Avancées dans la technologie de transmission optique 400G

Actuellement, le réseau de télécommunications fait face à des défis dans la transformation du réseau et l'amélioration de la bande passante. Par conséquent, l'amélioration du taux d'onde unique et de la distance de transmission des systèmes de transmission optique et l'augmentation de l'utilisation de la bande passante des systèmes de communication par fibre optique sont devenues des objectifs communs des opérateurs et des fournisseurs d'équipements pour répondre à la demande croissante de trafic réseau.

L'industrie collabore actuellement sur trois dimensions majeures pour accélérer l'évolution des réseaux optiques dorsaux vers la génération 80*400G.

Amélioration du taux

Le réseau dorsal évolue de 10G à 100G puis à 200G, avec une distance pratiquement inchangée et une capacité continuellement multipliée. Dans le contexte des mises à niveau de vitesse dans les ports de routeur, l'ère des ports 400G est arrivée et les opérateurs de télécommunications ont tous lancé des tests et des vérifications. En 2023, l'application de la dorsale 400G OTN devrait avoir lieu.

Amélioration de la capacité

Comme le réseau optique de base accélère jusqu'à 200G, il occupe une largeur de spectre de 75 GHz. Lorsqu'il se développera en 400G QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), il occupera une largeur de spectre de 150 GHz. Par rapport à 200G, l'efficacité spectrale de 400G n'a pas été amélioré, enfreignant la règle selon laquelle la capacité est multipliée par dix alors que le spectre de fréquences reste inchangé de 10G à 100G. En raison de l'influence de la limite de Shannon, l'ouverture de nouveaux chemins est nécessaire pour améliorer la capacité globale de transmission de la fibre.

La solution la plus pratique actuellement est l'expansion du spectre de fréquences de la bande C+L, y compris le plan d'expansion du spectre de fréquences C6T & L5T 11THz, qui a terminé les tests de réseau, et le plan d'expansion du spectre de fréquences C6T & L6T 12THz, qui a actuellement des tests en laboratoire capacités et est sur le point de terminer les tests de réseau, et l'optimisation continue des performances du système est en cours.

Dans le système 80*800G, une attention particulière sera accordée à l'élargissement du spectre de fréquences aux bandes S+C+L+U. Dans le même temps, à mesure que la vitesse du réseau dorsal augmente, de nouvelles technologies de fibre optique telles que les fibres multicœurs, les fibres à quelques modes et les fibres à cœur creux doivent être utilisées conjointement pour assurer une distance de transmission longue distance.

Amélioration de l'efficacité

À l'ère de 400G/800G, une nouvelle technologie DSP est adoptée, qui prend en charge plusieurs débits en bauds et la commutation de modes de modulation, et réalise la meilleure adaptation de différentes capacités sous différentes distances d'une manière définie par logiciel, maximisant le produit capacité-distance et spectral efficacité.

Progrès de la recherche sur le 400G à longueur d'onde unique+ Technologie

En ce qui concerne différents scénarios d'application tels que les réseaux métropolitains et interurbains, diverses technologies sont utilisées dans les systèmes de transmission 400G pour atteindre un équilibre entre les performances de transmission, l'efficacité du spectre et le coût. Le tableau 1 énumère les caractéristiques et les capacités des principaux systèmes à taux de longueur d'onde unique. Il existe des caractéristiques générationnelles distinctes entre les technologies 100G et 100G+. Dans les applications d'ingénierie, les modules courte distance de nouvelle génération et les modules longue distance de génération précédente coexistent généralement au sein de la chaîne industrielle, réalisant ainsi l'unification de la chaîne industrielle.

Tableau 1. Caractéristiques et capacités de différents systèmes de débit à une seule onde

Comme le montre la figure 1, il existe des représentations normalisées de la chaîne industrielle de débit en bauds partagé 200G PM-16QAM et 100G PM-QPSK, de la chaîne industrielle de débit en bauds partagé 32G PM-400QAM et 16G PM-QPSK, et de la chaîne industrielle de débit en bauds partagé 200G PM- QPSK et le futur 64G PM-400QAM partageaient une chaîne industrielle de débit en bauds de 800G.

Figure 1. Les représentations normalisées de chaîne industrielle à courte et longue portée

Actuellement, le 200G QPSK est largement utilisé et le 400G 16QAM avec un débit en bauds de 64G peut répondre aux besoins de transmission métropolitaine. La technologie de transmission 400G utilise actuellement une mise en forme probabiliste (PS) 16QAM à un débit en bauds de 96G, qui évoluera éventuellement vers un schéma QPSK à un débit en bauds de 128G. Par rapport au 400G PS 16QAM, les performances OSNR dos à dos du 400G QPSK sont d'environ 1 dB meilleures, tandis que la puissance d'entrée est augmentée de plus de 1 dB, ce qui le rend adapté à divers scénarios de transmission longue distance et compatible avec la future chaîne industrielle 800G 16QAM.

Au niveau de la puce, la technologie oDSP cohérente a traversé plusieurs générations d'évolution, et les différences entre les générations se reflètent principalement dans le taux d'onde unique le plus élevé, le type de code de modulation, ainsi que la taille et la consommation d'énergie. Actuellement, la puce oDSP 400G 16QAM utilise un processus de fabrication de 7 nm, consomme environ 8 W et prend en charge un débit en bauds de 64 G. Pour la prochaine génération d'applications 400G longue portée, le fabricant en chef oDSP a publié une feuille de route de produit 1.2T à onde unique et même des échantillons de modules, prenant en charge jusqu'à 140G de débit en bauds, en utilisant un processus de puce de 5 nm.

Du point de vue de l'algorithme oDSP, de la mise en forme de la constellation et de la haute performance FEC algorithme de codec sont plus critiques. La mise en forme de constellation est divisée en mise en forme géométrique (GS) et mise en forme probabiliste (PS), comme le montrent la figure 2 (a) et la figure 2 (b). GS et PS offrent de meilleures performances que la QAM conventionnelle en modifiant l'emplacement et la probabilité d'occurrence des points de constellation pour leur faire montrer une distribution spéciale.

Figure 2. Schéma de la mise en forme de la constellation

La technologie de codage de correction d'erreurs (FEC) haute performance peut obtenir un gain de codage net plus élevé en utilisant une combinaison de codage en cascade et de décision douce, de décodage itératif multiple.

Les dispositifs optoélectroniques hautes performances sont à la base de la réalisation d'une conversion haute fidélité des signaux électriques en signaux optiques. Face aux applications de transmission optique 400G longue portée, le débit en bauds du système est supérieur à 100 Gbd et la bande passante de la bande de fonctionnement du dispositif optique doit être supérieure à 50 GHz. À l'heure actuelle, les principaux fournisseurs basés sur les plates-formes de processus Silicon Photonics (SiP) ou Indium Phosphide (InP) pour effectuer des recherches sur la miniaturisation, l'intégration et les dispositifs d'émetteurs-récepteurs optiques à large bande passante, ont lancé une partie des échantillons quasi commerciaux.

La technologie avancée de conditionnement des dispositifs est également un moyen important d'optimiser la bande passante des puces optoélectroniques. Actuellement, les puces optiques en silicium peuvent augmenter la bande passante 3 dB d'un modulateur de 30 GHz à plus de 80 GHz en intégrant la fonction Driver's Peaking et l'optimisation du processus de conditionnement 2.5D/3D. Cela peut apporter plus de 2 dB d'amélioration de la tolérance OSNR dos à dos pour les signaux modulés d'ordre élevé 400G+, et la maturité croissante de cette technologie accélère encore la commercialisation des systèmes 128G longue portée 400 Gbd.

Dans les composants de base des systèmes optiques, l'amplificateur optique (OA) et le commutateur sélectif de longueur d'onde (WSS) sont les plus critiques. Actuellement, l'OA commercial est principalement un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA), qui prend en charge la bande C 4THz, 4.8THz et même la bande passante 6THz. Le goulot d'étranglement technique de l'amplification 6THz en bande L a été franchi, les performances de l'échantillon sont conformes aux attentes et les performances au niveau du système sont en cours de vérification et d'optimisation. Cependant, limité par l'efficacité d'amplification de la fibre dopée à l'erbium à grandes longueurs d'onde, l'indice de bruit de l'EDFA en bande L étendue peut être inférieur de plus de 1 dB à celui de la bande C étendue, et le coût et la taille du module augmentent également en conséquence.

À l'heure actuelle, le WSS commercial couvre la bande C 6 THz, une perte d'insertion typique d'environ 6 dB et le nombre de ports jusqu'à 32. En utilisant la dernière technologie à cristaux liquides haute résolution sur silicium (LCoS), une résolution de tranche de spectre WSS de 6.25 GHz, plusieurs constructeurs ont étendu la bande de travail à la bande L 6THz.

En termes de progrès des normes, le groupe d'étude 15 de l'Union internationale des télécommunications (ITU-T SG15) a mené des recherches sur les spécifications de la couche physique pour les interfaces 200G et 400G, et a adopté PM-16QAM comme type de code standard pour les applications métropolitaines 400G, promouvant le processus de normalisation du codage ouvert de correction d'erreurs sans voie de retour (oFEC). En outre, plusieurs organisations de protocole multi-sources (MSA) du secteur ont également publié des normes techniques pour 100G+. Par exemple:

• OpenROADM/OpenZR+ a publié la spécification du module optique cohérent 100~400G, prenant en charge les packages CFP2-DCO et QSFP-DD/OSFP, ajoutant 100/200G QPSK, 300G 8QAM et d'autres modes de modulation à la structure de trame 400ZR, et utilisant oFEC au lieu de FEC en cascade (cFEC) pour prendre en charge la transmission 450G de classe 400 km.
• La China Communications Standards Association (CCSA) a développé des normes pertinentes : le développement de normes de transmission optique et de modules pour les débits 100G et inférieurs est terminé, le projet de soumission 200G sélectionne principalement les types de code 200G QPSK, 8QAM, 16QAM, la norme de zone métropolitaine 400G utilise essentiellement un schéma à double porteuse 200G à onde unique, multiplexage par répartition en longueur d'onde optique (WDM) amélioré à longue portée N * 400G L'étude des exigences techniques du système et d'autres sujets de normes pour les applications à plus grande vitesse ont été achevés, indiquant clairement que QPSK est la solution idéale pour atteindre unique -onde 400Gb/s longue portée/ultra longue portée.

Progrès de la recherche sur la technologie d'extension de bande d'ondes

La technologie d'extension de bande est héritée de DWDM pour étendre davantage la bande passante de transmission disponible au-delà de la bande C traditionnelle et améliorer la capacité de transmission à fibre unique en augmentant le nombre de canaux pour la transmission co-fibre.

Sur la base du DWDM traditionnel en bande C, au cours des deux dernières années, les opérateurs et fournisseurs d'équipements chinois ont mené l'expansion de la bande Super C (C6T) pour augmenter la bande passante de la bande C de 4THz/4.8THz à 6THz, en conjonction avec l'atterrissage du schéma QPSK 200G avec un intervalle de 80 GHz à 75 ondes. En fait, la fenêtre à faible perte de la fibre monomode comprend non seulement la bande C, mais également les bandes O, E, S, L et U. Ces dernières années, quelques opérateurs et fournisseurs Internet aux États-Unis ont également déployé des systèmes C+L dans la transmission DCI et par câble sous-marin, ce qui peut doubler la capacité de la fibre. Avec la fibre monomode approchant la limite de capacité de 100 Tbit/s de Shannon, la technologie d'extension de bande est devenue un point chaud pour la recherche universitaire et industrielle. Actuellement, les opérateurs nationaux et les fournisseurs d'équipements promeuvent activement la mise à niveau de C6T vers C6T&L6 afin de fournir une capacité de transmission longue distance QPSK 80G à fibre unique à 400 ondes. L'architecture de base du système de transmission optique multibande est illustrée à la figure 3.

Figure 3. L'architecture de base du système de transmission optique multibande

Le développement actuel de la chaîne industrielle liée à C+L est présenté dans le tableau 2. On peut voir qu'avec les difficultés techniques surmontées, les progrès de développement de la chaîne d'approvisionnement des composants optiques à bande étendue C+L sont conformes aux attentes, et la nouvelle génération de couche optique large bande C6T + L6T 12 THz avec système optique QPSK 400G à onde unique devrait inaugurer le déploiement commercial d'ici 1 an.

Tableau 2. Progrès de la chaîne de l'industrie des composants clés du système C6T et L6T

L'effet SRS dans la fibre optique est considérablement amélioré avec l'expansion de la bande passante et l'augmentation de la puissance d'entrée et a un effet cumulatif sur les sections. Dans les systèmes C+L, non seulement des stratégies précises de gestion de la puissance optique sont nécessaires pour contrôler efficacement le gain et la pente au début, mais également la compensation des irrégularités de puissance causées par le SRS par le biais de configurations d'onde de remplissage. De plus, il est nécessaire de maintenir un état de configuration complet à tout moment pour réduire l'impact de la croissance dynamique des activités sur les entreprises existantes. S'appuyant sur l'expérience des systèmes de câbles sous-marins, la "substitution vraie-fausse" peut être obtenue en remplaçant les signaux commerciaux par des ondes de remplissage lors de l'ajout ou de la suppression de canaux, ce qui facilite l'activation et les tests commerciaux. Avant le réglage de la puissance, en raison du fort transfert de puissance SRS dans le système C+L, la planéité de la puissance à une seule onde à la fin du système se détériore gravement et ne peut pas répondre aux exigences des applications du système. La stratégie de pré-égalisation de puissance C+L ajuste le gain et la pente des gains du EDFA, résultant en des améliorations significatives de la planéité de la puissance, de la planéité OSNR et de l'OSNR minimum. L'algorithme d'ajustement automatique de la puissance et la configuration de l'onde de remplissage ont été entièrement validés lors d'essais sur le terrain, jetant les bases de déploiements commerciaux ultérieurs.

Progrès dans les systèmes 400G à porteuse unique

Dès 2020, FiberMall s'est associé à des fournisseurs d'équipements pour effectuer des tests sur une seule porteuse 400G 16QAM dans le réseau en direct, atteignant une distance de transmission allant jusqu'à 600 km. En octobre 2021, FiberMall a collaboré avec Huawei, ZTE et FiberHome pour achever la première validation de transmission optique haute capacité 400G monoporteuse à spectre ultra large au monde dans le réseau en direct, atteignant une distance de transmission de plus de 1000 km. En juillet 2022, FiberMall et ZTE ont simulé la longueur, la perte et la marge de maintenance de la fibre en laboratoire en fonction des exigences du réseau et ont effectué une vérification de transmission QPSK 400G, atteignant une distance de transmission de 3038 km sur 49 segments de relais non électriques. En janvier 2023, sur la base des résultats des tests de laboratoire, FiberMall a effectué des tests de réseau en direct QPSK 400G, couvrant quatre provinces, dont le Zhejiang, le Jiangxi, le Hunan et le Guizhou, impliquant 45 segments d'amplificateur optique, atteignant une distance de transmission record de 5616 km pour 400G Relais non électrique QPSK dans le réseau sous tension et vérifiant pour la première fois les performances de transmission de l'extension du spectre aux 6 THz de C6T+L12T.

Afin de disposer le réseau de puissance de calcul, il est nécessaire de promouvoir la recherche et le développement de technologies clés pour 400G, de réaliser une innovation technique complète en matière de modulation, de spectre et d'infrastructure, et de continuer à promouvoir l'évolution de la technologie de communication optique de nouvelle génération sur cette base, construire une base entièrement optique pour le réseau de puissance de calcul et contribuer au développement de l'économie numérique.