Übersicht über kohärente Transceiver: CFP2-DCO vs. QSFP-DD DCO vs. OSFP-DCO

In den letzten Jahren ist die kohärente optische Kommunikationstechnologie zunehmend zu einem Hotspot auf dem Gebiet der optischen Kommunikation geworden. Kohärente optische Kommunikation mit komplexer Modulation spart optische Bandbreitenressourcen und verbessert die Effizienz der Glasfaserübertragung, was eine ausgezeichnete Wahl ist, um die Übertragungsbandbreite weiter zu erhöhen. Im Bereich der Datenkommunikation ist die kohärente Technologie auch zur Mainstream-Lösung für Data Center Interconnection (DCI) (80~120 km) geworden. Die Verwendung kohärenter optischer Verbindungen wird in den kommenden Jahren einen Wachstumsschub erleben, und diese neuen Anwendungen stellen auch neue Anforderungen an kohärente optische Transceiversysteme, so dass kohärente Transceiver geschaffen wurden. In diesem Artikel führen wir Sie Schritt für Schritt durch den Vergleich von kohärenter und nicht kohärenter optischer Kommunikation, um zu verstehen, was kohärente optische Kommunikationstechnologie ist, und stellen vier Arten von kohärenten Transceivern vor, die eine 100G-400G-Übertragung auf dem aktuellen Markt realisieren können.

 

1. Was ist kohärente optische Kommunikationstechnologie?

Beim Bau von Rechenzentren und Netzwerkinfrastrukturen hören wir oft von 400G-Übertragung, und kohärente optische Kommunikation ist die wichtigste Technologierichtung, um diese Rate zu erreichen. Es spielt einen großen Vorteil bei der leitungsseitigen Backbone-Übertragung.

Licht mit gleicher Frequenz und gleicher Schwingungsrichtung kann als kohärentes Licht bezeichnet werden. Kohärente Modulations- und Heterodyndetektionstechnologie werden hauptsächlich in der kohärenten optischen Kommunikation verwendet, und die kohärenter Transceiver ist das Hauptprodukt, das auf dieser Technologie basiert.

Die sogenannte kohärente Modulation besteht darin, das zu übertragende Signal zu verwenden, um die Frequenz, Phase und Amplitude des optischen Trägers zu ändern (anstatt die Intensität des Lichts wie bei der Intensitätserkennung zu ändern), was erfordert, dass das optische Signal eine bestimmte Frequenz und Phase hat (anstelle von keine bestimmte Frequenz und Phase wie natürliches Licht haben), das heißt, es sollte kohärentes Licht sein. Zum Beispiel ist der Laser eine Art kohärentes Licht. Die sogenannte heterodyn Erkennung besteht darin, einen durch lokale Oszillation erzeugten Laser zum Mischen mit dem Eingangssignallicht im optischen Mischer zu verwenden, um ein ZF-Signal zu erhalten, das sich nach demselben Gesetz wie die Frequenz, Phase und Amplitude des Signallichts ändert.

Die kohärente optische Kommunikationstechnologie ist weit verbreitet, insbesondere für die Glasfaserkommunikation mit ultralanger Wellenlänge (2 ~ 10 μm). Die kohärente optische Kommunikation ist am attraktivsten. Mit der Entwicklung der Lichtwellenleiter-Kommunikationstechnologie ist die Verwendung von Lichtwellenleitern mit ultralanger Wellenlänge zur Realisierung von Ultra-Langstrecken-Kommunikation eine der wichtigen Richtungen der Lichtwellenleiter-Kommunikation in der Zukunft.

 

2 Coherent und Nicht-kohärente optische Kommunikation

Kohärente optische Kommunikation umfasst die folgenden vier Schlüsseltechnologien:

• Polarisationsmultiplexing und Modulation höherer Ordnung: Unter Verwendung der orthogonalen Polarisationseigenschaften und Phaseninformationen des Lichts wird das ursprüngliche Signal viele Male in zwei Teile geteilt, was die Verarbeitungsrate der elektrischen Schicht stark reduzieren kann.
• Kohärente Empfangstechnik: unter Verwendung des lokalen Oszillatorlasers mit der gleichen Frequenz und Phase zum Kohärenz mit dem empfangenen optischen Signal können die Amplituden-, Phasen- und Polarisationszustandsinformationen aus dem empfangenen Signal wiedergewonnen werden.

• Technologie der digitalen Signalverarbeitung (DSP): löst die Signalverzerrung und Zeitverzögerung, die durch Dispersion auf der elektrischen Signalebene durch DSP verursacht werden, und kompensiert PMD und CD, was die Toleranz von PMD und CD erheblich verbessern kann.
• Hochleistungs-FEC-Algorithmus: die Verwendung der FEC-Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung kann die OSNR-Toleranz des Systems verbessern. Unterschiedliche FEC-Typen und Overhead-Verhältnisse können für unterschiedliche Raten, Codetypen und Übertragungsleistungsanforderungen entworfen werden.

Allgemein lässt sich erkennen, dass kohärente und nicht-kohärente optische Kommunikation ihre eigenen Vor- und Nachteile haben und für unterschiedliche Anwendungsszenarien geeignet sind. Nicht kohärente optische Kommunikation wird hauptsächlich bei 2.5-G- und 10-G-Leitungsübertragungen, frühen 40-G-Leitungsübertragungen und 100-G-Metro-Übertragungen mit mehreren Subwellenlängen verwendet. Kohärente optische Kommunikation wird hauptsächlich für 100G-Leitungsübertragung, Ultra-100G-Leitungsübertragung und optische Ultra-Langstreckenübertragung verwendet. 

 

3. Was ist kohärent Transceiver?

Kohärenter Transceiver ist ein direktes Produkt von kohärente optische Kommunikation Technologie. Im Folgenden werden vier Typen von kohärenten optischen Modulen vorgestellt, die auf dem Markt erschienen sind: CFP-DCO, CFP2-DCO, OSFP-DCO und QSFP-DD-DCO.

Zunächst wurde der kohärente Transceiver in einem CFP-Formfaktor verpackt. CFP MSA bietet eine Gehäusebreite von 82 mm und einen Stromverbrauch von weniger als 24 W, was ausreicht, um die erforderlichen drei optischen Elemente (Laser, Modulator, ICR) und DSP in CFP unterzubringen, um einen vollständig kohärenten Transceiver zu bilden. Dieser Transceiver heißt „DCO“, was „Digital Coherent Optics“ bedeutet. CFP-DCO kann in jeden Steckplatz eingesetzt werden, der für CFP ausgelegt ist, und über den optischen Port mit digitalen Signalen kommunizieren. Daher können Switches oder Router, die mit CFP-Steckplätzen ausgestattet sind, Client-CFPS mit kurzer Reichweite oder kohärente CFP-DCO-Transceiver mit großer Reichweite in jedem Steckplatz aufnehmen.

Niedriger Energieverbrauch, kleines Gehäuse, große Kapazität und niedrige Kosten sind jedoch die ständigen Ziele der optischen Kommunikationsindustrie. Daher muss CFP MSA zwangsläufig mit der Größe von CFP2 mithalten. Die Standardbreite von CFP2 beträgt 41.5 mm und ermöglicht zunächst eine Leistungsaufnahme von 12 W. Wie in der folgenden Tabelle gezeigt, ist die Leistung von CFP2-DCO im Vergleich zu CFP-DCO deutlich verbessert. Das CFP2-DCO-Modul kann sowohl Metro- als auch Zugangsnetze erfüllen, während die Energie- und Dichteeinsparungen des CFP2-DCO offer erheblichen Wert in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten (TCO).

 

	Energieverbrauch	Maximale Übertragungsrate	200G Fernübertragungskapazität	400G-U-Bahn-Netzwerkübertragungsfähigkeit	Stromverbrauch pro 100G
CFP-DCO	32	200	ja	ja	0.16
CFP2-DCO	24	400	ja	ja	0.06

 

Innerhalb der Leistungsgrenzen von CFP2 können CFP2-DCO-Anwendungen auch erweitert werden auf:

• CFP2-200G-DCO Ultra-Langstreckenübertragung: Optisches Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) von weniger als 14 dB und Dispersionskompensationstechniken für die Übertragung über 2000 km.
• CFP2-400G-DCO Metro-Netzwerkübertragung: bis zu 800 km oder sogar 1000 km, abhängig von der Qualität der Glasfaserverbindung und der EDFA-Spanne.

In den letzten Jahren sind neben den CFP- und CFP2-Packaging-Modi kohärente Transceiver mit einer höheren Rate und kleineren Packaging-Standards wie OSFP-DCO und QSFP-DD DCO entstanden.  

OSFP-DCO: Octal Small Form-factor Pluggable (OSFP) kohärenter Transceiver basiert auf Dual-Polarization Quadrature Phase-Shift Keying (DP-QPSK) oder Dual-Polarization Quadrature Amplitude Modulation (DP-16QAM) oder probabilistic Constellation Shaping Quadrature Amplitude Modulation (PCS- 16QAM), unterstützt erweitertes C-Band, kohärente Polarisations-Diversity-Erkennung und fortschrittliche elektronische Verbindungsentzerrung. Die Produktfamilie unterstützt Übertragungsgeschwindigkeiten von 100/400 Gbit/s in einem branchenüblichen, steckbaren OSFP-Formfaktor mit 7-nm-DSP und kann in Metro-Carrier-, Zugangs- und Cloud/DCI-Anwendungen weit verbreitet sein. Unter ihnen kann der kohärente Transceiver OSFP-400G-DCO eine Übertragungsentfernung von 120 km erreichen und eine Ultra-Long-Distance-Rechenzentrumsverbindung (DCI) realisieren. 

QSFP-DD DCO: Im Vergleich zu OSFP-verpackten optischen Modulen ist QSFP-DD kleiner, verbraucht weniger Strom und ist flexibler. QSFP-DD DCO unterstützt auch 100G- und 400G-Übertragung, wird aber tatsächlich häufiger auf dem 400G-Markt verwendet. Die beiden neuesten kohärenten Transceiver in diesem Paket sind 400GZR und 400G ZR+. Um diese beiden Arten von Transceivern zu kennen, hat das Optical Internet Working Forum (OIF) zunächst den 400ZR-Standard geschaffen. Die 400ZR-Spezifikation war einer der ersten Versuche, eine interoperable kohärente 400G-Schnittstelle zu definieren. 400ZR ist auf den Edge ausgerichtet und hat eine relativ kurze Reichweite, bis zu 120 km DCI-Anwendungen. Das 400G-ZR-Modul in einem DD-QSFP-Formfaktor ist für die Verwendung durch Hyperscale-Rechenzentrumsbetreiber und Peering-Netzwerke konzipiert, um Verbindungen mit hoher Bandbreite in einem branchenüblichen, interoperablen Footprint bereitzustellen. Kann 400 GB/s über 120 km übertragen. Und für 400ZR+ ist es die Kombination zweier Standardisierungsbemühungen (OIF und OpenROADM), die hochleistungsfähige steckbare Module ermöglicht, die Interoperabilität mit mehreren Anbietern bieten.

 

Normen	Datenrate	Modulation Type	Zielreichweite
OIF 400ZR	400G	DP-16QAM	120km
OpenZR+	400G	DP-16QAM	1400km
	300G	DP-8QAM	2500km
	200G	DP-QPSK	3000km
	100G	DP-QPSK	8000km

 

Vergleichen Sie diese beiden Typen, im Allgemeinen ist der OIF 400ZR-Standard hauptsächlich ein einzelner Modulationstyp und eine Leitungsrate (400G) für Metro-Punkt-zu-Punkt-Anwendungen, während sich 400ZR+ auf optische Spezifikationen mit höherer Leistung konzentriert, die eine flexible 100G-400G-Leitungsrate und realisieren können längerer optischer Weg. Daher kann das optische 400G ZR+-Modul nicht nur die 400G-Rate unterstützen, sondern auch flexibel auf die 100G/200G/300G-Leitungsrate angewendet werden. Seine Grundlage ist die Verwendung der neuen Rahmenstruktur der OpenFEC(oFEC)-Vorwärtsfehlerkorrektur und einer Reihe von Spezifikationen für optische 100G-400G-Leitungen. Durch Standard-SMF-28-Glasfaser (nur EDFA) wird die Leistung unter der idealen Netzwerkannahme auf 480 km im 400G-Modus geschätzt.

Während 400ZR-Schnittstellen verfügbar sind QSFP-DD-DCO, OSFP und CFP2-DCO kohärente optische Module. Für 400ZR-Anwendungen sollten optische Module in Form des QSFP-DD-Gehäuses jedoch beliebter sein, da QSFP-DD im Vergleich zu mehreren anderen Gehäusetypen kostengünstiger ist und einen geringeren Platzbedarf hat. Daher werden optische QSFP-DD 400G DCO-Module in Zukunft für kohärente optische 400G-Kommunikationsanwendungen vielversprechender sein.

 

Zusammenfassung

Steigende Kapazitätsanforderungen in Metro-basierten DCI- und Cloud-Anwendungen treiben die Nachfrage der Branche nach interoperablen, steckbaren kohärenten Modulen voran, die eine verbesserte Kosteneffizienz und betriebliche Vorteile versprechen, zusammen mit der Möglichkeit, Module verschiedener Anbieter zu kombinieren und anzupassen. Eine Reihe neuer kohärenter optischer Module, einschließlich CFP-DCO, CFP2-DCO, OSFP-DCO und QSFP-DD DCO, wurde entwickelt, um diesen neuen Anwendungen gerecht zu werden. FiberMall kann Kunden alle diese kohärenten optischen Modultypen anbieten, die in Metro-Carrier-, Zugangs- und Cloud/DCI-Anwendungen weit verbreitet sind.