ما هو الاتصال البصري قصير المدى؟

يمكن أن تكون الاتصالات الضوئية قصيرة المدى مفاجأة بعض الشيء. أكثر مجالات التطبيق المباشرة للاتصال البصري هي السرعة الفائقة والسعة الكبيرة جدًا والاتصال البصري لمسافات طويلة جدًا. تم استخدام الاتصال البصري في البداية لحل نقل خدمة الاتصالات السلكية واللاسلكية لمسافات طويلة وعالية السرعة ، ثم تم إدخاله ببطء في شبكة مركز البيانات لتوفير واجهات معدل عالية السرعة من جانب العميل.

تطور القصير نطاق الاتصالات الضوئية

حتى يومنا هذا ، من الواضح بالفعل أن الاتصال البصري يخترق الإرسال ذي المدى الأقصر. على سبيل المثال ، استخدمت الصناعة مؤخرًا تقنية بصرية مجمعة لحل مشكلة التوصيل البيني البصري داخل الوحدات وبين الرقائق ، وستصل سعة شريحة التحويل الفردية إلى 25.6 تيرا بايت / ثانية. كما هو مبين في الشكل 1 ، يتم سرد سيناريوهات التطبيق النموذجية للاتصال البصري على مسافات إرسال مختلفة والاختراق لمسافات أقصر.

الشكل 1. تطور تطبيقات الاتصالات الضوئية

ليس من قبيل المصادفة أن المزيد والمزيد من تطبيقات الاتصالات الضوئية تتحول إلى المدى القصير. توقعت شركة Cisco هذا الاتجاه منذ عدة سنوات ، وتم تأكيد ذلك. تجاوزت حركة مرور شبكة العاصمة بالفعل شبكات العمود الفقري طويلة المدى في عام 2017 ، ومع ظهور شبكات توصيل المحتوى (CDN) ونمو الخدمات ذات الصلة بالسحابة ، أصبحت حركة المرور المرتبطة بالشبكة في مركز البيانات قابلة للمقارنة الآن بحركة مرور IP عبر الإنترنت.

ومن المتوقع أنه بحلول العام المقبل ، ستتجاوز حصة الحركة داخل مراكز البيانات 70٪ ، بينما تبلغ نسبة حركة المرور بين الشرق والغرب 85٪ تقريبًا ، وهو ما يتجاوز بكثير حركة المرور بين الشمال والجنوب ، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2. توزيع حركة مرور مركز بيانات توقعات Cisco في عام 2021

لذلك ، يجب القول إن شبكة المستقبل ستهيمن عليها مراكز البيانات ، ويجب التأكيد على الإرسال البصري قصير المدى. ليس هذا فقط ، ولكن مع التحول في بنية الشبكة ، يتم تقريب الكثير من المحتوى للمستخدمين لتوفير خدمات زمن انتقال أقل. لذلك ، كلما زادت التطبيقات قصيرة المدى ، زاد الطلب على النطاق الترددي.

تمت ترقية العمود الفقري الحالي لمسافات طويلة إلى 200 جيجا ، لكن الطلب في مراكز البيانات قصيرة المدى وصل منذ فترة طويلة إلى 400 جيجا ، وسيتم ترقية بعضها إلى معدلات واجهة 800 جيجا. هذا العام ، أصدر تحالف Ethernet مواصفات 800G Ethernet. من الواضح أن التطبيقات قصيرة المدى التي تمثلها مراكز البيانات ومجموعات الحوسبة الفائقة والشبكات الأخرى المترابطة أصبحت نقطة نمو جديدة للاتصالات الضوئية خارج سوق الاتصالات ، والأهمية بديهية.

تعريف باختصار نطاق الاتصالات البصرية

ما هو الاتصال البصري قصير المدى؟ هناك العديد من الإجابات المختلفة.

يعرف IEEE المدى القصير (SR) بأنه حوالي 100 متر ، ويعرف OIF المدى القصير بـ 300 متر. لكن المجتمع الأكاديمي وسع نطاق الاتصال البصري قصير المدى إلى حوالي 100 كيلومتر. يبدو أنه لا يوجد رقم واضح لتحديد ما هو الاتصال البصري قصير المدى بوضوح ، ومن المفيد تحديد جميع الاتصالات الضوئية ضمن فاصل زمني 100 م ~ 100 كم كاتصال بصري قصير المدى في المقدمة التالية. وهذا يعني أن الجزء المحاط بدائرة حمراء في الشكل 1 ، بالطبع ، يسمى الاتصال البصري قصير المدى هو أكثر ملاءمة. بالنسبة للاتصال البصري في حدود 100 متر ، يجب أن يطلق عليه الترابط البصري قصير المدى ، والذي يشير إلى التوصيل البيني داخل النظام أو بين اللوحة أو على متن الطائرة.

الشكل 3. مزيد من التفصيل للسيناريوهات والتقنيات الرئيسية باختصار نطاق الاتصالات الضوئية

كما هو موضح في الشكل 3 ، يتم تقسيم الاتصال البصري قصير المدى بشكل أكبر ويحتوي على سيناريوهات مثل SR و DR و FR و LR و ER و ZR وفقًا لمسافة الإرسال من قريب إلى بعيد.

معايير الاتصالات البصرية قصيرة المدى

لهذه التطبيقات المختلفة عن بعد ، أدخلت الصناعة الآن أيضًا 100غ ومعايير التوصيل البيني البصري من جانب العميل 400 جيجا ، كما هو موضح في الجدول 1.

الجدول 1. معايير جانب العميل ذات الصلة 100G / 400G

ويمكن أن نرى أن:

بالنسبة لمسافة 100 متر ، فهي عبارة عن تقنية نقل متعدد الوسائط بشكل أساسي مع مصفوفة مصدر ضوء 850 نانومتر VCSEL.

من 500 متر إلى 2 كيلومتر ، يتم استخدام تقنية النقل أحادية الوضع بشكل شائع ، ويكون مصدر الضوء أكثر تنوعًا ، والذي يمكن أن يكون 1310 نانومتر DML أو SiP أو حتى EML.

يلزم استخدام 10 / 40nm EML أو حتى MZM لمسافة تتراوح من 1310 إلى 1550 كم. يتميز 1310 بميزة التشتت المنخفض ولكن الخسارة العالية وعدم وجود مكبر ضوئي منخفض التكلفة على نطاق O على هذه المسافة. ميزة استخدام 1550 هي الخسارة المنخفضة للألياف ، وهناك مكبر بصري ناضج ، لكن تأثير التشتت أكبر.

بالإضافة إلى اتصالات مركز البيانات ، هناك فئة مهمة أخرى من التطبيقات للاتصالات الضوئية لمسافة 10 كيلومترات ، وهي البنية الأمامية لشبكة الجيل الخامس التي تعمل على قدم وساق. يلخص الجدول 5 الحلول التقنية النموذجية والمعايير المقابلة في الصين.

يستخدم 5G fronthaul بشكل أساسي مضاعفة تقسيم الطول الموجي للنطاق O ، باستخدام تعديل DML المباشر لتوليد إشارة NRZ بسرعة 25 جيجابت / ثانية ، واكتشاف PIN عند الطرف المستقبل ، وتتمثل الصعوبة الرئيسية في تقليل التكلفة والتحكم في تكلفة تشتت الأطوال الموجية الطويلة. من المتوقع أن يكون من الصعب توسيع نطاق التكنولوجيا القائمة على DWDM في الإرسال الأمامي لـ 5G ، على الرغم من وجود إمكانات توسع أكبر وميزانية طاقة أكبر ، لكن تكلفة EML + TEC القابلة للتعديل أعلى بكثير من البرامج الأخرى.

الجدول 2. مقارنة تقنية بين الحلول النموذجية للجيل الخامس

بالطبع بالنسبة للاتصالات الضوئية التي يبلغ طولها 20 كيلومترًا ، هناك أيضًا تطبيقات مهمة في صناعة الاتصالات ، تُعرف عمومًا باسم شبكات الوصول البصري ، والمعروفة أيضًا باسم الشبكات الضوئية المنفعلة (PON). هذه المنطقة هي تقنية قياسية دولية بالكامل ، وحالياً PON مرت عبر APON ، BPON ، G / EPON ، 10G EPON ، XGSPON ، إلخ. أعلى معدل متاح تجاريًا هو 10Gb / s متماثل. لكن التوحيد القياسي كان في المقدمة ، بما في ذلك 40GTWDM-PON ، المعروف أيضًا باسم NGPON2 ، والذي اكتمل قبل بضع سنوات. تم تحديد 25G EPON في عام 2018 ، وحتى الموجة الأحادية 50G PON التي تتم مناقشتها حاليًا من قبل كل من ITU-T و IEEE. المشكلة الأساسية في هذا المجال هي التكلفة وميزانية الطاقة ، والتي تتلخص في عدم وجود حلول استقبال تعديل منخفضة السرعة وعالية الحساسية. علاوة على ذلك ، بالنسبة لتطبيقات 80km ZR ، أصدرت OIF بالفعل بروتوكول تنفيذ 400ZR مع تعديل 60Gbaud 16QAM وتباعد قناة 100G أو 75 جيجا هرتز ، بينما يناقش IEEE أيضًا معيار 100GE / 400GBASE ZR في IEEE P802.3 ct / cw ، والذي من المتوقع أن تكون متوافقة إلى أقصى حد مع OIF 400ZR. من الواضح أنه بالنسبة لـ 100G وكذلك 400 جرام ZR اتفق مستوى 80 كم من صناعة النقل البصري عمومًا على الحاجة إلى إدخال تقنية الكشف المتماسك 100G / 400G.

تقنيات التعديل والمضاعفة للاتصالات الضوئية قصيرة المدى

فيما يتعلق بمعايير الصناعة الحالية وحلول السوق ، لا يوجد حاليًا سوى نسقين تعديل تم اعتمادهما على نطاق واسع من قبل الصناعة في المدى القصير. واحد هو 25Gb / s NRZ ، والذي يستخدم بشكل رئيسي في واجهات 4x25G 100G ؛ والآخر هو تعديل PAM4 بمعدلات موجات أحادية تبلغ 50 جيجابت / ثانية و 100 جيجابت / ثانية ، والتي يمكن استخدامها لتحقيق واجهات 8x50G أو 4x100G 400G ، بالإضافة إلى واجهات من جانب العميل بموجة واحدة 1x100G 100G. للمستقبل 800G ترابط قصير المدى، قد يكون هناك 8x100G PAM4 وربما حتى حلول 4x200G PAM4.

بالنسبة للإرسال البصري قصير المدى المتماسك ، لا تحدد أي من المخططات المعيارية حاليًا تقنيات مشابهة لـ PCS ذات التشكيل الاحتمالي والتشفير الفائق القوة لتصحيح الخطأ الأمامي مثل LDPC. من بين الأنظمة المتماسكة التي لديها بالفعل معايير ، مثل MSA و OIF و ITU-T و OpenROADM و IEEE و CableLabs حددت فقط (D) QPSK و 8QAM و 16QAM ، وهي تنسيقات تعديل بسيطة نسبيًا. بالنسبة إلى FEC ، فإن أقدم 100G MSA يحدد الدرج HD FEC مع 6.7 ٪ زائدة و NCG = 9.8dB ، لاحقًا C-FEC المحدد في OIF 400 ZR مع 14.8 ٪ زائدة و NCG = 10.8dB لـ 16QAM ، و O- تم تعريف FEC في OpenROADM بنفقات زائدة بنسبة 15.1٪. بعد ثلاث تكرارات من فك التشفير ، يمكن أن تصل NCG لـ 16QAM إلى 11.6 ديسيبل.

فيما يتعلق بطرق تعدد الإرسال ، غالبًا ما يتم استخدام نوعين من تعدد الإرسال في الوصلات البينية الضوئية قصيرة المدى الحالية 100G / 400G. أحدهما هو تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء ، موصلات MPO متعددة الألياف أحادية النمط / متعددة الأوضاع لتحقيق ربط متعدد القنوات. والثاني هو مضاعفة تقسيم الطول الموجي ، حيث يتم إرسال أطوال موجية متعددة في نفس النمط المفرد أو الألياف متعددة الأوضاع.

يلخص الجدول 3 تصنيف تقنيات تعدد الإرسال المستخدمة لمعدلات واجهة 100G. وتجدر الإشارة إلى أن تقنية السيليكون البصري المستخدمة في أنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الهواء يمكن أن يكون لها مزايا تكلفة أفضل ، لأنه لا يلزم سوى طاقة طول موجي واحدة لتقسيمها إلى عدة مسارات ثم إلى مصفوفة مُعدِّل السيليكون البصري. لا يمكنك التحكم في الحجم فحسب ، بل يمكنك أيضًا تقليل تكلفة الليزر. ومع ذلك ، من المتوقع أن تكون ميزانية الطاقة هي العقبة الرئيسية أمام التكنولوجيا البصرية للسيليكون في تطبيقات التوصيل البيني البصري قصير المدى.

الجدول 3. مقارنة تقنيات تعدد الإرسال المستخدمة في واجهات 100G

المحتوى أعلاه هو المقدمة الرئيسية لـ Fiber Mall لتطور اتجاهات الاتصال البصري قصير المدى ، وحدود المسافة ، والتقدم في المعايير ، وتقنيات التعديل والمضاعفة المستخدمة بشكل شائع في الصناعة ، مع التركيز على إدخال التقنيات المستخدمة في التطبيقات الناضجة في الصناعة.

كما يناقش فايبر مول تكنولوجيا التعديل المتقدمة ، وتكنولوجيا الكشف الجديدة ، وخوارزمية DSP ، ومقارنة تطور التكنولوجيا 800G / 1.6T ، وما إلى ذلك من منظور الأوساط الأكاديمية.