¿Qué es la comunicación óptica de corto alcance?

Las comunicaciones ópticas de corto alcance pueden ser un poco sorprendentes. El área de aplicación más directa de la comunicación óptica es la comunicación óptica de ultra alta velocidad, ultra gran capacidad y ultra larga distancia. La comunicación óptica se usó inicialmente para resolver la transmisión del servicio de telecomunicaciones de alta velocidad y larga distancia, y luego se introdujo lentamente en la red del centro de datos para proporcionar interfaces de alta velocidad del lado del cliente.

La evolución del corto Alcance Comunicaciones Ópticas

A día de hoy, ya es evidente que la comunicación óptica está penetrando en la transmisión de menor alcance. Por ejemplo, la industria ha utilizado recientemente tecnología óptica empaquetada para resolver el problema de la interconexión óptica dentro de los módulos y entre chips, y la capacidad de un solo chip de conmutación será de hasta 25.6 Tb/s. Como se muestra en la Figura 1, se enumeran los escenarios de aplicación típicos de la comunicación óptica a diferentes distancias de transmisión y la penetración a distancias más cortas.

Figura 1. Evolución de las aplicaciones de comunicación óptica

No es casualidad que cada vez más aplicaciones para comunicaciones ópticas se estén cambiando a distancias cortas. Cisco predijo esta tendencia hace varios años y se confirmó. El tráfico de la red metropolitana ya superó las redes troncales de larga distancia en 2017, y con el aumento de las redes de entrega de contenido (CDN) y el crecimiento de los servicios relacionados con la nube, el tráfico relacionado con la red del centro de datos ahora es comparable al tráfico IP de Internet.

Se espera que para el próximo año, la proporción de tráfico dentro de los centros de datos supere el 70 %, mientras que la proporción de tráfico este-oeste sea de casi el 85 %, superando con creces el tráfico norte-sur, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Distribución del tráfico del centro de datos de previsión de Cisco en 2021

Por lo tanto, se debe decir que la red del futuro estará dominada por los centros de datos y se debe enfatizar la transmisión óptica de corto alcance. No solo eso, sino que con el cambio en la arquitectura de la red, una gran cantidad de contenido se está acercando a los usuarios para brindar servicios de menor latencia. Por lo tanto, cuantas más aplicaciones de corta distancia, mayor será la demanda de ancho de banda.

La red troncal de larga distancia actual acaba de actualizarse a 200G, pero la demanda en los centros de datos de corta distancia ha alcanzado hace mucho tiempo los 400G, y algunos incluso se actualizarán a tasas de interfaz de 800G. Este año, Ethernet Alliance ha lanzado la especificación Ethernet 800G. Obviamente, las aplicaciones de corto alcance representadas por los centros de datos, los clústeres de supercomputación y otras redes interconectadas se han convertido en un nuevo punto de crecimiento para las comunicaciones ópticas fuera del mercado de las telecomunicaciones, y la importancia es evidente.

Definición de corto Alcance Comunicación óptica

¿Qué es la comunicación óptica de corto alcance? Hay muchas respuestas diferentes.

IEEE define el corto alcance (SR) como unos 100 m, y OIF define el corto alcance como 300 m. Pero la comunidad académica incluso ha ampliado el alcance de la comunicación óptica de corto alcance a unos 100 km. Parece que no hay una cifra clara para definir claramente qué es la comunicación óptica de corto alcance, y vale la pena definir toda la comunicación óptica dentro del intervalo de 100 m~100 km como comunicación óptica de corto alcance en la próxima introducción. Es decir, la parte con un círculo rojo en la Figura 1, por supuesto, llamada comunicación óptica de corto alcance es más apropiada. Para la comunicación óptica dentro de los 100 m, debe llamarse interconexión óptica de corto alcance, que se refiere a la interconexión dentro del sistema, entre placas o a bordo.

Figura 3. Desglose adicional de escenarios y tecnologías clave para abreviaturas rango de comunicaciones ópticas

Como se muestra en la Figura 3, la comunicación óptica de corto alcance se subdivide aún más y contiene escenarios como SR, DR, FR, LR, ER y ZR según la distancia de transmisión de cerca a lejos.

Estándares para comunicaciones ópticas de corto alcance

Para estas diferentes aplicaciones a distancia, la industria ahora también ha introducido 100G y estándares de interconexión óptica del lado del cliente 400G, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Estándares del lado del cliente relacionados con 100G/400G

Se puede ver que:

Para 100 m, es principalmente tecnología de transmisión multimodo con matriz de fuente de luz VCSEL de 850 nm.

Para 500 ma 2 km, la tecnología de transmisión monomodo se usa comúnmente y la fuente de luz es más diversa, que puede ser 1310nm DML, SiP o incluso EML.

Para 10 km a 40 km, se requiere 1310/1550nm EML o incluso MZM. 1310 tiene la ventaja de baja dispersión pero alta pérdida y ningún amplificador óptico maduro de banda O de bajo costo a esta distancia. La ventaja de usar 1550 es la baja pérdida de la fibra, hay un amplificador óptico maduro, pero el impacto de la dispersión es mayor.

Además de las comunicaciones del centro de datos, existe otra clase importante de aplicaciones para las comunicaciones ópticas de 10 km, que es la construcción de fronthaul 5G que está en pleno apogeo. La Tabla 2 resume las soluciones técnicas típicas y los estándares correspondientes en China.

5G fronthaul utiliza principalmente multiplexación por división de longitud de onda de banda O, utilizando modulación directa DML para generar una señal NRZ de 25 Gb/s y detección de PIN en el extremo receptor, la principal dificultad es reducir el costo y controlar el costo de dispersión de longitudes de onda largas. Se espera que la tecnología basada en DWDM sea difícil de escalar en la transmisión directa 5G, aunque existe un mayor potencial de expansión y presupuesto de energía, pero el costo ajustable de EML + TEC es significativamente más alto que otros programas.

Tabla 2. Comparación técnica de soluciones típicas de fronthaul 5G

Por supuesto, para la comunicación óptica de 20 km, también existen aplicaciones importantes dentro de la industria de las telecomunicaciones, generalmente conocidas como redes de acceso óptico, también conocidas como redes ópticas pasivas (PON). Esta área es una tecnología completamente estandarizada internacionalmente, y actualmente PON ha pasado por APON, BPON, G/EPON, 10G EPON, XGSPON, etc. La tasa más alta comercialmente disponible es simétrica de 10 Gb/s. Pero la estandarización ha estado a la vanguardia, incluido 40GTWDM-PON, también llamado NGPON2, que se completó hace unos años. El EPON de 25G identificado en 2018, e incluso el PON de 50G de onda única que actualmente se analiza tanto en el UIT-T como en el IEEE. El problema central en esta área es el costo y el presupuesto de energía, que se reduce a la falta de soluciones de recepción de modulación de alta velocidad y alta sensibilidad de bajo costo. Además, para aplicaciones ZR de 80 km, OIF ya ha lanzado un protocolo de implementación 400ZR con modulación 60QAM de 16 Gbaud y espaciado de canales de 100 G o 75 GHz, mientras que IEEE también está discutiendo un estándar ZR 100GE/400GBASE en IEEE P802.3 ct/cw, que se espera que ser máximamente compatible con OIF 400ZR. Obviamente para 100G así como 400G ZR El nivel de 80 km de la industria de transmisión óptica generalmente acordó que la necesidad de introducir tecnología de detección coherente 100G/400G.

Tecnologías de modulación y multiplexación para comunicaciones ópticas de corto alcance

En términos de los estándares actuales de la industria y las soluciones de mercado, actualmente solo hay dos formatos de modulación que son ampliamente adoptados por la industria en el rango corto. Uno es NRZ de 25 Gb/s, que se utiliza principalmente en interfaces 4x25G 100G; la otra es la modulación PAM4 con velocidades de onda única de 50 Gb/s y 100 Gb/s, que se puede utilizar para realizar interfaces de 8x50G o 4x100G 400G, así como interfaces del lado del cliente de 1G de onda única 100x100G. Por futuro Interconexiones de corto alcance 800G, puede haber soluciones 8x100G PAM4 y posiblemente incluso 4x200G PAM4.

Para la transmisión óptica coherente de corto alcance, ninguno de los esquemas estandarizados actualmente define técnicas similares al PCS de conformación probabilística y la codificación de corrección de errores de avance súper fuerte como LDPC. Entre los sistemas coherentes que ya cuentan con estándares, como MSA, OIF, ITU-T, OpenROADM, IEEE, CableLabs solo han definido (D)QPSK, 8QAM, 16QAM, que son formatos de modulación relativamente simples. En cuanto a la FEC, la primera 100G MSA define la escalera HD FEC con 6.7% de sobrecarga y NCG=9.8dB, luego la C-FEC definida en OIF 400 ZR con 14.8% de sobrecarga y NCG=10.8dB para 16QAM, y la O- FEC definido en OpenROADM con una sobrecarga del 15.1 %. Después de tres iteraciones de decodificación, el NCG de 16QAM puede alcanzar los 11.6 dB.

En términos de métodos de multiplexación, a menudo se utilizan dos tipos de multiplexación en las interconexiones ópticas de corto alcance 100G/400G estandarizadas actuales. Una es la multiplexación por división espacial, múltiples conectores MPO de fibra monomodo/multimodo para lograr un enlace multicanal. La segunda es la multiplexación por división de longitud de onda, donde se transmiten múltiples longitudes de onda en la misma fibra monomodo o multimodo.

La Tabla 3 resume la clasificación de las tecnologías de multiplexación utilizadas para velocidades de interfaz de 100G. Vale la pena señalar que la tecnología óptica de silicio utilizada en los sistemas de multiplexación por división de aire puede tener mejores ventajas de costos, porque solo se necesita una potencia de longitud de onda para dividirse en varias rutas y luego en la matriz de moduladores ópticos de silicio. No solo puede controlar el tamaño, sino que también puede reducir el costo del láser. Sin embargo, se espera que el presupuesto de energía sea el principal obstáculo para la tecnología óptica de silicio en aplicaciones de interconexión óptica de corto alcance.

Tabla 3. Comparación de tecnologías de multiplexación utilizadas en interfaces 100G

El contenido anterior es la introducción principal de Fiber Mall a la evolución de las tendencias de comunicación óptica de corto alcance, los límites de distancia, los avances en los estándares, las tecnologías de modulación y multiplexación comúnmente utilizadas en la industria, con un enfoque en la introducción de tecnologías utilizadas en aplicaciones maduras en la industria.

Fiber Mall también discutirá la tecnología de modulación avanzada, la nueva tecnología de detección, el algoritmo DSP, la comparación de la evolución de la tecnología 800G/1.6T, etc. desde la perspectiva de la academia.