Bild 1) und Fiber to the Chip in Rechenzentren.

Im Mobilfunknetzwerk rückt die Glasfaser an die Antenne. In Rechenzentren stößt die Faser bis an den Chip und überspringt somit die letzten Zentimeter Kupferleitung auf der Leiterplatte.

Ein Vielfaches an Datenrate

Der Umstieg von Kupfer auf Glasfaser alleine reicht noch bei Weitem nicht aus, um die Datenmasse der nächsten Jahrzehnte zu bewältigen. Neue Technologien in der Lichtwellentechnik sind daher unabdingbar. „Coherent Optics“ lautet das Schlagwort. Die bisherige Generation von optischen Transceivern nutzte nur die Amplitude zur Datenübertagung aus, d.h. Licht an Licht. Die neuen kohärenten optischen Transceiver nutzen auch (duale) Polarisation, Phasenverschiebung und verschiedene Wellenlängen. Somit erreichen sie ein Vielfaches an Datenrate.

Nicht nur bei Koax-Leitungen am Antennenast, sondern auch auf der Leiterplatte legen sich Ingenieure ins Zeug, um die Länge der elektrischen Kupferleitung zu verkürzen. Grund: Jede noch so kurze Kupferleitung bremst die Datenrate aus. Statt das optische Transceiver-Modul an der Faceplate zu platzieren (Bild 2), wird die optisch-elektrische Schnittstelle immer näher an den Schaltkreis gerückt.

Verkürzung der Kupferleitung
Bild 2: Verkürzung der Kupferleitung (magentarot, "Electrical Link"). (Bild: Yamaichi )

Beispiele aus dem Data-Networking-Portfolio von Yamaichi

Host-Connector in „Mid-Mount“-Technologie, in das PCB versenkt.
Bild 3: Host-Connector in „Mid-Mount“-Technologie, in das PCB versenkt. (Bild: Yamaichi Electronics)

CFP2 ACO und DCO: ACO (Analogue Coherent Optics) und DCO (Digital Coherent Optics) sind die neuen Standards in der Lichtwellentechnik..

Die ACO- (4×56G) und DCO- (4×64G) CFP2-Stecker und -Buchsen haben eine verbesserte Durchgangsdämpfung (Insertion-Loss) gegenüber dem bisherigen CFP2 (4×28G). Der alte IL-Wert von -4,5 dB ist markant schlechter als der neue von -2,0 dB (alle bei 28 GHz). Daraus ergibt sich die Erhöhung der Datenrate auf 64 Gbit/s statt 28 Gbit/s je Kabelpaar.

CFP2 MMC: Besteht besonders wenig Platz nach oben, so ist „Mid-Mount“ die Lösung. Hier werden Connector und Cage nicht auf das PCB montiert, sondern in das PCB versenkt (Bild 3). Das erlaubt höhere Kühlkörper bei unveränderten Gehäuseabmessungen und ein sehr flaches Gehäuse.

QSFP112G-PAM4: Sie ist die schnellste QSFP (Style A) -Buchse am Markt mit 112-Gbit/s-PAM4 pro Kanal. Macht eine 400G-Schnittstelle mit nur vier Kanälen, und dies rückwärtskompatibel zum bisherigen QSFP.

Modulation des elektrischen Signals wird optimiert

Eine Kupferleitung ist für schnelle Daten in etwa wie ein Feldweg für ein Straßen-Rennrad. Auch wenn man es vermeiden will, manchmal führt kein anderer Weg ans Ziel. Es gilt also, auch auf Kupferseite noch das Letzte rauszu­holen. Besuchern von Fachmessen wie die ECOC oder die DesignCon begegnet der Begriff „112G-PAM4“ häufiger. 112G steht für 112Gbit/s pro Kanal (ein Kanal = ein differen­zielles paar Kupferleitungen). PAM4 steht für Phasen-/Amplituden-Modulation mit vier Zu­ständen. PAM4 verdoppelt die Datenrate ge­genüber der alten Modulationsart NRZ. Mit NRZ bedeutet ein hoher Pegel „logisch 1“ und kein Pegel „logisch 0“. Dort gibt es also bloß zwei Zustände pro Zeiteinheit. Bei PAM4 sind es vier Zustände.

Ein MSA definiert die optisch-elektrische Schnittstelle

Die Standards optisch-elektrischer Schnittstellen, auch „Form-Factors“ genannt, unterscheiden sich je nach Anwendung, Übermittlungsdistanz, Anzahl der Kanäle etc. Die Ethernet Alliance hat die gängigen aufgelistet (Bild 4). Am verbreiteten ist SFP (RJ45 wird noch häufiger eingesetzt, ist aber rein elektrisch.) Der neuste Form-Factor, der am nahesten an den Schaltkreis herankommt, heißt OBO. Gralshüter über die verschiedenen Form-Factors sind die Multiple Source Agreements (MSA). Das MSA gibt Gewissheit über „Fit, Form and Function“ und erleichtert es, eine Mulitple-Source-Strategy zu implementieren. Abnehmer eines Standards können ihren Bedarf zwischen mehreren Herstellern aufteilen und auch Unterkomponenten kombinieren (Cage vom Hersteller A, Connector vom Hersteller B etc.).

Form Factors
Bild 4: Form Factors (Bild: Ethernet Alliance)

Ein MSA will, dass „sein“ Standard am Markt Erfolg hat. Darum arbeiten hier auch Konkurrenten Hand in Hand. Die Mitglieder reichen ihre Konzepte ein und reviewen sich gegenseitig. Das beste Konzept wird zum Leitkonzept des MSA gewählt. Der Vorschlag von Yamaichi wurde gleich bei mehreren MSAs (für Plug and Connector) zum Leitkonzept gewählt: so bei CFP2, CFP4, CFP8 und DSFP (Bild 4).

Elektrische Stecker und die mechanischen Komponenten

Transceiver in einem SFP-Käfig
Bild 5: SFP-Transceiver in einem SFP-Käfig - vorne die Glasfaser, hinten die Leiterplatte. (Bild: Christophe.Finot, CCY BY-SA 3.0)

Daten, die auf der Glasfaser-Datenautobahn reisen, müssen für das letzte Stück auf eine elektrische Leitung umsteigen. Ein optischer Transceiver (Bild 5) wandelt das Lichtsignal in ein elektrisches Signal um. Für den Übergang des elektrischen Signals vom Transceiver auf die Leiterplatte stellt Yamaichi Electronics qualitativ hochwertige Lösungen zur Verfügung, um die Daten möglichst schnell und fehlerfrei weiterzuleiten. (neu)

Autor

David Binder ist Business Development Manager Data Networking bei Yamaichi Electronics

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