التطورات في تقنية النقل البصري 400 جيجا

في الوقت الحالي ، تواجه شبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية تحديات في تحويل الشبكة وتحسين عرض النطاق الترددي. لذلك ، أصبح تحسين معدل الموجة الواحدة ومسافة الإرسال لأنظمة الإرسال الضوئية وزيادة استخدام عرض النطاق الترددي لأنظمة اتصالات الألياف البصرية من المساعي المشتركة للمشغلين وبائعي المعدات لتلبية الطلب المتزايد على حركة مرور الشبكة.

تتعاون الصناعة حاليًا على ثلاثة أبعاد رئيسية لتسريع تطور الشبكات الضوئية الأساسية نحو جيل 80 * 400G.

معدل تحسين

تتطور الشبكة الأساسية من 10 جيجا إلى 100 جيجا ثم إلى 200 جيجا ، مع عدم تغيير المسافة بشكل أساسي وتضاعف السعة باستمرار. مع خلفية ترقيات السرعة في منافذ أجهزة التوجيه ، وصل عصر منافذ 400 جيجا ، وأطلق مشغلو الاتصالات جميعًا عمليات الاختبار والتحقق. في عام 2023 ، من المتوقع أن يتم تطبيق العمود الفقري 400G OTN.

تحسين القدرات

نظرًا لأن الشبكة الضوئية الأساسية تصل سرعتها إلى 200 جيجاهرتز ، فإنها تحتل عرضًا للطيف يبلغ 75 جيجاهرتز. عندما يتطور إلى 400G QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) ، فإنه سيشغل عرضًا للطيف يبلغ 150 جيجا هرتز. بالمقارنة مع 200G ، فإن الكفاءة الطيفية لـ 400غ لم يتم تحسينه ، مما يخالف القاعدة التي تنص على زيادة السعة بمقدار عشرة أضعاف بينما يظل الطيف الترددي دون تغيير من 10G إلى 100G. نظرًا لتأثير حد شانون ، فإن فتح مسارات جديدة ضروري لتحسين قدرة نقل الألياف الإجمالية.

الحل الأكثر عملية حاليًا هو توسيع نطاق تردد النطاق C + L ، بما في ذلك خطة توسيع الطيف الترددي C6T و L5T 11THz ، والتي أكملت اختبار الشبكة ، وخطة توسيع طيف التردد C6T & L6T 12THz ، والتي لديها حاليًا اختبار معمل القدرات وهو على وشك إكمال اختبار الشبكة ، والتحسين المستمر لأداء النظام مستمر.

في نظام 80 * 800G ، سيتم إيلاء مزيد من الاهتمام لتوسيع طيف التردد إلى نطاقات S + C + L + U. في الوقت نفسه ، مع زيادة سرعة الشبكة الأساسية ، يجب استخدام تقنيات الألياف الضوئية الجديدة مثل الألياف متعددة النواة والألياف ذات الوضع القليل والألياف المجوفة جنبًا إلى جنب لضمان مسافة نقل طويلة المدى.

تحسين كفاءة

في عصر 400G / 800G ، تم اعتماد تقنية DSP الجديدة ، والتي تدعم معدلات البث بالباود المتعددة وتبديل أوضاع التعديل ، وتحقق أفضل تكيف للسعات المختلفة تحت مسافات مختلفة بطريقة محددة بالبرمجيات ، مما يزيد من قدرة المنتج ومسافة المسافة والطيف. كفاءة.

تقدم البحث على الطول الموجي الأحادي 400G+ تكنولوجيا

فيما يتعلق بسيناريوهات التطبيق المختلفة مثل الشبكات الحضرية والشبكات الرئيسية ، يتم استخدام تقنيات مختلفة في أنظمة الإرسال 400G لتحقيق التوازن بين أداء الإرسال وكفاءة الطيف والتكلفة. يسرد الجدول 1 خصائص وقدرات أنظمة معدل الطول الموجي الرئيسية. هناك ميزات جيلية مميزة بين تقنيات 100G و 100G +. في التطبيقات الهندسية ، عادةً ما تكون وحدات المسافات القصيرة من الجيل التالي والوحدات النمطية للمسافات الطويلة من الجيل السابق متعايشة داخل سلسلة الصناعة ، وبالتالي تحقيق توحيد السلسلة الصناعية.

الجدول 1. خصائص وقدرات أنظمة معدل الموجة الواحدة المختلفة

كما هو مبين في الشكل 1 ، هناك تمثيلات موحدة لسلسلة صناعة معدل الباود 200G PM-16QAM و 100G PM-QPSK المشتركة 32G ، و 400G PM-16QAM و 200 G PM-QPSK المشتركة 64G سلسلة صناعة معدل الباود ، و 400G PM- QPSK والمستقبل 800G PM-16QAM تشارك سلسلة صناعة معدل الباود 128 جيجا.

الشكل 1. • تطبيع تمثيلات سلسلة صناعة قصيرة المدى وطويلة المدى

حاليًا ، يتم استخدام 200G QPSK على نطاق واسع ، ويمكن أن يلبي 400G 16QAM مع معدل الباود 64 جيجا احتياجات النقل الحضري. تستخدم تقنية الإرسال 400 جيجا حاليًا تشكيلًا احتماليًا (PS) 16QAM بمعدل باود 96 جيجا ، والذي سيتطور في النهاية إلى مخطط QPSK بمعدل 128 جيجا باود. بالمقارنة مع 400G PS 16QAM ، فإن أداء OSNR المتتالي لـ 400G QPSK أفضل بحوالي 1 ديسيبل ، بينما تزداد طاقة الإدخال بأكثر من 1 ديسيبل ، مما يجعلها مناسبة لمختلف سيناريوهات الإرسال لمسافات طويلة ومتوافقة مع سلسلة صناعة المستقبل 800G 16QAM.

من مستوى الرقاقة ، مرت تقنية oDSP المتماسكة عبر عدة أجيال من التطور ، وتنعكس الاختلافات بين الأجيال بشكل أساسي في أعلى معدل للموجة الواحدة ، ونوع كود التعديل ، فضلاً عن الحجم واستهلاك الطاقة. حاليًا ، تستخدم شريحة 400G 16QAM oDSP عملية تصنيع 7 نانومتر ، وتستهلك حوالي 8 واط ، وتدعم معدل الباود 64 جيجا. بالنسبة للجيل التالي من تطبيقات 400G طويلة المدى ، أصدرت الشركة المصنعة الرئيسية لـ oDSP خارطة طريق منتج أحادي الموجة 1.2T وحتى عينات وحدة ، تدعم ما يصل إلى 140G معدل الباود ، باستخدام عملية رقاقة 5nm.

من جانب خوارزمية oDSP وتشكيل الكوكبة والأداء العالي FEC تعد خوارزمية الترميز أكثر أهمية. ينقسم تشكيل الكوكبة إلى تشكيل هندسي (GS) وتشكيل احتمالي (PS) ، كما هو موضح في الشكل 2 (أ) والشكل 2 (ب). توفر GS و PS أداءً أفضل من QAM التقليدي عن طريق تغيير موقع واحتمال حدوث نقاط كوكبة لجعلها تظهر توزيعًا خاصًا.

الشكل 2. رسم تخطيطي لتشكيل كوكبة

يمكن لتقنية تشفير تصحيح الأخطاء عالية الأداء (FEC) الحصول على مكاسب تشفير صافية أعلى باستخدام مزيج من التشفير المتتالي والقرار المرن وفك التشفير المتكرر المتعدد.

الأجهزة الإلكترونية الضوئية عالية الأداء هي الأساس لتحقيق تحويل عالي الدقة للإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية. في مواجهة تطبيقات الإرسال البصري بعيد المدى 400 جيجا ، يكون معدل البث بالباود للنظام أكبر من 100 جيجا بايت ، ويجب أن يكون عرض النطاق الترددي لنطاق تشغيل الجهاز البصري أكثر من 50 جيجا هرتز. في الوقت الحالي ، أطلق الموردون الرئيسيون القائمون على منصات معالجة Silicon Photonics (SiP) أو Indium Phosphide (InP) لإجراء أبحاث حول أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية ذات النطاق الترددي الكبير ، جزءًا من العينات شبه التجارية.

تعد تقنية تغليف الجهاز المتقدمة أيضًا وسيلة مهمة لتحسين عرض النطاق الترددي للرقائق الإلكترونية الضوئية. في الوقت الحالي ، يمكن لرقائق السيليكون الضوئية زيادة عرض النطاق الترددي ثلاثي الأبعاد لمُحَوِّل من 3 جيجاهرتز إلى أكثر من 30 جيجاهرتز من خلال دمج وظيفة ذروة السائق وتحسين عملية التغليف 80D / 2.5D. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين تحمل OSNR بأكثر من 3 ديسيبل متتاليًا للإشارات المعدلة عالية الترتيب 2G + ، كما يؤدي النضج المتزايد لهذه التقنية إلى زيادة تسريع تسويق أنظمة 400 جيجا بايت طويلة المدى 128 جيجا بايت.

في المكونات الأساسية للأنظمة البصرية ، يعد مكبر الصوت البصري (OA) والمفتاح الانتقائي لطول الموجة (WSS) الأكثر أهمية. حاليًا ، OA التجاري هو بشكل أساسي مضخم ألياف Erbium-Doped (EDFA) ، والذي يدعم النطاق الترددي C-band 4THz ، و 4.8THz ، وحتى عرض النطاق الترددي 6THz. تم اختراق عنق الزجاجة الفني لتضخيم L-band 6THz ، ويتماشى أداء العينة مع التوقعات ، ويتم التحقق من الأداء على مستوى النظام وتحسينه. ومع ذلك ، فقد تكون مقيدة بكفاءة تضخيم الألياف المشبعة بالإربيوم بأطوال موجية طويلة ، وقد يكون مؤشر الضوضاء للنطاق L-band EDFA أسوأ من 1 ديسيبل من النطاق C الممتد ، كما تزداد تكلفة الوحدة وحجمها وفقًا لذلك.

في الوقت الحالي ، غطت WSS التجارية النطاق C-band 6THz ، وفقدان إدخال نموذجي يبلغ حوالي 6 ديسيبل ، وعدد المنافذ حتى 32. باستخدام أحدث تقنية الكريستال السائل عالية الدقة على السيليكون (LCoS) ، دقة شريحة WSS تبلغ 6.25 جيجاهرتز ، قام العديد من الشركات المصنعة بتوسيع نطاق العمل إلى L-band 6THz.

فيما يتعلق بالتقدم في المعايير ، أجرت لجنة الدراسات 15 التابعة للاتحاد الدولي للاتصالات (ITU-T SG15) بحثًا حول مواصفات الطبقة المادية لواجهات 200G و 400G ، واعتمدت PM-16QAM كنوع الكود القياسي لتطبيقات مترو 400G ، مما يعزز عملية التوحيد القياسي لتشفير تصحيح الخطأ للأمام المفتوح (oFEC). بالإضافة إلى ذلك ، أصدرت العديد من منظمات البروتوكولات متعددة المصادر (MSA) في الصناعة أيضًا معايير تقنية لـ 100G +. على سبيل المثال:

• أصدر OpenROADM / OpenZR + مواصفات وحدة بصرية متماسكة 100 ~ 400G ، ودعم حزم CFP2-DCO و QSFP-DD / OSFP ، وإضافة 100 / 200G QPSK ، 300G 8QAM ، وأنماط تعديل أخرى إلى هيكل إطار 400ZR ، واستخدام oFEC بدلاً من FEC المتتالي (cFEC) لدعم انتقال 450G من فئة 400 كم.
• طورت جمعية معايير الاتصالات الصينية (CCSA) المعايير ذات الصلة: تم الانتهاء من تطوير معايير الإرسال والوحدة النمطية لـ 100G وأقل من ذلك ، وتختار مسودة تقديم 200G بشكل أساسي أنواع رموز 200G QPSK و 8QAM و 16QAM ، ويستخدم معيار منطقة مترو 400G أساسًا a تم الانتهاء من مخطط الموجة المزدوجة 200G ثنائي الموجة ، N * 400G طويل المدى المحسن بتقسيم الطول الموجي البصري (WDM) دراسة المتطلبات الفنية للنظام وموضوعات المعايير الأخرى للتطبيقات عالية السرعة ، مما يشير بوضوح إلى أن QPSK هو الحل المثالي لتحقيق واحد -موجة 400Gb / s طويلة المدى / بعيدة المدى للغاية.

تقدم البحث في تقنية تمديد الموجة

يتم توريث تقنية تمديد النطاق من DWDM لتوسيع نطاق الإرسال المتاح بشكل أكبر خارج النطاق C التقليدي ، وتعزيز قدرة الإرسال أحادية الألياف عن طريق زيادة عدد القنوات لنقل الألياف المشتركة.

استنادًا إلى DWDM التقليدي للنطاق C ، في العامين الماضيين ، قاد المشغلون الصينيون وبائعي المعدات توسيع النطاق الترددي الفائق (C6T) لزيادة عرض النطاق الترددي للنطاق C من 4THz / 4.8THz إلى 6THz ، بالتزامن مع هبوط مخطط 200G QPSK بفاصل 80 موجة 75 جيجا هرتز. في الواقع ، لا تشتمل النافذة منخفضة الخسارة للألياف أحادية الوضع على النطاق C فقط ، ولكن أيضًا على نطاقات O و E و S و L و U. في السنوات الأخيرة ، قام عدد قليل من المشغلين وبائعي الإنترنت في الولايات المتحدة بنشر أنظمة C + L في DCI ونقل الكابلات البحرية ، والتي يمكن أن تضاعف سعة الألياف. مع اقتراب الألياف أحادية الوضع من الحد الأقصى لسعة شانون 100 تيرا بايت / ثانية ، أصبحت تقنية تمديد النطاق نقطة ساخنة للبحث الأكاديمي والصناعي. في الوقت الحالي ، يعمل المشغلون المحليون وبائعو المعدات على الترويج بنشاط لترقية C6T إلى C6T و L6 من أجل توفير قدرة نقل لمسافات طويلة أحادية الألياف 80-wave 400G QPSK. يظهر الشكل 3 العمارة الأساسية لنظام الإرسال البصري متعدد النطاقات.

الشكل 3. العمارة الأساسية لنظام الإرسال البصري متعدد النطاقات

يظهر التطور الحالي لسلسلة الصناعة المرتبطة بـ C + L في الجدول 2. ويمكن ملاحظة أنه مع التغلب على الصعوبات التقنية ، يتماشى تقدم تطوير سلسلة توريد المكونات الضوئية ذات النطاق الممتد C + L مع التوقعات ، ومن المتوقع أن يبدأ الجيل الجديد من الطبقة الضوئية عريضة النطاق C6T + L6T 12THz مع نظام بصري أحادي الموجة 400 جيجا QPSK في النشر التجاري في غضون عام واحد.

الجدول 2. C6T & L6T تقدم سلسلة صناعة المكونات الرئيسية للنظام

تم تحسين تأثير SRS في الألياف الضوئية بشكل كبير مع توسيع النطاق الترددي وزيادة طاقة الإدخال وله تأثير تراكمي عبر الأقسام. في أنظمة C + L ، لا يلزم فقط استراتيجيات دقيقة لإدارة الطاقة الضوئية للتحكم بفعالية في الكسب والانحدار في البداية ، ولكن أيضًا للتعويض عن تفاوت الطاقة الذي تسببه SRS من خلال تكوينات موجة الملء. علاوة على ذلك ، من الضروري الحفاظ على حالة التكوين الكاملة في جميع الأوقات لتقليل تأثير نمو الأعمال الديناميكي على الأعمال التجارية الحالية. بالاعتماد على تجربة أنظمة الكابلات البحرية ، يمكن تحقيق "الاستبدال الصحيح والخطأ" عن طريق استبدال إشارات الأعمال بموجات تعبئة عند إضافة القنوات أو حذفها ، مما يسهل تنشيط الأعمال والاختبار. قبل تعديل الطاقة ، بسبب النقل القوي لطاقة SRS في نظام C + L ، فإن تسطيح طاقة الموجة الواحدة في نهاية النظام يتدهور بشدة ولا يمكنه تلبية متطلبات تطبيقات النظام. تعمل إستراتيجية المعادلة المسبقة للقوة C + L على تعديل منحدر الكسب والمكاسب الخاص بـ إدفا، مما أدى إلى تحسينات كبيرة في تسطيح الطاقة وتسطيح OSNR والحد الأدنى من OSNR. تم التحقق من صحة خوارزمية الضبط التلقائي للقدرة وتكوين موجة التعبئة بشكل كامل في الاختبارات الميدانية ، مما وضع الأساس لعمليات النشر التجارية اللاحقة.

التقدم في أنظمة 400G أحادية الناقل

في وقت مبكر من عام 2020 ، دخلت FiberMall في شراكة مع بائعي المعدات لإجراء اختبار على ناقل واحد 400G 16QAM في الشبكة الحية ، وتحقيق مسافة نقل تصل إلى 600 كيلومتر. في أكتوبر 2021 ، تعاونت FiberMall مع Huawei و ZTE و FiberHome لإكمال أول عملية تحقق من صحة الإرسال البصري عالي السعة سعة 400 جيجا عريض للغاية في الشبكة الحية ، مما يحقق مسافة إرسال تزيد عن 1000 كيلومتر. في يوليو 2022 ، قام كل من FiberMall و ZTE بمحاكاة طول الألياف وفقدها وهامش الصيانة في المختبر بناءً على متطلبات الشبكة وإجراء تحقق من الإرسال 400G QPSK ، مما حقق مسافة نقل تبلغ 3038 كم عبر 49 قطاع مرحل غير كهربائي. في يناير 2023 ، بناءً على نتائج الاختبارات المعملية ، أجرت FiberMall اختبارًا مباشرًا للشبكة 400G QPSK ، امتدت إلى أربع مقاطعات بما في ذلك Zhejiang ، و Jiangxi ، و Hunan ، و Guizhou ، بما في ذلك 45 قطاعًا من مكبر الصوت البصري ، مما يحقق مسافة نقل قياسية تبلغ 5616 كم لـ 400G. مرحل QPSK غير كهربائي في الشبكة الحية ، والتحقق لأول مرة من أداء الإرسال لتمديد الطيف إلى 6THz في C6T + L12T.

من أجل وضع شبكة طاقة الحوسبة ، من الضروري تعزيز البحث والتطوير للتقنيات الرئيسية لـ 400G ، وتحقيق ابتكار تقني شامل في التعديل والطيف والبنية التحتية ، ومواصلة تعزيز تطور الجيل الجديد من تكنولوجيا الاتصالات الضوئية على هذا الأساس ، بناء أساس بصري كامل لشبكة الطاقة الحاسوبية والمساهمة في تطوير الاقتصاد الرقمي.