El consumo de enlaces ópticos coherentes marcará el comienzo de un crecimiento espectacular en los próximos años. Estas nuevas aplicaciones también presentan nuevos requisitos para el sistema de transceptor óptico coherente, que promueve la evolución de las unidades transceptoras coherentes desde la integración original con tarjetas de línea y transceptores MSA hasta transceptores ópticos enchufables estandarizados e independientes. Este artículo analiza la tendencia de desarrollo de los transceptores ópticos coherentes enchufables y compara y analiza los estándares coherentes de 400G.
Desarrollo de transceptores ópticos coherentes enchufables
En comparación con los transceptores ópticos del cliente utilizados en el MAN o el centro de datos, la unidad transceptora óptica coherente utilizada en la red de transmisión óptica suele estar incorporada o integrada en la placa única del lado de la línea, con las desventajas de baja densidad de puertos, potencia de gran volumen consumo, diseño no estándar, etc. Durante mucho tiempo, los operadores de red han esperado que el transceptor óptico de transmisión tenga el mismo o similar factor de forma que el de los transceptores ópticos del cliente. En los últimos años, los chips DSP avanzados con técnica CMOS y tecnología fotónica integrada han ido progresando, haciendo posibles los transceptores ópticos de paquete coherente enchufables con un tamaño más pequeño y un menor consumo de energía.
Después de años de desarrollo, los transceptores ópticos enchufables y estandarizados se han convertido en una elección obligada para la transmisión de servicios en el lado de la línea de la comunicación óptica. La tendencia de desarrollo de transceptores ópticos coherentes utilizados en MAN y redes troncales tiene las siguientes características:
-Alta velocidad: evolucionar de 100G/200G a 400G, y luego a una tasa de 800Gbps;
-Miniaturización: cambie del factor de forma 100G MSA a CFP/CFP2DCO/ACO, los estándares de empaquetado actuales son 400G OSFP DCO, QSFP-DD DCO, etc. (como se muestra en la Figura 1);
-Bajo consumo de energía: Teniendo en cuenta los requisitos generales de consumo de energía del sistema, por ejemplo, el consumo de energía de los transceptores ópticos coherentes en el factor de forma QSFP-DD no supera los 15 W;
-Estandarización de la interconexión: Tradicionalmente, los fabricantes de equipos usan sus propias tarjetas de interfaz dedicadas y usan métodos de modulación de alto orden y algoritmos FEC patentados. Las interfaces de diferentes fabricantes no pueden comunicarse entre sí. Por lo tanto, la interconexión de transceptores ópticos coherentes es la dirección hacia la que ha estado trabajando la industria.
Figura 1 Transceptores ópticos coherentes enchufables en tres paquetes estandarizados (QSFP-DD, OSFP, CFP2-DCO)
200G CFP2-DCO y 400G QSFP-DD ZR son los transceptores ópticos coherentes más populares en Fibermall.
-Las características de 200G CFP2-DCO son las siguientes:
Disponible en un factor de forma CFP2 conectable en caliente
Láser de ancho de línea ultra estrecho sintonizable de banda completa C-Band
Distancia de transmisión de hasta 80 km/500 km a través de una fibra monomodo
Usando la modulación DP-QPSK
Puertos ópticos LC duales
La temperatura de funcionamiento de grado comercial varía de 0 a 70 ℃
Tensión de alimentación 3.3 V
Cumple con RoHS (sin plomo)
-400G QSFP-DD ZR:
Ideal para Edge DCI
Cumple con Open Internetworking Forum (OIF)
Admite tasas de datos de 400G
Proporciona un alcance de hasta 120 km punto a punto
Con el desarrollo de los servicios de Internet, la construcción de infraestructura en la nube y la necesidad de IA, los operadores de telecomunicaciones y centros de datos han presentado requisitos claros para la interoperabilidad de los transceptores ópticos de diferentes fabricantes.
En cuanto a los estándares FEC, existen diferentes tipos como GFEC, SCFEC, RS10, CFEC, oFEC, SD-FEC, etc., correspondientes a diferentes tasas y estándares, que generalmente se pueden dividir en tres generaciones: la primera generación es bloque código, el requisito de ganancia es de 6 dB y la sobrecarga es del 6.7 %; La segunda generación es una iteración entrelazada en cascada, con un requisito de ganancia de 8 dB y una sobrecarga del 6.7 %; la tercera generación es una SD-FEC de decisión suave, con un requisito de ganancia de 11 dB y una sobrecarga de más del 25 %, que utiliza el código de producto turbo (TPC) y el algoritmo de verificación de código de verificación de paridad de baja densidad (LDPC), y el nuevo la generación de FEC basada en la conformación de probabilidad de constelación aún no ha publicado un estándar.
En cuanto al algoritmo DSP, tomando como ejemplo el 400ZR, se estandariza el formato de trama, la codificación no diferencial, las marcas de ajuste, las reglas de mapeo de símbolos, las secuencias de entrenamiento, los símbolos piloto y demás información necesaria para la intercomunicación. En términos de estándares MIS, ya existen diferentes tipos de estándares como CFP MIS, C-CMIS y CMIS. Los productos transceptores ópticos coherentes de ZTE siempre han estado en el nivel líder en la industria. Ha lanzado sucesivamente transceptores MSA 100G/200G/400G/600G de desarrollo propio y tomó la delantera en la industria para lanzar transceptores ópticos enchufables de la serie 100G CFP, 200G/400G DCFP2, DCFP2/QSFP-DD y otros transceptores enchufables altamente integrados que utilizan Los chips ópticos y eléctricos desarrollados también se están desarrollando gradualmente.
Análisis comparativo de estándares coherentes 400G
La tecnología coherente comercial actual se ha desarrollado a 800G de longitud de onda única, pero actualmente, 800G no tiene estándares relevantes en la industria, mientras que la tecnología coherente 400G tiene tres estándares: 400ZR, OpenROADM y OpenZR+.
400ZR es un proyecto iniciado por el Optical Internetworking Forum (OIF) en 2016 para estandarizar una interfaz de transceptor óptico coherente interoperable con un presupuesto de energía que puede admitir factores de forma como QSFP-DD y OSFP para interconexión de centros de datos (DCI) transceptores ópticos coherentes 400G. Este factor de forma propuesto por la OIF se centra en ciertas aplicaciones en las que se puede sacrificar el rendimiento de la transmisión porque debe cumplir con el objetivo de potencia del transceptor de 15 W.
OIF-400ZR está dirigido a aplicaciones DCI de borde. El lado del cliente solo define una tasa de 400 GbE, la distancia de transmisión es de 80 ~ 120 km y se utiliza la corrección de errores de reenvío CFEC. OIF ha demostrado que los estándares de interoperabilidad coherentes son posibles, y su solución 400ZR propuesta cuenta con un buen respaldo en la industria. Al mismo tiempo, los operadores del sistema han demostrado que hay margen para mejorar aún más el rendimiento térmico de estos factores de forma de alta densidad, lo que permite que los transceptores ópticos con estos factores de forma admitan funciones adicionales para proporcionar un mayor rendimiento.
Sobre la base del éxito de OIF, los operadores de telecomunicaciones liderados por AT&T han definido el estándar OpenROADM MSA que puede admitir transmisiones de mayor distancia. OpenROADM está diseñado para redes OTN que necesitan admitir otros protocolos y aumentar la tasa de bits de sobrecarga correspondiente. OpenROADM MSA es principalmente para aplicaciones de red ROADM de operadores de telecomunicaciones. Define tasas de 100G, 200G, 400GbE y OTN en la interfaz del terminal, con una distancia de transmisión de 500 km. Adopta un algoritmo de corrección de errores de reenvío FEC (oFEC) abierto.
400ZR y OpenROADM definen los tipos y las características de rendimiento respectivamente de los transceptores ópticos coherentes enchufables para la interconexión de centros de datos y las redes de transmisión óptica de telecomunicaciones, pero cada uno tiene ciertas limitaciones y deficiencias. Por ejemplo, 400ZR solo admite interfaces del lado del cliente de 400 GbE, mientras que OpenROADM solo se aplica a los escenarios de red de los operadores de telecomunicaciones. Por lo tanto, algunos de los principales fabricantes de la industria combinaron las ventajas respectivas de los estándares OIF-400ZR y Open ROADM y lanzaron otro estándar de MSA, OpenZR+. La relación de evolución general de estos tres estándares se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Desarrollo y evolución de estándares de interoperabilidad para transceptores ópticos coherentes
OpenZR+MSA tiene una gama de aplicaciones más amplia y está dirigida a operadores metropolitanos, troncales, DCI y de telecomunicaciones, para lograr funciones mejoradas y un rendimiento mejorado en formas conectables como QSFP-DD y OSFP para admitir la interoperabilidad de múltiples proveedores. OpenZR+ no solo mantiene la interfaz de host puro Ethernet simple de 400ZR, sino que también agrega soporte para Ethernet de velocidad múltiple y funciones de multiplexación de interfaz de línea 100G, 200G, 300G o 400G, y adopta OpenROADM MSA y oFEC estandarizados por CableLabs, lo que da como resultado una mayor tolerancia a la dispersión y mayor ganancia de codificación. En septiembre de 2020, OpenZR+ lanzó su primera versión pública del libro de métricas. Los principales indicadores de rendimiento de los transceptores ópticos coherentes definidos por los tres estándares de OIF-400ZR, Open ROADM y OpenZR+ se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Comparación de parámetros estándar de interoperabilidad de transceptores ópticos coherentes 400ZR, OpenROADM, OpenZR+
Es beneficioso para los operadores de red usar el mismo factor de forma en los transceptores ópticos del lado de la línea que en el lado del cliente, lo que reduce los costos a través de una arquitectura de red más simple. Combinados con la tendencia reciente de la industria de Open Line System (OLS), estos transceptores ópticos de transmisión se pueden insertar directamente en enrutadores sin sistemas de transmisión externos. Esto simplifica la plataforma de control al tiempo que reduce el costo, el consumo de energía y el espacio ocupado. Por ejemplo, en el escenario de aplicación de red que se muestra en la Figura 3, el usuario puede optar por insertar directamente el transceptor óptico coherente que cumple con los requisitos de OpenZR+ en el puerto del enrutador compatible con OLS, o insertarlo en el puerto del lado de la línea del dispositivo de transmisión utilizado para realizar la conversión de protocolo de señal. y luego conéctese al enrutador a través del puerto del lado del cliente del dispositivo. Coherent DSP y los proveedores de transceptores ópticos coherentes están realizando activamente pruebas de interoperabilidad de transceptores ópticos coherentes, como Acacia, NEL, Inphi, NeoPhotonics, etc. En la actualidad, los transceptores ópticos coherentes con una distancia de transmisión corta pueden interoperar con varios fabricantes.
Figura 3 Aplicación compatible con OpenZR+
Análisis de la evolución de la tecnología tras la aplicación de la coherencia 400G
Desde la perspectiva de la evolución de la estandarización, es probable que la próxima generación de productos conectables coherentes de 400G adopte una tasa de 800G de onda única. Recientemente, OIF está discutiendo el desarrollo de un estándar de tecnología coherente de próxima generación: 800ZR. Actualmente, la consideración inicial es admitir enlaces DWDM (amplificados) de 80 a 120 km para escenarios de DCI y enlaces de 2 a 10 km sin amplificación para escenarios de campus. La interfaz del lado del cliente admite 2 × 400 GE o 1 × 800 GE, y el lado de la línea admite una interfaz de línea coherente de 800 G de longitud de onda única.
Los indicadores de estructura de trama se mapean desde el lado del cliente hacia el lado de la línea y los indicadores de señal en el lado de la línea se definen para lograr la interoperabilidad. A nivel de componentes, OIF también está discutiendo la especificación técnica OIF-HB-CDM2.0 del modulador coherente de próxima generación que admite tasas de modulación más altas. A nivel nacional, el Grupo de Trabajo de Dispositivos Ópticos de CCSA aprobó recientemente 6 proyectos de estándares de la industria de dispositivos ópticos de 800 Gbps, incluidos los transceptores ópticos de modulación de fase IC-TROSA de 800 Gbps y 1 × 800 Gbps.
Por lo tanto, la industria también está probando nuevos materiales y tecnologías de dispositivos, como el niobato de litio de película delgada (TFLN). El niobato de litio siempre se ha considerado como un material premium para moduladores ópticos. Los moduladores de niobato de litio de material a granel tradicionales no pueden admitir aplicaciones de velocidad en baudios superiores a 64 GBd debido a su tamaño voluminoso y al ancho de banda limitado por el tamaño del dispositivo. En los últimos años, debido al avance de la tecnología de procesamiento de chips TFLN, los moduladores de niobato de litio también pueden lograr un tamaño pequeño y un gran ancho de banda, por lo que se considera una técnica potencial para realizar moduladores ópticos de 100 GBd y más. Además, para lograr un alto ancho de banda a nivel de dispositivo, los chips de accionamiento eléctrico y la tecnología de empaquetado también se encuentran entre las dificultades que deben resolverse.
