400G DWDM : Combinez l'émetteur-récepteur QSFP-DD avec DWDM Coherent

La combinaison du DWDM et de la technologie de routage est la clé de la mise en œuvre du module optique 400G QSFP-DD DWDM. Ces dernières années, les produits DWDM cohérents sont prêts à suivre le rythme de l'introduction des modules optiques enfichables cohérents DWDM 400G.

Ce document étudiera l'évolution de la technologie DWDM cohérente, afin d'étudier plus avant les détails du module optique enfichable cohérent DWDM 400G, et d'explorer comment réaliser l'intégration de la technologie DWDM et de routage.

Pourquoi le 400G DWDM QSFP-DD ZR utilise-t-il la technologie cohérente ?

Le module optique de réception cohérent fait référence au module optique avec une conception cohérente à l'extrémité de réception, qui est principalement utilisé dans la technologie de transmission de deuxième génération du système WDM.

La première génération de WDM n'utilise pas la technologie de réception cohérente.

1. Pourquoi utiliser WDM ?
2. Pourquoi utiliser DWDM ?
3. Pourquoi DWDM a besoin d'une technologie cohérente pour augmenter la bande passante ?

Lorsque la communication par fibre optique a été proposée pour la première fois dans les années 1970, on disait que la fibre optique avait une bande passante presque illimitée, une perte presque nulle et un coût presque nul. Il y avait une grande valeur industrielle.

Maintenant, il a essentiellement réalisé un faible coût et une faible perte. Mais une grande capacité pour les longues distances n'a pas été atteinte.

La fréquence de la lumière adaptée à la transmission par fibre optique est de 190-230 THz, ce qui est une grande fréquence porteuse. Cependant, en raison de la limitation de la technologie de modulation du signal et de la technologie de démodulation dans l'industrie, nous pouvons vraiment utiliser la bande passante du signal en dizaines de GHz, ce qui ne fait pas bon usage de l'énorme fréquence porteuse de la lumière.

Une faible perte est un facteur important pour étendre la distance de transmission. Mais en réalité, le guide d'onde de la fibre est très petit. En raison de la densité de puissance requise de la fibre entrante, le guide d'ondes ne peut pas être trop grand ou il brûlera ou excitera des effets non linéaires. Lorsque le signal modulé entre le rapport signal sur bruit et l'extrémité de réception, peut atteindre des centaines voire des milliers de kilomètres de transmission, la fibre ne peut en réalité effectuer qu'une centaine de kilomètres de distance de transmission, ce qui est un gaspillage pour le signal.

Comment augmenter la capacité

Si vous ne pouvez pas augmenter la bande passante du signal modulé, vous pouvez utiliser la technologie de division de longueur d'onde pour transmettre plus de canaux.

Comment étendre la distance de transmission de la fibre optique

Vous pouvez utiliser la technologie de relais pour transmettre une section à la fois jusqu'à ce que le rapport signal/bruit du signal optique atteigne sa limite.

Division de longueur d'onde

Il peut augmenter la capacité.

Relais

Il peut étendre la distance de transmission équivalente. L'amplificateur optique utilisant EDFA pour le relais était un excellent choix pour le relais à faible coût dans les années 1990.

Pour accueillir l'EDFA à faible coût pour l'amplification de relais, il est nécessaire de placer plusieurs longueurs d'onde dans la fraction d'onde dans le spectre de gain de l'EDFA.

La première division en longueur d'onde a relevé à la fois le défi d'augmenter la capacité de transmission dans des conditions industrielles limitées et le défi d'utiliser des relais à faible coût pour étendre les distances de transmission.

Mais à mesure que la capacité de la fibre continue d'augmenter, il existe deux voies pour augmenter le nombre de longueurs d'onde et augmenter le taux par longueur d'onde.

Mais cela crée de nouveaux problèmes.

Tout d'abord, augmentez le nombre de longueurs d'onde. Ces longueurs d'onde doivent être contrôlées dans le pic de gain de l'amplificateur optique, ce qui se traduit par des intervalles de longueur d'onde de plus en plus petits.

La seconde consiste à augmenter le taux par longueur d'onde. Le débit augmente de plus en plus à partir de 622M, 1.25G et 2.5G, et la distance de transmission devient de plus en plus courte. La raison en est que la sensibilité du côté récepteur se détériore, tandis que la puissance du côté émetteur ne peut pas être augmentée en continu et est limitée par la puissance totale de la fibre entrante. Il existe également un inconvénient selon lequel plus le débit du signal est élevé, plus l'étalement du domaine fréquentiel est important et la nécessité d'élargir l'intervalle de longueur d'onde.

Si la distance est plus courte, le nombre de longueurs d'onde diminuera. C'est une contradiction.

Pour résoudre ce problème, nous devons améliorer la sensibilité à la réception. Il est possible d'augmenter le débit tout en conservant les caractéristiques d'une longue distance de transmission.

Comment améliorer la sensibilité ? Augmentez le signal ou réduisez le bruit.

L'augmentation du signal peut être obtenue par des interférences constructives. Et la réduction du bruit peut être obtenue par des calculs différentiels ou par des interférences destructives. À la réception, l'ajout d'une conception d'interférence de signal peut améliorer le rapport signal sur bruit et optimiser la sensibilité.

L'interférence du signal dépend de la phase. Puisque la phase est maîtrisée, quel gâchis de faire un set de modulation de phase 0/180°. Vous pouvez utiliser 45° et 225°, superposés avec 135°/315°, deux ensembles de modulation de signal. Cela doublerait la quantité de bits transmis sans augmenter la bande passante du signal.

Le multiplexage par répartition en longueur d'onde d'IMDD basé sur NRZ améliore le débit de chaque longueur d'onde. Parce que la sensibilité se détériore, la distance de transmission se raccourcit. Plus le débit du signal est élevé (largeur de bande essentiellement), plus l'élargissement du domaine fréquentiel est important et plus il est nécessaire d'élargir l'intervalle de longueur d'onde, ce qui affecte l'augmentation du nombre de longueurs d'onde.

Basé sur le format de modulation de DP-QPSK, le débit binaire peut être augmenté sans augmenter la bande passante. Sans augmenter la bande passante, le domaine fréquentiel n'a pas besoin d'être élargi, de sorte que le déploiement du nombre de longueurs d'onde n'est pas affecté.

Sur la base d'une réception cohérente, par interférence, le signal est amélioré, le bruit est supprimé, le rapport signal sur bruit est amélioré et la distance de transmission ne deviendra pas plus courte, mais sera étendue.

Revenons à notre ligne principale avec des modules optiques cohérents, augmentant la capacité et étendant la distance. C'est la compétitivité technique du module optique cohérent utilisé dans la dorsale du cœur de réseau à grande capacité et longue distance.

Modules optiques cohérents, il existe plusieurs branches importantes de la technologie.

1. Le contrôle de phase, qui nécessite que l'industrie ait la capacité de réaliser une fabrication en série à faible coût. Ces technologies ont mûri vers 2005, et le module cohérent est entré en phase d'industrialisation vers 2010.

Pour interférer à l'extrémité de réception, un oscillateur local est nécessaire, et la lumière est une onde électromagnétique, elle est donc également appelée lumière oscillante locale (LO). Plus la fréquence est pure, meilleure est l'amplification après interférence, ce qui est une exigence pour la largeur de ligne étroite du LO. Comme le module cohérent est utilisé dans le système de division de longueur d'onde, il est capable d'accorder la longueur d'onde, il a une adaptabilité relativement forte, c'est la raison pour laquelle LO a besoin d'être accordable en longueur d'onde.

 

Lorsqu'il y a un besoin d'interférence, on l'appelle généralement un mélangeur. Au début, on utilisait à cet effet des automates programmables en oxyde de silicium à base de silicium, qui présentaient de faibles pertes mais ne pouvaient pas intégrer de détecteurs. Plus tard, InP a été utilisé, puis la lumière de silicium, les deux semi-conducteurs peuvent intégrer le mélangeur et le détecteur.

Pour résoudre la relation entre la phase et l'amplitude du détecteur, la quantité d'arithmétique est très importante, et avec l'industrialisation des modules optiques cohérents, le DSP a également commencé à devenir un composant important du module.

 

DSP, traitement du signal numérique, prend les informations individuelles transmises par le signal optique et utilise des algorithmes pour analyser le signal après la conversion analogique-numérique. L'algorithme est un travail important, y compris comment calculer la dispersion et la compensation, comment effectuer la prédiction et la compensation de la dispersion de polarisation, et comment calculer l'écart de fréquence, etc.

En plus de l'algorithme, une autre difficulté du DSP est la forte consommation d'énergie. Une voie pour réduire la consommation d'énergie consiste à utiliser la capacité de traitement de haute précision des semi-conducteurs. Vers 2010, DSP utilise le processus CMOS d'environ 65 nm. D'ici 2023, la technologie DSP peut déjà atteindre 5 nm, 7 nm et la consommation d'énergie est considérablement réduite.

 

Les modules optiques cohérents ont des modulateurs IQ, une double polarisation, une modulation à double polarité et quatre modulateurs d'amplitude équivalents afin de ne pas gaspiller le contrôle de phase et le contrôle de polarisation.

 

Les modulateurs IQ des années précédentes utilisaient du niobate de lithium, mais la taille était très grande. Plus tard, il y a eu une technologie de modulation miniaturisée à base d'InP, dont la taille n'est que d'un tiers du niobate de lithium. Puis plus tard, il y a eu l'intégration de la photonique au silicium, l'intégration de la photonique au silicium peut envoyer une modulation IQ, les ICR sont assemblés, envoient et reçoivent ensemble COSA (plus tard IC-TROSA). La taille était plus petite.

Au fur et à mesure que l'industrie se développait, l'efficacité de codage de QPSK a été encore améliorée. Avec QAM8, QAM16 est industrialisé pour atteindre plus d'efficacité de bit.

 

Le scénario d'application des modules optiques cohérents a également commencé à avoir une nouvelle expansion. En dehors de l'épine dorsale du réseau central de télécommunications traditionnel, l'interconnexion entre les données, il y a aussi une tendance de grande capacité et longue distance. WDM utilisé dans les premiers jours de l'interconnexion des centres de données DCI est un transfert direct et IM/DD de WDM.

Les mêmes contradictions existent dans la poursuite de l'augmentation de capacité comme dans le précédent réseau dorsal. Aujourd'hui, en tirant les leçons de l'expérience antérieure, une technologie cohérente peut encore augmenter la capacité sans raccourcir la distance.

C'est le début du 400G ZR pour la deuxième génération de DCI.

 

 

Le développement de DWDM Optique cohérente

En moins de 10 ans, le module DWDM a fait de grands progrès, les dispositifs optiques deviennent de plus en plus petits, et la vitesse est de plus en plus élevée. Il a été multiplié par 10 dans la même période : de 40G en 2011 à 400G. En 2022, des modules optiques enfichables 800G sont déjà apparus sur le marché.

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

L'introduction de la technologie optique cohérente est l'une des innovations les plus importantes dans le développement du système DWDM. L'équipement optique cohérent utilise des dispositifs optiques avancés et des processeurs de signaux numériques (DSP) pour envoyer et recevoir une modulation complexe des ondes lumineuses, afin de réaliser une transmission de données à grande vitesse. À un niveau très élevé, la modulation cohérente reste la force motrice des dispositifs optiques à haut débit, y compris 400G et à débit supérieur émetteurs-récepteurs cohérents.

Le premier système DWDM cohérent disponible dans le commerce est le 40G, suivi du 100G. Ces systèmes sont basés sur des cartes de ligne et des châssis. Ils peuvent prendre en charge de nombreuses cartes de ligne dans chaque système et occupent le même espace que les produits au débit 10G. C'est un progrès majeur. Maintenant, ils peuvent transmettre un débit de 100G et une distance de transmission plus longue. Au fil du temps, les vitesses des cartes de ligne ont augmenté jusqu'à 200G et au-delà, mais l'industrie approche d'un point d'inflexion avec l'avènement des fournisseurs de cloud.

Plus précisément, alors que les réseaux des fournisseurs de cloud commencent à croître de manière exponentielle, les fabricants sont de plus en plus sous pression pour créer des composants réseau plus petits, plus rapides et moins chers. C'est ce point d'inflexion qui a conduit à l'émergence des systèmes DWDM à transpondeur optique. Le système de transpondeur optique élimine le châssis et la carte de ligne. Il s'agit d'un système autonome physiquement petit, un petit commutateur de centre de données d'une hauteur de 1 ou 2RU (1.5″-3″). La clé de la faisabilité du boîtier de transpondeur optique est la séparation des deux principaux composants de la transmission optique cohérente : le dispositif optique (laser, récepteur, modulateur, etc.) et le DSP (processeur de signal numérique).

Et ces innovations ont donné naissance au CFP2-ACO (Analog Coherent Optics) enfichable, un module DWDM enfichable avec une taille CFP2 relativement petite. La technologie DSP évolue également afin qu'une seule puce DSP puisse prendre en charge plusieurs modules CFP2-ACO. Ainsi, en plaçant plusieurs DSP dans le transpondeur optique, les fabricants ont produit des systèmes capables de transmettre 2Tbps (connexions client 20x100G) dans 2 unités de rack (3″). En revanche, un système basé sur châssis nécessiterait 12 unités de rack. En plus d'économiser de l'espace, ils sont plus économes en énergie.

Bien sûr, ce qui précède est une explication très simple de la transmission de signaux cohérents. En fait, le but des développeurs est de convertir les signaux numériques en signaux analogiques pour transmettre des données et de reconvertir les signaux analogiques en signaux numériques à l'autre extrémité.

Cependant, le CFP2-ACO ne peut traiter que des signaux analogiques, mais pas des signaux numériques. Il reçoit le signal analogique cohérent à transmettre du DSP ou transmet le signal analogique cohérent reçu au DSP pour le convertir en un signal numérique, comme illustré sur la figure.

Système de transmission CFP2-ACO DWDM

Le système CFP2-ACO a été largement utilisé dans l'ensemble de l'industrie et est devenu la forme standard de transmission optique dans presque tous les réseaux de fournisseurs de cloud.

Parallèlement, avec l'introduction de CFP2-DCO, l'optique DWDM cohérente enfichable continue de se développer. "D" signifie "numérique" en optique cohérente numérique. Les développeurs d'optique cohérente ont une fois de plus réduit la taille et la consommation d'énergie des composants, de sorte que les dispositifs optiques et le DSP sont placés dans CFP2. De cette manière, il n'est pas nécessaire d'utiliser le rack pour accueillir le DSP, de sorte que la transmission DWDM cohérente peut être effectuée directement depuis le routeur ou le commutateur, ce qui est le tournant de la véritable intégration du DWDM et du routeur.

Transmission DCO DWDM dans un routeur ou un commutateur

Désormais, les modules optiques cohérents ont évolué vers 400G ZR et 400G ZR+ dans des boîtiers QSFP-DD, utilisant la même technologie que CFP2-DCO mais dans une taille plus petite. Un tel boîtier compact abritant des dispositifs optiques cohérents DWDM 400G fournit une solution viable pour la convergence du routage et du DWDM.

 

400G Normes d'émetteur-récepteur optique cohérent DWDM

400G a évolué au point où il existe plusieurs normes. Ceux-ci incluent 400ZR, 400G ZR+, 400G OpenROADM et 400G OpenZR+, qui vont dans des directions légèrement différentes.

Le premier était l'Optical Interconnect Forum (OIF), qui a créé la norme 400ZR. 400ZR cible les applications d'interconnexion de centres de données en périphérie et à relativement courte portée (moins de 120 km). À peu près à la même époque, le protocole multisource OpenROADM a également défini les spécifications pour le pluggable DWDM 400G, avec des spécifications axées sur les réseaux de fournisseurs de services, tels que le transport optique longue distance (> 120 km), la correction d'erreurs avancée (oFEC) et les débits de données optionnels. (100G, 200G, 300G ou 400G). Bien que des fonctionnalités supplémentaires puissent être implémentées, plus de puissance est nécessaire que les 15 W spécifiés par ZR. Pour cette raison, la spécification OpenROADM est appelée 400G ZR +.

Finalement, entre les deux organisations et divers fabricants d'appareils optiques, ils se sont mis d'accord sur la meilleure norme pour combiner OIF et OpenROADM, et l'ont appelée OpenZR+. En combinant les caractéristiques de chaque dispositif dans le même boîtier, un dispositif optique DWDM cohérent très polyvalent peut être fourni, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Nous pouvons voir que dans l'amélioration continue de l'emballage, de la fonction et du débit de données du module optique, la plage de transmission optique s'élargit de plus en plus et la distance de transmission s'allonge. En utilisant la norme OpenZR+, une distance de transmission de 1400 km peut être atteinte, soit plus de 10 fois la distance de transmission de 400ZR. Avec le DWDM 400G haute densité dans les routeurs, combiné à la simplicité de l'ingénierie du trafic et à la redondance des chemins du routage segmenté, nous pouvons nous attendre à un changement majeur dans l'architecture du réseau de transmission.

 

En Novembre 2020, FibreMall a été invité à être le premier membre contributeur d'OpenZR+ MSA. FiberMall offinvesti ici dans le développement de modules optiques cohérents au début de 2018, ouvert à une coopération stratégique avec la chaîne d'approvisionnement en amont pour optimiser l'innovation dans la conception à faible puissance et le modèle de modulation de signal, et obtenu des résultats significatifs. Maintenant, nous avons lancé des modules optiques cohérents numériques 100G CFP-DCO, 100G CFP2-DCO et un émetteur-récepteur optique cohérent 200G DWDM, et un émetteur-récepteur optique cohérent 400G DWDM avec une stricte conformité aux normes OpenZR+ pour l'interconnexion des centres de données et les réseaux métropolitains pour la transmission optique ultra-longue distance. .