400G DWDM: Combine el transceptor QSFP-DD con DWDM Coherent

La combinación de DWDM y tecnología de enrutamiento es la clave para la implementación del módulo óptico 400G QSFP-DD DWDM. En los últimos años, los productos DWDM coherentes están listos para seguir el ritmo de la introducción de módulos ópticos enchufables coherentes DWDM de 400G.

Este documento estudiará la evolución de la tecnología DWDM coherente, a fin de estudiar más a fondo los detalles detrás del módulo óptico enchufable coherente DWDM de 400G y explorar cómo realizar la integración de DWDM y la tecnología de enrutamiento.

¿Por qué 400G DWDM QSFP-DD ZR utiliza tecnología coherente?

El módulo óptico de recepción coherente se refiere al módulo óptico con diseño coherente en el extremo receptor, que se utiliza principalmente en la tecnología de transmisión de segunda generación del sistema WDM.

La primera generación de WDM no utiliza la tecnología de recepción coherente.

1. ¿Por qué usar WDM?
2. ¿Por qué usar DWDM?
3. ¿Por qué DWDM necesita una tecnología coherente al aumentar el ancho de banda?

Cuando se propuso por primera vez la comunicación por fibra óptica en la década de 1970, se dijo que la fibra óptica tenía un ancho de banda casi ilimitado, una pérdida casi nula y un costo casi nulo. Había un gran valor industrial.

Ahora básicamente se ha dado cuenta de bajo costo y baja pérdida. Pero no se ha conseguido una gran capacidad para largas distancias.

La frecuencia de la luz adecuada para la transmisión por fibra óptica es de 190-230 THz, que es una gran frecuencia portadora. Sin embargo, debido a la limitación de la tecnología de modulación de señal y la tecnología de demodulación en la industria, realmente podemos usar el ancho de banda de la señal en decenas de GHz, lo que no hace un buen uso de la enorme frecuencia portadora de la luz.

La baja pérdida es un factor importante para extender la distancia de transmisión. Pero en realidad, la guía de ondas de la fibra es muy pequeña. Debido a la densidad de potencia requerida de la fibra entrante, la guía de ondas no puede ser demasiado grande o se quemará o provocará efectos no lineales. Cuando la señal modulada entre la relación señal-ruido y el extremo receptor puede lograr cientos o incluso miles de kilómetros de transmisión, la fibra en realidad solo puede realizar unos cien kilómetros de distancia de transmisión, lo que es un desperdicio para la señal.

Cómo aumentar la capacidad

Si no puede aumentar el ancho de banda de la señal modulada, puede usar la tecnología de división de longitud de onda para transmitir más canales.

Cómo extender la distancia de transmisión de fibra óptica

Puede utilizar la tecnología de retransmisión para transmitir una sección a la vez hasta que la relación señal-ruido de la señal óptica alcance su límite.

división de longitud de onda

Puede ampliar la capacidad.

Relé

Puede extender la distancia de transmisión equivalente. El amplificador óptico que usaba EDFA para la transmisión fue una excelente opción para la transmisión de bajo costo en la década de 1990.

Para acomodar el EDFA de bajo costo para la amplificación de relé, es necesario colocar múltiples longitudes de onda en la fracción de onda dentro del espectro de ganancia de EDFA.

La primera división de longitudes de onda abordó tanto el desafío de aumentar la capacidad de transmisión en condiciones industriales limitadas como el desafío de usar relés de bajo costo para extender las distancias de transmisión.

Pero a medida que la capacidad de la fibra continúa aumentando, existen dos caminos para aumentar la cantidad de longitudes de onda y aumentar la tasa por longitud de onda.

Pero crea nuevos problemas.

Primero, aumente el número de longitudes de onda. Estas longitudes de onda deben controlarse dentro del pico de ganancia del amplificador óptico, lo que da como resultado intervalos de longitud de onda cada vez más pequeños.

La segunda es aumentar la tasa por longitud de onda. La tasa es cada vez más alta desde 622M, 1.25G y 2.5G, y la distancia de transmisión es cada vez más corta. La razón es que la sensibilidad del lado del receptor se deteriora, mientras que la potencia del lado del transmisor no puede incrementarse continuamente y está limitada por la potencia total de la fibra entrante. También existe la desventaja de que cuanto mayor sea la velocidad de la señal, mayor será la dispersión del dominio de frecuencia y la necesidad de ampliar el intervalo de longitud de onda.

Si la distancia es más corta, el número de longitudes de onda disminuirá. Esto es una contradicción.

Para resolver este problema, tenemos que mejorar la sensibilidad en el extremo receptor. Es posible aumentar la velocidad y aún así mantener las características de transmisión de larga distancia.

¿Cómo mejorar la sensibilidad? Aumente la señal o reduzca el ruido.

El aumento de la señal se puede lograr mediante interferencia constructiva. Y la reducción del ruido se puede lograr mediante cálculos diferenciales o mediante interferencias destructivas. En el extremo receptor, agregar un diseño de interferencia de señal puede mejorar la relación señal-ruido y optimizar la sensibilidad.

La interferencia de la señal depende de la fase. Dado que la fase está controlada, qué desperdicio hacer un conjunto de modulación de fase de 0/180 °. Puede usar 45° y 225°, superpuestos con 135°/315°, dos conjuntos de modulación de señal. Esto duplicaría la cantidad de bits transmitidos sin aumentar el ancho de banda de la señal.

La multiplexación por división de longitud de onda de IMDD basada en NRZ mejora la velocidad de cada longitud de onda. Debido a que la sensibilidad empeora, la distancia de transmisión se acorta. Cuanto mayor sea la tasa de señal (ancho de banda en esencia), mayor será la ampliación del dominio de frecuencia y la necesidad de ampliar el intervalo de longitud de onda, lo que afecta el aumento del número de longitudes de onda.

Según el formato de modulación de DP-QPSK, la tasa de bits se puede aumentar sin aumentar el ancho de banda. Sin aumentar el ancho de banda, no es necesario ampliar el dominio de la frecuencia, por lo que el despliegue del número de longitudes de onda no se ve afectado.

Basado en una recepción coherente, a través de la interferencia, se mejora la señal, se suprime el ruido, se mejora la relación señal-ruido y la distancia de transmisión no se acortará, sino que se extenderá.

Volvemos a nuestra línea principal nuevamente con módulos ópticos coherentes, aumentando la capacidad y extendiendo la distancia. Esta es la competitividad técnica del módulo óptico coherente utilizado en la columna vertebral de la red central con gran capacidad y larga distancia.

Módulos ópticos coherentes, hay varias ramas importantes de la tecnología.

1. Control de fase, que requiere que la industria tenga la capacidad de lograr la fabricación en volumen a bajo costo. Estas tecnologías maduraron alrededor de 2005 y el módulo coherente entró en la fase de industrialización alrededor de 2010.

Para interferir en el extremo receptor, se necesita un oscilador local, y la luz son ondas electromagnéticas, por lo que también se denomina luz oscilante local (LO). Cuanto más pura sea la frecuencia, mejor será la amplificación después de la interferencia, que es un requisito para el ancho de línea estrecho del LO. Como el módulo coherente se utiliza en el sistema de división de longitud de onda, es capaz de sintonizar la longitud de onda, tiene una adaptabilidad relativamente fuerte, razón por la cual LO necesita una longitud de onda sintonizable.

 

Cuando existe la necesidad de interferencia, generalmente se le llama mezclador. En los primeros tiempos se utilizaban para este fin PLC de óxido de silicio basados ​​en silicio, que tenían bajas pérdidas pero no podían integrar detectores. Más tarde, se utilizó InP, y luego luz de silicio, ambos semiconductores pueden integrar el mezclador y el detector.

Para resolver la relación entre la fase y la amplitud del detector, la cantidad de aritmética es muy grande, y con la industrialización de módulos ópticos coherentes, DSP también comenzó a convertirse en un componente importante del módulo.

 

DSP, procesamiento de señal digital, toma la información individual transmitida por la señal óptica y utiliza algoritmos para analizar la señal después de la conversión de analógico a digital. El algoritmo es un trabajo importante, que incluye cómo calcular la dispersión y la compensación, cómo llevar a cabo la predicción y compensación de la dispersión de polarización, y cómo calcular la desviación de frecuencia, etc.

Además del algoritmo, otra dificultad de DSP es el alto consumo de energía. Una ruta para reducir el consumo de energía es mediante el uso de capacidad de proceso de alta precisión de semiconductores. Alrededor de 2010, DSP utiliza un proceso CMOS de aproximadamente 65 nm. Para 2023, la tecnología DSP ya puede alcanzar los 5nm, 7nm y el consumo de energía se reduce significativamente.

 

Los módulos ópticos coherentes tienen moduladores IQ, polarización dual, modulación de polaridad dual y cuatro moduladores de amplitud equivalentes para no desperdiciar el control de fase y el control de polarización.

 

Los moduladores de CI de años anteriores usaban niobato de litio, pero el tamaño era muy grande. Más tarde hubo una tecnología de modulación miniaturizada basada en InP, el tamaño es solo un tercio del niobato de litio. Luego, más tarde, hubo integración de fotónica de silicio, la integración de fotónica de silicio puede enviar modulación IQ, ICR se juntan, envían y reciben juntos COSA (más tarde es IC-TROSA). El tamaño era más pequeño.

A medida que la industria continuó desarrollándose, la eficiencia de codificación de QPSK mejoró aún más. Con QAM8, QAM16 se industrializa para lograr una mayor eficiencia de bits.

 

El escenario de aplicación de módulos ópticos coherentes también comenzó a tener una nueva expansión. Fuera de la red troncal de la red central de telecomunicaciones tradicional, la interconexión entre los datos, también hay una tendencia de gran capacidad y larga distancia. WDM utilizado en los primeros días de la interconexión del centro de datos DCI es una transferencia directa e IM/DD de WDM.

Las mismas contradicciones existen para continuar aumentando la capacidad como en la red troncal anterior. Ahora, aprendiendo de la experiencia previa, la tecnología coherente puede aumentar aún más la capacidad sin acortar la distancia.

Este es el comienzo del 400G ZR para la segunda generación de DCI.

 

 

El desarrollo de DWDM Óptica coherente

En menos de 10 años, el módulo DWDM ha hecho un gran progreso, los dispositivos ópticos se vuelven cada vez más pequeños y la velocidad es cada vez mayor. Ha aumentado 10 veces en el mismo período de tiempo: de 40G en 2011 a 400G. Para 2022, ya han aparecido en el mercado módulos ópticos enchufables de 800G.

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

La introducción de tecnología óptica coherente es una de las innovaciones más importantes en el desarrollo del sistema DWDM. El equipo óptico coherente utiliza dispositivos ópticos avanzados y procesadores de señal digital (DSP) para enviar y recibir modulación de onda de luz compleja, a fin de realizar una transmisión de datos de alta velocidad. En un nivel muy alto, la modulación coherente sigue siendo la fuerza impulsora detrás de los dispositivos ópticos de alta velocidad, incluidos los de 400G y de mayor velocidad. transceptores coherentes.

El primer sistema DWDM coherente disponible comercialmente es 40G, seguido de 100G. Estos sistemas se basan en tarjetas de línea y chasis. Pueden admitir muchas tarjetas de línea en cada sistema y ocupan el mismo espacio que los productos de tarifa 10G. Es un gran avance. Ahora pueden transmitir una velocidad de 100G y una distancia de transmisión más larga. Con el tiempo, las velocidades de las tarjetas de línea aumentaron a 200 G y más, pero la industria se acerca a un punto de inflexión con la llegada de los proveedores de la nube.

Específicamente, a medida que las redes de proveedores de la nube comienzan a crecer exponencialmente, aumenta la presión sobre los fabricantes para crear componentes de red más pequeños, más rápidos y más baratos. Fue este punto de inflexión el que condujo a la aparición de los sistemas DWDM de transpondedor óptico. El sistema de transpondedor óptico elimina el chasis y la tarjeta de línea. Es un sistema independiente físicamente pequeño, un pequeño conmutador de centro de datos con una altura de 1 o 2RU (1.5″-3″). La clave para la viabilidad del paquete de transpondedor óptico es la separación de los dos componentes principales en la transmisión óptica coherente: el dispositivo óptico (láser, receptor, modulador, etc.) y el DSP (procesador de señal digital).

Y estas innovaciones han dado lugar al CFP2-ACO (Óptica Coherente Analógica) enchufable, un módulo DWDM enchufable con un tamaño CFP2 relativamente pequeño. La tecnología DSP también está evolucionando para que un solo chip DSP pueda admitir múltiples módulos CFP2-ACO. Por lo tanto, al colocar varios DSP en el transpondedor óptico, los fabricantes produjeron sistemas capaces de transmitir 2 Tbps (conexiones de cliente de 20x100 G) en 2 unidades de rack (3″). Por el contrario, un sistema basado en chasis requeriría 12 unidades de rack. Además de ahorrar espacio, son más eficientes energéticamente.

Por supuesto, lo anterior es una explicación muy simple de la transmisión de señales coherentes. De hecho, el propósito de los desarrolladores es convertir señales digitales en señales analógicas para transmitir datos y volver a convertir señales analógicas en señales digitales en el otro extremo.

Sin embargo, el CFP2-ACO solo puede procesar señales analógicas, pero no puede procesar señales digitales. Recibe la señal analógica coherente que se va a transmitir desde DSP o transmite la señal analógica coherente recibida a DSP para convertirla en una señal digital, como se muestra en la figura.

Sistema de transmisión CFP2-ACO DWDM

El sistema CFP2-ACO ha sido ampliamente utilizado en toda la industria y se ha convertido en la forma estándar de transmisión óptica en la red de casi todos los proveedores de la nube.

Al mismo tiempo, con la introducción de CFP2-DCO, la óptica DWDM coherente enchufable continúa desarrollándose. "D" significa "digital" en óptica coherente digital. Los desarrolladores de óptica coherente redujeron una vez más el tamaño y el consumo de energía de los componentes, por lo que tanto los dispositivos ópticos como el DSP se ubican en CFP2. De esta forma, no es necesario utilizar el bastidor para acomodar el DSP, por lo que la transmisión DWDM coherente se puede realizar directamente desde el enrutador o conmutador, que es el punto de inflexión de la integración real de DWDM y enrutador.

Transmisión DCO DWDM en router o switch

Ahora, los módulos ópticos coherentes han evolucionado a 400G ZR y 400G ZR+ en paquetes QSFP-DD, usando la misma tecnología que CFP2-DCO pero en un tamaño más pequeño. Un paquete tan compacto que alberga dispositivos ópticos coherentes DWDM de 400 G proporciona una solución viable para la convergencia de enrutamiento y DWDM.

 

400G Estándares de transceptores ópticos coherentes DWDM

400G ha evolucionado hasta el punto en que existen varios estándares. Estos incluyen 400ZR, 400G ZR+, 400G OpenROADM y 400G OpenZR+, que van en direcciones ligeramente diferentes.

Primero fue el Foro de interconexión óptica (OIF), que creó el estándar 400ZR. 400ZR apunta a aplicaciones de interconexión de centros de datos de borde y de alcance relativamente corto (dentro de 120 km). Casi al mismo tiempo, el protocolo multifuente OpenROADM también definió especificaciones para DWDM conectable de 400 G, con especificaciones enfocadas en redes de proveedores de servicios, como transporte óptico de larga distancia (>120 km), corrección avanzada de errores de reenvío (oFEC) y velocidades de datos opcionales. (100G, 200G, 300G o 400G). Aunque se pueden implementar características adicionales, se requiere más potencia que los 15 W especificados por ZR. Por esta razón, la especificación OpenROADM se llama 400G ZR +.

Finalmente, entre las dos organizaciones y varios fabricantes de dispositivos ópticos, acordaron el mejor estándar para combinar OIF y OpenROADM, y lo llamaron OpenZR+. Al combinar las características de cada dispositivo en el mismo paquete, se puede proporcionar un dispositivo óptico DWDM coherente altamente versátil, como se muestra en la siguiente figura.

Podemos ver que en la mejora continua del empaque, la función y la velocidad de datos del módulo óptico, el rango de transmisión óptica es cada vez más amplio y la distancia de transmisión es cada vez más larga. Con el estándar OpenZR+, se puede lograr una distancia de transmisión de 1400 km, que es más de 10 veces la distancia de transmisión de 400ZR. Con el DWDM 400G de alta densidad en los enrutadores, combinado con la simplicidad de la ingeniería de tráfico y la redundancia de ruta del enrutamiento segmentado, podemos esperar un cambio importante en la arquitectura de la red de transmisión.

 

En noviembre 2020, fibramall fue invitado a ser el primer miembro colaborador de OpenZR+ MSA. FiberMall offInvirtió inicialmente en el desarrollo de módulos ópticos coherentes a principios de 2018, abrió la cooperación estratégica con la cadena de suministro ascendente para optimizar la innovación en el diseño de baja potencia y el modelo de modulación de señal, y logró resultados significativos. Ahora hemos lanzado módulos ópticos coherentes digitales 100G CFP-DCO, 100G CFP2-DCO y transceptores ópticos coherentes DWDM 200G, y transceptores ópticos coherentes DWDM 400G con estricto cumplimiento de los estándares OpenZR+ para interconexión de centros de datos y redes metropolitanas para transmisión óptica de ultra larga distancia. .