400G DWDM: ادمج جهاز الإرسال والاستقبال QSFP-DD مع DWDM المتماسك

إن الجمع بين تقنية DWDM والتوجيه هو المفتاح لتنفيذ الوحدة البصرية 400G QSFP-DD DWDM. في السنوات الأخيرة ، أصبحت منتجات DWDM المتماسكة جاهزة لمواكبة إدخال 400G DWDM وحدات بصرية متماسكة قابلة للتوصيل.

ستدرس هذه الورقة تطور تقنية DWDM المتماسكة ، وذلك لمواصلة دراسة التفاصيل وراء الوحدة البصرية 400G DWDM المتماسكة القابلة للتوصيل ، واستكشاف كيفية تحقيق تكامل DWDM وتقنية التوجيه.

لماذا تستخدم 400G DWDM QSFP-DD ZR تقنية متماسكة؟

تشير وحدة الاستقبال البصرية المتماسكة إلى الوحدة الضوئية ذات التصميم المتماسك عند الطرف المستقبِل ، والتي تُستخدم بشكل أساسي في تقنية نقل الجيل الثاني لنظام WDM.

لا يستخدم الجيل الأول من WDM تقنية الاستقبال المتماسك.

1. لماذا نستخدم WDM؟
2. لماذا تستخدم DWDM؟
3. لماذا يحتاج DWDM إلى تقنية متماسكة عند زيادة النطاق الترددي؟

عندما تم اقتراح الاتصال بالألياف الضوئية لأول مرة في السبعينيات ، قيل إن الألياف الضوئية لها نطاق ترددي غير محدود تقريبًا وخسارة صفر تقريبًا وتكلفة تقريبية. كانت هناك قيمة صناعية كبيرة.

الآن أدركت بشكل أساسي التكلفة المنخفضة والخسارة المنخفضة. لكن لم يتم تحقيق قدرة كبيرة على مسافات طويلة.

تردد الضوء المناسب لنقل الألياف الضوئية هو 190-230THz ، وهو تردد ناقل كبير. ومع ذلك ، نظرًا لمحدودية تقنية تعديل الإشارة وتقنية إزالة التشكيل في الصناعة ، يمكننا حقًا استخدام عرض النطاق الترددي للإشارة بعشرات غيغاهرتز ، والذي لا يستفيد بشكل جيد من تردد الناقل الضخم للضوء.

تعتبر الخسارة المنخفضة عاملاً مهمًا لتمديد مسافة الإرسال. لكن في الواقع ، فإن الدليل الموجي للألياف صغير جدًا. نظرًا لكثافة الطاقة المطلوبة للألياف الواردة ، لا يمكن أن يكون الدليل الموجي كبيرًا جدًا أو سيحرق أو يثير تأثيرات غير خطية. عندما تتمكن الإشارة المعدلة بين نسبة الإشارة إلى الضوضاء والنهاية المستقبلة ، من تحقيق مئات أو حتى آلاف الكيلومترات من الإرسال ، يمكن للألياف في الواقع أن تؤدي فقط حوالي مائة كيلومتر من مسافة الإرسال ، وهو ما يعد إهدارًا للإشارة.

كيفية زيادة السعة

إذا لم تتمكن من زيادة عرض النطاق الترددي للإشارة المعدلة ، فيمكنك استخدام تقنية تقسيم الطول الموجي لنقل المزيد من القنوات.

كيفية تمديد مسافة انتقال الألياف الضوئية

يمكنك استخدام تقنية الترحيل لنقل مقطع واحد في كل مرة حتى تصل نسبة الإشارة إلى الضوضاء للإشارة الضوئية إلى حدها.

تقسيم الطول الموجي

يمكن أن توسع السعة.

المرحل

يمكنه تمديد مسافة الإرسال المكافئة. كان مكبر الصوت البصري الذي يستخدم EDFA للترحيل خيارًا ممتازًا للترحيل منخفض التكلفة في التسعينيات.

لاستيعاب EDFA منخفض التكلفة لتضخيم الترحيل ، من الضروري وضع أطوال موجية متعددة في جزء الموجة داخل طيف كسب EDFA.

تناول قسم الطول الموجي المبكر كلا من التحدي المتمثل في زيادة سعة الإرسال في ظل ظروف صناعية محدودة والتحدي المتمثل في استخدام مرحلات منخفضة التكلفة لتمديد مسافات الإرسال.

ولكن مع استمرار زيادة سعة الألياف ، هناك مساران لزيادة عدد الأطوال الموجية وزيادة المعدل لكل طول موجة.

لكنها تخلق مشاكل جديدة.

أولاً ، قم بزيادة عدد الأطوال الموجية. يجب التحكم في هذه الأطوال الموجية داخل ذروة الكسب للمكبر البصري ، مما ينتج عنه فترات أطوال موجية أصغر وأصغر.

والثاني هو زيادة المعدل لكل طول موجة. المعدل يزداد أعلى فأكثر من 622 م ، 1.25 ج ، 2.5 ج ، ومسافة النقل تصبح أقصر وأقصر. والسبب هو أن حساسية جانب المستقبل تتدهور ، بينما لا يمكن زيادة قدرة جانب المرسل باستمرار ، وهي مقيدة بالقوة الكلية للألياف الواردة. هناك أيضًا عيب أنه كلما زاد معدل الإشارة ، زاد انتشار مجال التردد والحاجة إلى توسيع فاصل الطول الموجي.

إذا كانت المسافة أقصر ، سينخفض ​​عدد الأطوال الموجية. هذا تناقض.

لحل هذه المشكلة ، يتعين علينا تحسين الحساسية عند الطرف المتلقي. من الممكن زيادة السرعة مع الحفاظ على خصائص مسافة الإرسال الطويلة.

كيف تحسن الحساسية؟ قم بزيادة الإشارة أو تقليل الضوضاء.

يمكن تحقيق زيادة الإشارة عن طريق التداخل البناء. ويمكن تحقيق الحد من الضوضاء عن طريق الحسابات التفاضلية أو عن طريق التداخل المدمر. عند الطرف المستقبل ، يمكن أن تؤدي إضافة تصميم تداخل الإشارة إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء وتحسين الحساسية.

تداخل الإشارة يعتمد على المرحلة. منذ أن يتم التحكم في المرحلة ، ما هي النفايات لجعل مجموعة من 0/180 درجة تعديل المرحلة. يمكنك استخدام 45 درجة و 225 درجة ، متراكبة بـ 135 درجة / 315 درجة ، مجموعتين من تعديل الإشارة. سيؤدي هذا إلى مضاعفة كمية البتات المرسلة دون زيادة عرض النطاق الترددي للإشارة.

يعمل تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي لـ IMDD على أساس NRZ على تحسين معدل كل طول موجي. نظرًا لأن الحساسية تزداد سوءًا ، فإن مسافة الإرسال تصبح أقصر. كلما زاد معدل الإشارة (عرض النطاق في جوهره) ، زاد اتساع مجال التردد والحاجة إلى توسيع فاصل الطول الموجي ، مما يؤثر على زيادة عدد الأطوال الموجية.

استنادًا إلى تنسيق التشكيل DP-QPSK ، يمكن زيادة معدل البتات دون زيادة عرض النطاق الترددي. بدون زيادة عرض النطاق ، لا يحتاج مجال التردد إلى التوسيع ، وبالتالي لا يتأثر نشر عدد الأطوال الموجية.

بناءً على الاستقبال المتماسك ، من خلال التداخل ، يتم تحسين الإشارة ، ويتم قمع الضوضاء ، وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء ، ولن تصبح مسافة الإرسال أقصر ، ولكن سيتم تمديدها.

العودة إلى خطنا الرئيسي مرة أخرى مع وحدات بصرية متماسكة ، وزيادة السعة وتوسيع المسافة. هذه هي القدرة التنافسية الفنية للوحدة الضوئية المتماسكة المستخدمة في العمود الفقري للشبكة الأساسية ذات السعة الكبيرة والمسافة الطويلة.

وحدات بصرية متماسكة ، هناك العديد من الفروع الهامة للتكنولوجيا.

1. التحكم في الطور ، والذي يتطلب أن تتمتع الصناعة بالقدرة على تحقيق حجم التصنيع بتكلفة منخفضة. نضجت هذه التقنيات حوالي عام 2005 ، ودخلت الوحدة المتماسكة مرحلة التصنيع حوالي عام 2010.

للتدخل عند الطرف المستقبل ، يلزم وجود مذبذب محلي ، والضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ، لذلك يطلق عليها أيضًا الضوء المحلي المتذبذب (LO). كلما كان التردد أنقى ، كان التضخيم أفضل بعد التداخل ، وهو مطلب لعرض الخط الضيق لـ LO. نظرًا لاستخدام الوحدة النمطية المتماسكة في نظام تقسيم الطول الموجي ، فهي قادرة على ضبط الطول الموجي ، ولديها قدرة تكيف قوية نسبيًا ، وهذا هو السبب في أن LO يحتاج إلى ضبط الطول الموجي.

 

عندما تكون هناك حاجة للتداخل ، فإنه عادة ما يطلق عليه خلاط. في الأيام الأولى ، تم استخدام PLCs أكسيد السيليكون القائم على السيليكون لهذا الغرض ، والذي كان له خسائر منخفضة ولكن لم يكن بإمكانه دمج أجهزة الكشف. في وقت لاحق ، تم استخدام InP ، ثم ضوء السيليكون ، يمكن لكل من أشباه الموصلات دمج الخلاط والكاشف.

لحل العلاقة بين الطور وسعة الكاشف ، فإن كمية الحساب كبيرة جدًا ، ومع تصنيع الوحدات البصرية المتماسكة ، بدأ DSP أيضًا في أن يصبح مكونًا مهمًا للوحدة.

 

DSP ، معالجة الإشارات الرقمية ، تأخذ المعلومات الفردية المرسلة بواسطة الإشارة الضوئية وتستخدم الخوارزميات لتحليل الإشارة بعد التحويل التناظري إلى الرقمي. تعد الخوارزمية عملاً هامًا ، بما في ذلك كيفية حساب التشتت والتعويض ، وكيفية تنفيذ الاستقطاب والتنبؤ بالتشتت والتعويض ، وكيفية حساب انحراف التردد ، وما إلى ذلك.

بالإضافة إلى الخوارزمية ، هناك صعوبة أخرى في DSP وهي الاستهلاك العالي للطاقة. يتمثل أحد الطرق لتقليل استهلاك الطاقة في استخدام قدرة عملية عالية الدقة لأشباه الموصلات. حوالي عام 2010 ، يستخدم DSP عملية CMOS بحوالي 65 نانومتر. بحلول عام 2023 ، يمكن أن تصل تقنية DSP بالفعل إلى 5 نانومتر و 7 نانومتر ، ويتم تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير.

 

تحتوي الوحدات الضوئية المتماسكة على مُعدِّلات معدل الذكاء ، والاستقطاب المزدوج ، وتعديل القطبية المزدوجة ، ومُعدِّلات السعة الأربعة المكافئة من أجل عدم إهدار التحكم في الطور والتحكم في الاستقطاب.

 

في السنوات السابقة ، استخدمت مُعدِّلات معدل الذكاء lithium niobate ، لكن الحجم كان كبيرًا جدًا. في وقت لاحق كانت هناك تقنية تعديل مصغرة تعتمد على InP ، الحجم هو فقط ثلث الليثيوم niobate. ثم لاحقًا كان هناك تكامل لضوئيات السيليكون ، يمكن لتكامل فوتونات السيليكون إرسال تعديل الذكاء ، يتم تجميع ICR معًا وإرسالها واستقبالها معًا COSA (أصبح لاحقًا IC-TROSA). كان الحجم أصغر.

مع استمرار تطور الصناعة ، تم تحسين كفاءة الترميز QPSK. مع QAM8 ، يتم تصنيع QAM16 لتحقيق المزيد من كفاءة البت.

 

بدأ سيناريو تطبيق الوحدات الضوئية المتماسكة أيضًا في التوسع الجديد. خارج العمود الفقري التقليدي لشبكة الاتصالات الأساسية ، والترابط بين البيانات في ، هناك أيضًا اتجاه للقدرة الكبيرة والمسافات الطويلة. WDM المستخدمة في الأيام الأولى للتوصيل البيني لمركز بيانات DCI هي نقل مباشر و IM / DD لـ WDM.

توجد نفس التناقضات في الاستمرار في زيادة السعة كما في الشبكة الأساسية السابقة. الآن ، التعلم من التجارب السابقة ، يمكن للتكنولوجيا المتماسكة أن تزيد السعة دون تقصير المسافة.

هذه بداية 400G ZR للجيل الثاني من DCI.

 

 

التطور ل DWDM بصريات متماسكة

في أقل من 10 سنوات ، حققت وحدة DWDM تقدمًا كبيرًا ، وأصبحت الأجهزة البصرية أصغر وأصغر ، وكانت السرعة أعلى وأعلى. لقد زاد 10 مرات في نفس الفترة الزمنية: من 40 جرامًا في عام 2011 إلى 400 جرامًا. بحلول عام 2022 ، ظهرت بالفعل وحدات بصرية قابلة للتوصيل 800 جيجا في السوق.

FiberMall QSFP-DD-400G-DCO-ZR +

يعد إدخال التكنولوجيا البصرية المتماسكة أحد أهم الابتكارات في تطوير نظام DWDM. تستخدم المعدات البصرية المتماسكة أجهزة بصرية متقدمة ومعالجات إشارات رقمية (DSP) لإرسال واستقبال تعديل معقد للموجة الضوئية ، وذلك لتحقيق نقل البيانات عالي السرعة. على مستوى عالٍ جدًا ، يظل التعديل المتماسك القوة الدافعة وراء الأجهزة البصرية عالية السرعة ، بما في ذلك 400G والمعدل الأعلى أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة.

أول نظام DWDM متماسك متوفر تجارياً هو 40G ، يليه 100G. تعتمد هذه الأنظمة على بطاقات الخطوط والشاسيه. يمكنهم دعم العديد من بطاقات الخطوط في كل نظام وتحتل نفس المساحة مثل منتجات معدل 10G. إنه تقدم كبير. الآن يمكنهم نقل معدل 100G ومسافة نقل أطول. بمرور الوقت ، زادت سرعات بطاقات الخط إلى 200 جيجا وما بعدها ، لكن الصناعة تقترب من نقطة انعطاف مع ظهور موفري الخدمات السحابية.

على وجه التحديد ، مع بدء نمو شبكات موفري السحابة بشكل كبير ، هناك ضغط متزايد على الشركات المصنعة لإنشاء مكونات شبكة أصغر وأسرع وأرخص. كانت نقطة الانعطاف هذه هي التي أدت إلى ظهور أنظمة DWDM للمستجيب البصري. نظام المرسل المستجيب البصري يلغي الهيكل وبطاقة الخط. إنه نظام قائم بذاته صغير ماديًا ، وهو مفتاح صغير لمركز البيانات بارتفاع 1 أو 2RU (1.5 ″ -3 ″). مفتاح جدوى حزمة المرسل المستجيب البصري هو فصل المكونين الرئيسيين في الإرسال البصري المتماسك: الجهاز البصري (الليزر ، المستقبل ، المغير ، إلخ) و DSP (معالج الإشارة الرقمية).

وقد أدت هذه الابتكارات إلى ظهور CFP2-ACO (البصريات المترابطة التناظرية) القابلة للتوصيل ، وهي وحدة DWDM قابلة للتوصيل بحجم CFP2 صغير نسبيًا. تتطور تقنية DSP أيضًا بحيث يمكن لشريحة DSP واحدة أن تدعم وحدات CFP2-ACO المتعددة. وبالتالي ، من خلال وضع DSPs متعددة في جهاز الإرسال والاستقبال البصري ، أنتجت الشركات المصنعة أنظمة قادرة على إرسال 2 تيرا بايت في الثانية (20 × 100 جيجا بايت اتصالات العميل) في وحدتي رف (2 ″). في المقابل ، سيتطلب النظام القائم على الهيكل 3 وحدة رف. بالإضافة إلى توفير المساحة ، فهي أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

بالطبع ، ما ورد أعلاه هو شرح بسيط للغاية لنقل إشارة متماسكة. في الواقع ، الغرض من المطورين هو تحويل الإشارات الرقمية إلى إشارات تمثيلية لنقل البيانات وتحويل الإشارات التناظرية مرة أخرى إلى إشارات رقمية في الطرف الآخر.

ومع ذلك ، يمكن لـ CFP2-ACO معالجة الإشارات التناظرية فقط ، ولكن لا يمكنه معالجة الإشارات الرقمية. يستقبل الإشارة التناظرية المتماسكة ليتم إرسالها من DSP أو ينقل الإشارة التناظرية المتماسكة المستقبلة إلى DSP لتحويلها إلى إشارة رقمية ، كما هو موضح في الشكل.

نظام نقل CFP2-ACO DWDM

تم استخدام نظام CFP2-ACO على نطاق واسع في الصناعة بأكملها وأصبح الشكل القياسي للإرسال البصري في كل شبكة من مزودي الخدمات السحابية تقريبًا.

في نفس الوقت مع إدخال CFP2-DCO، تستمر بصريات DWDM المتماسكة القابلة للتوصيل في التطور. يرمز الحرف "D" إلى "رقمي" في البصريات الرقمية المتماسكة. قام مطورو البصريات المتماسكة مرة أخرى بتقليل حجم واستهلاك المكونات للطاقة ، لذلك يتم وضع كل من الأجهزة الضوئية و DSP في CFP2. بهذه الطريقة ، ليست هناك حاجة لاستخدام الرف لاستيعاب DSP ، لذلك يمكن تنفيذ نقل DWDM المتماسك مباشرة من جهاز التوجيه أو المحول ، وهو نقطة تحول في التكامل الحقيقي بين DWDM وجهاز التوجيه.

نقل DCO DWDM في جهاز التوجيه أو التبديل

الآن ، تطورت الوحدات الضوئية المتماسكة إلى 400G ZR و 400G ZR + في حزم QSFP-DD ، باستخدام نفس التكنولوجيا مثل CFP2-DCO ولكن بحجم أصغر. توفر هذه الحزمة المدمجة التي تحتوي على أجهزة بصرية متماسكة 400G DWDM حلاً قابلاً للتطبيق لتقارب التوجيه و DWDM.

 

400غ معايير جهاز الإرسال والاستقبال البصري المتماسك DWDM

400G تطورت لدرجة أن هناك العديد من المعايير. وتشمل هذه 400ZR و 400G ZR + و 400G OpenROADM و 400G OpenZR + ، والتي تسير في اتجاهات مختلفة قليلاً.

أولاً كان منتدى الربط البصري (OIF) ، الذي أنشأ معيار 400ZR. أهداف 400ZR حافة وقصيرة المدى نسبيًا (ضمن 120 كم) تطبيقات ربط مركز البيانات. في نفس الوقت تقريبًا ، حدد بروتوكول OpenROADM متعدد المصادر أيضًا مواصفات 400G DWDM قابل للتوصيل ، مع مواصفات تركز على شبكات مزود الخدمة ، مثل النقل البصري لمسافات طويلة (> 120 كم) ، وتصحيح الخطأ الأمامي المتقدم (oFEC) ومعدلات البيانات الاختيارية (100 جم أو 200 جم أو 300 جم أو 400 جم). على الرغم من إمكانية تنفيذ ميزات إضافية ، إلا أن هناك حاجة إلى طاقة أكبر من 15 وات المحددة بواسطة ZR. لهذا السبب ، يتم استدعاء مواصفات OpenROADM 400غ ZR +.

في النهاية ، بين المؤسستين والعديد من الشركات المصنعة للأجهزة البصرية ، اتفقوا على أفضل معيار للجمع بين OIF و OpenROADM ، وأطلقوا عليه OpenZR +. من خلال الجمع بين خصائص كل جهاز في نفس الحزمة ، يمكن توفير جهاز بصري DWDM متماسك متعدد الاستخدامات ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

يمكننا أن نرى أنه في التحسين المستمر للتعبئة والوظيفة ومعدل البيانات للوحدة الضوئية ، يزداد نطاق الإرسال البصري أكثر فأكثر ، وتزداد مسافة النقل. باستخدام معيار OpenZR + ، يمكن تحقيق مسافة نقل 1400 كم ، وهي أكثر من 10 مرات من مسافة نقل 400ZR. مع الكثافة العالية 400G DWDM في أجهزة التوجيه ، جنبًا إلى جنب مع بساطة هندسة المرور وتكرار المسار للتوجيه المقسم ، يمكننا توقع حدوث تحول كبير في بنية شبكة النقل.

 

في نوفمبر 2020، فايبر مول تمت دعوتك لتكون أول عضو مساهم في OpenZR + MSA. فايبر مول offاستثمرت بشكل رسمي في تطوير وحدة بصرية متماسكة في أوائل عام 2018 ، ومنفتحة على التعاون الاستراتيجي مع سلسلة التوريد الأولية لتحسين الابتكار في تصميم الطاقة المنخفضة ونموذج تعديل الإشارة ، وحققت نتائج مهمة. لقد أطلقنا الآن وحدات بصرية رقمية متماسكة 100G CFP-DCO و 100 G CFP2-DCO وجهاز إرسال واستقبال بصري متماسك 200G DWDM وجهاز إرسال واستقبال بصري 400G DWDM متماسك مع الامتثال الصارم لمعايير OpenZR + للترابط بين مراكز البيانات والشبكات المترو للنقل البصري لمسافات طويلة جدًا .