Fortschritte in der optischen 400G-Übertragungstechnologie

Derzeit stehen Telekommunikationsnetzwerke vor Herausforderungen bei der Netzwerktransformation und Bandbreitenerweiterung. Daher sind die Verbesserung der Einzelwellenrate und der Übertragungsentfernung optischer Übertragungssysteme sowie die Erhöhung der Bandbreitennutzung faseroptischer Kommunikationssysteme zu einem gemeinsamen Anliegen von Betreibern und Geräteanbietern geworden, um der wachsenden Nachfrage nach Netzwerkverkehr gerecht zu werden.

Die Branche arbeitet derzeit in drei Hauptdimensionen zusammen, um die Entwicklung optischer Backbone-Netzwerke hin zur 80*400G-Generation zu beschleunigen.

Tarifverbesserung

Das Backbone-Netzwerk entwickelt sich von 10G zu 100G und dann zu 200G, wobei die Entfernung im Wesentlichen unverändert bleibt und die Kapazität kontinuierlich vervielfacht wird. Vor dem Hintergrund der Geschwindigkeitsverbesserungen bei Router-Ports ist die Ära der 400G-Ports angebrochen, und Telekommunikationsbetreiber haben alle mit Tests und Verifizierungen begonnen. Im Jahr 2023 wird mit der Einführung des Backbone-400G-OTN gerechnet.

Kapazitätsverbesserung

Da das optische Backbone-Netzwerk eine Geschwindigkeit von bis zu 200 G erreicht, belegt es eine Spektrumsbreite von 75 GHz. Wenn es sich zu 400G QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) entwickelt, wird es eine Spektrumsbreite von 150 GHz einnehmen. Im Vergleich zu 200G ist die spektrale Effizienz von 400G wurde nicht verbessert und verstößt gegen die Regel, dass sich die Kapazität um das Zehnfache erhöht, während das Frequenzspektrum von 10G auf 100G unverändert bleibt. Aufgrund des Einflusses der Shannon-Grenze ist die Erschließung neuer Wege erforderlich, um die Gesamtfaserübertragungskapazität zu verbessern.

Die derzeit praktischste Lösung ist die Erweiterung des C+L-Band-Frequenzspektrums, einschließlich des C6T- und L5T-11-THz-Frequenzspektrum-Erweiterungsplans, der die Netzwerktests abgeschlossen hat, und des C6T- und L6T-12-THz-Frequenzspektrum-Erweiterungsplans, der derzeit Labortests durchläuft Leistungsfähigkeiten und steht kurz vor dem Abschluss der Netzwerktests. Die kontinuierliche Optimierung der Systemleistung ist im Gange.

Im 80*800G-System wird weiter über eine Erweiterung des Frequenzspektrums auf die S+C+L+U-Bänder nachgedacht. Gleichzeitig müssen mit zunehmender Geschwindigkeit des Backbone-Netzwerks neue Glasfasertechnologien wie Mehrkernfasern, Wenigmodenfasern und Hohlkernfasern gemeinsam eingesetzt werden, um die Übertragungsentfernung über große Entfernungen sicherzustellen.

Effizienzverbesserung

Im Zeitalter von 400G/800G wird eine neue DSP-Technologie eingeführt, die das Umschalten mehrerer Baudraten und Modulationsmodi unterstützt und die beste Anpassung unterschiedlicher Kapazitäten bei unterschiedlichen Entfernungen auf softwaredefinierte Weise realisiert, wodurch das Kapazitäts-Entfernungsprodukt und das Spektrum maximiert werden Effizienz.

Forschungsfortschritt bei Single-Wavelength 400G+ Technologie

Im Hinblick auf unterschiedliche Anwendungsszenarien wie Stadt- und Fernnetze werden in 400G-Übertragungssystemen verschiedene Technologien eingesetzt, um ein Gleichgewicht zwischen Übertragungsleistung, Spektrumseffizienz und Kosten zu erreichen. Tabelle 1 listet die Eigenschaften und Fähigkeiten der wichtigsten Einzelwellenlängen-Rate-Systeme auf. Es gibt unterschiedliche Generationsmerkmale zwischen 100G- und 100G+-Technologien. In technischen Anwendungen existieren die Kurzstreckenmodule der nächsten Generation und die Langstreckenmodule der vorherigen Generation normalerweise nebeneinander innerhalb der Industriekette, wodurch eine Vereinheitlichung der Industriekette erreicht wird.

Tabelle 1. Eigenschaften und Fähigkeiten verschiedener Single-Wave-Tarifsysteme

Wie in Abbildung 1 dargestellt, gibt es normalisierte Darstellungen der 200G PM-16QAM- und 100G PM-QPSK-Industriekette mit gemeinsamer 32G-Baudrate, der 400G PM-16QAM- und 200G PM-QPSK-Industriekette mit gemeinsamer 64G-Baudrate und der 400G PM-QPSK-Industriekette mit gemeinsamer 800G-Baudrate. QPSK und zukünftiges 16G PM-128QAM teilen sich eine Industriekette mit einer Baudrate von XNUMXG.

Figure 1. Das normalisierte Darstellungen von Nah- und Fernindustriekette

Derzeit ist 200G QPSK weit verbreitet, und 400G 16QAM mit einer Baudrate von 64G kann die Anforderungen der städtischen Übertragung erfüllen. Die 400G-Übertragungstechnologie verwendet derzeit ein probabilistisches Shaping (PS) 16QAM mit einer Baudrate von 96 G, das sich schließlich zu einem QPSK-Schema mit einer Baudrate von 128 G entwickeln wird. Im Vergleich zum 400G PS 16QAM ist die Back-to-Back-OSNR-Leistung des 400G QPSK etwa 1 dB besser, während die Eingangsleistung um mehr als 1 dB erhöht wird, wodurch es für verschiedene Fernübertragungsszenarien geeignet und mit kompatibel ist die zukünftige 800G 16QAM-Industriekette.

Auf Chipebene hat die kohärente oDSP-Technologie mehrere Generationen der Entwicklung durchlaufen, und die Unterschiede zwischen den Generationen spiegeln sich hauptsächlich in der höchsten Einzelwellenrate, dem Modulationscodetyp sowie der Größe und dem Stromverbrauch wider. Derzeit verwendet der 400G 16QAM oDSP-Chip einen 7-nm-Herstellungsprozess, verbraucht etwa 8 W und unterstützt eine Baudrate von 64 G. Für die nächste Generation von 400G-Langstreckenanwendungen hat der führende oDSP-Hersteller eine Single-Wave-1.2T-Produkt-Roadmap und sogar Modulmuster veröffentlicht, die eine Baudrate von bis zu 140G unterstützen und einen 5-nm-Chipprozess verwenden.

Unter dem Gesichtspunkt des oDSP-Algorithmus, der Konstellationsformung und der hohen Leistung FEC Codec-Algorithmus sind kritischer. Die Konstellationsformung ist in geometrische Formung (GS) und probabilistische Formung (PS) unterteilt, wie in Abbildung 2(a) und Abbildung 2(b) dargestellt. GS und PS bieten eine bessere Leistung als herkömmliches QAM, indem sie den Ort und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Konstellationspunkten ändern, um ihnen eine besondere Verteilung zu verleihen.

Figure 2. Schematische Darstellung der Konstellationsbildung

Mit der hochleistungsfähigen FEC-Technologie (Error Correction Coding) lässt sich durch eine Kombination aus kaskadierter Codierung und mehrfacher iterativer Soft-Decision-Decodierung ein höherer Netto-Codierungsgewinn erzielen.

Hochleistungsfähige optoelektronische Geräte sind die Grundlage für eine hochpräzise Umwandlung elektrischer Signale in optische Signale. Angesichts optischer 400G-Übertragungsanwendungen mit großer Reichweite beträgt die Baudrate des Systems mehr als 100 Gbit/s und die Bandbreite des Betriebsbands des optischen Geräts muss mehr als 50 GHz betragen. Derzeit haben Mainstream-Anbieter, die auf Siliziumphotonik- (SiP) oder Indiumphosphid- (InP) Prozessplattformen basieren, um Forschungen zu Miniaturisierung, Integration und optischen Transceivergeräten mit großer Bandbreite durchzuführen, einen Teil der quasi-kommerziellen Muster auf den Markt gebracht.

Fortschrittliche Geräteverpackungstechnologie ist auch ein wichtiges Mittel zur Optimierung der Bandbreite optoelektronischer Chips. Derzeit können optische Siliziumchips die 3-dB-Bandbreite eines Modulators von 30 GHz auf über 80 GHz erhöhen, indem sie die Driver's Peaking-Funktion integrieren und den 2.5D/3D-Packungsprozess optimieren. Dies kann eine um mehr als 2 dB laufende Verbesserung der OSNR-Toleranz für 400G+-Modulationssignale höherer Ordnung mit sich bringen, und die zunehmende Reife dieser Technologie beschleunigt die Kommerzialisierung von 128-Gbd-400G-Langstreckensystemen weiter.

Bei den Kernkomponenten optischer Systeme sind der optische Verstärker (OA) und der wellenlängenselektive Schalter (WSS) die kritischsten. Derzeit handelt es sich bei dem kommerziellen OA hauptsächlich um Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA), der die C-Band-Bandbreite 4 THz, 4.8 THz und sogar 6 THz unterstützt. Der technische Engpass der L-Band-6-THz-Verstärkung wurde durchbrochen, die Leistung des Beispiels entspricht den Erwartungen und die Leistung auf Systemebene wird überprüft und optimiert. Begrenzt durch die Verstärkungseffizienz von Erbium-dotierten Fasern bei langen Wellenlängen kann der Rauschindex von EDFA mit erweitertem L-Band jedoch um mehr als 1 dB schlechter sein als der von EDFA mit erweitertem C-Band, und auch die Modulkosten und -größe steigen entsprechend.

Derzeit deckt kommerzielles WSS das C-Band 6 THz, einen typischen Einfügungsverlust von etwa 6 dB und eine Anzahl von Ports von bis zu 32 ab. Unter Verwendung der neuesten hochauflösenden Flüssigkristall-auf-Silizium-Technologie (LCoS) beträgt die Spektralschnittauflösung des WSS 6.25 GHz haben mehrere Hersteller das Arbeitsband auf das L-Band 6THz erweitert.

Im Hinblick auf den Standardfortschritt hat die International Telecommunication Union Study Group 15 (ITU-T SG15) Untersuchungen zu den Spezifikationen der physikalischen Schicht für 200G- und 400G-Schnittstellen durchgeführt und PM-16QAM als Standardcodetyp für 400G-Metro-Anwendungen übernommen, was die Förderung fördert der Standardisierungsprozess der Open Forward Error Correction Coding (oFEC). Darüber hinaus haben mehrere Multi-Source-Protokollorganisationen (MSA) der Branche auch technische Standards für 100G+ veröffentlicht. Zum Beispiel:

• OpenROADM/OpenZR+ veröffentlichte eine kohärente optische Modulspezifikation von 100 bis 400 G, die CFP2-DCO- und QSFP-DD/OSFP-Pakete unterstützt, 100/200 G QPSK, 300 G 8QAM und andere Modulationsmodi zur 400ZR-Rahmenstruktur hinzufügt und oFEC anstelle von kaskadiertem FEC verwendet (cFEC) zur Unterstützung der 450G-Übertragung der 400-km-Klasse.
• Die China Communications Standards Association (CCSA) hat relevante Standards entwickelt: Die Entwicklung optischer Übertragungs- und Modulstandards für 100G- und niedrigere Raten ist abgeschlossen, der 200G-Einreichungsentwurf wählt hauptsächlich 200G-QPSK-, 8QAM-, 16QAM-Codetypen aus, und der 400G-Metrobereichsstandard verwendet im Wesentlichen a Single-Wave-200G-Dual-Carrier-Schema, N *400G Long Range Enhanced Optical Wavelength Division Multiplexing (WDM). Die Studie zu den technischen Systemanforderungen und andere Standardthemen für Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit wurden abgeschlossen, was deutlich zeigt, dass QPSK die ideale Lösung ist, um Single zu erreichen -Wave 400 Gbit/s große Reichweite/Ultra-Long-Range.

Forschungsfortschritt der Wellenbanderweiterungstechnologie

Die von DWDM übernommene Banderweiterungstechnologie erweitert die verfügbare Übertragungsbandbreite über das herkömmliche C-Band hinaus und erhöht die Einzelfaserübertragungskapazität durch Erhöhung der Anzahl der Kanäle für die Co-Faserübertragung.

Basierend auf dem traditionellen C-Band-DWDM haben chinesische Betreiber und Gerätehersteller in den letzten zwei Jahren die Erweiterung des Super-C-Bands (C6T) vorangetrieben, um gleichzeitig die Bandbreite des C-Bands von 4 THz/4.8 THz auf 6 THz zu erhöhen mit der Einführung des 200G-QPSK-Systems mit 80-Wellen-75-GHz-Intervall. Tatsächlich umfasst das verlustarme Fenster von Singlemode-Fasern nicht nur das C-Band, sondern auch die O-, E-, S-, L- und U-Bänder. In den letzten Jahren haben einige Betreiber und Internetanbieter in den USA auch C+L-Systeme für die DCI- und Unterseekabelübertragung eingesetzt, wodurch die Glasfaserkapazität verdoppelt werden kann. Da sich die Kapazität von Singlemode-Glasfasern der Shannon-Grenze von 100 Tbit/s nähert, ist die Banderweiterungstechnologie zu einem Brennpunkt für die akademische und industrielle Forschung geworden. Derzeit fördern inländische Betreiber und Geräteanbieter aktiv die Aufrüstung von C6T auf C6T&L6, um eine 80-Wellen-400G-QPSK-Einzelfaser-Übertragung über große Entfernungen bereitzustellen. Die grundlegende Architektur des optischen Mehrbandübertragungssystems ist in Abbildung 3 dargestellt.

Figure 3. Die grundlegende Architektur eines optischen Mehrbandübertragungssystems

Die aktuelle Entwicklung der C+L-bezogenen Industriekette ist in Tabelle 2 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Entwicklungsfortschritt der C+L-Lieferkette für optische C+L-Extended-Band-Komponenten mit den überwundenen technischen Schwierigkeiten den Erwartungen entspricht. und die neue Generation der optischen Breitbandschicht C6T+L6T mit 12 THz und optischem Single-Wave-400G-QPSK-System wird voraussichtlich innerhalb eines Jahres den kommerziellen Einsatz einläuten.

Tabelle 2. Fortschritt der Schlüsselkomponenten der C6T- und L6T-Systemindustriekette

Der SRS-Effekt in Glasfasern wird mit der Erweiterung der Bandbreite und der Erhöhung der Eingangsleistung deutlich verstärkt und wirkt sich abschnittsweise kumulativ aus. In C+L-Systemen sind nicht nur präzise optische Leistungsmanagementstrategien erforderlich, um Verstärkung und Steigung am Anfang effektiv zu steuern, sondern auch die Kompensation der durch SRS verursachten Leistungsungleichmäßigkeiten durch füllende Wellenkonfigurationen. Darüber hinaus ist es notwendig, jederzeit einen vollständigen Konfigurationszustand aufrechtzuerhalten, um die Auswirkungen des dynamischen Geschäftswachstums auf bestehende Unternehmen zu reduzieren. Aufbauend auf den Erfahrungen mit Unterseekabelsystemen kann eine „True-False-Substitution“ erreicht werden, indem beim Hinzufügen oder Löschen von Kanälen Geschäftssignale durch Füllwellen ersetzt werden, was die Geschäftsaktivierung und das Testen erleichtert. Vor der Leistungsanpassung verschlechtert sich aufgrund der starken SRS-Leistungsübertragung im C+L-System die Ebenheit der Einzelwellenleistung am Ende des Systems erheblich und kann die Anforderungen der Systemanwendungen nicht erfüllen. Die C+L-Leistungsvorausgleichsstrategie passt die Verstärkung und die Verstärkungssteigung des an EDFADies führt zu erheblichen Verbesserungen der Leistungsflachheit, der OSNR-Flachheit und des minimalen OSNR. Der automatische Leistungsanpassungsalgorithmus und die Füllwellenkonfiguration wurden in Feldtests vollständig validiert und legen den Grundstein für spätere kommerzielle Einsätze.

Fortschritte bei Single-Carrier-400G-Systemen

Bereits im Jahr 2020 arbeitete FiberMall mit Geräteherstellern zusammen, um Tests mit Single-Carrier 400G 16QAM im Live-Netzwerk durchzuführen und dabei eine Übertragungsentfernung von bis zu 600 km zu erreichen. Im Oktober 2021 hat FiberMall mit Huawei, ZTE und FiberHome zusammengearbeitet, um die weltweit erste Validierung der optischen 400G-Hochleistungsübertragung mit einem Ultrabreitspektrum-Einzelträger im Live-Netzwerk abzuschließen und eine Übertragungsentfernung von über 1000 km zu erreichen. Im Juli 2022 simulierten FiberMall und ZTE im Labor die Glasfaserlänge, den Verlust und die Wartungsmarge auf der Grundlage der Netzwerkanforderungen und führten eine 400G-QPSK-Übertragungsüberprüfung durch, wobei eine Übertragungsentfernung von 3038 km über 49 nichtelektrische Relaissegmente erreicht wurde. Im Januar 2023 führte FiberMall auf der Grundlage der Labortestergebnisse 400G-QPSK-Live-Netzwerktests durch, die sich über vier Provinzen, darunter Zhejiang, Jiangxi, Hunan und Guizhou, erstreckten und 45 optische Verstärkersegmente umfassten, wobei eine rekordverdächtige Übertragungsentfernung von 5616 km für 400G erreicht wurde Nichtelektrisches QPSK-Relais im Live-Netzwerk und erstmalige Überprüfung der Übertragungsleistung der Spektrumserweiterung auf 6 THz von C6T+L12T.

Um das Rechenleistungsnetzwerk auszulegen, ist es notwendig, die Forschung und Entwicklung von Schlüsseltechnologien für 400G zu fördern, umfassende technische Innovationen in den Bereichen Modulation, Spektrum und Infrastruktur zu erreichen und die Entwicklung der optischen Kommunikationstechnologie der neuen Generation weiter voranzutreiben Auf dieser Grundlage wird eine vollständig optische Grundlage für das Rechenleistungsnetzwerk geschaffen und zur Entwicklung der digitalen Wirtschaft beigetragen.