400G光伝送技術の進歩

現在、電気通信ネットワークは、ネットワークの変革と帯域幅の強化という課題に直面しています。 したがって、増大するネットワーク トラフィックの需要に応えるために、光伝送システムの単一波速度と伝送距離を向上させ、光ファイバー通信システムの帯域幅利用率を高めることが、通信事業者と機器ベンダーの共通の課題となっています。

業界は現在、80*400G 世代に向けたバックボーン光ネットワークの進化を加速するために、XNUMX つの主要な側面で協力しています。

レートの向上

バックボーン ネットワークは 10G から 100G、そして 200G へと進化しますが、距離は基本的に変わらず、容量は継続的に増加します。 ルーターポートの高速化を背景に400Gポートの時代が到来し、通信事業者は一斉に試験・検証に乗り出している。 2023 年にはバックボーン 400G OTN の適用が予想されます。

能力の向上

バックボーン光ネットワークは最大 200G まで高速化されるため、75GHz のスペクトル幅を占有します。 400G QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）に発展すると、150GHzのスペクトル幅を占有することになります。 200Gと比較して、周波数効率は 400G は改善されておらず、周波数スペクトルは 10G から 100G まで変化せず、容量は XNUMX 倍に増加するというルールを破っています。 シャノンの制限の影響により、全体のファイバー伝送容量を向上させるには、新しいパスを開拓する必要があります。

現時点で最も実用的な解決策は、C+L 帯域の周波数スペクトルの拡大です。これには、ネットワーク テストが完了した C6T および L5T 11THz 周波数スペクトル拡張計画と、現在実験室テストが行​​われている C6T および L6T 12THz 周波数スペクトル拡張計画が含まれます。ネットワーク テストは間もなく完了し、継続的なシステム パフォーマンスの最適化が進行中です。

80*800Gシステムでは、周波数スペクトルをS+C+L+Uバンドまで拡大することがさらに検討されます。 同時に、バックボーン ネットワークの速度が向上するにつれて、長距離伝送距離を確保するには、マルチコア ファイバ、少数モード ファイバ、中空コア ファイバなどの新しい光ファイバ テクノロジーを併用する必要があります。

効率の向上

400G/800G の時代では、新しい DSP テクノロジーが採用され、複数のボーレートと変調モードの切り替えをサポートし、ソフトウェア定義の方法で異なる距離での異なる容量の最適な適応を実現し、容量と距離の積とスペクトルを最大化します。効率。

単一波長400Gの研究進捗+ テクノロジー

大都市ネットワークや幹線ネットワークなどのさまざまなアプリケーション シナリオに関して、伝送パフォーマンス、スペクトル効率、コストのバランスを実現するために、400G 伝送システムにはさまざまなテクノロジーが採用されています。 表 1 に、主要な単一波長レート システムの特性と機能を示します。 100G テクノロジーと 100G+ テクノロジーの間には、世代ごとに明確な特徴があります。 エンジニアリング用途では、通常、次世代の短距離モジュールと前世代の長距離モジュールが産業チェーン内に共存し、産業チェーンの統合を実現します。

テーブル1. さまざまな単一波レート システムの特性と機能

図 1 に示すように、200G PM-16QAM および 100G PM-QPSK の共有 32G ボーレート業界チェーン、400G PM-16QAM および 200G PM-QPSK の共有 64G ボーレート業界チェーン、および 400G PM- QPSK と将来の 800G PM-16QAM は 128G ボーレート業界チェーンを共有します。

図1. 　 の正規化された表現 短距離および長距離の産業チェーン

現在、200G QPSK が広く使用されており、400G ボーレートの 16G 64QAM は大都市伝送のニーズを満たすことができます。 400G 伝送テクノロジーは現在、16G ボーレートで確率的シェーピング (PS) 96QAM を採用していますが、最終的には 128G ボーレートで QPSK 方式に進化する予定です。 400G PS 16QAM と比較して、400G QPSK のバックツーバック OSNR パフォーマンスは約 1 dB 優れており、入力電力は 1 dB 以上増加しているため、さまざまな長距離伝送シナリオに適しており、将来の 800G 16QAM 産業チェーン。

チップ レベルから見ると、コヒーレント oDSP テクノロジーは数世代の進化を経ており、世代間の違いは主に最高の単波レート、変調コードのタイプ、サイズと消費電力に反映されています。 現在、400G 16QAM oDSP チップは 7nm 製造プロセスを使用し、約 8W を消費し、64G ボーレートをサポートしています。 次世代の長距離 400G アプリケーションに向けて、代表的な oDSP メーカーは、1.2nm チッププロセスを使用して最大 140G ボーレートをサポートする単一波 5T 製品ロードマップとモジュールサンプルもリリースしました。

oDSPアルゴリズム、コンスタレーションシェーピング、高性能の観点から FEC コーデック アルゴリズムはより重要です。 図 2(a) と図 2(b) に示すように、コンスタレーション シェーピングは、幾何学的シェーピング (GS) と確率的シェーピング (PS) に分けられます。 GS および PS は、コンスタレーション ポイントの位置と発生確率を変更して特殊な分布を示すことで、従来の QAM よりも優れたパフォーマンスを提供します。

図2. コンスタレーション形成の概略図

高性能誤り訂正符号化 (FEC) テクノロジは、カスケード符号化と軟判定の複数の反復復号を組み合わせて使用​​することで、より高い正味符号化ゲインを得ることができます。

高性能オプトエレクトロニクス デバイスは、電気信号から光信号への高忠実度の変換を実現するための基盤です。 長距離 400G 光伝送アプリケーションに直面すると、システムのボーレートは 100Gbd を超え、光デバイスの動作帯域幅は 50GHz を超える必要があります。 現在、シリコン フォトニクス (SiP) またはリン化インジウム (InP) プロセス プラットフォームに基づいて、小型化、集積化、広帯域幅の光トランシーバー デバイスの研究を行う主流サプライヤーが、準商用サンプルの一部を発売しています。

高度なデバイス パッケージング技術も、オプトエレクトロニクス チップの帯域幅を最適化する重要な手段です。 現在、シリコン光チップは、ドライバーのピーキング機能と 3D/30D パッケージング プロセスの最適化を統合することにより、変調器の 80dB 帯域幅を 2.5GHz から 3GHz 以上に増加させることができます。 これにより、2G+ 高次変調信号に対して 400dB 以上の連続 OSNR 耐性の向上がもたらされ、このテクノロジーの成熟度の向上により、128 Gbd 長距離 400G システムの商用化がさらに加速されます。

光学システムのコアコンポーネントでは、光増幅器 (OA) と波長選択スイッチ (WSS) が最も重要です。 現在、商用 OA は主にエルビウム添加ファイバ増幅器 (EDFA) であり、C バンドの 4THz、4.8THz、さらには 6THz の帯域幅をサポートしています。 Lバンド6THz増幅の技術的なボトルネックは克服され、サンプルの性能は期待どおりであり、システムレベルの性能が検証および最適化されています。 ただし、長波長でのエルビウムドープファイバの増幅効率によって制限されるため、拡張 L バンド EDFA のノイズ指数は拡張 C バンドの雑音指数よりも 1 dB 以上悪くなる可能性があり、それに応じてモジュールのコストとサイズも増加します。

現在、商用 WSS は C バンド 6THz、標準挿入損失約 6dB、ポート数最大 32 をカバーしています。最新の高解像度液晶オンシリコン (LCoS) 技術を使用し、WSS スペクトル スライス解像度 6.25 を実現しています。 GHz に加えて、いくつかのメーカーが動作帯域を L バンド 6THz まで拡張しています。

標準の進歩に関しては、国際電気通信連合研究グループ 15 (ITU-T SG15) が 200G および 400G インターフェイスの物理層仕様に関する研究を実施し、16G メトロ アプリケーションの標準コード タイプとして PM-400QAM を採用し、オープン前方誤り訂正符号化 (oFEC) の標準化プロセス。 さらに、業界の複数のマルチソース プロトコル組織 (MSA) も 100G+ の技術標準をリリースしています。 例えば：

• OpenROADM/OpenZR+ は 100 ～ 400G コヒーレント光モジュール仕様をリリースし、CFP2-DCO および QSFP-DD/OSFP パッケージをサポートし、100/200G QPSK、300G 8QAM、およびその他の変調モードを 400ZR フレーム構造に追加し、カスケード FEC の代わりに oFEC を使用します。 (cFEC) に対応し、450kmクラスの400G伝送をサポートします。
• 中国通信標準協会 (CCSA) は関連規格を開発しました。100G 以下のレートの光伝送およびモジュール規格の開発は完了し、200G 提出草案では主に 200G QPSK、8QAM、16QAM コード タイプが選択され、400G メトロ エリア規格では基本的に単一波 200G デュアルキャリア方式、N *400G 長距離拡張光波長分割多重 (WDM) システムの技術要件の調査および高速アプリケーション向けのその他の標準トピックが完了しており、QPSK が単一波を実現するための理想的なソリューションであることを明確に示しています。 -wave 400Gb/s長距離/超長距離。

波長帯拡張技術の研究進捗

帯域拡張テクノロジーは DWDM から継承され、利用可能な伝送帯域幅を従来の C バンドを超えてさらに拡張し、共用ファイバー伝送のチャネル数を増やすことで単一ファイバー伝送容量を強化します。

従来の C バンド DWDM に基づいて、過去 6 年間、中国の通信事業者と機器ベンダーはスーパー C バンド (C4T) の拡張を主導し、C バンドの帯域幅を 4.8THz/6THz から 200THz に拡大しました。 80GHz間隔75波の100G QPSK方式の上陸により。 実際、シングルモード ファイバの低損失ウィンドウには、C バンドだけでなく、O、E、S、L、U バンドも含まれます。 近年、米国のいくつかの通信事業者とインターネット ベンダーも、DCI および海底ケーブル伝送に C+L システムを導入しており、これによりファイバー容量を 6 倍にすることができます。 シングルモードファイバーの容量がシャノンの限界である 6Tbit/s に近づいているため、帯域拡張技術が学術研究や業界研究のホットスポットとなっています。 現在、国内の通信事業者と機器ベンダーは、単芯 6 波 80G QPSK 長距離伝送機能を提供するために、C400T から C3T&LXNUMX へのアップグレードを積極的に推進しています。 マルチバンド光伝送システムの基本構成を図XNUMXに示します。

図3. マルチバンド光伝送システムの基本構成

C+L 関連産業チェーンの現在の発展状況を表 2 に示します。技術的困難が克服されたことで、C+L 拡張帯域光部品サプライチェーンの開発進捗は期待どおりであることがわかります。また、単波 6G QPSK 光システムを備えた新世代の C6T+L12T 400THz ブロードバンド光レイヤーは、1 年以内に商業展開される予定です。

テーブル2. C6T & L6T システム主要コンポーネント産業チェーンの進歩

光ファイバーにおける SRS 効果は、帯域幅の拡大と入力パワーの増加によって大幅に強化され、セクション全体に累積的な効果をもたらします。 C+L システムでは、最初のゲインとスロープを効果的に制御するための正確な光パワー管理戦略だけでなく、充填波構成による SRS によって引き起こされるパワーの不均一性の補償も必要です。 さらに、ビジネスの動的な成長による既存ビジネスへの影響を軽減するために、常に完全な構成状態を維持する必要があります。 海底ケーブルシステムの経験を活かし、チャネルの追加・削除時に業務信号を充填波に置き換える「真・偽代替」を実現し、事業の活性化や検証を容易にします。 電力調整前は、C+L システムでの強力な SRS 電力伝送により、システム端での単波電力の平坦性が大幅に低下し、システムのアプリケーションの要件を満たすことができなくなります。 C+L 電力事前等化戦略は、ゲインとゲインのスロープを調整します。 EDFAその結果、パワー平坦性、OSNR 平坦性、最小 OSNR が大幅に向上します。 自動パワー調整アルゴリズムとフィリングウェーブ構成はフィールドテストで完全に検証されており、その後の商用展開の基礎を築きました。

シングルキャリア 400G システムの進歩

2020 年の初めには、FiberMall は機器ベンダーと提携してライブ ネットワークでシングルキャリア 400G 16QAM のテストを実施し、最大 600km の伝送距離を達成しました。 2021年400月、FiberMallはHuawei、ZTE、FiberHomeと協力して、ライブネットワークにおける世界初の超広帯域シングルキャリア1000G大容量光伝送検証を完了し、2022kmを超える伝送距離を達成しました。 400年3038月、FiberMallとZTEは、ネットワーク要件に基づいて実験室でファイバーの長さ、損失、保守マージンをシミュレーションし、49G QPSK伝送検証を実施し、2023の非電気リレーセグメント全体で400kmの伝送距離を達成しました。 45年5616月、ファイバーモールは実験室テストの結果に基づいて、浙江省、江西省、湖南省、貴州省を含む400つの省にまたがる6の光増幅器セグメントを含む6G QPSKライブネットワークテストを実施し、12GでXNUMXkmという記録破りの伝送距離を達成した。ライブネットワークでQPSK無電気中継を行い、CXNUMXT+LXNUMXTのXNUMXTHzまでのスペクトル拡張の伝送性能を初めて検証。

コンピューティングパワーネットワークを整備するには、400Gのキーテクノロジーの研究開発を推進し、変調、周波数、インフラの総合的な技術革新を実現し、新世代光通信技術の進化を継続的に推進する必要がある。これに基づいて、コンピューティングパワーネットワークのための完全に光学的な基盤を構築し、デジタル経済の発展に貢献します。