400G DWDM: Combine QSFP-DD Transceiver com DWDM Coherent

A combinação de DWDM e tecnologia de roteamento é a chave para a implementação do módulo óptico 400G QSFP-DD DWDM. Nos últimos anos, os produtos DWDM coerentes estão prontos para acompanhar a introdução de módulos ópticos conectáveis ​​coerentes 400G DWDM.

Este artigo estudará a evolução da tecnologia DWDM coerente, de modo a aprofundar os detalhes por trás do módulo óptico conectável coerente DWDM 400G e explorar como realizar a integração do DWDM e da tecnologia de roteamento.

Por que 400G DWDM QSFP-DD ZR usa tecnologia coerente?

O módulo óptico de recepção coerente refere-se ao módulo óptico com design coerente na extremidade receptora, que é usado principalmente na tecnologia de transmissão de segunda geração do sistema WDM.

A primeira geração de WDM não utiliza a tecnologia de recepção coerente.

1. Por que usar WDM?
2. Por que usar DWDM?
3. Por que o DWDM precisa de tecnologia coerente ao aumentar a largura de banda?

Quando a comunicação por fibra ótica foi proposta pela primeira vez na década de 1970, dizia-se que a fibra ótica tinha largura de banda quase ilimitada, perda quase zero e custo quase zero. Havia grande valor industrial.

Agora, basicamente, percebeu baixo custo e baixa perda. Mas uma grande capacidade para longas distâncias não foi alcançada.

A frequência de luz adequada para transmissão de fibra óptica é 190-230THz, que é uma grande frequência de portadora. No entanto, devido à limitação da tecnologia de modulação de sinal e tecnologia de demodulação na indústria, podemos realmente usar a largura de banda do sinal em dezenas de GHz, o que não faz bom uso da enorme frequência portadora de luz.

Baixa perda é um fator importante para estender a distância de transmissão. Mas, na realidade, o guia de onda da fibra é muito pequeno. Devido à densidade de potência necessária da fibra de entrada, o guia de onda não pode ser muito grande ou queimará ou excitará efeitos não lineares. Quando o sinal modulado entre a relação sinal-ruído e a extremidade receptora pode atingir centenas ou até milhares de quilômetros de transmissão, a fibra pode realmente realizar apenas cerca de cem quilômetros de distância de transmissão, o que é um desperdício para o sinal.

Como aumentar a capacidade

Se você não pode aumentar a largura de banda do sinal modulado, pode usar a tecnologia de divisão de comprimento de onda para transmitir mais canais.

Como estender a distância de transmissão da fibra óptica

Você pode usar a tecnologia de relé para transmitir uma seção por vez até que a relação sinal-ruído do sinal óptico atinja seu limite.

divisão de comprimento de onda

Pode expandir a capacidade.

Retransmissão

Pode estender a distância de transmissão equivalente. O amplificador óptico usando EDFA para retransmissão foi uma excelente escolha para retransmissão de baixo custo na década de 1990.

Para acomodar o EDFA de baixo custo para amplificação de relé, é necessário colocar vários comprimentos de onda na fração de onda dentro do espectro de ganho do EDFA.

A divisão inicial do comprimento de onda abordou tanto o desafio de aumentar a capacidade de transmissão sob condições industriais limitadas quanto o desafio de usar relés de baixo custo para estender as distâncias de transmissão.

Mas como a capacidade da fibra continua a aumentar, existem dois caminhos para aumentar o número de comprimentos de onda e aumentar a taxa por comprimento de onda.

Mas cria novos problemas.

Primeiro, aumente o número de comprimentos de onda. Esses comprimentos de onda precisam ser controlados dentro do pico de ganho do amplificador óptico, o que resulta em intervalos de comprimento de onda cada vez menores.

A segunda é aumentar a taxa por comprimento de onda. A taxa está ficando cada vez mais alta de 622M, 1.25G e 2.5G, e a distância de transmissão está ficando cada vez mais curta. A razão é que a sensibilidade do lado do receptor se deteriora, enquanto a potência do lado do transmissor não pode ser aumentada continuamente e é limitada pela potência total da fibra de entrada. Há também uma desvantagem de que quanto maior a taxa de sinal, maior a dispersão do domínio da frequência e a necessidade de ampliar o intervalo de comprimento de onda.

Se a distância for menor, o número de comprimentos de onda diminuirá. Isso é uma contradição.

Para resolver este problema, temos que melhorar a sensibilidade na extremidade receptora. É possível aumentar a taxa e ainda manter as características de longa distância de transmissão.

Como melhorar a sensibilidade? Aumente o sinal ou reduza o ruído.

O aumento do sinal pode ser alcançado por interferência construtiva. E a redução do ruído pode ser alcançada por cálculos diferenciais ou por interferência destrutiva. Na extremidade receptora, adicionar um design de interferência de sinal pode melhorar a relação sinal-ruído e otimizar a sensibilidade.

A interferência do sinal depende da fase. Como a fase é controlada, que desperdício fazer um conjunto de modulação de fase 0/180°. Você pode usar 45° e 225°, sobrepostos com 135°/315°, dois conjuntos de modulação de sinal. Isso dobraria a quantidade de bits transmitidos sem aumentar a largura de banda do sinal.

A multiplexação por divisão de comprimento de onda de IMDD com base em NRZ melhora a taxa de cada comprimento de onda. Como a sensibilidade está piorando, a distância de transmissão está diminuindo. Quanto maior a taxa de sinal (largura de banda em essência), maior o alargamento do domínio da frequência, e a necessidade de ampliar o intervalo de comprimento de onda, afetando o aumento do número de comprimentos de onda.

Com base no formato de modulação do DP-QPSK, a taxa de bits pode ser aumentada sem aumentar a largura de banda. Sem aumentar a largura de banda, o domínio da frequência não precisa ser ampliado, portanto, a implantação do número de comprimentos de onda não é afetada.

Com base na recepção coerente, por meio de interferência, o sinal é melhorado, o ruído é suprimido, a relação sinal-ruído é melhorada e a distância de transmissão não ficará mais curta, mas será estendida.

De volta à nossa linha principal novamente com módulos ópticos coerentes, aumentando a capacidade e estendendo a distância. Esta é a competitividade técnica do módulo óptico coerente usado no backbone da rede principal com grande capacidade e longa distância.

Módulos ópticos coerentes, existem vários ramos importantes da tecnologia.

1. Controle de fase, que exige que a indústria tenha a capacidade de obter produção em volume a baixo custo. Essas tecnologias amadureceram por volta de 2005, e o módulo coerente entrou na fase de industrialização por volta de 2010.

Para interferir na extremidade receptora, é necessário um oscilador local, e a luz são ondas eletromagnéticas, por isso também é chamada de luz oscilante local (LO). Quanto mais pura a frequência, melhor a amplificação após a interferência, que é um requisito para a largura de linha estreita do LO. Como o módulo coerente é usado no sistema de divisão de comprimento de onda, é capaz de ajustar o comprimento de onda, tem uma adaptabilidade relativamente forte, razão pela qual LO precisa de comprimento de onda ajustável.

 

Onde há necessidade de interferência, geralmente é chamado de mixer. Antigamente, CLPs de óxido de silício à base de silício eram usados ​​para essa finalidade, que apresentavam baixas perdas, mas não podiam integrar detectores. Mais tarde, foi usado o InP e, em seguida, a luz de silício, ambos os semicondutores podem integrar o misturador e o detector.

Para resolver a relação entre a fase e a amplitude do detector, a quantidade de aritmética é muito grande e, com a industrialização dos módulos ópticos coerentes, o DSP também começou a se tornar um componente importante do módulo.

 

DSP, processamento de sinal digital, pega as informações individuais transmitidas pelo sinal óptico e usa algoritmos para analisar o sinal após a conversão de analógico para digital. O algoritmo é um trabalho importante, incluindo como calcular dispersão e compensação, como realizar previsão e compensação de dispersão de polarização e como calcular desvio de frequência e assim por diante.

Além do algoritmo, outra dificuldade do DSP é o alto consumo de energia. Uma rota para reduzir o consumo de energia é através do uso da capacidade de processo de alta precisão de semicondutores. Por volta de 2010, o DSP usa o processo CMOS de cerca de 65nm. Em 2023, a tecnologia DSP já pode atingir 5 nm, 7 nm e o consumo de energia é reduzido significativamente.

 

Os módulos ópticos coerentes possuem moduladores IQ, polarização dupla, modulação de polaridade dupla e moduladores de amplitude equivalentes a quatro para não desperdiçar controle de fase e controle de polarização.

 

Os moduladores de QI dos anos anteriores usavam niobato de lítio, mas o tamanho era muito grande. Mais tarde, houve uma tecnologia de modulação miniaturizada baseada em InP, o tamanho é de apenas um terço do niobato de lítio. Mais tarde, houve integração fotônica de silício, integração fotônica de silício pode enviar modulação IQ, ICR são montados, enviar e receber COSA juntos (mais tarde IC-TROSA). O tamanho era menor.

À medida que a indústria continuou a se desenvolver, a eficiência de codificação do QPSK foi aprimorada ainda mais. Com QAM8, QAM16 é industrializado para obter mais eficiência de bit.

 

O cenário de aplicação de módulos ópticos coerentes também passou a ter uma nova expansão. Fora do backbone da rede principal de telecomunicações tradicional, a interconexão entre os dados, também há uma tendência de grande capacidade e longa distância. O WDM usado nos primeiros dias da interconexão do data center DCI é uma transferência direta e IM/DD do WDM.

As mesmas contradições existem em continuar a aumentar a capacidade como na rede de backbone anterior. Agora, aprendendo com a experiência anterior, a tecnologia coerente pode aumentar ainda mais a capacidade sem encurtar a distância.

Este é o começo do 400G ZR para a segunda geração do DCI.

 

 

O desenvolvimento de DWDM óptica coerente

Em menos de 10 anos, o módulo DWDM fez um grande progresso, os dispositivos ópticos se tornaram cada vez menores e a velocidade é cada vez maior. Ele aumentou 10 vezes no mesmo período de tempo: de 40G em 2011 para 400G. Em 2022, os módulos ópticos conectáveis ​​de 800G já apareceram no mercado.

FiberMall QSFP-DD-400G-DCO-ZR+

A introdução da tecnologia óptica coerente é uma das inovações mais importantes no desenvolvimento do sistema DWDM. O equipamento óptico coerente usa dispositivos ópticos avançados e processadores de sinal digital (DSP) para enviar e receber modulação de onda de luz complexa, de modo a realizar a transmissão de dados em alta velocidade. Em um nível muito alto, a modulação coerente continua sendo a força motriz por trás dos dispositivos ópticos de alta velocidade, incluindo 400G e taxas mais altas transceptores coerentes.

O primeiro sistema DWDM coerente comercialmente disponível é 40G, seguido por 100G. Esses sistemas são baseados em placas de linha e chassis. Eles podem suportar muitas placas de linha em cada sistema e ocupar o mesmo espaço que os produtos com taxa de 10G. É um grande progresso. Agora eles podem transmitir taxa de 100G e maior distância de transmissão. Com o tempo, as velocidades das placas de linha aumentaram para 200G e além, mas o setor está se aproximando de um ponto de inflexão com o advento dos provedores de nuvem.

Especificamente, à medida que as redes de provedores de nuvem começam a crescer exponencialmente, há uma pressão crescente sobre os fabricantes para criar componentes de rede menores, mais rápidos e mais baratos. Foi este ponto de inflexão que levou ao surgimento de sistemas DWDM de transponder óptico. O sistema de transponder óptico elimina o chassi e a placa de linha. É um sistema autônomo fisicamente pequeno, um pequeno switch de data center com altura de 1 ou 2RU (1.5″-3″). A chave para a viabilidade do pacote de transponder óptico é a separação dos dois componentes principais na transmissão óptica coerente: o dispositivo óptico (laser, receptor, modulador, etc.) e o DSP (processador de sinal digital).

E essas inovações deram origem ao CFP2-ACO conectável (Analog Coherent Optics), um módulo DWDM conectável com um tamanho CFP2 relativamente pequeno. A tecnologia DSP também está evoluindo para que um único chip DSP possa suportar vários módulos CFP2-ACO. Assim, ao colocar vários DSPs no transponder óptico, os fabricantes produziram sistemas capazes de transmitir 2Tbps (conexões clientes 20x100G) em 2 unidades de rack (3″). Em contraste, um sistema baseado em chassi exigiria 12 unidades de rack. Além de economizar espaço, são mais eficientes em termos energéticos.

Claro, o acima é uma explicação muito simples de transmissão de sinal coerente. Na verdade, o objetivo dos desenvolvedores é converter sinais digitais em sinais analógicos para transmitir dados e converter sinais analógicos de volta em sinais digitais na outra extremidade.

No entanto, o CFP2-ACO só pode processar sinais analógicos, mas não pode processar sinais digitais. Ele recebe o sinal analógico coerente a ser transmitido do DSP ou transmite o sinal analógico coerente recebido ao DSP para convertê-lo em sinal digital, conforme mostrado na figura.

Sistema de transmissão CFP2-ACO DWDM

O sistema CFP2-ACO tem sido amplamente utilizado em toda a indústria e se tornou a forma padrão de transmissão óptica em quase todas as redes de provedores de nuvem.

Ao mesmo tempo, com a introdução de CFP2-DCO, a óptica DWDM coerente conectável continua a se desenvolver. “D” significa “digital” em óptica coerente digital. Os desenvolvedores de óptica coerente mais uma vez reduziram o tamanho e o consumo de energia dos componentes, de modo que tanto os dispositivos ópticos quanto o DSP são colocados no CFP2. Desta forma, não há necessidade de usar o rack para acomodar o DSP, de modo que a transmissão coerente do DWDM pode ser realizada diretamente do roteador ou switch, que é o ponto de virada da integração real do DWDM e do roteador.

Transmissão DCO DWDM no roteador ou switch

Agora, os módulos ópticos coerentes evoluíram para 400G ZR e 400G ZR+ em pacotes QSFP-DD, usando a mesma tecnologia do CFP2-DCO, mas em tamanho menor. Um pacote tão compacto que abriga dispositivos ópticos coerentes 400G DWDM fornece uma solução viável para a convergência de roteamento e DWDM.

 

400G Padrões de Transceptor Óptico Coerente DWDM

O 400G evoluiu até o ponto em que existem vários padrões. Estes incluem 400ZR, 400G ZR+, 400G OpenROADM e 400G OpenZR+, que seguem direções ligeiramente diferentes.

O primeiro foi o Optical Interconnect Forum (OIF), que criou o padrão 400ZR. O 400ZR visa aplicativos de interconexão de data center de borda e de alcance relativamente curto (dentro de 120 km). Na mesma época, o protocolo multi-fonte OpenROADM também definiu especificações para 400G DWDM conectável, com especificações focadas em redes de provedores de serviços, como transporte óptico de longa distância (> 120 km), correção avançada de erros (oFEC) e taxas de dados opcionais (100G, 200G, 300G ou 400G). Embora recursos adicionais possam ser implementados, é necessária mais potência do que os 15 W especificados pela ZR. Por esta razão, a especificação OpenROADM é chamada 400G ZR +.

Eventualmente, entre as duas organizações e vários fabricantes de dispositivos ópticos, eles concordaram com o melhor padrão para combinar OIF e OpenROADM, e o chamaram de OpenZR+. Ao combinar as características de cada dispositivo em um mesmo pacote, pode ser fornecido um dispositivo óptico DWDM coerente altamente versátil, conforme mostrado na figura abaixo.

Podemos ver que na melhoria contínua da embalagem, função e taxa de dados do módulo óptico, o alcance da transmissão óptica está ficando cada vez mais amplo e a distância de transmissão está ficando maior. Usando o padrão OpenZR+, uma distância de transmissão de 1400 km pode ser alcançada, o que é mais de 10 vezes a distância de transmissão de 400ZR. Com o DWDM 400G de alta densidade em roteadores, combinado com a simplicidade da engenharia de tráfego e a redundância de caminho do roteamento segmentado, podemos esperar uma grande mudança na arquitetura da rede de transmissão.

 

Em Novembro de 2020, FiberMall foi convidado para ser o primeiro membro colaborador do OpenZR+ MSA. A FiberMall investiu oficialmente no desenvolvimento de módulos ópticos coerentes no início de 2018, aberta à cooperação estratégica com a cadeia de suprimentos upstream para otimizar a inovação em design de baixa potência e modelo de modulação de sinal, e obteve resultados significativos. Agora, lançamos módulos ópticos coerentes digitais 100G CFP-DCO, 100G CFP2-DCO e transceptor óptico coerente 200G DWDM e transceptor óptico coerente 400G DWDM com estrita conformidade com os padrões OpenZR+ para interconexão de data center e redes metropolitanas para transmissão óptica de ultralonga distância.