DWDMとルーティングテクノロジーの組み合わせは、400G QSFP-DDDWDM光モジュールの実装の鍵です。 近年、コヒーレントDWDM製品は、400GDWDMコヒーレントプラガブル光モジュールの導入に対応する準備ができています。
このホワイトペーパーでは、コヒーレントDWDMテクノロジーの進化を研究し、400G DWDMコヒーレントプラガブル光モジュールの背後にある詳細をさらに研究し、DWDMとルーティングテクノロジーの統合を実現する方法を探ります。
400G DWDM QSFP-DD ZR がコヒーレント技術を使用する理由は?
コヒーレント受信光モジュールとは、主にWDMシステムの第XNUMX世代伝送技術で使用される、受信側でコヒーレント設計の光モジュールを指します。
第 XNUMX 世代の WDM は、コヒーレント受信の技術を使用していません。
- WDM を使用する理由
- DWDM を使用する理由
- 帯域幅を増やす場合、なぜ DWDM にコヒーレント技術が必要なのですか?
1970 年代に光ファイバー通信が最初に提案されたとき、光ファイバーは帯域幅がほぼ無制限で、損失がほぼゼロで、コストがほぼゼロであると言われていました。 大きな工業的価値がありました。
今では基本的にローコスト、ローロスを実現しています。 しかし、長距離用の大容量は達成されていません。
光ファイバー伝送に適した光の周波数は 190 ～ 230THz で、これは大きなキャリア周波数です。 しかし、業界の信号変調技術と復調技術の限界により、実際には数十 GHz の信号帯域幅を使用できますが、これは光の巨大なキャリア周波数を十分に活用できません。
低損失は、伝送距離を伸ばすための重要な要素です。 しかし実際には、ファイバーの導波路は非常に小さいです。 入力ファイバーに必要な電力密度のため、導波路を大きくしすぎると、燃え尽きたり、非線形効果が励起されたりします。 信号対雑音比と受信側の間の変調信号が数百または数千キロメートルの伝送を達成できる場合、ファイバーは実際には約XNUMXキロメートルの伝送距離しか実行できません。これは信号の無駄です。
容量を増やす方法
変調信号の帯域幅を増やすことができない場合は、波長分割技術を使用してより多くのチャネルを送信できます。
光ファイバーの伝送距離を伸ばす方法
リレー技術を使用して、光信号の信号対雑音比が限界に達するまで、一度に XNUMX つのセクションを送信できます。
波長分割
容量を拡張できます。
リレー
等価伝送距離を伸ばすことができます。 中継用に EDFA を使用する光増幅器は、1990 年代の低コスト中継の優れた選択肢でした。
リレー増幅用の低コスト EDFA に対応するには、EDFA のゲイン スペクトル内の波部分に複数の波長を配置する必要があります。
初期の波長分割は、限られた産業条件下で伝送容量を増やすという課題と、低コストのリレーを使用して伝送距離を延長するという課題の両方に対処しました。
しかし、ファイバーの容量が増加し続けているため、波長数を増やす方法と、波長あたりの速度を上げる方法が XNUMX つあります。
しかし、それは新たな問題を生み出します。
まず、波長数を増やします。 これらの波長は、光増幅器のゲイン ピーク内で制御する必要があり、その結果、波長間隔がますます小さくなります。
XNUMX つ目は、波長あたりのレートを上げることです。 622M、1.25G、2.5Gとレートがどんどん高くなり、伝送距離もどんどん短くなっていきます。 その理由は、レシーバ側の感度が低下する一方で、トランスミッタ側のパワーを継続的に増加させることができず、入力ファイバの総パワーによって制限されるためです。 また、信号レートが高くなるほど周波数領域の広がりが大きくなり、波長間隔を広げる必要があるというデメリットもあります。
距離が短くなると、波長の数が減ります。 これは矛盾です。
この問題を解決するには、受信側の感度を向上させる必要があります。 伝送距離が長いという特性を維持したまま、レートを上げることが可能です。
感度を上げるには？ 信号を増やすか、ノイズを減らします。
建設的な干渉によって信号を増加させることができます。 また、ノイズの低減は、微分計算または破壊的な干渉によって実現できます。 受信側では、信号干渉設計を追加することで、信号対雑音比を改善し、感度を最適化できます。
信号の干渉は位相に依存します。 位相が制御されているので、0/180°位相変調のセットを作成するのはもったいないです。 45° と 225° を 135°/315° に重ねて、XNUMX 組の信号変調を使用できます。 これにより、信号の帯域幅を増やすことなく、送信されるビットの量が XNUMX 倍になります。
NRZに基づくIMDDの波長分割多重は、各波長の速度を向上させます。 感度が悪くなるので、伝送距離が短くなります。 信号速度（本質的に帯域幅）が高くなるほど、周波数ドメインの広がりが大きくなり、波長間隔を広げる必要があり、波長数の増加に影響します。
DP-QPSK の変調形式に基づいて、帯域幅を増やすことなくビット レートを増やすことができます。 帯域幅を増やさない限り、周波数ドメインを広げる必要がないため、波長数の展開には影響しません。
コヒーレント受信に基づいて、干渉により、信号が改善され、ノイズが抑制され、信号対雑音比が改善され、伝送距離が短くなるのではなく、延長されます。
コヒーレント光モジュールを使用して、容量を増やし、距離を延ばすことで、再びメインラインに戻ります。 大容量・長距離のコアネットワークのバックボーンに使用されるコヒーレント光モジュールの技術競争力です。
コヒーレント光モジュールには、いくつかの重要な技術分野があります。
- 位相制御では、業界は低コストで大量生産を実現する能力を必要とします。 これらの技術は 2005 年頃に成熟し、コヒーレント モジュールは 2010 年頃に工業化段階に入りました。
受信側で干渉するには局部発振器が必要で、光は電磁波であることから局部発振光（LO）とも呼ばれます。 周波数が純粋であるほど、干渉後の増幅が向上します。これは、LO の狭い線幅の要件です。 コヒーレント モジュールは波長分割システムで使用されるため、波長を調整することができ、比較的適応性が高く、LO が波長可変を必要とする理由です。
干渉が必要な場合は、通常、ミキサーと呼ばれます。 初期の頃は、シリコンベースのシリコン酸化物 PLC がこの目的に使用されていました。これは損失が少ないものの、検出器を統合できませんでした。 その後、InP が使用され、次にシリコン光が使用され、両方の半導体がミキサと検出器を統合できます。
検出器の位相と振幅の関係を解決するには、演算量が非常に多く、コヒーレント光モジュールの工業化に伴い、DSP もモジュールの重要なコンポーネントになり始めました。
DSP、デジタル信号処理は、光信号によって送信された個々の情報を取得し、アルゴリズムを使用して、アナログからデジタルへの変換後に信号を解析します。 アルゴリズムは、分散と補償をどのように計算するか、偏波分散の予測と補償をどのように行うか、周波数偏差をどのように計算するかなど、重要な作業です。
アルゴリズムに加えて、DSP のもう 2010 つの難点は消費電力の高さです。 消費電力を削減する方法の 65 つは、半導体の高精度プロセス機能を使用することです。 2023年頃、DSPは5nm程度のCMOSプロセスを採用。 7 年までに、DSP テクノロジはすでに XNUMXnm、XNUMXnm に到達し、消費電力は大幅に削減されます。
コヒーレント光モジュールには、位相制御と偏波制御を無駄にしないために、IQ変調器、二重偏波、二重極性変調、および同等のXNUMXつの振幅変調器があります。
初期のIQ変調器はニオブ酸リチウムを使用していましたが、サイズが非常に大きかったです。 その後、InP に基づく小型化された変調技術が登場しましたが、サイズはニオブ酸リチウムのわずか XNUMX 分の XNUMX です。 その後、シリコンフォトニクスの統合があり、シリコンフォトニクスの統合はIQ変調を送信でき、ICRがまとめられ、COSA（後のIC-TROSA）が一緒に送受信されます。 サイズは小さめでした。
業界の発展に伴い、QPSK のコーディング効率はさらに向上しました。 QAM8 では、QAM16 が工業化され、より多くのビット効率が達成されます。
コヒーレント光モジュールの適用シナリオも新たな広がりを見せ始めました。 従来のテレコム コア ネットワーク バックボーンの外では、データ間の相互接続にも大容量と長距離の傾向があります。 DCI データセンター相互接続の初期に使用された WDM は、WDM の直接転送および IM/DD です。
従来の基幹ネットワークのように容量を増やし続けることには、同じ矛盾が存在します。 現在、これまでの経験から学び、コヒーレント技術は距離を縮めずに容量をさらに増やすことができます。
これが第 400 世代 DCI の XNUMXG ZR の始まりです。
の開発 DWDM コヒーレントオプティクス
10年足らずで、DWDMモジュールは大きな進歩を遂げ、光デバイスはますます小さくなり、速度はますます速くなっています。 同じ期間に10倍に増加しました。40年の2011Gから400Gになりました。 2022年までに、800Gのプラグ可能な光モジュールがすでに市場に出回っています。
ファイバーモール QSFP-DD-400G-DCO-ZR+
コヒーレント光技術の導入は、DWDM システムの開発における最も重要な革新の 400 つです。 コヒーレント光機器は、高度な光デバイスとデジタル信号プロセッサ (DSP) を使用して複雑な光波変調を送受信し、高速データ伝送を実現します。 非常に高いレベルで、コヒーレント変調は、XNUMXG 以上の高速光デバイスを含む高速光デバイスの原動力であり続けています。 コヒーレントトランシーバー.
最初の市販のコヒーレントDWDMシステムは40Gで、その後に100Gが続きます。 これらのシステムは、ラインカードとシャーシに基づいています。 各システムで多くのラインカードをサポートでき、10Gレートの製品と同じスペースを占有します。 大きな進歩です。 今では100Gレートとより長い伝送距離を伝送できます。 時間の経過とともに、ラインカードの速度は200G以上に増加しましたが、業界はクラウドプロバイダーの出現により変曲点に近づいています。
具体的には、クラウドプロバイダーネットワークが指数関数的に成長し始めると、より小さく、より速く、より安価なネットワークコンポーネントを作成するようにメーカーに圧力がかかります。 光トランスポンダDWDMシステムの出現につながったのはこの変曲点でした。 光トランスポンダシステムは、シャーシとラインカードを排除します。 これは、物理的に小さなスタンドアロンシステムであり、高さが1または2RU（1.5 "-3"）の小さなデータセンタースイッチです。 光トランスポンダパッケージの実現可能性の鍵は、コヒーレント光伝送のXNUMXつの主要コンポーネントである光デバイス（レーザー、受信機、変調器など）とDSP（デジタルシグナルプロセッサ）を分離することです。
そして、これらの革新により、比較的小さなCFP2サイズのプラガブルDWDMモジュールであるプラガブルCFP2-ACO（Analog Coherent Optics）が生まれました。 DSPテクノロジーも進化しており、2つのDSPチップで複数のCFP2-ACOモジュールをサポートできます。 したがって、複数のDSPを光トランスポンダに配置することにより、メーカーは20ラックユニット（100インチ）で2Tbps（3x12Gクライアント接続）を送信できるシステムを製造しました。 対照的に、シャーシベースのシステムにはXNUMXラックユニットが必要です。 スペースを節約することに加えて、それらはよりエネルギー効率が良いです。
もちろん、上記はコヒーレント信号伝送の非常に簡単な説明です。 実際、開発者の目的は、デジタル信号をアナログ信号に変換してデータを送信し、もう一方の端でアナログ信号をデジタル信号に変換することです。
ただし、CFP2-ACOはアナログ信号のみを処理でき、デジタル信号は処理できません。 図に示すように、DSPから送信されるコヒーレントアナログ信号を受信するか、受信したコヒーレントアナログ信号をDSPに送信してデジタル信号に変換します。
CFP2-ACODWDM伝送システム
CFP2-ACOシステムは業界全体で広く使用されており、ほぼすべてのクラウドプロバイダーのネットワークで光伝送の標準形式になっています。
同時に、 CFP2-DCO、プラガブルコヒーレントDWDM光ファイバは開発を続けています。 「D」は、デジタルコヒーレント光学系の「デジタル」を表します。 コヒーレントオプティクスの開発者は、コンポーネントのサイズと消費電力を再び削減したため、オプティカルデバイスとDSPの両方がCFP2に配置されました。 このように、DSPを収容するためにラックを使用する必要がないため、コヒーレントDWDM伝送は、DWDMとルータの実際の統合のターニングポイントであるルータまたはスイッチから直接実行できます。
ルータまたはスイッチでのDCODWDM伝送
現在、コヒーレント光モジュールは、QSFP-DDパッケージで400GZRおよび400GZR +に進化し、CFP2-DCOと同じテクノロジーを使用していますが、サイズが小さくなっています。 400G DWDMコヒーレント光デバイスを収容するこのようなコンパクトなパッケージは、ルーティングとDWDMのコンバージェンスのための実行可能なソリューションを提供します。
400G DWDM コヒーレント光トランシーバ規格
400Gは、いくつかの標準が存在するところまで進化しました。 これらには、400ZR、400G ZR +、400G OpenROADM、および400G OpenZR +が含まれ、これらはわずかに異なる方向に進みます。
最初は、400ZR標準を作成した光インターコネクトフォーラム（OIF）でした。 400ZRは、エッジおよび比較的短距離（120km以内）のデータセンター相互接続アプリケーションを対象としています。 ほぼ同時に、OpenROADMマルチソースプロトコルは、長距離光トランスポート（> 400km）、高度な前方誤り訂正（oFEC）、オプションのデータレートなどのサービスプロバイダーネットワークに焦点を当てた仕様で、120GDWDMプラガブルの仕様も定義しました。 （100G、200G、300Gまたは400G）。 追加機能を実装することもできますが、ZRで指定されている15Wよりも多くの電力が必要です。 このため、OpenROADM仕様は 400G ZR +.
最終的に、XNUMXつの組織とさまざまな光学デバイスメーカーの間で、OIFとOpenROADMを組み合わせるための最良の標準について合意し、それをOpenZR +と呼びました。 同じパッケージ内の各デバイスの特性を組み合わせることにより、次の図に示すように、汎用性の高いコヒーレントDWDM光デバイスを提供できます。
光モジュールのパッケージング、機能、およびデータレートの継続的な改善により、光伝送範囲がますます広くなり、伝送距離が長くなることがわかります。 OpenZR+規格により、1400ZRの10倍以上の400kmの伝送距離を実現。 ルーターの高密度 400G DWDM と、トラフィック エンジニアリングのシンプルさとセグメント化されたルーティングのパス冗長性を組み合わせることで、伝送ネットワーク アーキテクチャに大きな変化が期待できます。
11月2020では、 ファイバーモール OpenZR+ MSA の最初の寄稿者メンバーに招待されました。 ファイバーモール off2018年初頭にコヒーレント光モジュールの開発に特別に投資し、上流のサプライチェーンとの戦略的協力を受け入れて、低電力設計と信号変調モデルの革新を最適化し、重要な結果を達成しました. 現在、100G CFP-DCO、100G CFP2-DCO デジタル コヒーレント光モジュール、200G DWDM コヒーレント光トランシーバー、400G DWDM コヒーレント光トランシーバーを発売しており、データセンター相互接続用の OpenZR+ 規格と超長距離光伝送用のメトロ ネットワークに厳密に準拠しています。 .
