400G DWDM CFP2-DCO-Modul

Das Wachstum des Netzwerkverkehrs führt zu einer erhöhten Portbandbreite im Übertragungsnetzwerk. Für die Übertragung über große Entfernungen und mit hoher Bandbreite bietet die auf Wellenlängenmultiplex (WDM) basierende kohärente Übertragungstechnologie die beste Lösung.

Mit zunehmender Reife kohärenter 400G-Lösungen wird die Nachfrage nach kohärenten 400G-Ports zunehmen. Es gibt zwei Treiber für das Wachstum kohärenter 400G-Ports:

•  Wachstum der Netzwerkbandbreite;
•  Erhöhung der Anzahl der 400GE-Ports auf der Clientseite.

Es hat sich als die kostengünstigste Methode erwiesen, eine 400G-Wellenlänge zur Übertragung von 400GE-Verkehr zu nutzen.

Laut dem Prognosebericht von LightCounting werden kohärente 400G-Ports in immer mehr Netzwerken eingesetzt und werden in den nächsten fünf Jahren das schnellste Wachstum verzeichnen. Mit der kontinuierlichen Zunahme des Netzwerkverkehrs, der Gesamtwellenlängen und der Anzahl der Wellenlängen in einem einzelnen Netzwerk werden Netzwerkbetreiber auch die Flexibilitätsanforderungen an Netzwerkmanagement und -planung erhöhen und so den groß angelegten Einsatz von ROADM (rekonfigurierbares optisches Add/Drop) fördern Multiplexer).

Internetdienstanbieter (ISP) können Wellenlängenpfade mithilfe der WSS-Technologie (Wellenlängenselektives Switching) dynamisch nach Bedarf konfigurieren. Optische Pfade können Punkt-zu-Punkt-Verbindungen realisieren und so Latenz und Stromverbrauch reduzieren. Aufgrund dieser Vorteile übernehmen immer mehr ISPs diese Lösung.

Beispielsweise baute einer der chinesischen ISPs im Jahr 2017 ROADM-Netzwerke mit 364 Wellenlängen entlang des Mittel- und Unterlaufs des Jangtsekiang auf. Flexible Ratenmodulation und flexible Mesh-Technologie machen DWDM-Netzwerke flexibler und belastbarer, während herkömmliche DWDM-Systeme ein festes 50/100-GHz-Mesh, eine feste Mittenfrequenz und eine feste Kanalbreite verwenden. Wenn flexible Modulations- und Gittertechnologie verfügbar ist, können das Modulationsformat und die Kanalbreite jedes Ports je nach Kapazität und Übertragungsentfernung angepasst werden, wodurch die spektrale Effizienz und Übertragungskapazität verbessert werden. Das Folgende ist ein schematisches Diagramm einer flexiblen Rate und eines Mesh für eine flexible Netzwerkkonfiguration.

Abbildung 1: Schematische Darstellung von flexiblem Tarif und Netz

Änderungen in der Netzwerkarchitektur erfordern flexiblere leitungsseitige optische Module, die Flex Rate und Flex Grid unterstützen. Der aktuelle Trend bei optischen Netzwerken geht zu höheren spektralen Wirkungsgraden, die sich der Shannon-Grenze nähern. Kohärente optische Module entwickeln sich in drei Richtungen:

• Spektrale Effizienz: Verbessern Sie die spektrale Effizienz und die Einzelfaserkapazität entsprechend dem Fortschritt des oDSP-Algorithmus.
• Baudrate: Erhöhen Sie die Baudrate einer einzelnen Wellenlänge, erhalten Sie eine höhere Bandbreite eines einzelnen Ports und reduzieren Sie die Kosten und den Stromverbrauch pro Bit.
• Kleinere Größe und geringerer Stromverbrauch: Es verwendet integrierte optoelektronische Komponenten, einen fortschrittlichen Herstellungsprozess und einen speziellen oDSP-Algorithmus.

Aufgrund der Shannon-Beschränkung kann die 64G-Wellenlänge von 400 GBaud nicht die erforderliche Leistung für die optische Übertragung über große Entfernungen erreichen. Um die Anforderungen von Intercity- (regionalen) und Fern-Backbone-Netzwerken zu erfüllen, sind höhere Baudraten und komplexere und leistungsfähigere oDSP-Algorithmen erforderlich.

Beispielsweise sollte für Langstreckenverbindungen (> 1000 km) die Baudrate für 400G-Wellenlängen über 90 Gbaud liegen und sowohl die ADC- als auch die DAC-Raten im oDSP müssen erhöht werden. Allerdings wird die Glasfaserübertragung mit steigenden Baudraten teurer und schwieriger zu kompensieren. Daher sind stärkere Kompensationsalgorithmen erforderlich, um physische Fahrspurschäden zu kompensieren.

Da ROADMs weit verbreitet sind, muss eine End-to-End-Wellenlängenverbindung mehrere oder sogar Dutzende ROADMs durchlaufen, einschließlich wellenlängenselektiver Schalter (WSS). Der Überlagerungseffekt der WSS-Filterung verringert die effektive Bandbreite der Verbindung, was höhere Anforderungen an den Kompensationsalgorithmus im oDSP stellt. Die folgende Abbildung zeigt die Auswirkung von mehrstufigem ROADM auf die Bandbreite des optischen Kanals.

Abbildung 2: Die Auswirkung von mehrstufigem ROADM auf die Bandbreite des optischen Kanals

Darüber hinaus möchten viele ISPs das Modulationsformat und die Baudrate je nach Portrate und Übertragungsentfernung flexibel konfigurieren. Sie setzen beispielsweise 400G 16QAM für die 400G-Fernübertragung und 800G 64QAM für Dutzende Kilometer Metropol-Rechenzentrumsverbindungen ein, um die spektrale Effizienz zu verbessern und die Kosten pro Bit zu senken. Mit dieser flexiblen Modulationstechnik und einem flexiblen Netz aus optischen Schichten kann die Faserkapazität maximiert werden, wodurch Investitionen in optische Kabel eingespart werden.

Die kohärenten optischen 400G-Transceiver-Lösungen für große Entfernungen und große Kapazitäten von FiberMall erfüllen die Anforderungen verschiedener Kunden. Jedes Modul unterstützt flexible Ratenmodulation (100G/200G/400G) und ist in CFP2 verpackt. Es unterstützt gleichzeitig 40 nm C-Band-Spektralbreite und 48 nm Super C-Band und unterstützt maximal 120 Wellenlängen, um die Anforderungen der Kunden an große Kapazitäten zu erfüllen.

Kleine Silizium-Photonik-Komponenten oder leistungsstarke InP-Komponenten mit hoher Bandbreite werden verwendet, um eine Reihe unterschiedlicher Anwendungsszenarien zu erfüllen. Die Prinzipien von 400G kohärente optische Module in verschiedenen Paketen sind gleich. Das Tx-Ende des kohärenten optischen 400G-Moduls besteht aus oDSP, Datentreiber, wellenlängenabstimmbarem Laser und PDM-I/Q-Modulator.

Zunächst werden die Daten vom Motherboard gemappt und kodiert. Der Tx-oDSP führt dann eine spektrale Formung und Kompensation für die Datenverbindungsbandbreite durch. Danach verstärkt der Datentreiber die Amplitude und gibt die verstärkten Daten in den Modulator ein. Der Modulator wandelt die Daten dann zur Ausgabe in ein optisches Signal um. Auf der Rx-Seite gelangt das optische Signal in den ICR und interferiert mit der Wellenlänge des lokalen Oszillators, um eine photoelektrische Umwandlung zu realisieren. Nachdem der Hochgeschwindigkeits-ADC das elektrische Signal abgetastet hat, kompensiert er die chromatische Dispersion (CD) und den Polarisationszustand (SOP). Das Folgende ist das Blockdiagramm des kohärenten optischen Moduls.

Abbildung 3: Blockdiagramm des kohärenten optischen Moduls

 

Hier sind die Vorschläge für optische 400G-CFP2-DCO-Module, die für die 400G-Fernübertragung mit großer Kapazität verwendet werden:

• Konform mit dem CFP2-Protokoll (MSA);
• Verwendung des CFP2-Pakets;
• Konform mit den Schnittstellenspezifikationen 400G CAUI-8 und FlexO;
• Unterstützt mehrere Modulationsformate, einschließlich QPSK und 16QAM;
• Unterstützt 400G 16QAM 500 km bei 75 GHz und 200G QPSK 2000 km bei 75 GHz.

Das 400G CFP2-DCP ist ein steckbares optisches Modul, das optimale Leistung bietet und mehrere innovative Technologien zur Verbesserung der 400G-Übertragungsleistung integriert. Im Folgenden ist das 400G CFP2-DCO-Blockdiagramm dargestellt.

Abbildung 4:Blockdiagramm von 400G CFP2-DCO

• Hochleistungs-oDSP mit geringem Stromverbrauch
• Um die Übertragungsentfernung zu erhöhen, wird die FEC-Technologie Turbo Product Codes (TPC) – hohe Leistung, geringer Stromverbrauch – eingesetzt, um die Shannon-Grenze zu erreichen. Es werden auch elastische Raten von 200G bis 400G unterstützt. Darüber hinaus werden steckbare und stromsparende Funktionen mit einer stromsparenden IP/DSP-Architektur implementiert.

Für 400G CFP2-DCO werden mehrere Modulationsformate unterstützt, darunter 400G 16QAM, 200G QPSK und DQPSK. Für die Übertragung mit hoher Kapazität wird 16QAM für die Übertragung mit einer Wellenlänge von 400G@75GHz empfohlen. Für neue Netzwerke wird empfohlen, QPSK für 200G@75 GHz-Übertragung mit einer Übertragungsentfernung von 2000 km zu verwenden. Im Gegensatz dazu wird DQPSK in gemischten Szenarien auf bestehende Netzwerke angewendet, um die Auswirkungen auf die Linearität zu reduzieren.

• Super-C-Band-Fähigkeit
• Beim Wellenlängenmultiplexsystem wird die Kapazität eines Einzelfasersystems direkt von der Anzahl der Übertragungswellenlängen beeinflusst. Das CFP2-Modul ist das erste optische Super-C-Band-Modul, das 80 Wellenlängen von 400G@75G unterstützt und über eine optische Einzelfaserübertragungskapazität von 32T verfügt. Die Realisierung des Super-C-Bandes beruht auf anderen Fähigkeiten, einschließlich zugrunde liegender Laser, ICTRs und eingebauter optischer Verstärker (OAs).

Tx und Rx teilen sich einen einzigen Laser, um ein kompaktes Design mit geringem Stromverbrauch in einem CFP2-Gehäuse zu erreichen. Darüber hinaus verwendet das einzigartige Laserdesign von FiberMall einen kompakten Nanolaser mit hoher optischer Ausgangsleistung. Unten ist ein Ultrabreitbandspektrum (120 Wellenlängen).

Abbildung 5: Ultrabreitbandspektrum

• Großer Einstellbereich für die optische Ausgangsleistung
• Bei der Übertragung über große Entfernungen muss die optische Ausgangsleistung fein abgestimmt werden, um eine bessere Leistung zu erzielen. Die optische Ausgangsleistung von 400G CFP2-DCO kann im Bereich von +1 dBm bis +4 dBm präzise eingestellt werden, um den Eingangsleistungsanforderungen verschiedener optischer Schichten gerecht zu werden.
• Siliziumphotonik integriert ICTR
• Die ICTR-Technologie der Siliziumphotonik wird in der verwendet 400G CFP2-DCO Modul, um die physische Größe zu minimieren. Aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften weist die Silizium-Photonik eine größere optische Feldbegrenzung auf, was zu kompakteren Wellenleiterstrukturen führt. Darüber hinaus unterstützt die Silizium-Photonik die Polarisationsverarbeitung, die die Modulation und kohärente Erkennung von dual-polarisierten 16QAM-Signalen ermöglicht und gleichzeitig die Größe des ICTR-Chips minimiert.
• Photoelektrische Multi-Chip-Verpackung

Die Leistung der HF-Verbindung vom oDSP zum optischen Modulator ist optimiert, um die Treiberanforderungen zu reduzieren und somit den Stromverbrauch zu senken. Darüber hinaus werden optische Chips und elektronische Chips zusammengepackt, um die physische Größe zu reduzieren.

• Leistungsstarker kompakter OA

Die Silizium-Photonik-ICTR-Technologie wird verwendet, um eine kompakte Größe zu erreichen, führt jedoch zu einer großen Einfügungsdämpfung. Für die Anforderungen der optischen Hochleistungsübertragung verwendet das Ausgangsterminal einen kleinen OA, der unabhängig von FiberMall entwickelt wurde, um das optische Signal zu verstärken. Darüber hinaus ist die NF des OA für hochwertige verstärkte optische Signale optimiert.

HHier sind die Vorschläge foder das optische 400G MSA-Modul für die Übertragung über große Entfernungen und extrem große Kapazitäten:

• Hochleistungs-oDSP
• Um die Übertragungsdistanz zu erhöhen, wird die Hochleistungs-FEC-Technologie verwendet, um sich kontinuierlich der Shannon-Grenze zu nähern, und es werden elastische Raten von 200–800 G unterstützt. Wenn die Anzahl der ROADMs und die Anzahl der kaskadierten Filter in der rein optischen Netzwerkarchitektur zunimmt, wird der Faster-Than-Nyquist (FTN)-Algorithmus verwendet, um die Pass-Through-Fähigkeit der Filter zu verbessern und sicherzustellen, dass die mehrstufigen Filter keine Verluste verursachen. Das Datenerfassungs- und Analysemodul der Glasfaserverbindung ist in das Netzwerkmanagementsystem integriert, um die Betriebs- und Wartungsfähigkeit während des gesamten Lebenszyklus zu verbessern. Die Übertragungsleistung des 400G MSA ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 6: Übertragungsleistung des 400G MSA

• Hochleistungslaser
• In einem kohärenten 400G-System liefert ein abstimmbarer Laser am Tx ein optisches Signal zur Modulation. Bei Rx liefert ein weiterer abstimmbarer Laser das optische Signal, das als lokales Referenzsignal für die kohärente Erkennung verwendet wird. Der Laser sollte folgende Eigenschaften haben:

– Hohe optische Ausgangsleistung: Gewährleistet die hohe einfallende optische Leistung des Moduls und verbessert die Übertragungsleistung;

– Schmale Linienbreite: Nichtlineares Phasenrauschen wird nach der Übertragung des optischen Signals durch die Glasfaser eingeführt, und die Linienbreite steht in direktem Zusammenhang mit dem Phasenrauschen. Dies gilt insbesondere für Übertragungen mit hoher Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM), die die Anforderungen an die Linienbreite weiter erhöhen. Um eine hohe optische Ausgangsleistung zu gewährleisten, wird ein einzigartiger integrierter InP-Laser mit SOA verwendet.

Darüber hinaus werden das einzigartige Gitterdesign und das Wellenlängenkontrollschema verwendet, um eine ultraschmale Linienbreite und eine hochstabile Wellenlängenverriegelung zu erreichen. Darüber hinaus wird durch die Optimierung des Verstärkungsmediums und des abstimmbaren Gitters des Lasers ein abstimmbarer Laser im Super-C-Band abgedeckt. Das Bild unten zeigt einen Hochleistungslaser.

Abbildung 7: Ein Hochleistungslaser

• Hochleistungsmodulator
• Typischerweise werden Modulatoren mithilfe einer der folgenden Technologien hergestellt: Lithiumniobat (LiNbO 3 ), Indiumphosphor (InP) oder Siliziumphotonik. Jeder hat seine Stärken und Schwächen. LiNbO3 ist eine ausgereifte Plattform für optische Komponenten, die eine hohe Bandbreite und eine geringe Antriebsamplitude erreichen kann, jedoch mit einer großen Komponentengröße. InP unterstützt die Modulation mit hoher Bandbreite und kann SOA integrieren, um eine hohe optische Ausgangsleistung zu erreichen. Allerdings ist InP temperaturempfindlich und die Temperaturkontrolle erfordert TEC.
• Andererseits integrieren photonische Modulatoren aus Silizium Polarisationsmultiplex-Funktionseinheiten auf Chipebene und reduzieren gleichzeitig die physikalische Größe, was größere Ansteuerspannungen erfordert. Der 400G MSA verwendet ein halbisolierendes Substrat und einen einzigartigen Mach-Zehnder-Modulator für die InP I/Q-MZ- und SOA-Integration mit hoher Bandbreite. Auf diese Weise werden eine hohe Modulationsbandbreite und eine hohe optische Ausgangsleistung erreicht. Die folgende Abbildung zeigt die hohe Modulationsbandbreite, die vom InP-Modulator unterstützt wird.

Abbildung 8: die hohe Modulationsbandbreite, die vom InP-Modulator unterstützt wird

• Hochleistungs-Optoelektronik oder RFIC
• Am Tx des kohärenten optischen Empfängers ist ein Treiber erforderlich, der das elektrische Signal verstärkt, um den optischen Modulator anzutreiben. Auf der Rx-Seite ist ein TIA erforderlich, um die Stromsignale in ein Spannungssignal umzuwandeln und das Spannungssignal zu verstärken. Daher müssen Treiber und TIAs über eine höhere Bandbreite und eine bessere Linearität verfügen.
• Es realisiert eine extrem hohe Bandbreite, eine extrem hohe Linearität, einen extrem rauscharmen linearen Treiber und TIA, basierend auf einer innovativen Schaltungsarchitektur und einem aktiven Entzerrungsdesign. Kohärente Antriebsmodulatoren (CDM) und ICR bieten ebenfalls eine hohe Bandbreite.

FAbbildung 9:TIA und Fahrer

• Hochleistungs-ICR
• Bei Rx wird ein ICR verwendet, um das optische Signal in einem kohärenten optischen Empfänger zu empfangen. Dieser Prozess umfasst auch optische Mischer und PDs, die zur Umwandlung optischer Signale in elektrische Signale verwendet werden. Zu den ICR-bezogenen Technologien gehören die Silizium-auf-Isolator-Technologie (SOI) für die ICR-Integration, die Planar-Lightwave-Circuit-Technologie (PLC) für optische Mischer und ein InP-PD.

• Mit optischen Mischern auf Basis der SiN-Technologie kann eine gute Faserkopplung und Polarisationsverarbeitung erreicht werden, um den besten optischen Mischeffekt zu erzielen. InP-PDs mit hoher Bandbreite und hoher Empfindlichkeit werden über ein einzigartiges Flip-Chip-Gehäuse auf SiN-Chips montiert, wodurch hochintegrierte, leistungsstarke und kleine ICRs entstehen. Das ICR-Diagramm sieht wie folgt aus.

Abbildung 10: Schematische Darstellung von ICR

• Hochleistungspaket
• Der 400G MSA verwendet ein leistungsstarkes Charger Device Model (CDM)-Paket. Der Treiber und Modulator mit hoher Bandbreite sind in einer einzigen Baugruppe untergebracht, was die Leiterbahnlängen für Hochgeschwindigkeits-HF-Signale reduziert und die Integrität des Hochgeschwindigkeitssignals und eine hohe Bandbreite gewährleistet. Einige elektrische Ports verwenden Pins, um eine stabile Verbindung und Bandbreite eingehender Signale sicherzustellen und dadurch die Leistung von CDM-Komponenten zu verbessern. Die folgende Abbildung ist ein schematisches Diagramm der Hochleistungskomponentenverpackung.

Abbildung 11: Schematische Darstellung der Verpackung von Hochleistungskomponenten

• 200-800G flexible Tarife, Single-Wave-800G-Übertragung mit großer Kapazität
• Das Mikromodul unterstützt QAM höherer Ordnung durch leistungsstarkes oDSP und Optik mit hoher Bandbreite. Mittlerweile wird Constellation Shaping 2.0 verwendet, um die 200-800G-Anpassung zu unterstützen. Darüber hinaus kann der eingebaute OA die optische Ausgangsleistung bei Modulation höherer Ordnung garantieren.

FAbbildung 12:Flexible Modulationsformate

Der Bedarf an höherer Kapazität, niedrigeren Kosten pro Bit und geringerem Stromverbrauch führt zu immer höheren Übertragungsraten für optische Module. Als Mainstream-Technologie der vorherigen Generation ist 100G in den ausgereiften und stabilen Lebenszyklus eingetreten, und es ist schwierig, die Stückkosten zu senken. Derzeit werden gängige optische 400G-Module in verschiedenen Netzwerkszenarien eingesetzt, beispielsweise in der Vernetzung von Rechenzentren, in integrierten Trägernetzen in Großstädten und in Fernübertragungsnetzen mit großer Kapazität.