La consommation de liaisons optiques cohérentes conduira à une croissance fulgurante dans les prochaines années. Ces nouvelles applications présentent également de nouvelles exigences pour le système d'émetteur-récepteur optique cohérent, qui favorise l'évolution des unités d'émetteur-récepteur cohérentes depuis l'intégration d'origine avec les cartes de ligne et les émetteurs-récepteurs MSA vers des émetteurs-récepteurs optiques enfichables indépendants et normalisés. Cet article traite de la tendance de développement des émetteurs-récepteurs optiques cohérents enfichables et compare et analyse les normes cohérentes 400G.
Développement d'émetteurs-récepteurs optiques cohérents enfichables
Par rapport aux émetteurs-récepteurs optiques clients utilisés dans le MAN ou le centre de données, l'unité d'émetteur-récepteur optique cohérente utilisée dans le réseau de transmission optique est généralement intégrée ou intégrée sur la carte unique côté ligne, avec les inconvénients d'une faible densité de ports, d'une grande puissance de volume consommation, conception non standard, etc. Pendant longtemps, les opérateurs de réseau ont espéré que l'émetteur-récepteur optique de transmission ait un facteur de forme identique ou similaire à celui des émetteurs-récepteurs optiques clients. Ces dernières années, les puces DSP avancées avec la technique CMOS et la technologie photonique intégrée ont progressé, rendant possibles des émetteurs-récepteurs optiques à boîtier cohérent enfichables de plus petite taille et à faible consommation d'énergie.
Après des années de développement, les émetteurs-récepteurs optiques standardisés et enfichables sont devenus un choix incontournable pour la transmission de service côté ligne des communications optiques. La tendance de développement des émetteurs-récepteurs optiques cohérents utilisés dans les réseaux MAN et backbone présente les caractéristiques suivantes :
-Grande vitesse: évoluer de 100G/200G à 400G, puis à 800Gbps ;
-Miniaturisation : passer du facteur de forme 100G MSA à CFP/CFP2DCO/ACO, les normes de conditionnement actuelles sont 400G OSFP DCO, QSFP-DD DCO, etc. (comme illustré à la Figure 1) ;
-Faible consommation d'énergie: Compte tenu des exigences globales de consommation d'énergie du système, par exemple, la consommation d'énergie des émetteurs-récepteurs optiques cohérents dans le facteur de forme QSFP-DD n'est pas supérieure à 15 W ;
-Normalisation de l'interconnexion : Traditionnellement, les fabricants d'équipements utilisent leurs propres cartes d'interface dédiées et utilisent des méthodes de modulation d'ordre élevé et des algorithmes FEC propriétaires. Les interfaces de différents fabricants ne peuvent pas communiquer entre elles. Par conséquent, l'interconnexion des émetteurs-récepteurs optiques cohérents est la direction dans laquelle l'industrie s'est orientée.
Figure 1 Émetteurs-récepteurs optiques cohérents enfichables dans trois boîtiers normalisés (QSFP-DD, OSFP, CFP2-DCO)
200G CFP2-DCO et 400G QSFP-DD ZR sont les émetteurs-récepteurs optiques cohérents les plus populaires de Fibermall.
-Les caractéristiques du 200G CFP2-DCO sont les suivantes :
Disponible dans un facteur de forme CFP2 enfichable à chaud
Laser à largeur de raie ultra-étroite accordable à bande C-Band
Distance de transmission jusqu'à 80 km/500 km via une fibre monomode
Utilisation de la modulation DP-QPSK
Deux ports optiques LC
La température de fonctionnement de qualité commerciale varie de 0 à 70 ℃
Tension d'alimentation 3.3V
Conforme RoHS (sans plomb)
-400G QSFP-DD ZR :
Idéal pour Edge DCI
Conforme à l'Open Internetworking Forum (OIF)
Prend en charge les débits de données 400G
Fournit une portée jusqu'à 120 km point à point
Avec le développement des services Internet, la construction d'une infrastructure cloud et le besoin d'informatique IA, les opérateurs de télécommunications et de centres de données ont mis en avant des exigences claires pour l'interopérabilité des émetteurs-récepteurs optiques de différents fabricants.
En termes de normes FEC, il existe différents types tels que GFEC, SCFEC, RS10, CFEC, oFEC, SD-FEC, etc., correspondant à différents taux et normes, qui peuvent être généralement divisés en trois générations : la première génération est le bloc code, l'exigence de gain est de 6 dB et la surcharge est de 6.7 % ; La deuxième génération est une itération d'entrelacement en cascade, avec une exigence de gain de 8 dB et une surcharge de 6.7 % ; la troisième génération est un SD-FEC à décision douce, avec une exigence de gain de 11dB et une surcharge de plus de 25%, utilisant le code de produit turbo (TPC) et l'algorithme de vérification du code de contrôle de parité à faible densité (LDPC), et le nouveau La génération de FEC basée sur la mise en forme de la probabilité de constellation n'a pas encore publié de norme.
En ce qui concerne l'algorithme DSP, en prenant 400ZR comme exemple, le format de trame, le codage non différentiel, les marques de réglage, les règles de mappage des symboles, les séquences d'apprentissage, les symboles pilotes et d'autres informations nécessaires à l'intercommunication sont normalisés. En termes de normes SIG, il existe déjà différents types de normes telles que CFP MIS, C-CMIS et CMIS. Les produits émetteurs-récepteurs optiques cohérents de ZTE ont toujours été à la pointe du secteur. Il a successivement lancé des émetteurs-récepteurs MSA 100G/200G/400G/600G auto-développés et a pris les devants dans l'industrie pour lancer des émetteurs-récepteurs optiques enfichables de la série 100G CFP, 200G/400G DCFP2, DCFP2/QSFP-DD et d'autres émetteurs-récepteurs enfichables hautement intégrés utilisant l'auto- -des puces optiques et électriques développées sont également progressivement développées.
Analyse comparative des normes cohérentes 400G
La technologie cohérente commerciale actuelle s'est développée en 800G à longueur d'onde unique, mais actuellement, 800G n'a pas de normes pertinentes dans l'industrie, tandis que la technologie cohérente 400G a trois normes : 400ZR, OpenROADM et OpenZR+.
400ZR est un projet lancé par l'Optical Internetworking Forum (OIF) en 2016 pour normaliser une interface d'émetteur-récepteur optique cohérente interopérable avec un budget de puissance pouvant prendre en charge des facteurs de forme tels que QSFP-DD et OSFP pour l'interconnexion de centres de données (DCI) émetteurs-récepteurs optiques cohérents 400G. Ce facteur de forme proposé par l'OIF se concentre sur certaines applications où les performances de transmission peuvent être sacrifiées car elles doivent atteindre l'objectif de puissance de l'émetteur-récepteur de 15 W.
OIF-400ZR est destiné aux applications DCI en périphérie. Le côté client ne définit qu'un débit de 400 GbE, la distance de transmission est de 80 à 120 km et la correction d'erreur directe CFEC est utilisée. L'OIF a démontré que des normes d'interopérabilité cohérentes sont possibles, et sa solution 400ZR proposée est bien soutenue dans l'industrie. Dans le même temps, les opérateurs système ont prouvé qu'il était possible d'améliorer encore les performances thermiques de ces facteurs de forme haute densité, permettant aux émetteurs-récepteurs optiques dotés de ces facteurs de forme de prendre en charge des fonctions supplémentaires pour fournir des performances supérieures.
Sur la base du succès de l'OIF, les opérateurs de télécommunications dirigés par AT&T ont défini la norme OpenROADM MSA qui peut prendre en charge une transmission à plus longue distance. OpenROADM est conçu pour les réseaux OTN qui doivent prendre en charge d'autres protocoles et augmenter le taux de bits de surdébit correspondant. OpenROADM MSA est principalement destiné aux applications de réseau ROADM des opérateurs de télécommunications. Il définit les débits 100G, 200G, 400GbE et OTN sur l'interface du terminal, avec une distance de transmission de 500 km. Il adopte un algorithme de correction d'erreur directe FEC (oFEC) ouvert.
400ZR et OpenROADM définissent respectivement les types et les caractéristiques de performance des émetteurs-récepteurs optiques cohérents enfichables pour l'interconnexion des centres de données et les réseaux de transmission optique de télécommunications, mais chacun présente certaines limites et lacunes. Par exemple, 400ZR ne prend en charge que les interfaces côté client 400GbE, tandis qu'OpenROADM ne s'applique qu'aux scénarios réseau des opérateurs de télécommunications. Par conséquent, certains fabricants traditionnels du secteur ont combiné les avantages respectifs des normes OIF-400ZR et Open ROADM et ont lancé une autre norme MSA, OpenZR+. La relation d'évolution générale de ces trois normes est illustrée à la figure 2.
Figure 2 Développement et évolution des normes d'interopérabilité pour les émetteurs-récepteurs optiques cohérents
OpenZR + MSA a une gamme d'applications plus large et vise les opérateurs de métro, de backbone, DCI et de télécommunications, afin d'obtenir des fonctions améliorées et des performances améliorées dans des formes enfichables telles que QSFP-DD et OSFP pour prendre en charge l'interopérabilité multi-fournisseurs. OpenZR + maintient non seulement l'interface hôte pure Ethernet simple de 400ZR, mais ajoute également la prise en charge des fonctions Ethernet multi-débit et de multiplexage de l'interface de ligne 100G, 200G, 300G ou 400G, et adopte l'OpenROADM MSA et oFEC normalisés par CableLabs, résultant en une plus grande tolérance de dispersion et gain de codage plus élevé. En septembre 2020, OpenZR+ a publié sa première version publique du livre de métriques. Les principaux indicateurs de performance des émetteurs-récepteurs optiques cohérents définis par les trois normes OIF-400ZR, Open ROADM et OpenZR+ sont présentés dans le tableau 1.
Tableau 1 Comparaison des paramètres standard d'interopérabilité des émetteurs-récepteurs optiques cohérents 400ZR, OpenROADM, OpenZR+
Il est avantageux pour les opérateurs de réseau d'utiliser le même facteur de forme sur les émetteurs-récepteurs optiques côté ligne que celui du côté client, ce qui réduit les coûts grâce à une architecture de réseau plus simple. Combiné avec la tendance récente de l'industrie du système de ligne ouverte (OLS), ces émetteurs-récepteurs optiques de transmission peuvent être directement insérés dans des routeurs sans systèmes de transmission externes. Cela simplifie la plate-forme de contrôle tout en réduisant les coûts, la consommation d'énergie et l'encombrement. Par exemple, dans le scénario d'application réseau illustré à la Figure 3, l'utilisateur peut choisir d'insérer directement l'émetteur-récepteur optique cohérent qui répond aux exigences d'OpenZR+ dans le port du routeur prenant en charge OLS, ou de l'insérer dans le port côté ligne du dispositif de transmission utilisé pour réaliser la conversion de protocole de signal. , puis connectez-vous au routeur via le port côté client de l'appareil. Les fournisseurs de DSP cohérents et d'émetteurs-récepteurs optiques cohérents mènent activement des tests d'interopérabilité des émetteurs-récepteurs optiques cohérents, tels que Acacia, NEL, Inphi, NeoPhotonics, etc. À l'heure actuelle, les émetteurs-récepteurs optiques cohérents à courte distance de transmission peuvent interagir avec plusieurs fabricants.
Figure 3 Application prenant en charge OpenZR+
Analyse de l'évolution technologique après l'application de la cohérence 400G
Du point de vue de l'évolution de la normalisation, la prochaine génération de produits enfichables cohérents 400G adoptera probablement un débit 800G à onde unique. Récemment, l'OIF envisage de développer une norme technologique cohérente de nouvelle génération - 800ZR. À l'heure actuelle, la considération initiale est de prendre en charge des liaisons DWDM de 80 à 120 km (amplifiées) pour les scénarios DCI et des liaisons de 2 à 10 km sans amplification pour les scénarios de campus. L'interface côté client prend en charge 2 × 400GE ou 1 × 800GE, et le côté ligne prend en charge une interface de ligne cohérente 800G à longueur d'onde unique.
Les indicateurs de structure de trame sont mappés du côté client au côté ligne et les indicateurs de signal côté ligne sont définis pour assurer l'interopérabilité. Au niveau des composants, l'OIF discute également de la spécification technique de modulateur cohérent de nouvelle génération OIF-HB-CDM2.0 qui prend en charge des taux de modulation plus élevés. Au niveau national, le groupe de travail sur les dispositifs optiques de la CCSA a récemment approuvé 6 projets de normes de l'industrie des dispositifs optiques 800 Gbit/s, y compris les émetteurs-récepteurs optiques IC-TROSA 800 Gbit/s et 1 × 800 Gbit/s à modulation de phase.
Par conséquent, l'industrie essaie également de nouveaux matériaux et technologies d'appareils, tels que le niobate de lithium à couche mince (TFLN). Le niobate de lithium a toujours été considéré comme un matériau haut de gamme pour les modulateurs optiques. Les modulateurs traditionnels au niobate de lithium en vrac ne peuvent pas prendre en charge les applications à débit en bauds supérieur à 64 Go en raison de leur taille volumineuse et de leur bande passante limitée par la taille de l'appareil. Ces dernières années, en raison de la percée de la technologie de traitement des puces TFLN, les modulateurs au niobate de lithium peuvent également atteindre une petite taille et une bande passante élevée, il est donc considéré comme une technique potentielle pour réaliser des modulateurs optiques de 100 GBd et plus. De plus, pour obtenir une bande passante élevée au niveau de l'appareil, les puces d'entraînement électrique et la technologie de conditionnement font également partie des difficultés à résoudre.
