400G DWDM: Kombinieren Sie QSFP-DD Transceiver mit DWDM Coherent

Die Kombination aus DWDM- und Routing-Technologie ist der Schlüssel zur Implementierung des optischen 400G-QSFP-DD-DWDM-Moduls. In den letzten Jahren sind kohärente DWDM-Produkte bereit, mit der Einführung von kohärenten steckbaren optischen 400G-DWDM-Modulen Schritt zu halten.

In diesem Dokument wird die Entwicklung der kohärenten DWDM-Technologie untersucht, um die Details hinter dem kohärenten steckbaren optischen 400G-DWDM-Modul weiter zu untersuchen und zu untersuchen, wie die Integration von DWDM und Routing-Technologie realisiert werden kann.

Warum verwendet 400G DWDM QSFP-DD ZR Coherent Technology?

Kohärentes optisches Empfangsmodul bezieht sich auf das optische Modul mit kohärentem Design am Empfangsende, das hauptsächlich in der Übertragungstechnologie der zweiten Generation von WDM-Systemen verwendet wird.

Die erste Generation von WDM verwendet nicht die Technologie des kohärenten Empfangs.

1. Warum WDM verwenden?
2. Warum DWDM verwenden?
3. Warum benötigt DWDM eine kohärente Technologie, wenn die Bandbreite erhöht wird?

Als die Glasfaserkommunikation in den 1970er Jahren zum ersten Mal vorgeschlagen wurde, hieß es, Glasfaser habe eine nahezu unbegrenzte Bandbreite, nahezu keine Verluste und fast keine Kosten. Es gab einen großen industriellen Wert.

Jetzt hat es im Grunde niedrige Kosten und geringe Verluste realisiert. Aber eine große Kapazität für lange Distanzen wurde nicht erreicht.

Die für die Glasfaserübertragung geeignete Lichtfrequenz beträgt 190–230 THz, was eine große Trägerfrequenz ist. Aufgrund der Einschränkungen der Signalmodulationstechnologie und Demodulationstechnologie in der Industrie können wir jedoch die Signalbandbreite im Zehner-GHz-Bereich wirklich nutzen, was die riesige Trägerfrequenz des Lichts nicht gut nutzt.

Geringer Verlust ist ein wichtiger Faktor, um die Übertragungsdistanz zu verlängern. Aber in Wirklichkeit ist der Wellenleiter der Faser sehr klein. Aufgrund der erforderlichen Leistungsdichte der ankommenden Faser darf der Wellenleiter nicht zu groß sein, sonst verbrennt er oder regt nichtlineare Effekte an. Wenn das modulierte Signal zwischen dem Signal-Rausch-Verhältnis und dem Empfangsende Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern übertragen kann, kann die Faser tatsächlich nur etwa hundert Kilometer Übertragungsdistanz zurücklegen, was eine Verschwendung für das Signal darstellt.

So erhöhen Sie die Kapazität

Wenn Sie die Bandbreite des modulierten Signals nicht erhöhen können, können Sie die Wellenlängenteilungstechnologie verwenden, um mehr Kanäle zu übertragen.

So verlängern Sie die Übertragungsreichweite von Glasfasern

Mit der Relay-Technologie können Sie einen Abschnitt nach dem anderen übertragen, bis das Signal-Rausch-Verhältnis des optischen Signals an seine Grenzen stößt.

Wellenlängenteilung

Es kann die Kapazität erweitern.

Relais

Es kann die äquivalente Übertragungsentfernung verlängern. Der optische Verstärker, der EDFA für die Weiterleitung verwendete, war in den 1990er Jahren eine ausgezeichnete Wahl für die kostengünstige Weiterleitung.

Um den kostengünstigen EDFA für Relaisverstärkung unterzubringen, ist es notwendig, mehrere Wellenlängen in den Wellenbruch innerhalb des Verstärkungsspektrums von EDFA zu platzieren.

Die frühe Wellenlängenteilung befasste sich sowohl mit der Herausforderung, die Übertragungskapazität unter begrenzten industriellen Bedingungen zu erhöhen, als auch mit der Herausforderung, kostengünstige Relais zu verwenden, um Übertragungsentfernungen zu verlängern.

Da die Glasfaserkapazität jedoch weiter zunimmt, gibt es zwei Möglichkeiten, die Anzahl der Wellenlängen zu erhöhen und die Rate pro Wellenlänge zu erhöhen.

Aber es schafft neue Probleme.

Erhöhen Sie zunächst die Anzahl der Wellenlängen. Diese Wellenlängen müssen innerhalb der Verstärkungsspitze des optischen Verstärkers gesteuert werden, was zu immer kleineren Wellenlängenintervallen führt.

Die zweite besteht darin, die Rate pro Wellenlänge zu erhöhen. Die Rate wird von 622M, 1.25G und 2.5G immer höher und die Übertragungsdistanz wird immer kürzer. Der Grund dafür ist, dass sich die Empfindlichkeit auf der Empfängerseite verschlechtert, während die Leistung auf der Senderseite nicht kontinuierlich erhöht werden kann und durch die Gesamtleistung der ankommenden Faser begrenzt ist. Es gibt auch einen Nachteil, dass je höher die Signalrate ist, desto größer ist die Streuung des Frequenzbereichs und die Notwendigkeit, das Wellenlängenintervall zu erweitern.

Wenn der Abstand kürzer ist, nimmt die Anzahl der Wellenlängen ab. Dies ist ein Widerspruch.

Um dieses Problem zu lösen, müssen wir die Empfindlichkeit auf der Empfangsseite verbessern. Es ist möglich, die Rate zu erhöhen und dennoch die Eigenschaften einer langen Übertragungsentfernung beizubehalten.

Wie verbessert man die Empfindlichkeit? Erhöhen Sie das Signal oder reduzieren Sie das Rauschen.

Eine Verstärkung des Signals kann durch konstruktive Interferenz erreicht werden. Und die Reduzierung des Rauschens kann durch differentielle Berechnungen oder durch destruktive Interferenz erreicht werden. Auf der Empfangsseite kann das Hinzufügen eines Signalinterferenzdesigns das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern und die Empfindlichkeit optimieren.

Die Interferenz des Signals ist phasenabhängig. Da die Phase gesteuert wird, was für eine Verschwendung, einen Satz von 0/180 ° Phasenmodulation zu machen. Sie können mit 45° und 225°, überlagert mit 135°/315°, zwei Signalmodulationssätze verwenden. Dies würde die Menge der übertragenen Bits verdoppeln, ohne die Bandbreite des Signals zu erhöhen.

Wellenlängen-Multiplexing von IMDD basierend auf NRZ verbessert die Rate jeder Wellenlänge. Da die Empfindlichkeit schlechter wird, wird die Übertragungsdistanz kürzer. Je höher die Signalrate (im Wesentlichen die Bandbreite), desto größer ist die Verbreiterung des Frequenzbereichs und die Notwendigkeit, das Wellenlängenintervall zu verbreitern, was sich auf die Erhöhung der Anzahl von Wellenlängen auswirkt.

Basierend auf dem Modulationsformat von DP-QPSK kann die Bitrate erhöht werden, ohne die Bandbreite zu erhöhen. Ohne die Bandbreite zu erhöhen, muss der Frequenzbereich nicht verbreitert werden, sodass die Bereitstellung der Anzahl von Wellenlängen nicht beeinträchtigt wird.

Basierend auf kohärentem Empfang wird durch Interferenzen das Signal verbessert, das Rauschen unterdrückt, das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und die Übertragungsdistanz nicht kürzer, sondern verlängert.

Zurück zu unserer Hauptlinie wieder mit kohärenten optischen Modulen, zunehmender Kapazität und größerer Entfernung. Dies ist die technische Wettbewerbsfähigkeit des kohärenten optischen Moduls, das im Backbone des Kernnetzes mit großer Kapazität und großer Entfernung verwendet wird.

Kohärente optische Module gibt es in mehreren wichtigen Technologiezweigen.

1. Phasensteuerung, die von der Industrie verlangt, dass sie in der Lage ist, eine Massenfertigung zu niedrigen Kosten zu erreichen. Diese Technologien sind um 2005 ausgereift, und das kohärente Modul trat um 2010 in die Industrialisierungsphase ein.

Um auf der Empfängerseite zu interferieren, wird ein lokaler Oszillator benötigt, und Licht sind elektromagnetische Wellen, daher wird es auch als lokales oszillierendes Licht (LO) bezeichnet. Je reiner die Frequenz, desto besser die Verstärkung nach der Störung, was eine Voraussetzung für die schmale Linienbreite des LO ist. Da das kohärente Modul im Wellenlängenteilungssystem verwendet wird, kann es die Wellenlänge abstimmen, es hat eine relativ starke Anpassungsfähigkeit, weshalb LO eine abstimmbare Wellenlänge benötigt.

 

Wenn eine Interferenz erforderlich ist, wird es normalerweise als Mischer bezeichnet. In der Anfangszeit wurden hierfür siliziumbasierte Siliziumoxid-PLCs verwendet, die geringe Verluste aufwiesen, aber keine Detektoren integrieren konnten. Später wurde InP verwendet und dann Siliziumlicht, beide Halbleiter können Mischer und Detektor integrieren.

Um die Beziehung zwischen der Phase und der Amplitude des Detektors aufzulösen, ist der Rechenaufwand sehr groß, und mit der Industrialisierung von kohärenten optischen Modulen begann auch DSP, eine wichtige Komponente des Moduls zu werden.

 

DSP, digitale Signalverarbeitung, nimmt die vom optischen Signal übertragenen individuellen Informationen und verwendet Algorithmen, um das Signal nach der Analog-Digital-Wandlung zu analysieren. Der Algorithmus ist eine wichtige Arbeit, einschließlich der Berechnung der Dispersion und Kompensation, der Durchführung der Polarisationsdispersionsvorhersage und -kompensation, der Berechnung der Frequenzabweichung und so weiter.

Neben dem Algorithmus ist eine weitere Schwierigkeit von DSP der hohe Stromverbrauch. Ein Weg zur Reduzierung des Stromverbrauchs ist die Verwendung von hochpräzisen Prozessfähigkeiten von Halbleitern. Um 2010 verwendet DSP einen CMOS-Prozess von etwa 65 nm. Bis 2023 kann die DSP-Technologie bereits 5 nm, 7 nm erreichen und der Stromverbrauch wird erheblich reduziert.

 

Kohärente optische Module haben IQ-Modulatoren, duale Polarisation, duale Polaritätsmodulation und äquivalente vier Amplitudenmodulatoren, um Phasensteuerung und Polarisationssteuerung nicht zu verschwenden.

 

In früheren Jahren verwendeten IQ-Modulatoren Lithiumniobat, aber die Größe war sehr groß. Später gab es eine miniaturisierte Modulationstechnik auf Basis von InP, die nur ein Drittel der Größe von Lithiumniobat beträgt. Dann gab es später die Silizium-Photonik-Integration, die Silizium-Photonik-Integration kann IQ-Modulation senden, ICR werden zusammengesetzt, COSA (wird später IC-TROSA) gesendet und empfangen. Die Größe war kleiner.

Mit der Weiterentwicklung der Branche wurde die Codierungseffizienz von QPSK weiter verbessert. Mit QAM8 wird QAM16 industrialisiert, um mehr Biteffizienz zu erreichen.

 

Auch das Anwendungsszenario kohärenter optischer Module begann eine neue Erweiterung. Außerhalb des traditionellen Telekommunikations-Kernnetz-Backbones, der Verbindung zwischen Daten, gibt es auch einen Trend zu großen Kapazitäten und großen Entfernungen. WDM, das in den frühen Tagen der DCI-Rechenzentrumsverbindung verwendet wurde, ist eine direkte Übertragung und IM/DD von WDM.

Bei der weiteren Erhöhung der Kapazität bestehen die gleichen Widersprüche wie im bisherigen Backbone-Netz. Aus früheren Erfahrungen lernend, kann kohärente Technologie nun die Kapazität weiter erhöhen, ohne die Entfernung zu verkürzen.

Dies ist der Beginn des 400G ZR für die zweite Generation von DCI.

 

 

Die Entwicklung von DWDM Kohärente Optik

In weniger als 10 Jahren hat das DWDM-Modul große Fortschritte gemacht, optische Geräte werden immer kleiner, und die Geschwindigkeit wird immer höher. Es hat sich im gleichen Zeitraum verzehnfacht: von 10G im Jahr 40 auf 2011G. Bis 400 sind bereits steckbare optische 2022G-Module auf dem Markt erschienen.

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

Die Einführung der kohärenten optischen Technologie ist eine der wichtigsten Innovationen in der Entwicklung des DWDM-Systems. Kohärente optische Geräte verwenden fortschrittliche optische Geräte und digitale Signalprozessoren (DSP) zum Senden und Empfangen komplexer Lichtwellenmodulation, um eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung zu realisieren. Auf einem sehr hohen Niveau bleibt die kohärente Modulation die treibende Kraft hinter optischen Hochgeschwindigkeitsgeräten, einschließlich 400G und höheren Raten kohärente Transceiver.

Das erste im Handel erhältliche kohärente DWDM-System ist 40G, gefolgt von 100G. Diese Systeme basieren auf Linecards und Chassis. Sie können viele Linecards in jedem System unterstützen und den gleichen Platz einnehmen wie Produkte mit 10G-Rate. Es ist ein großer Fortschritt. Jetzt können sie 100G-Rate und längere Übertragungsdistanzen übertragen. Im Laufe der Zeit sind die Geschwindigkeiten von Linecards auf 200 G und mehr gestiegen, aber die Branche nähert sich mit dem Aufkommen von Cloud-Anbietern einem Wendepunkt.

Da die Netzwerke von Cloud-Anbietern exponentiell zu wachsen beginnen, steigt insbesondere der Druck auf die Hersteller, kleinere, schnellere und billigere Netzwerkkomponenten zu entwickeln. Es war dieser Wendepunkt, der zur Entstehung optischer Transponder-DWDM-Systeme führte. Das optische Transpondersystem eliminiert das Chassis und die Linecard. Es handelt sich um ein physisch kleines Stand-Alone-System, einen kleinen Rechenzentrums-Switch mit einer Höhe von 1 oder 2HE (1.5″-3″). Der Schlüssel zur Machbarkeit des optischen Transponderpakets ist die Trennung der beiden Hauptkomponenten bei der kohärenten optischen Übertragung: das optische Gerät (Laser, Empfänger, Modulator usw.) und der DSP (digitaler Signalprozessor).

Und diese Innovationen haben das steckbare CFP2-ACO (Analog Coherent Optics) hervorgebracht, ein steckbares DWDM-Modul mit einer relativ kleinen CFP2-Größe. Auch die DSP-Technologie entwickelt sich weiter, sodass ein einzelner DSP-Chip mehrere CFP2-ACO-Module unterstützen kann. Durch die Platzierung mehrerer DSPs im optischen Transponder produzierten die Hersteller Systeme, die in der Lage sind, 2 Tbps (20 x 100 G-Client-Verbindungen) in 2 Höheneinheiten (3″) zu übertragen. Im Gegensatz dazu würde ein Chassis-basiertes System 12 Höheneinheiten benötigen. Sie sparen nicht nur Platz, sondern sind auch energieeffizienter.

Das obige ist natürlich eine sehr einfache Erklärung der kohärenten Signalübertragung. Tatsächlich besteht der Zweck der Entwickler darin, digitale Signale in analoge Signale umzuwandeln, um Daten zu übertragen, und analoge Signale am anderen Ende wieder in digitale Signale umzuwandeln.

Allerdings kann der CFP2-ACO nur analoge Signale verarbeiten, jedoch keine digitalen Signale. Er empfängt das zu übertragende kohärente analoge Signal vom DSP oder überträgt das empfangene kohärente analoge Signal zum DSP, um es in ein digitales Signal umzuwandeln, wie in der Figur gezeigt.

CFP2-ACO DWDM-Übertragungssystem

Das CFP2-ACO-System ist in der gesamten Branche weit verbreitet und hat sich zur Standardform der optischen Übertragung in den Netzwerken fast aller Cloud-Anbieter entwickelt.

Gleichzeitig mit der Einführung von CFP2-DCO, steckbare kohärente DWDM-Optiken entwickeln sich weiter. „D“ steht für „digital“ in der digitalen kohärenten Optik. Die Entwickler der kohärenten Optik haben die Größe und den Stromverbrauch der Komponenten noch einmal reduziert, sodass sowohl optische Geräte als auch DSP in CFP2 untergebracht sind. Auf diese Weise muss das Rack nicht zur Unterbringung des DSP verwendet werden, sodass eine kohärente DWDM-Übertragung direkt vom Router oder Switch aus durchgeführt werden kann, was den Wendepunkt der eigentlichen Integration von DWDM und Router darstellt.

DCO DWDM-Übertragung im Router oder Switch

Jetzt haben sich kohärente optische Module zu 400G ZR und 400G ZR+ in QSFP-DD-Gehäusen entwickelt, die dieselbe Technologie wie CFP2-DCO verwenden, jedoch kleiner sind. Ein solch kompaktes Paket, das kohärente optische 400G-DWDM-Geräte beherbergt, bietet eine praktikable Lösung für die Konvergenz von Routing und DWDM.

 

400G Standards für kohärente optische DWDM-Transceiver

400G hat sich so weit entwickelt, dass es mehrere Standards gibt. Dazu gehören 400ZR, 400G ZR+, 400G OpenROADM und 400G OpenZR+, die in leicht unterschiedliche Richtungen gehen.

Das erste war das Optical Interconnect Forum (OIF), das den 400ZR-Standard erstellte. 400ZR zielt auf Edge- und relativ kurzreichweitige (innerhalb von 120 km) Rechenzentrums-Verbindungsanwendungen ab. Etwa zur gleichen Zeit definierte das Multi-Source-Protokoll OpenROADM auch Spezifikationen für steckbares 400G-DWDM, wobei sich die Spezifikationen auf Dienstanbieternetzwerke konzentrierten, wie z. B. optische Langstreckenübertragung (>120 km), erweiterte Vorwärtsfehlerkorrektur (oFEC) und optionale Datenraten (100G, 200G, 300G oder 400G). Obwohl zusätzliche Funktionen implementiert werden können, wird mehr Leistung als die von ZR angegebenen 15 W benötigt. Aus diesem Grund wird die OpenROADM-Spezifikation aufgerufen 400G ZR+.

Schließlich einigten sich die beiden Organisationen und verschiedene Hersteller optischer Geräte auf den besten Standard für die Kombination von OIF und OpenROADM und nannten ihn OpenZR+. Durch die Kombination der Eigenschaften jedes Geräts in demselben Gehäuse kann ein äußerst vielseitiges kohärentes optisches DWDM-Gerät bereitgestellt werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Wir können sehen, dass bei der kontinuierlichen Verbesserung des Gehäuses, der Funktion und der Datenrate des optischen Moduls die optische Übertragungsreichweite immer größer und die Übertragungsdistanz immer länger wird. Mit dem OpenZR+-Standard kann eine Übertragungsreichweite von 1400 km erreicht werden, was mehr als dem 10-fachen der Übertragungsreichweite von 400 ZR entspricht. Mit dem hochdichten 400G DWDM in Routern, kombiniert mit der Einfachheit der Verkehrstechnik und der Pfadredundanz des segmentierten Routings, können wir eine große Veränderung in der Übertragungsnetzarchitektur erwarten.

 

Im November 2020, FiberMall wurde eingeladen, das erste beitragende Mitglied von OpenZR+ MSA zu werden. FiberMall offAnfang 2018 zielgerichtet in die Entwicklung kohärenter optischer Module investiert, offen für eine strategische Zusammenarbeit mit vorgelagerten Lieferketten, um die Innovation im Low-Power-Design und im Signalmodulationsmodell zu optimieren, und erzielte bedeutende Ergebnisse. Jetzt haben wir 100G CFP-DCO, 100G CFP2-DCO digitale kohärente optische Module und 200G DWDM kohärente optische Transceiver und 400G DWDM kohärente optische Transceiver mit strikter Einhaltung der OpenZR+-Standards für die Verbindung von Rechenzentren und U-Bahn-Netzwerken für die optische Übertragung über große Entfernungen auf den Markt gebracht .