Qu'est-ce que la communication optique à courte portée ?

Les communications optiques à courte portée peuvent être un peu surprenantes. Le domaine d'application le plus direct de la communication optique est la communication optique à très haut débit, à très grande capacité et à très longue distance. La communication optique a d'abord été utilisée pour résoudre la transmission de services de télécommunications longue distance à haut débit, puis a été lentement introduite dans le réseau du centre de données pour fournir des interfaces à haut débit côté client.

L'évolution du court Portée Communications optiques

À ce jour, il est déjà évident que la communication optique pénètre dans la transmission à plus courte portée. Par exemple, l'industrie a récemment utilisé la technologie optique co-emballée pour résoudre le problème de l'interconnexion optique dans les modules et entre les puces, et la capacité d'une seule puce de commutation atteindra 25.6 Tb/s. Comme le montre la figure 1, les scénarios d'application typiques de la communication optique à différentes distances de transmission et la pénétration à des distances plus courtes sont répertoriés.

Figure 1. Évolution des applications de communication optique

Ce n'est pas un hasard si de plus en plus d'applications pour les communications optiques se tournent vers les courtes distances. Cisco avait prédit cette tendance il y a plusieurs années, et elle s'est confirmée. Le trafic du réseau métropolitain a déjà dépassé les réseaux fédérateurs longue distance en 2017, et avec l'essor des réseaux de diffusion de contenu (CDN) et la croissance des services liés au cloud, le trafic lié au réseau des centres de données est désormais comparable au trafic Internet IP.

On s'attend à ce que d'ici l'année prochaine, la part du trafic dans les centres de données dépasse 70 %, tandis que la part du trafic est-ouest est de près de 85 %, dépassant de loin le trafic nord-sud, comme le montre la figure 2.

Figure 2. Répartition du trafic du centre de données prévu par Cisco en 2021

Par conséquent, il faut dire que le réseau du futur sera dominé par les centres de données, et la transmission optique à courte portée doit être soulignée. Non seulement cela, mais avec le changement d'architecture réseau, de nombreux contenus sont rapprochés des utilisateurs pour fournir des services à faible latence. Par conséquent, plus il y a d'applications à courte distance, plus la demande de bande passante est forte.

Le backbone long-courrier actuel vient d'être mis à niveau à 200G, mais la demande dans les centres de données à courte distance a longtemps atteint 400G, et certains seront même mis à niveau vers des débits d'interface de 800G. Cette année, l'Ethernet Alliance a publié la spécification Ethernet 800G. Évidemment, les applications à courte portée représentées par les centres de données, les grappes de calcul intensif et autres réseaux interconnectés sont devenues un nouveau point de croissance pour les communications optiques en dehors du marché des télécommunications, et l'importance est évidente.

Définition de court Portée Communication Optique

Qu'est-ce que la communication optique à courte portée ? Il existe de nombreuses réponses différentes.

L'IEEE définit la courte portée (SR) comme étant d'environ 100 m, et l'OIF définit la courte portée comme 300 m. Mais la communauté universitaire a même étendu la portée des communications optiques à courte portée à environ 100 km. Il semble qu'il n'y ait pas de chiffre clair pour définir clairement ce qu'est une communication optique à courte portée, et il vaut la peine de définir toutes les communications optiques dans l'intervalle de 100 m à 100 km comme une communication optique à courte portée dans la prochaine introduction. C'est-à-dire que la partie encerclée en rouge sur la figure 1, bien sûr, appelée communication optique à courte portée, est plus appropriée. Pour la communication optique à moins de 100 m, il convient de l'appeler interconnexion optique à courte portée, qui fait référence à l'interconnexion intra-système, inter-cartes ou embarquée.

Figure 3. Ventilation plus détaillée des scénarios et des technologies clés en bref gamme de communications optiques

Comme le montre la figure 3, la communication optique à courte portée est subdivisée et contient des scénarios tels que SR, DR, FR, LR, ER et ZR en fonction de la distance de transmission de proche à lointain.

Normes pour les communications optiques à courte portée

Pour ces différentes applications à distance, l'industrie a désormais également introduit 100G et les normes d'interconnexion optique côté client 400G, comme indiqué dans le tableau 1.

Tableau 1. Normes côté client relatives au 100G/400G

On peut voir que :

Pour 100 m, il s'agit principalement d'une technologie de transmission multimode avec un réseau de sources lumineuses VCSEL de 850 nm.

Pour 500m à 2km, la technologie de transmission monomode est couramment utilisée, et la source lumineuse est plus diversifiée, qui peut être 1310nm DML, SiP ou même EML.

Pour 10km à 40km, 1310/1550nm EML ou même MZM est requis. Le 1310 présente l'avantage d'une faible dispersion mais de pertes élevées et de l'absence d'amplificateur optique mature en bande O à faible coût à cette distance. L'avantage d'utiliser 1550 est la faible perte de la fibre, il y a un amplificateur optique mature, mais l'impact de la dispersion est plus important.

Outre les communications des centres de données, il existe une autre classe importante d'applications pour les communications optiques à 10 km, à savoir la construction frontale 5G qui bat son plein. Le tableau 2 résume les solutions techniques typiques et les normes correspondantes en Chine.

Le fronthaul 5G utilise principalement le multiplexage par répartition en longueur d'onde en bande O, en utilisant la modulation directe DML pour générer un signal NRZ de 25 Gb/s et la détection PIN à l'extrémité de réception, la principale difficulté est de réduire le coût et de contrôler le coût de dispersion des longues longueurs d'onde. La technologie basée sur DWDM devrait être difficile à mettre à l'échelle dans la transmission directe 5G, bien qu'il y ait un potentiel d'expansion et un budget de puissance plus importants, mais le coût EML + TEC ajustable est nettement plus élevé que les autres programmes.

Tableau 2. Comparaison technique des solutions de liaison 5G typiques

Bien sûr, pour la communication optique à 20 km, il existe également des applications importantes dans l'industrie des télécommunications, généralement appelées réseaux d'accès optiques, également appelés réseaux optiques passifs (PON). Ce domaine est une technologie entièrement normalisée au niveau international, et actuellement PON est passé par APON, BPON, G/EPON, 10G EPON, XGSPON, etc. Le débit le plus élevé disponible dans le commerce est le 10Gb/s symétrique. Mais la normalisation a été au premier plan, notamment le 40GTWDM-PON, également appelé NGPON2, qui a été achevé il y a quelques années. L'EPON 25G identifié en 2018, et même le PON 50G à onde unique actuellement discuté par l'ITU-T et l'IEEE. Le problème central dans ce domaine est la question du coût et du budget de puissance, qui se résume à l'absence de solutions de réception de modulation à haut débit et à haute sensibilité à faible coût. De plus, pour les applications ZR de 80 km, l'OIF a déjà publié un protocole de mise en œuvre 400ZR avec une modulation 60QAM de 16 Gbauds et un espacement des canaux de 100 G ou 75 GHz, tandis que l'IEEE discute également d'une norme ZR 100GE/400GBASE dans IEEE P802.3 ct/cw, qui devrait être au maximum compatible avec OIF 400ZR. Évidemment pour 100G ainsi que 400G ZR Niveau 80 km de l'industrie de la transmission optique généralement convenu que la nécessité d'introduire la technologie de détection cohérente 100G/400G.

Technologies de modulation et de multiplexage pour les communications optiques à courte portée

En termes de normes industrielles actuelles et de solutions du marché, il n'existe actuellement que deux formats de modulation largement adoptés par l'industrie à courte portée. L'un est 25Gb/s NRZ, qui est principalement utilisé dans les interfaces 4x25G 100G ; l'autre est la modulation PAM4 avec des débits à onde unique de 50 Gb/s et 100 Gb/s, qui peut être utilisée pour réaliser des interfaces 8x50G ou 4x100G 400G, ainsi que des interfaces côté client 1G à onde unique 100x100G. Pour le futur Interconnexions à courte portée 800G, il peut y avoir des solutions PAM8 100x4G et peut-être même 4x200G PAM4.

Pour la transmission optique cohérente à courte portée, aucun des schémas actuellement normalisés ne définit de techniques similaires à la mise en forme probabiliste PCS et au codage de correction d'erreur directe super puissant tel que LDPC. Parmi les systèmes cohérents qui ont déjà des standards, tels que MSA, OIF, ITU-T, OpenROADM, IEEE, CableLabs n'a défini que (D)QPSK, 8QAM, 16QAM, qui sont des formats de modulation relativement simples. En ce qui concerne le FEC, le premier MSA 100G définit le FEC HD en escalier avec 6.7 % de surdébit et NCG = 9.8 dB, plus tard le C-FEC défini dans OIF 400 ZR avec 14.8 % de surdébit et NCG = 10.8 dB pour 16QAM, et le O- FEC défini dans OpenROADM avec une surcharge de 15.1 %. Après trois itérations de décodage, le NCG du 16QAM peut atteindre 11.6dB.

En termes de méthodes de multiplexage, deux types de multiplexage sont souvent utilisés dans les interconnexions optiques à courte distance 100G/400G normalisées actuelles. L'un est le multiplexage par répartition spatiale, plusieurs connecteurs MPO fibre monomode/multimode pour obtenir une liaison multicanal. Le second est le multiplexage par répartition en longueur d'onde, où plusieurs longueurs d'onde sont transmises dans la même fibre monomode ou multimode.

Le tableau 3 résume la classification des technologies de multiplexage utilisées pour les débits d'interface 100G. Il convient de noter que la technologie silicium-optique utilisée dans les systèmes de multiplexage par répartition dans l'air peut avoir de meilleurs avantages en termes de coût, car une seule puissance de longueur d'onde est nécessaire pour se diviser en plusieurs chemins, puis dans le réseau de modulateurs silicium-optique. Non seulement vous pouvez contrôler la taille, mais vous pouvez également réduire le coût du laser. Cependant, le budget de puissance devrait être le principal obstacle pour la technologie optique au silicium dans les applications d'interconnexion optique à courte portée.

Tableau 3. Comparaison des technologies de multiplexage utilisées dans les interfaces 100G

Le contenu ci-dessus est la principale introduction de Fiber Mall à l'évolution des tendances des communications optiques à courte portée, des limites de distance, des avancées des normes, des technologies de modulation et de multiplexage couramment utilisées dans l'industrie, en mettant l'accent sur l'introduction des technologies utilisées dans les applications matures de l'industrie.

Fibre Mall discutera également de la technologie de modulation avancée, de la nouvelle technologie de détection, de l'algorithme DSP, de la comparaison de l'évolution de la technologie 800G/1.6T, etc. du point de vue du milieu universitaire.