Technologies clés du système 100G DWDM

Le développement continu des services à moyen et haut débit dans les réseaux de communication a mis en avant des exigences plus élevées et plus urgentes pour la bande passante de transmission des réseaux d'interconnexion de centres de données (DCI) et de communication métropolitains existants. L'évolution de la technologie de transmission optique 10/40 Gbps traditionnelle vers 100 Gb/s est devenue la tendance de la technologie de transmission optique. FiberMall a conclu après un grand nombre d'études que la technologie QSFP28 PAM4 peut être utilisée pour la transmission 100G DWDM dans un rayon de 100 km, et les méthodes de transmission optique 100G de modulation de phase et de réception cohérente sont nécessaires pour la transmission 100G DWDM sur 100 km.

Parmi eux, le système de transmission PM-QPSK utilisant la technologie de réception cohérente est le plus reconnu par l'industrie. Diverses dégradations du canal, telles que la dispersion chromatique, la PMD, la fréquence porteuse et la phase offpeut être compensé de manière flexible dans le domaine électrique et reconfiguré en signaux par le récepteur du système PM-QPSK à l'aide de la technologie de traitement numérique du signal (DSP). Par conséquent, PM-QPSK combiné à une détection cohérente fournit la solution optimale, qui est choisie par la plupart des fournisseurs de systèmes comme schéma de transmission longue distance 100G.

La technologie DWDM a évolué vers des taux de modulation de plus en plus élevés, notamment 1.25G NRZ, 2.5G NRZ, 10G NRZ et 25G NRZ. Les PAM50 4G et PAM100 4G utilisent la modulation PAM4 d'ordre élevé, tout comme la technologie de modulation cohérente DWDM actuellement concurrentielle, principalement pour 200G et 400G, ainsi que les futurs services à large bande passante 800G.

Le module optique 100G DWDM QSFP28 PAM4 se branche directement sur un routeur ou un commutateur de centre de données approprié, sans avoir besoin d'une plate-forme de conversion DWDM séparée, ce qui réduit considérablement les coûts et simplifie le déploiement et la maintenance. De plus, avec des modules de compensation de dispersion (DCM) et des systèmes d'amplification EDFA appropriés, les modules PAM4 peuvent être ajoutés aux réseaux DWDM existants pour une transmission hybride.

Les formes de produits de nouvelle génération sont basées sur la modulation d'ordre élevé PAM4 : 50G (1X50G PAM4), 100G (2X50G PAM4) et 100G (1x100G PAM4).

50G (1X50G PAM4)Solution

Les modules optiques utilisant des solutions 50G (1X50G PAM4) comprennent des modules optiques 50G SFP56 DWDM (bande C, espacement des longueurs d'onde 50 Ghz). Le produit adopte le facteur de forme SFP56, qui est de la même taille que SFP+ et peut être directement mis à niveau vers 50G sans modifier l'architecture de déploiement d'origine.

Le module optique 50G SFP56 DWDM adopte la modulation 50G PAM4 à la fois du côté du port optique et du côté du port électrique et utilise un laser DWDM EML à l'extrémité de transmission. Avec le support de la compensation de dispersion DCM et de l'EDFA, il peut répondre aux exigences d'une distance de transmission d'au moins 80 km. La bande passante totale d'une seule fibre prend en charge 96 ondes x50G = 4800G, et sa forme de produit avec une température de qualité industrielle peut répondre aux besoins des systèmes front-haul 5G.

Figure 1 : Schéma de principe du module optique 50G SFP56 DWDM

100G (2X50G PAM4)Solution

Le module optique utilisant une solution 100G (2X50G PAM4) comprend 100G QSFP28 DWDM (bande C, intervalle de longueur d'onde de 50 Ghz). Il est généralement appelé 100G PAM4 QSFP28 dans l'industrie, et son port optique transporte le service 100GE par 2 longueurs d'onde 50G DWDM différentes. Le côté port électrique adopte 4X25G NRZ, tandis que le côté port optique a deux solutions : les interfaces CS et LC. L'interface CS adopte 4 fibres optiques, 2 entrées et 2 sorties. Le schéma d'interface LC duplex adopte la technologie WDM et 2 fibres optiques peuvent assurer la transmission. Avec la prise en charge de la compensation de dispersion DCM et de l'EDFA, il peut répondre aux exigences d'une distance de transmission d'au moins 80 km, et la bande passante totale d'une seule fibre prend en charge 96 ondes x50G = 4800G.

Figure 2 : Schéma de principe du module optique 100G QSFP28 DWDM (interface CS)

Figure 3 : Schéma de principe du module optique 100G QSFP28 DWDM (interface LC)

Solution 100G (1x100G PAM4)

Modules optiques utilisant 100G (1x100G) incluent 100G QSFP28 DWDM (bande C, 100GHZ). Ce produit est principalement réalisé par la source lumineuse DWDM + la technologie de modulation de la lumière au silicium. Avec le support de DCM + EDFA, il peut répondre à une transmission de 80 km et la bande passante totale d'une seule fibre prend en charge 48 ondes x100G = 4800G.

Figure 4 : Schéma de principe du module optique 100G QSFP28 DWDM

Avec ses avantages, les modules optiques PAM4 DWDM sont généralement utilisés dans la construction 100G et 400G, comme le DCI point à point, l'accès métropolitain Ethernet 100G basé sur DWDM, les liens de campus et d'entreprise, l'architecture d'accès mobile 5G, etc. Pour le centre de données DCI 80 km ~ 120 km, la technologie DWDM 50G/100G basée sur la modulation PAM4 d'ordre élevé peut rivaliser avec la cohérence 200G/Technologie DWDM 100G pour des parts de marché à faible coût. Comme indiqué dans le tableau ci-dessous :

Tableau 1 : Système 50G PAM4 DWDM VS Système 100G PAM4 DWDM VS Système cohérent 100G DWDM

Technologies critiques du schéma DP-QPSK cohérent 100G

1) Modulation par déplacement de phase en quadrature à multiplexage de polarisation (PM-QPSK)

QPSK est une méthode de modulation de bande de fréquence numérique multivariée (quaternaire). La porteuse sinusoïdale de son signal a 4 états de phase discrets possibles, et chaque phase de porteuse porte 2 symboles binaires. PM-QPSK divise un seul signal 100G en deux signaux de porteuse 50G avec différents états de polarisation et effectue une modulation QPSK sur chaque porteuse. Par conséquent, cette méthode peut réduire de moitié le débit en bauds du canal. Dans le même temps, étant donné que chaque état de polarisation peut utiliser 4 phases pour représenter les informations binaires, il est possible de réduire de moitié le débit en bauds du canal. Par conséquent, après le codage PM-QPSK, le débit en bauds peut être réduit à un quart du débit binaire.

Voici un diagramme schématique de la méthode de codage PM-QPSK :

Figure 5 : Diagramme schématique du codage PM-QPSK

 2) SD-FEC

La technologie FEC est largement utilisée dans les systèmes de communication optique. Différents FEC peuvent obtenir différentes performances système. Selon les différentes méthodes de traitement des signaux reçus, le FEC peut être divisé en codes de décision dure et douce.

Le code à décision dure est une méthode de décodage basée sur le point de vue traditionnel du code correcteur d'erreurs. Le démodulateur prend d'abord la meilleure décision ferme sur la valeur de sortie du canal. La redondance FEC de la décision dure est d'environ 7%, ce qui a été largement utilisé dans le domaine de la communication optique.

Le décodage à décision souple utilise pleinement les informations de forme d'onde émises par le canal. Le démodulateur envoie une sortie de valeur réelle du filtre adapté au décodeur, c'est-à-dire que le décodeur à décision souple a besoin non seulement de flux de code "0/1", mais également d'"informations logicielles" pour décrire la fiabilité de ces flux de code. Plus on s'éloigne du seuil de décision, plus la fiabilité de la décision est élevée, sinon plus la fiabilité est faible.

Pour refléter le degré de distance, il est nécessaire de diviser plus finement l'espace de jugement. En plus de diviser le seuil « 0/1 », les espaces « 0 » et « 1 » sont également divisés par le « seuil de confiance » pour illustrer la position relative du point de décision dans l'espace de décision. Par rapport à la décision dure, la décision douce contient plus d'informations sur le canal. Le décodeur peut tirer pleinement parti de ces informations grâce au décodage probabiliste, pour obtenir un gain de codage supérieur au décodage à décision dure.

L'OIF recommande que 100G choisisse le codage de correction d'erreur directe à décision souple (SD-FEC) avec une redondance inférieure à 20 %. Dans ce cas, le gain net de codage peut atteindre environ 10.5 dB. L'utilisation de la technologie SD-FEC 100G peut atteindre le même niveau de distance de transmission que 10G.

3) Technologie cohérente

La cohérence fait référence à un mécanisme de démodulation dans lequel les ondes ont la même quantité de vibration, la même direction et fréquence de vibration et une relation de phase fixe. C'est une méthode de détection dans laquelle la porteuse du signal modulé est multipliée par le signal modulé reçu, puis le signal modulé est obtenu par filtrage passe-bas.

La détection cohérente détecte les signaux sans fil optiques modulés en intensité, en phase et en fréquence. Le signal optique est mélangé avec le laser oscillateur local (LO) à l'extrémité de réception avant d'entrer dans le récepteur optique, ce qui donne une composante de fréquence intermédiaire égale à la différence entre la fréquence du laser LO et la fréquence de la source lumineuse d'origine.

Par rapport à la détection directe, la détection cohérente est susceptible d'obtenir un rapport signal sur bruit important. Il a plus de types de signaux récupérables et une meilleure sélectivité en fréquence, ce qui convient mieux aux systèmes DWDM. Le récepteur cohérent numérique mappe toutes les propriétés optiques du signal optique au domaine électrique par le biais de la diversité de phase et de la diversité de polarisation. Il utilise également une technologie DSP mature pour réaliser le démultiplexage de polarisation et la compensation des dommages de linéarité des canaux dans le domaine électrique. Tous ces éléments simplifient la conception de compensation de dispersion optique et de démultiplexage de polarisation dans le canal de transmission afin de réduire et d'éliminer la dépendance vis-à-vis des compensateurs de dispersion optique et des fibres à faible PMD.

Cependant, le récepteur cohérent numérique transfère la complexité de la conception du canal de transmission au récepteur. Le coût d'obtention de meilleures propriétés de détection en détection cohérente est que la complexité du système est fortement augmentée, et qu'il manque de flexibilité.

Principes de base de la mise en œuvre 100G

1) Principe de base de l'émetteur côté ligne 100G

L'objectif de conception du module optique côté ligne 100 Gb/s est de s'appliquer à la transmission optique longue distance et de prendre en charge la transmission côté ligne de l'équipement DWDM de l'OTU4. La figure suivante montre le schéma fonctionnel de l'extrémité de transmission du module optique côté ligne 100 Gb/s.

Figure 6 : Schéma de principe de l'émetteur du module optique de test de ligne 100 Gb/s

Comme le montre la figure, la lumière continue émise par le laser accordable intégré (ITLA) est envoyée au modulateur QPSK, qui devient deux ondes lumineuses après que le PBS est généré par un dispositif de séparation de polarisation dans le modulateur. Chaque lumière polarisée est modulée par un modulateur QPSK, et il y a des signaux I et O générés par le MUX lors de la modulation du signal. L'amplificateur à large bande et le pilote amplifient les signaux d'E et S et les appliquent au modulateur pour générer une modulation électro-optique.

Les deux signaux QPSK modulés sont synthétisés par un PBC et un signal multiplexé en polarisation PM-QPSK est émis. Pour le modulateur QPSK (modulateur), il est également nécessaire d'effectuer un contrôle de rétroaction (contrôle de polarisation MZ) pour les multiples points de polarisation de la phase I, Q et Pi/2 via un contrôle en boucle fermée, de sorte que le modulateur QPSK puisse Travailler de manière stable pendant une longue période dans un état de polarisation normal. De plus, l'unité de transmission code également les données de service à transmettre via le codeur SD-FEC et les entre dans MUX(X) et MUX(Y). Il génère des données série à 4 canaux à l'aide de la conversion parallèle-série et les transmet au pilote.

2) Principe de base du côté récepteur

Comme le montre la figure ci-dessous, le signal optique PM-QPSK est reçu par l'unité de réception cohérente du module optique après une transmission longue distance. Le signal optique est divisé en deux signaux optiques polarisés mutuellement orthogonaux par le séparateur de faisceau de polarisation, désigné par la direction X et la direction Y. Les signaux optiques dans les deux directions sont mélangés de manière cohérente à 90 degrés (900Hybrid) avec la lumière polarisée de l'oscillateur local correspondant. Le signal émis par la fréquence de mélange subit une conversion photoélectrique via un détecteur photoélectrique équilibré, puis est échantillonné et quantifié par l'ADC pour compléter la conversion analogique/numérique. Enfin, la séquence numérique discrète après échantillonnage et quantification est envoyée à l'unité DSP pour traitement.

Figure 7 : schéma fonctionnel d'un émetteur-récepteur optique côté ligne 100 Gb/s

Dans le DSP, le signal numérique est synchronisé par un traitement de récupération d'horloge. Le démultiplexage de polarisation et la suppression de la CD, de la PMD et de la dégradation de l'effet non linéaire partiel sont réalisés par égalisation du domaine électrique. La différence de fréquence entre la source lumineuse d'oscillation locale et la porteuse optique de transmission ainsi que l'effet du bruit de phase sont éliminés par la fréquence offestimation d'ensemble et traitement de jugement correspondant. Les données traitées sont ensuite envoyées à l'unité de décodage SD-FEC pour décodage, et enfin, le signal de données est récupéré.

3) Le principe de base de l'algorithme DSP

L'unité DSP complète l'algorithme DSP, qui est principalement divisé en cinq sous-fonctions : récupération d'horloge, égalisation avec démultiplexage de polarisation, estimation de porteuse, estimation de phase, trancheuse et décodeur. Son schéma fonctionnel est présenté dans la figure suivante.

Figure 8 : Schéma fonctionnel de l'unité de traitement numérique du signal

Ce qui suit présentera chaque unité dans le schéma fonctionnel :

• Récupération d'horloge numérique

L'objectif de la récupération d'horloge numérique est le suivant : étant donné que l'horloge d'échantillonnage du CAN est indépendante de l'horloge de symbole de l'extrémité émettrice, le temps d'échantillonnage de symbole des récepteurs à filtre d'interpolation doit être utilisé. Cela permet à l'horloge d'échantillonnage ajustée du récepteur de se synchroniser avec l'horloge de symbole de transmission, c'est-à-dire de garantir que le taux d'échantillonnage du CAN correspond exactement au débit de symbole.

• Égalisation et démultiplexage de polarisation

L'égalisation et le démultiplexage de polarisation sont effectués sur une seule polarisation. La fonction de l'égalisation est d'éliminer la diaphonie du signal causée par le facteur linéaire du canal. Il peut être réalisé par FIR avec des coefficients de prise fixes ou variables, tandis que le démultiplexage de polarisation doit être réalisé par un filtre papillon. Le démultiplexage de polarisation consiste à séparer deux signaux polarisés. En effet, lorsque le signal est transmis, il existe une diaphonie entre les deux polarisations (causée par le couplage de polarisation). Et en raison de la rotation de polarisation, la polarisation du signal après le PBS à l'extrémité de réception ne correspond pas à la polarisation initiale.

•  Fréquence porteuse offdéfinir l'estimation

En raison des caractéristiques non idéales du laser, la fréquence d'oscillation du laser oscillateur local dans le récepteur optique cohérent peut présenter un écart par rapport à la fréquence porteuse. Cette fréquence offensemble se reflète dans le symbole, qui est la phase offPositionner. Pour un système de modulation de phase tel que PM-QPSK, la phase offensemble causé par la fréquence offdoit être supprimé avant qu'il soit possible de démoduler le symbole de données final. Par conséquent, la fréquence offL'estimation d'ensemble est un module indispensable pour les récepteurs. Le principe est de détecter la taille de la fréquence offdéfinir, puis effectuez une correction de phase sur le symbole pour supprimer l'influence de la fréquence offfixé, selon la fréquence estimée offvaleur définie.

Figure9：fréquence porteuse offdéfinir l'estimation

• Phase porteuse offdéfinir l'estimation

En raison de la largeur de raie du laser, un certain déphasage se produit près de sa véritable fréquence d'oscillation. Compte tenu de l'erreur de fréquence offestimation d'ensemble, la phase offensemble du symbole après la fréquence offl'estimation d'ensemble existe toujours. Cette offset change avec le temps, qui peut couvrir toutes les plages de 0 à 2π. Le but de la récupération de la phase porteuse est de supprimer cette partie de la phase offréglé de manière à ce que la phase de symbole de sortie puisse être directement utilisée pour la décision de symbole. Le principe de base de l'estimation de la phase de la porteuse est que la phase inattendue offensemble de la phase d'information est obtenu et retiré de chaque symbole.

• Décodage et récupération de données

Pour QPSK, une fois la phase du signal récupérée, deux signaux I et Q polarisés peuvent être obtenus selon la règle de modulation de phase. Pour DQPSK, une fois la phase du signal récupérée, les phases des deux symboles doivent être soustraites pour obtenir deux signaux polarisés I et Q.

Caractéristiques techniques et avantages du système 100G

Comme nous le savons tous, chaque augmentation du débit monocanal sera limitée par les dégradations de transmission, notamment la tolérance OSNR, la dispersion chromatique, la PMD et la non-linéarité. Par conséquent, des technologies plus avancées sont nécessaires pour réduire l'impact de ces dégradations de la transmission. 100G intègre plusieurs technologies telles que le multiplexage de polarisation, la modulation de phase, le super FEC, la détection cohérente et le DSP. Les caractéristiques des solutions technologiques 100G actuelles sont les suivantes :

• En utilisant la technologie du multiplexage de polarisation et l'orthogonalité mutuelle entre les deux états de polarisation du signal optique, deux canaux d'information sont transportés sur la même porteuse optique. Ce faisant, le débit de symboles du signal est réduit de moitié. La combinaison de la détection cohérente avec l'ADC et le DSP est également une percée technologique clé dans le 100G. Par rapport à la détection directe et à la démodulation auto-cohérente, la combinaison de la détection cohérente et de la technologie DSP peut améliorer efficacement l'efficacité de la démodulation et la sensibilité du récepteur.
•  La technologie QPSK peut doubler la quantité d'informations transportées par la porteuse optique, et sa combinaison avec le multiplexage de polarisation réduit le débit en bauds du signal 100G à environ 25 Gbaud/s. Par conséquent, QPSK peut être appliqué dans le système OTN avec un intervalle de 50 GHz et peut réduire les exigences de signal pour la tolérance de non-linéarité de la fibre.
• La technologie 100G peut améliorer efficacement le gain de codage grâce à la solution LDPC (Low-Density Parity-Check Code) et à la méthode de décision souple.
• La combinaison de la détection cohérente avec l'ADC et le DSP est également une percée technologique clé dans le 100G. Par rapport à la détection directe et à la démodulation auto-cohérente, la combinaison de la détection cohérente et de la technologie DSP peut améliorer efficacement l'efficacité de la démodulation et la sensibilité du récepteur.

Conclusion

Pour l'interconnexion de centre de données (DCI) à moins de 100 km de distance de transmission, FiberMall fournit des solutions de 100G (2X50G PAM4) DWDM QSFP28 et 100G (1x100G PAM4) DWDM QSFP28. Pour les réseaux métropolitains, la distance de transmission est supérieure à 100 km, FiberMall fournit deux solutions longue distance, 1x 100G QSFP28 à 1x 100G CFP-CDO et 2x 100G QSFP28 à 1x 200G CFP2 DP-8QAM ou DP-16QAM. Grâce aux efforts conjoints de tous les employés de FiberMall, la technologie 100G DWDM est devenue très mature et a été largement déployée dans les centres de données et les réseaux métropolitains du monde entier.