Optische transceiver: hoe licht data door het internet jaagt
Elke keer dat je een video streamt, een videobelletje voert of gewoon een website opent, reist die informatie ergens over glasvezelkabels als flitsen licht. Maar computers, servers en switches werken met elektrische stroompjes, niet met licht. Er is dus een vertaler nodig die elektrische signalen omzet in lichtpulsen en andersom. Dat is precies wat een optische transceiver doet: een klein, pluggable moduletje, meestal niet groter dan een aansteker, dat aan het uiteinde van een glasvezelkabel elektriciteit in licht verandert (en bij de ontvanger weer terug).
Denk aan een tolk die aan de telefoon simultaan vertaalt tussen twee mensen die elkaars taal niet spreken. De transceiver zit in een sleuf van een netwerkswitch of router, ontvangt daar elektrische signalen, stuurt die naar een minuscuul laserlampje dat razendsnel aan- en uitknippert (of subtieler van helderheid varieert), en jaagt dat lichtpatroon de glasvezel in. Aan de andere kant van de kabel staat een identieke module die het omgekeerde doet: licht opvangen en weer omzetten naar elektrische pulsen die een computer begrijpt. Zonder deze modules zou geen enkel datacenter of telecomnetwerk glasvezel kunnen gebruiken.
Wat is het precies?
Een optische transceiver bestaat in de kern uit twee onderdelen: een zender en een ontvanger, in vakjargon vaak TOSA (transmit optical subassembly) en ROSA (receive optical subassembly) genoemd. De TOSA bevat een laser die het elektrische signaal omzet in licht. Voor korte afstanden binnen een datacenter gebruikt men meestal een goedkope VCSEL-laser (verticale-caviteit oppervlakte-emitterende laser) op een golflengte van 850 nanometer, die door zogeheten multimode-glasvezel schijnt. Voor langere afstanden, bijvoorbeeld tussen steden of datacenters onderling, zijn nauwkeurigere en duurdere lasers nodig (DFB- of EML-types) op golflengtes rond 1310 of 1550 nanometer, die door dunnere singlemode-glasvezel reizen en het licht veel minder laten uitwaaieren.
Aan de ontvangstkant zit een fotodiode die het binnenkomende licht weer omzet in een elektrisch signaal. Bij de allernieuwste, snelste transceivers zit er bovendien een kleine chip in, een DSP (digital signal processor), die het signaal corrigeert en compenseert voor ruis en vervorming die tijdens de reis door de vezel ontstaan.
Om steeds meer data door dezelfde laser te jagen, is de manier waarop het licht knippert in de loop der jaren complexer geworden. Vroeger was het simpel: licht aan is een 1, licht uit is een 0 (dit heet NRZ-modulatie). Bij de nieuwste generaties gebruikt men PAM4, waarbij vier verschillende helderheidsniveaus worden onderscheiden, zodat in dezelfde tijd twee keer zoveel informatie past. Ook wordt vaak meerdere golflengtes tegelijk door één vezel gestuurd, een techniek die WDM (wavelength division multiplexing) heet, vergelijkbaar met het tegelijk uitzenden van meerdere radiozenders op verschillende frequenties door dezelfde lucht.
De modules zelf zijn gestandaardiseerd in fysieke vormfactoren, zodat een module van fabrikant A in een switch van fabrikant B past. Bekende namen zijn SFP (rond 1 gigabit per seconde, eind jaren negentig geïntroduceerd), SFP+ en SFP28 (10 en 25 gigabit), QSFP28 (100 gigabit, met vier lichtkanalen van 25 gigabit gebundeld) en de nieuwere QSFP-DD en OSFP, die met acht kanalen van elk 50 tot 100 gigabit tot 400 of zelfs 800 gigabit per module komen.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter steeds snellere transceivers is simpel: internetverkeer blijft groeien, en sinds de opkomst van kunstmatige intelligentie explosief. Grote taalmodellen worden getraind op clusters van tienduizenden gpu's die voortdurend enorme hoeveelheden data met elkaar moeten uitwisselen. Elke vertraging of beperking in bandbreedte tussen die chips kost rekentijd en geld.
Daarnaast speelt energie een steeds grotere rol. Datacenters verbruiken al een fors deel van de wereldwijde elektriciteit, en een aanzienlijk deel daarvan gaat naar het versturen van data tussen servers, niet alleen naar het rekenen zelf. Het doel is dus niet alleen 'meer bits per seconde', maar ook 'minder energie per verstuurd bit'. Een derde doelstelling is interoperabiliteit: doordat transceivers via open industriestandaarden (zogeheten multi-source agreements, MSA's) worden vastgelegd, kunnen netwerkbeheerders modules van verschillende fabrikanten mengen zonder aan één leverancier vast te zitten.
Voorbeelden uit de praktijk
Grote clouddiensten als Google, Meta en Microsoft vervangen in hun datacenters de afgelopen jaren stapsgewijs 100- en 400-gigabit-transceivers door 800-gigabit-modules, vooral in de netwerken die hun AI-rekenclusters met elkaar verbinden. Meta heeft in eigen technische publicaties beschreven hoe het zijn datacenternetwerken opnieuw ontwerpt rond dit soort hogere snelheden voor AI-training.
Nvidia kondigde in 2024 zijn Quantum-X Photonics-platform aan, netwerkswitches waarin de optische onderdelen direct naast de schakelchip op hetzelfde bordje zijn geïntegreerd in plaats van als losse pluggable module. Dit heet co-packaged optics (CPO) en moet energieverlies en signaalverzwakking verminderen op de korte afstand tussen chip en glasvezel.
Chipfabrikant Broadcom werkt al langere tijd aan een vergelijkbare CPO-technologie, onder de naam Bailly, specifiek gericht op de netwerkswitches die AI-datacenters gebruiken. Ook chipmaker TSMC investeert in productieprocessen voor zogeheten silicium-fotonica, waarbij optische componenten met dezelfde chipfabrieken worden gemaakt als gewone processoren.
Een minder bekend maar illustratief voorbeeld is het Amerikaanse start-up Ayar Labs, dat optische chiplets ontwikkelt die rechtstreeks naast een processor of gpu geplaatst kunnen worden om chip-tot-chipcommunicatie via licht te laten verlopen in plaats van via koperbanen. Het bedrijf werkt hiervoor samen met onder meer Nvidia en het Amerikaanse leger.
Hoe ver is de techniek?
Transceivers tot en met 400 gigabit per seconde zijn inmiddels volwassen technologie die op grote schaal in productie wordt ingezet. 800 gigabit per module is de huidige stand van de kunst bij de grote clouddiensten, met uitrol die grofweg vanaf 2023 op gang is gekomen en nog altijd verder groeit. De brancheorganisatie IEEE werkt aan de volgende stap, 1,6 terabit per module, onder de noemer taskforce 802.3df; de standaard wordt naar verwachting halverwege dit decennium afgerond, maar zoals bij eerdere generaties kunnen fabrikanten al vóór definitieve afronding met voorlopige producten komen.
Co-packaged optics is duidelijk minder ver. Er zijn concrete aankondigingen en eerste producten, maar grootschalige, brede uitrol in productienetwerken moet nog goeddeels beginnen. De techniek is technisch lastiger dan losse pluggable modules, onder meer omdat een defecte optische component dan niet meer simpel te vervangen is zonder de hele switch stil te leggen — een praktisch nadeel waar de sector nog mee worstelt.
Een tussenoplossing die momenteel veel aandacht krijgt, is linear pluggable optics (LPO): pluggable modules zonder eigen signaalcorrigerende DSP-chip, die daardoor minder stroom verbruiken maar ook gevoeliger zijn voor signaalverlies, wat ze vooral geschikt maakt voor korte afstanden binnen een AI-cluster. De industrie is het nog niet volledig eens over hoe breed inzetbaar LPO in de praktijk is, en verschillende fabrikanten testen dit nog actief.
Wie werken eraan?
De markt voor transceiver-componenten wordt gedomineerd door een beperkt aantal gespecialiseerde bedrijven. Coherent (ontstaan uit de fusie van II-VI en Finisar) en Lumentum zijn grote Amerikaanse producenten van lasers en complete modules. Cisco nam enkele jaren geleden het bedrijf Acacia over om eigen coherente optica voor lange-afstandsverbindingen te ontwikkelen. Chipbedrijven Broadcom en Marvell (dat eerder Inphi overnam) leveren de gespecialiseerde DSP- en laserdriverchips die in vrijwel elke moderne transceiver zitten.
Op het gebied van fabricage van pluggable modules zijn Chinese bedrijven zoals Innolight en Eoptolink inmiddels wereldwijd toonaangevende leveranciers geworden, vooral voor de grote Amerikaanse clouddiensten. Intel investeert al langer in silicium-fotonica als eigen technologieplatform, en Nvidia is via zijn overname van Mellanox een belangrijke speler in zowel netwerkswitches als de bijbehorende optica geworden.
Standaardisatie gebeurt via een paar centrale organisaties: de IEEE 802.3-werkgroep legt de Ethernet-snelheidsstandaarden vast, het Optical Internetworking Forum (OIF) richt zich vooral op coherente optica voor lange afstanden, en industrieverbanden als de QSFP-DD MSA en OSFP MSA leggen de fysieke vormfactoren van pluggable modules vast zodat producten van verschillende fabrikanten onderling passen.