Der Verbrauch kohärenter optischer Verbindungen wird in den nächsten Jahren zu einem enormen Wachstum führen. Diese neuen Anwendungen stellen auch neue Anforderungen an das kohärente optische Transceiversystem, was die Entwicklung kohärenter Transceivereinheiten von der ursprünglichen Integration mit Linecards und MSA-Transceivern hin zu unabhängigen, standardisierten steckbaren optischen Transceivern fördert. In diesem Artikel wird der Entwicklungstrend steckbarer kohärenter optischer Transceiver erörtert und 400G-kohärente Standards verglichen und analysiert.
Entwicklung steckbarer kohärenter optischer Transceiver
Im Vergleich zu den im MAN oder im Rechenzentrum verwendeten optischen Client-Transceivern ist die im optischen Übertragungsnetz verwendete kohärente optische Transceiver-Einheit normalerweise auf der leitungsseitigen Einzelplatine eingebaut oder integriert, mit den Nachteilen einer geringen Portdichte und einer großen Volumenleistung B. Stromverbrauch, nicht standardisiertes Design usw. Lange Zeit haben Netzbetreiber gehofft, dass der optische Sende-Transceiver den gleichen oder einen ähnlichen Formfaktor wie die optischen Client-Transceiver hat. In den letzten Jahren wurden fortschrittliche DSP-Chips mit CMOS-Technik und integrierter Photonik-Technologie weiterentwickelt, wodurch steckbare, kohärente optische Transceiver mit kleinerer Größe und geringerem Stromverbrauch möglich wurden.
Nach Jahren der Entwicklung sind standardisierte und steckbare optische Transceiver zu einer unverzichtbaren Wahl für die Dienstübertragung auf der Leitungsseite der optischen Kommunikation geworden. Der Entwicklungstrend kohärenter optischer Transceiver für den Einsatz in MAN- und Backbone-Netzwerken weist folgende Merkmale auf:
-Schnelle Geschwindigkeit: Weiterentwicklung von 100G/200G zu 400G und dann zu einer Rate von 800 Gbit/s;
-Miniaturisierung: Beim Wechsel vom 100G MSA-Formfaktor zu CFP/CFP2DCO/ACO sind die aktuellen Verpackungsstandards 400G OSFP DCO, QSFP-DD DCO usw. (wie in Abbildung 1 dargestellt);
-Energieeffizient: Unter Berücksichtigung der Gesamtstromverbrauchsanforderungen des Systems beträgt der Stromverbrauch beispielsweise kohärenter optischer Transceiver im QSFP-DD-Formfaktor nicht mehr als 15 W;
-Standardisierung der Verbindung: Traditionell verwenden Gerätehersteller ihre eigenen dedizierten Schnittstellenkarten und verwenden proprietäre Modulationsmethoden höherer Ordnung und FEC-Algorithmen. Schnittstellen unterschiedlicher Hersteller können nicht miteinander kommunizieren. Daher ist die Verbindung kohärenter optischer Transceiver die Richtung, auf die die Branche hinarbeitet.
Abbildung 1 Steckbare kohärente optische Transceiver in drei standardisierten Paketen (QSFP-DD, OSFP, CFP2-DCO)
200G CFP2-DCO und 400G QSFP-DD ZR sind die beliebtesten kohärenten optischen Transceiver in Fibermall.
-Die Funktionen von 200G CFP2-DCO sind wie folgt:
Erhältlich im Hot-Plug-fähigen CFP2-Formfaktor
Abstimmbarer C-Band-Vollbandlaser mit ultraschmaler Linienbreite
Übertragungsentfernung bis zu 80 km/500 km über eine Singlemode-Faser
Verwendung der DP-QPSK-Modulation
Zwei optische LC-Anschlüsse
Der handelsübliche Betriebstemperaturbereich liegt zwischen 0 und 70 °C
Versorgungsspannung 3.3V
RoHS-konform (bleifrei)
-400G QSFP-DD ZR:
Ideal für Edge DCI
Konform mit dem Open Internetworking Forum (OIF).
Unterstützt 400G-Datenraten
Bietet eine Reichweite von bis zu 120 km Punkt-zu-Punkt
Mit der Entwicklung von Internetdiensten, dem Aufbau von Cloud-Infrastrukturen und dem Bedarf an KI-Computing haben Telekommunikations- und Rechenzentrumsbetreiber klare Anforderungen an die Interoperabilität optischer Transceiver verschiedener Hersteller gestellt.
In Bezug auf FEC-Standards gibt es verschiedene Typen wie GFEC, SCFEC, RS10, CFEC, oFEC, SD-FEC usw., die unterschiedlichen Raten und Standards entsprechen und im Allgemeinen in drei Generationen unterteilt werden können: Die erste Generation ist Block Code beträgt der Verstärkungsbedarf 6 dB und der Overhead 6.7 %; Die zweite Generation ist eine kaskadierte Interleaving-Iteration mit einem Verstärkungsbedarf von 8 dB und einem Overhead von 6.7 %; Die dritte Generation ist ein Soft-Decision-SD-FEC mit einem Verstärkungsbedarf von 11 dB und einem Overhead von mehr als 25 %, der Turbo Product Code (TPC) und einen LDPC-Algorithmus (Low-Density Parity-Check Code Verification) verwendet Für die Generierung von FEC auf Basis der Konstellationswahrscheinlichkeitsformung wurde noch kein Standard veröffentlicht.
In Bezug auf den DSP-Algorithmus werden am Beispiel von 400ZR das Rahmenformat, die nichtdifferenzielle Codierung, Anpassungsmarkierungen, Symbolzuordnungsregeln, Trainingssequenzen, Pilotsymbole und andere für die Interkommunikation notwendige Informationen standardisiert. Hinsichtlich der MIS-Standards gibt es bereits verschiedene Standardtypen wie CFP MIS, C-CMIS und CMIS. Die kohärenten optischen Transceiver-Produkte von ZTE waren schon immer branchenführend. Das Unternehmen hat sukzessive selbst entwickelte 100G/200G/400G/600G MSA-Transceiver auf den Markt gebracht und ist branchenweit führend bei der Einführung von steckbaren optischen Transceivern der Serien 100G CFP, 200G/400G DCFP2, DCFP2/QSFP-DD und anderen hochintegrierten steckbaren Transceivern, die sich selbst nutzen Auch optische und elektrische Chips werden nach und nach entwickelt.
Vergleichende Analyse kohärenter 400G-Standards
Die aktuelle kommerzielle kohärente Technologie hat sich zu 800G mit einer Wellenlänge entwickelt, aber derzeit gibt es für 800G keine relevanten Standards in der Branche, während die 400G-kohärente Technologie drei Standards hat: 400ZR, OpenROADM und OpenZR+.
400ZR ist ein vom Optical Internetworking Forum (OIF) im Jahr 2016 ins Leben gerufenes Projekt zur Standardisierung einer interoperablen kohärenten optischen Transceiver-Schnittstelle mit einem Leistungsbudget, das Formfaktoren wie QSFP-DD und OSFP für kohärente optische 400G-Transceiver mit Data Center Interconnection (DCI) unterstützen kann. Dieser vom OIF vorgeschlagene Formfaktor konzentriert sich auf bestimmte Anwendungen, bei denen die Übertragungsleistung geopfert werden kann, weil das 15-W-Transceiver-Leistungsziel erreicht werden muss.
OIF-400ZR ist auf Edge-DCI-Anwendungen ausgerichtet. Die Clientseite definiert nur eine 400-GbE-Rate, die Übertragungsentfernung beträgt 80 bis 120 km und es wird CFEC-Vorwärtsfehlerkorrektur verwendet. OIF hat gezeigt, dass kohärente Interoperabilitätsstandards möglich sind, und seine vorgeschlagene 400ZR-Lösung wird in der Branche gut unterstützt. Gleichzeitig haben Systembetreiber bewiesen, dass die thermische Leistung dieser Formfaktoren mit hoher Dichte noch weiter verbessert werden kann, sodass optische Transceiver mit diesen Formfaktoren zusätzliche Funktionen unterstützen können, um eine höhere Leistung bereitzustellen.
Auf der Grundlage des Erfolgs von OIF haben Telekommunikationsbetreiber unter der Leitung von AT&T den Standard OpenROADM MSA definiert, der die Übertragung über größere Entfernungen unterstützen kann. OpenROADM ist für OTN-Netzwerke konzipiert, die andere Protokolle unterstützen und das entsprechende Overhead-Bit-Verhältnis erhöhen müssen. OpenROADM MSA ist hauptsächlich für ROADM-Netzwerkanwendungen von Telekommunikationsbetreibern gedacht. Es definiert 100G-, 200G-, 400GbE-Raten und OTN auf der Terminalschnittstelle mit einer Übertragungsentfernung von 500 km. Es verwendet einen offenen FEC (oFEC)-Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmus.
400ZR und OpenROADM definieren die Typen und Leistungsmerkmale von steckbaren kohärenten optischen Transceivern für die Verbindung von Rechenzentren und optischen Telekommunikationsübertragungsnetzen, weisen jedoch jeweils bestimmte Einschränkungen und Mängel auf. Beispielsweise unterstützt 400ZR nur clientseitige 400-GbE-Schnittstellen, während OpenROADM nur für die Netzwerkszenarien von Telekommunikationsbetreibern gilt. Daher haben einige Mainstream-Hersteller der Branche die jeweiligen Vorteile der Standards OIF-400ZR und Open ROADM kombiniert und einen weiteren MSA-Standard, OpenZR+, auf den Markt gebracht. Die allgemeine Entwicklungsbeziehung dieser drei Standards ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2 Entwicklung und Entwicklung von Interoperabilitätsstandards für kohärente optische Transceiver
OpenZR+MSA verfügt über ein breiteres Anwendungsspektrum und richtet sich an Metro-, Backbone-, DCI- und Telekommunikationsbetreiber, um erweiterte Funktionen und eine verbesserte Leistung in steckbaren Formen wie QSFP-DD und OSFP zu erreichen und so die Interoperabilität mit mehreren Anbietern zu unterstützen. OpenZR+ behält nicht nur die einfache reine Ethernet-Hostschnittstelle von 400ZR bei, sondern bietet auch Unterstützung für Multirate-Ethernet und Multiplexing-Funktionen von 100G-, 200G-, 300G- oder 400G-Leitungsschnittstellen und übernimmt die von CableLabs standardisierten OpenROADM MSA und oFEC, was zu höheren Ergebnissen führt Dispersionstoleranz und höherer Codierungsgewinn. Im September 2020 veröffentlichte OpenZR+ seine erste öffentliche Version des Metrikbuchs. Die wichtigsten Leistungsindikatoren kohärenter optischer Transceiver, die durch die drei Standards OIF-400ZR, Open ROADM und OpenZR+ definiert sind, sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1 Vergleich der Standardparameter der kohärenten optischen Transceiver-Interoperabilität von 400ZR, OpenROADM und OpenZR+
Für Netzwerkbetreiber ist es von Vorteil, auf den optischen Transceivern auf der Leitungsseite denselben Formfaktor wie auf der Clientseite zu verwenden, was durch eine einfachere Netzwerkarchitektur die Kosten senkt. In Kombination mit dem jüngsten Branchentrend des Open Line System (OLS) können diese optischen Übertragungstransceiver ohne externe Übertragungssysteme direkt in Router eingesetzt werden. Dies vereinfacht die Steuerungsplattform und reduziert gleichzeitig Kosten, Stromverbrauch und Platzbedarf. In dem in Abbildung 3 dargestellten Netzwerkanwendungsszenario kann der Benutzer beispielsweise wählen, ob er den kohärenten optischen Transceiver, der die Anforderungen von OpenZR+ erfüllt, direkt in den Port des Routers einstecken möchte, der OLS unterstützt, oder ob er ihn in den leitungsseitigen Port des Routers einstecken möchte Übertragungsgerät zur Umsetzung der Signalprotokollkonvertierung. , und stellen Sie dann über den clientseitigen Port des Geräts eine Verbindung zum Router her. Anbieter kohärenter DSPs und kohärenter optischer Transceiver führen aktiv Interoperabilitätstests kohärenter optischer Transceiver wie Acacia, NEL, Inphi, NeoPhotonics usw. durch. Derzeit können kohärente optische Transceiver mit einer kurzen Übertragungsentfernung mit mehreren Herstellern zusammenarbeiten.
Abbildung 3 Anwendung, die OpenZR+ unterstützt
Analyse der Technologieentwicklung nach der Anwendung der 400G-Kohärenz
Aus der Perspektive der Standardisierungsentwicklung wird die nächste Generation kohärenter steckbarer 400G-Produkte wahrscheinlich eine Single-Wave-800G-Rate übernehmen. Kürzlich diskutiert das OIF die Entwicklung eines kohärenten Technologiestandards der nächsten Generation – 800ZR. Derzeit besteht die erste Überlegung darin, 80 bis 120 km (verstärkte) DWDM-Verbindungen für DCI-Szenarien und 2 bis 10 km lange Verbindungen ohne Verstärkung für Campus-Szenarien zu unterstützen. Die clientseitige Schnittstelle unterstützt 2×400GE oder 1×800GE, und die Leitungsseite unterstützt eine kohärente 800G-Leitungsschnittstelle mit einer Wellenlänge.
Die Rahmenstrukturindikatoren werden von der Clientseite auf die Leitungsseite abgebildet und die Signalindikatoren auf der Leitungsseite werden definiert, um Interoperabilität zu erreichen. Auf Komponentenebene diskutiert das OIF auch die technische Spezifikation OIF-HB-CDM2.0 für kohärente Modulatoren der nächsten Generation, die höhere Modulationsraten unterstützt. Im Inland genehmigte die CCSA Optical Device Working Group kürzlich sechs Projekte mit Industriestandards für optische 6-Gbit/s-Geräte, darunter 800 Gbit/s IC-TROSA und optische 800×1-Gbit/s-Phasenmodulations-Transceiver.
Daher probiert die Industrie auch einige neue Materialien und Gerätetechnologien aus, beispielsweise Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN). Lithiumniobat galt schon immer als erstklassiges Material für optische Modulatoren. Herkömmliche Lithiumniobat-Modulatoren aus Massenmaterial können aufgrund ihrer sperrigen Größe und der durch die Gerätegröße begrenzten Bandbreite keine Baudratenanwendungen über 64 GBd unterstützen. Aufgrund des Durchbruchs der TFLN-Chipverarbeitungstechnologie können Lithiumniobat-Modulatoren in den letzten Jahren auch eine kleine Größe und eine hohe Bandbreite erreichen, sodass sie als potenzielle Technik zur Realisierung optischer Modulatoren von 100 GBd und mehr angesehen werden. Um eine hohe Bandbreite auf Geräteebene zu erreichen, gehören außerdem elektrische Antriebschips und Verpackungstechnologie zu den zu lösenden Schwierigkeiten.
