Módulo 400G DWDM CFP2-DCO

O crescimento do tráfego de rede leva ao aumento da largura de banda da porta na rede de transmissão. Para transmissão de longa distância e alta largura de banda, a tecnologia de transmissão coerente baseada em multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) oferece a melhor solução.

À medida que as soluções coerentes de 400G amadurecem, a demanda por portas coerentes de 400G proliferará. Existem dois drivers para o crescimento de portas coerentes de 400G:

•  Crescimento da largura de banda da rede;
•  Aumento do número de portas 400GE no lado do cliente.

Está provado ser o método mais econômico para usar um comprimento de onda de 400G para transportar tráfego de 400GE.

De acordo com o relatório de previsão da LightCounting, portas coerentes de 400G serão usadas em cada vez mais redes e terão o crescimento mais rápido nos próximos 5 anos. Com o aumento contínuo do tráfego de rede, comprimentos de onda totais e o número de comprimentos de onda em uma única rede, as operadoras de rede também aumentarão os requisitos de flexibilidade de gerenciamento e agendamento de rede, promovendo assim a implantação em larga escala de ROADM (add/drop óptico reconfigurável multiplexador).

Os provedores de serviços de Internet (ISP) podem configurar dinamicamente caminhos de comprimento de onda conforme necessário por meio da tecnologia de comutação seletiva de comprimento de onda (WSS). Os caminhos ópticos podem realizar conexões ponto a ponto, reduzindo a latência e o consumo de energia. Devido a esses benefícios, cada vez mais ISPs estão adotando esta solução.

Por exemplo, em 2017, um dos ISPs chineses construiu redes ROADM com 364 comprimentos de onda ao longo do curso médio e inferior do rio Yangtze. A modulação de taxa flexível e a tecnologia de malha flexível tornam as redes DWDM mais flexíveis e resilientes, enquanto os sistemas DWDM tradicionais usam uma malha fixa de 50/100 GHz, frequência central e largura de canal. Se a modulação flexível e a tecnologia de grade estiverem disponíveis, o formato de modulação e a largura do canal de cada porta podem ser personalizados de acordo com a capacidade e a distância de transmissão, melhorando a eficiência espectral e a capacidade de transmissão. A seguir está um diagrama esquemático de uma taxa flexível e malha para configuração de rede flexível.

Figura 1: diagrama esquemático de taxa flexível e grade

Mudanças na arquitetura de rede exigem módulos ópticos de linha mais flexíveis que suportam Flex Rate e Flex Grid. A tendência atual em redes ópticas é de maiores eficiências espectrais, aproximando-se do limite de Shannon. Módulos ópticos coerentes estão se desenvolvendo em três direções:

• Eficiência espectral: Melhore a eficiência espectral e a capacidade de fibra única de acordo com o progresso do algoritmo oDSP;
• Taxa de transmissão: Aumente a taxa de transmissão de comprimento de onda único, obtenha maior largura de banda de porta única e reduza o custo e o consumo de energia por bit;
• Tamanho menor e menor consumo de energia: adota componentes optoeletrônicos integrados, um processo de fabricação avançado e um algoritmo oDSP dedicado.

Devido à limitação de Shannon, o comprimento de onda de 64 Gbaud 400G não pode atingir o desempenho necessário para transmissão óptica em longas distâncias. Taxas de transmissão mais altas e algoritmos oDSP mais complexos e poderosos são necessários para atender aos requisitos de redes de backbone intermunicipais (regionais) e de longa distância.

Por exemplo, para links de longa distância (> 1000 km), a taxa de transmissão para comprimentos de onda de 400 G deve estar acima de 90 Gbaud, e as taxas de ADC e DAC no oDSP precisam ser aumentadas. No entanto, à medida que as taxas de transmissão aumentam, a transmissão por fibra óptica é mais cara e mais difícil de compensar. Portanto, algoritmos de compensação mais fortes são necessários para compensar os danos físicos da pista.

Dado que os ROADMs têm sido amplamente utilizados, um link de comprimento de onda de ponta a ponta precisa passar por vários ou mesmo dezenas de ROADMs, incluindo switches seletivos de comprimento de onda (WSS). O efeito de superposição da filtragem WSS reduz a largura de banda efetiva do link, o que apresenta requisitos mais altos para o algoritmo de compensação no oDSP. A figura abaixo mostra o efeito do ROADM multiestágio na largura de banda do canal óptico.

Figura 2: o efeito do ROADM multi-estágio na largura de banda do canal óptico

Além disso, muitos ISPs desejam configurar com flexibilidade o formato de modulação e a taxa de transmissão de acordo com a taxa de porta e a distância de transmissão. Por exemplo, eles implantam 400G 16QAM para transmissão de longa distância de 400G e 800G 64QAM para dezenas de quilômetros de interconexões de data centers metropolitanos para melhorar a eficiência espectral e reduzir o custo por bit. Com esta técnica de modulação flexível e uma malha flexível de camadas ópticas, a capacidade da fibra pode ser maximizada, economizando o investimento em cabos ópticos.

As soluções transceptores ópticos coerentes de 400G de longa distância e grande capacidade da FiberMall atendem às necessidades de diferentes clientes. Cada módulo suporta modulação de taxa flexível (100G/200G/400G) e é empacotado em CFP2. Ele suporta largura espectral de banda C de 40nm e banda Super C de 48nm ao mesmo tempo e suporta um máximo de 120 comprimentos de onda para atender às necessidades de grande capacidade dos clientes.

Componentes fotônicos de silício de tamanho pequeno ou componentes InP de alta largura de banda de alto desempenho são usados ​​para atender a uma variedade de diferentes cenários de aplicação. Os princípios de 400G módulos ópticos coerentes em diferentes pacotes são os mesmos. A extremidade Tx do módulo óptico coerente de 400G consiste em oDSP, driver de dados, laser ajustável de comprimento de onda e modulador PDM-I/Q.

Primeiro, os dados da placa-mãe são mapeados e codificados. O Tx-oDSP então executa modelagem espectral e compensação para a largura de banda do enlace de dados. Depois disso, o driver de dados amplifica a amplitude e insere os dados amplificados no modulador. O modulador então converte os dados em um sinal óptico para saída. No lado Rx, o sinal óptico entra no ICR e interfere no comprimento de onda do oscilador local para realizar a conversão fotoelétrica. Depois que o ADC de alta velocidade amostra o sinal elétrico, ele compensa a Dispersão Cromática (CD) e o Estado de Polarização (SOP). O seguinte é o diagrama de blocos do módulo óptico coerente.

Figura 3: Diagrama de Blocos do Módulo Óptico Coerente

 

Aqui estão as sugestões para módulos ópticos 400G CFP2-DCO usados ​​para transmissão de longa distância de 400G de grande capacidade:

• Compatível com o protocolo CFP2 (MSA);
• Usando o pacote CFP2;
• Compatível com especificações de interface 400G CAUI-8 e FlexO;
• Suporta vários formatos de modulação, incluindo QPSK e 16QAM;
• Suporta 400G 16QAM 500 km @ 75 GHz e 200G QPSK 2000 km @ 75 GHz.

O 400G CFP2-DCP é um módulo óptico conectável que oferece desempenho ideal e incorpora várias tecnologias inovadoras para aprimorar o desempenho de transmissão de 400G. O seguinte mostra o diagrama de blocos 400G CFP2-DCO.

Figura 4: Diagrama de Blocos de 400G CFP2-DCO

• ODSP de alto desempenho e baixo consumo de energia
• Para aumentar a distância de transmissão, a tecnologia Turbo Product Codes (TPC) FEC – alto desempenho, baixo consumo de energia – é adotada para se aproximar do limite de Shannon. Taxas elásticas de 200G a 400G também são suportadas. Além disso, recursos conectáveis ​​e de baixo consumo de energia são implementados com uma arquitetura IP/DSP de baixo consumo.

Para 400G CFP2-DCO, vários formatos de modulação são suportados, incluindo 400G 16QAM, 200G QPSK e DQPSK. Para transmissão de alta capacidade, 16QAM é recomendado para transmissão de comprimento de onda único de 400G@75GHz. Para redes novas, recomenda-se usar QPSK para transmissão de 200G@75 GHz com uma distância de transmissão de 2000 km. Em contraste, o DQPSK é aplicado a redes existentes em cenários mistos para reduzir o impacto na linearidade.

• Capacidade de banda super C
• No sistema de multiplexação por divisão de comprimento de onda, a capacidade de um único sistema de fibra é diretamente afetada pelo número de comprimentos de onda de transmissão. O módulo CFP2 é o primeiro módulo óptico Super C-band, suportando 80 comprimentos de onda de 400G@75G e possuindo uma capacidade de transmissão óptica de fibra única de 32T. A realização da banda Super C depende de outros recursos, incluindo lasers subjacentes, ICTRs e amplificadores ópticos (OAs) integrados.

Tx e Rx compartilham um único laser para obter um design compacto de baixa potência em um pacote CFP2. Além disso, o design de laser exclusivo da FiberMall utiliza um nanolaser compacto com alta potência óptica de saída. Abaixo está um espectro de banda ultralarga (120 comprimentos de onda).

Figura 5：Espectro de banda ultralarga

• Grande faixa de ajuste de potência óptica de saída
• Na transmissão de longa distância, a potência óptica de saída precisa ser ajustada para obter um melhor desempenho. A potência óptica de saída do 400G CFP2-DCO pode ser ajustada com precisão na faixa de +1dBm a +4dBm para atender aos requisitos de potência de entrada de diferentes camadas ópticas.
• ICTR integrado de fotônica de silício
• A tecnologia ICTR de fotônica de silício é usada na 400G CFP2-DCO módulo para minimizar o tamanho físico. Devido às suas propriedades ópticas únicas, a fotônica de silício possui maior confinamento de campo óptico, resultando em estruturas de guia de onda mais compactas. Além disso, a fotônica de silício suporta o processamento de polarização, que permite a modulação e a detecção coerente de sinais 16QAM de polarização dupla, minimizando o tamanho do chip ICTR.
• Embalagem multi-chip fotoelétrica

O desempenho do link de RF do oDSP para o modulador óptico é otimizado para reduzir os requisitos do driver e, assim, reduzir o consumo de energia. Além disso, os chips ópticos e os chips eletrônicos são empacotados juntos para reduzir o tamanho físico.

• OA compacto de alto desempenho

A tecnologia ICTR fotônica de silício é usada para obter tamanho compacto, mas resulta em grande perda de inserção. Para os requisitos de transmissão óptica de alto desempenho, o terminal de saída adota um pequeno OA desenvolvido independentemente pela FiberMall para amplificar o sinal óptico. Além disso, o NF do OA é otimizado para sinais ópticos amplificados de alta qualidade.

Heis as sugestões fou o módulo óptico 400G MSA para transmissão de longa distância e ultra-grande capacidade:

• oDSP de alto desempenho
• Para aumentar a distância de transmissão, a tecnologia FEC de alto desempenho é usada para se aproximar continuamente do limite de Shannon, e as taxas elásticas de 200-800G são suportadas. Quando o número de ROADMs e o número de filtros em cascata na arquitetura de rede totalmente óptica aumenta, o algoritmo Faster-Than-Nyquist (FTN) é usado para aprimorar a capacidade de passagem dos filtros, garantindo que os filtros multiestágio não causar perdas. O módulo de aquisição e análise de dados do link de fibra óptica é integrado ao sistema de gerenciamento de rede para melhorar a capacidade de operação e manutenção durante todo o ciclo de vida. O desempenho de transmissão do 400G MSA é mostrado na figura abaixo.

Figura 6: Desempenho de transmissão do MSA 400G

• Laser de alto desempenho
• Em um sistema coerente de 400G, um laser ajustável fornece um sinal óptico em Tx para modulação. Em Rx, outro laser ajustável fornece o sinal óptico, que é usado como sinal de referência local para detecção coerente. O laser deve ter as seguintes características:

– Alta potência óptica de saída: garanta a alta potência óptica incidente do módulo e melhore o desempenho da transmissão;

– Largura de linha estreita: o ruído de fase não linear é introduzido após a transmissão do sinal óptico pela fibra óptica, e a largura de linha está diretamente relacionada ao ruído de fase. Isso é especialmente verdadeiro para transmissões de modulação de amplitude de quadratura alta (QAM), que aumentam ainda mais os requisitos de largura de linha. Um exclusivo laser integrado InP com SOA é usado para garantir alta potência óptica de saída.

Além disso, o design exclusivo da grade e o esquema de controle de comprimento de onda são usados ​​para obter largura de linha ultra-estreita e travamento de comprimento de onda de alta estabilidade. Além disso, otimizando o meio de ganho e a grade ajustável do laser, um laser ajustável na banda Super-C é coberto. A imagem abaixo mostra um laser de alto desempenho.

Figura 7： Um laser de alto desempenho

• Modulador de alto desempenho
• Normalmente, os moduladores são criados usando uma das tecnologias: niobato de lítio (LiNbO 3 ), fósforo de índio (InP) ou fotônica de silício. Cada um tem seus pontos fortes e fracos. LiNbO3 é uma plataforma madura de componentes ópticos que pode alcançar alta largura de banda e baixa amplitude de drive, mas com um tamanho de componente grande. O InP suporta modulação de alta largura de banda e pode integrar SOA para obter alta potência óptica de saída. No entanto, o InP é sensível à temperatura e o controle de temperatura requer TEC.
• Por outro lado, os moduladores fotônicos de silício integram unidades funcionais de multiplexação de polarização no nível do chip enquanto reduzem o tamanho físico, o que requer maiores tensões de condução. O 400G MSA usa um substrato semi-isolante e um modulador Mach-Zehnder exclusivo para integração InP I/Q-MZ e SOA de alta largura de banda. Desta forma, uma alta largura de banda de modulação e alta potência óptica de saída são alcançadas. A figura a seguir mostra a largura de banda de alta modulação suportada pelo modulador InP.

Figura 8： a alta largura de banda de modulação suportada pelo modulador InP

• Optoeletrônico de alto desempenho ou RFIC
• No Tx do receptor óptico coerente, é necessário um driver para amplificar o sinal elétrico para acionar o modulador óptico. No lado Rx, um TIA é necessário para converter os sinais de corrente em um sinal de tensão e amplificar o sinal de tensão. Portanto, drivers e TIAs precisam ter maior largura de banda e melhor linearidade.
• Ele realiza largura de banda ultra-alta, linearidade ultra-alta, driver linear de ruído ultra-baixo e TIA, com base em arquitetura de circuito inovadora e design de equalização ativa. Moduladores de Unidade Coerente (CDM) e ICR também fornecem alta largura de banda.

Figura9：Padrão TIA e motorista

• ICR de alto desempenho
• Um ICR é usado em Rx para receber o sinal óptico em um receptor óptico coerente. Esse processo também envolve misturadores ópticos e PDs que são usados ​​para converter sinais ópticos em sinais elétricos. As tecnologias relacionadas ao ICR incluem tecnologia de silício sobre isolador (SOI) para integração de ICR, tecnologia de circuito de onda de luz planar (PLC) para misturadores ópticos e um InP PD.

• Misturadores ópticos baseados na tecnologia SiN podem ser usados ​​para obter um bom acoplamento de fibra e processamento de polarização para obter o melhor efeito de mistura óptica. Os PDs InP com alta largura de banda e alta sensibilidade são montados em chips SiN por meio de um pacote flip-chip exclusivo, que forma ICRs de alta integração, alto desempenho e tamanho pequeno. O diagrama ICR é o seguinte.

Figura 10： Diagrama esquemático do ICR

• Pacote de alto desempenho
• O 400G MSA usa um pacote Charger Device Model (CDM) de alto desempenho. O driver e o modulador de alta largura de banda são empacotados em um único conjunto, reduzindo os comprimentos de rastreamento para sinais de RF de alta velocidade e garantindo a integridade do sinal de alta velocidade e alta largura de banda. Algumas portas elétricas usam pinos para garantir conexão estável e largura de banda dos sinais de entrada, melhorando assim o desempenho dos componentes do CDM. A figura a seguir é um diagrama esquemático do empacotamento de componentes de alto desempenho.

Figura 11： diagrama esquemático de embalagem de componentes de alto desempenho

• Taxas flexíveis de 200-800G, transmissão de grande capacidade de 800G de onda única
• O micromódulo suporta QAM de alta ordem por oDSP poderoso e óptica de alta largura de banda. Enquanto isso, a modelagem de constelação 2.0 é usada para suportar o ajuste de 200-800G. Além disso, o OA integrado pode garantir a potência óptica de saída sob modulação de ordem superior.

Figura12：Formatos de modulação flexíveis

A necessidade de maior capacidade, menor custo por bit e menor consumo de energia está gerando taxas de transmissão cada vez mais altas para módulos ópticos. Como a tecnologia principal da geração anterior, 100G entrou no ciclo de vida maduro e estável, e é difícil reduzir o custo unitário. Atualmente, os principais módulos ópticos de 400G têm sido usados ​​em vários cenários de rede, como redes de data centers, redes de portadoras integradas metropolitanas e redes de transmissão de longa distância de grande capacidade.