Avanços na tecnologia de transmissão óptica 400G

Atualmente, a rede de telecomunicações enfrenta desafios na transformação da rede e no aumento da largura de banda. Portanto, melhorar a taxa de onda única e a distância de transmissão dos sistemas de transmissão óptica e aumentar a utilização da largura de banda dos sistemas de comunicação de fibra óptica tornou-se uma busca comum de operadoras e fornecedores de equipamentos para atender à crescente demanda por tráfego de rede.

A indústria está atualmente colaborando em três dimensões principais para acelerar a evolução das redes ópticas de backbone em direção à geração 80*400G.

Melhoria da taxa

A rede backbone evolui de 10G para 100G e depois para 200G, com a distância basicamente inalterada e a capacidade continuamente multiplicada. Com o histórico de atualizações de velocidade nas portas do roteador, a era das portas 400G chegou e as operadoras de telecomunicações lançaram testes e verificações. Em 2023, espera-se que ocorra a aplicação do backbone 400G OTN.

Melhoria da Capacidade

Como a rede óptica de backbone atinge velocidades de até 200 G, ela ocupa uma largura de espectro de 75 GHz. Quando se desenvolver para 400G QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), ocupará uma largura de espectro de 150GHz. Comparado com 200G, a eficiência espectral de 400G não foi aprimorado, quebrando a regra de que a capacidade aumenta dez vezes enquanto o espectro de frequência permanece inalterado de 10G para 100G. Devido à influência do limite de Shannon, a abertura de novos caminhos é necessária para melhorar a capacidade geral de transmissão da fibra.

A solução mais prática atualmente é a expansão do espectro de frequências da banda C+L, incluindo o plano de expansão do espectro de frequências C6T & L5T 11THz, que concluiu os testes de rede, e o plano de expansão do espectro de frequências C6T & L6T 12THz, que atualmente possui testes de laboratório capacidades e está prestes a concluir o teste de rede, e a otimização contínua do desempenho do sistema está em andamento.

No sistema 80*800G, será dada mais atenção à expansão do espectro de frequência para as bandas S+C+L+U. Ao mesmo tempo, à medida que a velocidade da rede de backbone aumenta, novas tecnologias de fibra ótica, como fibras multicore, fibras de poucos modos e fibras de núcleo oco, precisam ser usadas em conjunto para garantir a distância de transmissão de longa distância.

Melhoria da Eficiência

Na era de 400G/800G, a nova tecnologia DSP é adotada, que suporta múltiplas taxas de transmissão e comutação de modos de modulação, e realiza a melhor adaptação de diferentes capacidades sob diferentes distâncias de maneira definida por software, maximizando o produto de distância de capacidade e espectro eficiência.

Progresso da pesquisa em 400G de comprimento de onda único+ Equipar

Com relação a diferentes cenários de aplicação, como redes metropolitanas e tronco, várias tecnologias são empregadas em sistemas de transmissão 400G para alcançar um equilíbrio entre desempenho de transmissão, eficiência de espectro e custo. A Tabela 1 lista as características e capacidades dos principais sistemas de taxa de comprimento de onda único. Existem características geracionais distintas entre as tecnologias 100G e 100G+. Em aplicações de engenharia, os módulos de curta distância da próxima geração e os módulos de longa distância da geração anterior geralmente coexistem na cadeia industrial, alcançando assim a unificação da cadeia industrial.

tabela 1. Características e capacidades de diferentes sistemas de taxa de onda única

Conforme mostrado na Figura 1, há representações normalizadas da cadeia da indústria de taxa de transmissão compartilhada 200G PM-16QAM e 100G PM-QPSK, da cadeia da indústria de taxa de transmissão compartilhada de 32G 400G PM-16QAM e 200G PM-QPSK e da cadeia da indústria de taxa de transmissão compartilhada de 64G 400G PM- QPSK e o futuro 800G PM-16QAM compartilharam a cadeia da indústria de taxa de transmissão de 128G.

Figura 1. A representações normalizadas de cadeia industrial de curto e longo alcance

Atualmente, o 200G QPSK é amplamente utilizado, e o 400G 16QAM com uma taxa de transmissão de 64G pode atender às necessidades de transmissão metropolitana. A tecnologia de transmissão 400G atualmente emprega um formato probabilístico (PS) 16QAM a uma taxa de transmissão de 96G, que eventualmente evoluirá para um esquema QPSK a uma taxa de transmissão de 128G. Comparado com o 400G PS 16QAM, o desempenho OSNR back-to-back do 400G QPSK é aproximadamente 1 dB melhor, enquanto a potência de entrada é aumentada em mais de 1 dB, tornando-o adequado para vários cenários de transmissão de longa distância e compatível com a futura cadeia da indústria 800G 16QAM.

Do nível do chip, a tecnologia oDSP coerente passou por várias gerações de evolução, e as diferenças entre as gerações se refletem principalmente na maior taxa de onda única, tipo de código de modulação, bem como tamanho e consumo de energia. Atualmente, o chip oDSP 400G 16QAM usa um processo de fabricação de 7nm, consome cerca de 8W e suporta taxa de transmissão de 64G. Para a próxima geração de aplicativos de 400G de longo alcance, o fabricante de cabeça oDSP lançou um roteiro de produto de 1.2T de onda única e até amostras de módulos, suportando taxa de transmissão de até 140G, usando um processo de chip de 5 nm.

Do aspecto do algoritmo oDSP, modelagem de constelação e alto desempenho FEC algoritmo codec são mais críticos. A modelagem da constelação é dividida em Modelagem Geométrica (GS) e Modelagem Probabilística (PS), conforme mostrado na Figura 2(a) e na Figura 2(b). GS e PS fornecem melhor desempenho do que QAM convencional, alterando a localização e a probabilidade de ocorrência de pontos de constelação para fazê-los mostrar uma distribuição especial.

Figura 2. Esquema da formação da constelação

A tecnologia de codificação de correção de erro (FEC) de alto desempenho pode obter maior ganho líquido de codificação usando uma combinação de codificação em cascata e decisão suave, decodificação iterativa múltipla.

Dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho são a base para alcançar a conversão de alta fidelidade de sinais elétricos em sinais ópticos. Diante de aplicações de transmissão óptica de 400G de longo alcance, a taxa de transmissão do sistema é superior a 100Gbd e a largura de banda da banda operacional do dispositivo óptico precisa ser superior a 50GHz. Atualmente, os principais fornecedores baseados em plataformas de processo Fotônica de Silício (SiP) ou Fosfeto de Índio (InP) para realizar pesquisas sobre miniaturização, integração e dispositivos transceptores ópticos de grande largura de banda lançaram parte das amostras quase comerciais.

A tecnologia avançada de empacotamento de dispositivos também é um meio importante para otimizar a largura de banda dos chips optoeletrônicos. Atualmente, os chips ópticos de silício podem aumentar a largura de banda de 3dB de um modulador de 30GHz para mais de 80GHz, integrando a função Driver's Peaking e otimizando o processo de empacotamento 2.5D/3D. Isso pode trazer mais de 2dB de melhoria de tolerância OSNR back-to-back para sinais modulados de alta ordem 400G+, e a crescente maturidade dessa tecnologia acelera ainda mais a comercialização de sistemas 128G de longo alcance de 400 Gbd.

Nos principais componentes dos sistemas ópticos, o Amplificador Óptico (OA) e o Chaveador Seletivo de Comprimento de Onda (WSS) são os mais críticos. Atualmente, o OA comercial é principalmente amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA), que suporta banda C de 4 THz, 4.8 THz e até largura de banda de 6 THz. O gargalo técnico da amplificação da banda L 6THz foi superado, o desempenho da amostra está de acordo com a expectativa e o desempenho no nível do sistema está sendo verificado e otimizado. No entanto, limitado pela eficiência de amplificação da fibra dopada com érbio em comprimentos de onda longos, o índice de ruído do EDFA da banda L estendida pode ser mais de 1 dB pior do que o da banda C estendida, e o custo e o tamanho do módulo também aumentam de acordo.

Atualmente, o WSS comercial cobre a banda C de 6THz, uma perda de inserção típica de cerca de 6dB e o número de portas de até 32. GHz, vários fabricantes estenderam a banda de trabalho para banda L 6.25THz.

Em termos de progresso de padrões, o Grupo 15 de Estudos da União Internacional de Telecomunicações (ITU-T SG15) realizou pesquisas sobre as especificações da camada física para interfaces 200G e 400G e adotou PM-16QAM como o tipo de código padrão para aplicativos metropolitanos 400G, promovendo o processo de padronização da codificação aberta de correção de erros (oFEC). Além disso, várias organizações de protocolo multi-source (MSA) na indústria também lançaram padrões técnicos para 100G+. Por exemplo:

• OpenROADM/OpenZR+ lançou especificação de módulo óptico coerente de 100~400G, suportando pacotes CFP2-DCO e QSFP-DD/OSFP, adicionando 100/200G QPSK, 300G 8QAM e outros modos de modulação à estrutura de quadro 400ZR e usando oFEC em vez de FEC em cascata (cFEC) para suportar a transmissão 450G da classe de 400 km.
• A Associação de Padrões de Comunicações da China (CCSA) desenvolveu padrões relevantes: o desenvolvimento de padrões de módulo e transmissão óptica para taxas de 100G e abaixo foi concluído, o rascunho de envio de 200G seleciona principalmente 200G QPSK, 8QAM, tipos de código 16QAM, o padrão de área metropolitana 400G usa essencialmente um esquema de portadora dupla 200G de onda única, N * 400G multiplexação por divisão de comprimento de onda óptica aprimorada (WDM) de longo alcance O estudo dos requisitos técnicos do sistema e outros tópicos de padrões para aplicações de velocidade mais alta foram concluídos, indicando claramente que o QPSK é a solução ideal para alcançar -wave 400Gb/s de longo alcance/ultra-longo alcance.

Progresso da pesquisa da tecnologia de extensão de banda de onda

A tecnologia de extensão de banda é herdada do DWDM para estender ainda mais a largura de banda de transmissão disponível além da banda C tradicional e aprimorar a capacidade de transmissão de fibra única aumentando o número de canais para transmissão de co-fibra.

Com base na banda C tradicional DWDM, nos últimos dois anos, operadoras e fornecedores de equipamentos chineses lideraram a expansão da banda Super C (C6T) para aumentar a largura de banda da banda C de 4THz/4.8THz para 6THz, em conjunto com a aterrissagem do esquema QPSK 200G com intervalo de 80 GHz de 75 ondas. Na verdade, a janela de baixa perda da fibra monomodo inclui não apenas a banda C, mas também as bandas O, E, S, L e U. Nos últimos anos, algumas operadoras e fornecedores de Internet nos EUA também implantaram sistemas C+L em DCI e transmissão por cabo submarino, que podem dobrar a capacidade de fibra. Com a fibra monomodo se aproximando do limite de capacidade de Shannon de 100 Tbit/s, a tecnologia de extensão de banda tornou-se um ponto importante para pesquisas acadêmicas e industriais. Atualmente, operadoras domésticas e fornecedores de equipamentos estão promovendo ativamente a atualização de C6T para C6T&L6 para fornecer capacidade de transmissão de longa distância QPSK de 80 ondas 400G de fibra única. A arquitetura básica do sistema de transmissão óptica multibanda é mostrada na Figura 3.

Figura 3. A arquitetura básica do sistema de transmissão óptica multibanda

O desenvolvimento atual da cadeia da indústria relacionada a C+L é mostrado na Tabela 2. Pode-se ver que, com as dificuldades técnicas superadas, o progresso do desenvolvimento da cadeia de fornecimento de componentes ópticos de banda estendida C+L está de acordo com as expectativas, e espera-se que a nova geração de camada óptica de banda larga C6T+L6T 12THz com sistema óptico QPSK de onda única 400G inicie a implantação comercial dentro de 1 ano.

tabela 2. Progresso da cadeia da indústria de componentes-chave do sistema C6T e L6T

O efeito SRS na fibra óptica é significativamente aumentado com a expansão da largura de banda e o aumento da potência de entrada e tem um efeito cumulativo entre as seções. Nos sistemas C+L, não são necessárias apenas estratégias precisas de gerenciamento de potência óptica para controlar efetivamente o ganho e a inclinação no início, mas também a compensação da desigualdade de potência causada pelo SRS por meio de configurações de onda de preenchimento. Além disso, é necessário manter um estado de configuração completo em todos os momentos para reduzir o impacto do crescimento dinâmico dos negócios nos negócios existentes. Com base na experiência de sistemas de cabos submarinos, a “substituição verdadeiro-falso” pode ser alcançada substituindo os sinais de negócios por ondas de preenchimento ao adicionar ou excluir canais, o que facilita a ativação e o teste de negócios. Antes do ajuste de potência, devido à forte transferência de potência SRS no sistema C+L, o nivelamento de potência de onda única no final do sistema se deteriora severamente e não pode atender aos requisitos das aplicações do sistema. A estratégia de pré-equalização de potência C+L ajusta o ganho e a inclinação dos ganhos do EDFA, resultando em melhorias significativas no nivelamento de energia, nivelamento OSNR e OSNR mínimo. O algoritmo de ajuste automático de potência e a configuração de onda de enchimento foram totalmente validados em testes de campo, estabelecendo uma base para implantações comerciais subsequentes.

Progresso em sistemas 400G de portadora única

Já em 2020, a FiberMall fez parceria com fornecedores de equipamentos para realizar testes em 400G 16QAM de portadora única na rede ao vivo, alcançando uma distância de transmissão de até 600 km. Em outubro de 2021, a FiberMall colaborou com a Huawei, ZTE e FiberHome para concluir a primeira validação de transmissão óptica de alta capacidade 400G de portadora única de espectro ultra amplo do mundo na rede ao vivo, alcançando uma distância de transmissão de mais de 1000 km. Em julho de 2022, a FiberMall e a ZTE simularam comprimento de fibra, perda e margem de manutenção em laboratório com base nos requisitos de rede e realizaram verificação de transmissão 400G QPSK, alcançando uma distância de transmissão de 3038 km em 49 segmentos de retransmissão não elétricos. Em janeiro de 2023, com base nos resultados dos testes de laboratório, a FiberMall realizou testes de rede ao vivo 400G QPSK, abrangendo quatro províncias, incluindo Zhejiang, Jiangxi, Hunan e Guizhou, envolvendo 45 segmentos de amplificadores ópticos, alcançando uma distância de transmissão recorde de 5616 km para 400G Retransmissão não elétrica QPSK na rede ativa e verificando pela primeira vez o desempenho da transmissão da extensão do espectro para 6THz de C6T+L12T.

A fim de estabelecer a rede de poder de computação, é necessário promover a pesquisa e o desenvolvimento de tecnologias-chave para 400G, alcançar inovação técnica abrangente em modulação, espectro e infraestrutura e continuar a promover a evolução da tecnologia de comunicação óptica de nova geração com base nisso, construindo uma base totalmente óptica para a rede de poder de computação e contribuindo para o desenvolvimento da economia digital.