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Transceptores Coerentes

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Resumo do Produto
Tendência de Desenvolvimento de Tecnologia e Padrões de Transceptor Óptico Coerente

Com a melhoria da taxa de transmissão de canal único, cada vez mais cenários de aplicação no campo da comunicação óptica moderna começam a usar a tecnologia de transmissão óptica coerente. A tecnologia coerente mudou da rede de backbone (> 1000 km) para a rede de área metropolitana (MAN) (100 ~ 1000 km) ou mesmo a rede de acesso de borda (<100 km). Por outro lado, no campo da comunicação de dados, a tecnologia coerente também se tornou a solução principal para a interconexão de data centers (DCI) (80~120km).

O consumo de links ópticos coerentes dará início a um crescimento exponencial nos próximos anos. Essas novas aplicações também apresentam novos requisitos para o sistema de transceptor óptico coerente, que promove a evolução de unidades de transceptor coerente da integração original com placas de linha e transceptores MSA para transceptores ópticos conectáveis ​​padronizados e independentes. Este artigo discute a tendência de desenvolvimento de transceptores ópticos coerentes plugáveis ​​e compara e analisa padrões coerentes de 400G.

Desenvolvimento de Transceptores Ópticos Coerentes Plugáveis
Comparado com os transceptores ópticos do cliente usados ​​no MAN ou data center, a unidade de transceptor óptico coerente usada na rede de transmissão óptica é geralmente embutida ou integrada na placa única do lado da linha, com as desvantagens de baixa densidade de porta, grande potência de volume consumo, design fora do padrão, etc. Por muito tempo, os operadores de rede esperavam que o transceptor óptico de transmissão tivesse o mesmo fator de forma ou semelhante ao dos transceptores ópticos clientes. Nos últimos anos, chips DSP avançados com técnica CMOS e tecnologia fotônica integrada vêm progredindo, tornando possíveis transceptores ópticos de pacote coerente conectável com tamanho menor e menor consumo de energia. 

Após anos de desenvolvimento, os transceptores ópticos padronizados e conectáveis ​​tornaram-se uma escolha obrigatória para transmissão de serviço no lado da linha de comunicação óptica. A tendência de desenvolvimento de transceptores ópticos coerentes usados ​​em redes MAN e backbone tem as seguintes características:

-Alta velocidade: evoluir de 100G/200G para 400G, e depois para taxa de 800Gbps;
-Miniaturização: mude do formato 100G MSA para CFP/CFP2DCO/ACO, os padrões de embalagem atuais são 400G OSFP DCO, QSFP-DD DCO e assim por diante (como mostrado na Figura 1);
-Baixo consumo de energia: Considerando os requisitos gerais de consumo de energia do sistema, por exemplo, o consumo de energia de transceptores ópticos coerentes no formato QSFP-DD não é superior a 15W;
-Padronização da interligação: Tradicionalmente, os fabricantes de equipamentos usam suas próprias placas de interface dedicadas e usam métodos proprietários de modulação de alta ordem e algoritmos FEC. Interfaces de fabricantes diferentes não podem se comunicar entre si. Portanto, a interconexão de transceptores ópticos coerentes é a direção em que a indústria vem trabalhando. 

Figura 1 Transceptores ópticos coerentes plugáveis ​​em três pacotes padronizados (QSFP-DD, OSFP, CFP2-DCO)

200G CFP2-DCO e 400G QSFP-DD ZR são os transceptores ópticos coerentes mais populares do Fibermall.
-Os recursos do 200G CFP2-DCO são os seguintes:
Disponível em um formato CFP2 hot-pluggable
Laser de largura de linha ultra estreita ajustável de banda C de banda completa
Distância de transmissão de até 80 km/500 km através de uma fibra monomodo
Usando a modulação DP-QPSK
Duas portas ópticas LC
A temperatura de operação de grau comercial varia de 0 a 70 ℃
Tensão de alimentação 3.3V
Compatível com RoHS (sem chumbo)

-400G QSFP-DD ZR:
Ideal para Edge DCI
Compatível com o Open Internetworking Forum (OIF)
Suporta taxas de dados de 400G
Fornece um alcance de até 120 km ponto a ponto

Com o desenvolvimento de serviços de Internet, a construção de infraestrutura em nuvem e a necessidade de computação de IA, operadoras de telecomunicações e data centers apresentaram requisitos claros para a interoperabilidade de transceptores ópticos de diferentes fabricantes.

Em termos de padrões FEC, existem diferentes tipos como GFEC, SCFEC, RS10, CFEC, oFEC, SD-FEC, etc., correspondendo a diferentes taxas e padrões, que geralmente podem ser divididos em três gerações: a primeira geração é bloco código, o requisito de ganho é de 6dB e a sobrecarga é de 6.7%; A segunda geração é iteração de intercalação em cascata, com um requisito de ganho de 8dB e sobrecarga de 6.7%; a terceira geração é um SD-FEC de decisão suave, com um requisito de ganho de 11 dB e sobrecarga de mais de 25%, usando o algoritmo Turbo Product Code (TPC) e verificação de código de paridade de baixa densidade (LDPC), e o novo geração de FEC com base na modelagem de probabilidade de constelação ainda não lançou um padrão.

Em termos do algoritmo DSP, tomando 400ZR como exemplo, padronizam-se o formato do quadro, codificação não diferencial, marcas de ajuste, regras de mapeamento de símbolos, sequências de treinamento, símbolos piloto e outras informações necessárias para intercomunicação. Em termos de padrões MIS, já existem diferentes tipos de padrões, como CFP MIS, C-CMIS e CMIS. Os produtos de transceptor óptico coerente da ZTE sempre estiveram no nível de liderança do setor. Lançou sucessivamente transceptores 100G/200G/400G/600G MSA auto-desenvolvidos e assumiu a liderança na indústria ao lançar transceptores ópticos conectáveis ​​100G CFP, 200G/400G DCFP2 série, DCFP2/QSFP-DD e outros transceptores conectáveis ​​altamente integrados usando Os chips ópticos e elétricos desenvolvidos também estão sendo desenvolvidos gradualmente.

Análise Comparativa de Padrões Coerentes de 400G
A tecnologia coerente comercial atual foi desenvolvida para 800G de comprimento de onda único, mas atualmente, 800G não possui padrões relevantes na indústria, enquanto a tecnologia coerente de 400G possui três padrões: 400ZR, OpenROADM e OpenZR+.

400ZR é um projeto iniciado pelo Optical Internetworking Forum (OIF) em 2016 para padronizar uma interface de transceptor óptico coerente interoperável com um orçamento de energia que pode suportar fatores de forma como QSFP-DD e OSFP para transceptores ópticos coerentes de 400G de interconexão de data center (DCI). Este fator de forma proposto pela OIF se concentra em certas aplicações onde o desempenho da transmissão pode ser sacrificado porque precisa atender a meta de potência do transceptor de 15 W.

OIF-400ZR destina-se a aplicações DCI de ponta. O lado do cliente define apenas uma taxa de 400 GbE, a distância de transmissão é de 80 ~ 120 km e a correção de erros direta CFEC é usada. A OIF demonstrou que padrões de interoperabilidade coerentes são possíveis, e sua solução 400ZR proposta é bem suportada no setor. Ao mesmo tempo, os operadores do sistema provaram que há espaço para melhorias adicionais no desempenho térmico desses fatores de forma de alta densidade, permitindo que os transceptores ópticos com esses fatores de forma suportem funções adicionais para fornecer maior desempenho.

Com base no sucesso da OIF, as operadoras de telecomunicações lideradas pela AT&T definiram o padrão OpenROADM MSA que pode suportar transmissão de longa distância. O OpenROADM foi projetado para redes OTN que precisam oferecer suporte a outros protocolos e aumentar a taxa de bits de sobrecarga correspondente. OpenROADM MSA é principalmente para aplicativos de rede ROADM de operadoras de telecomunicações. Ele define taxas de 100G, 200G, 400GbE e OTN na interface do terminal, com uma distância de transmissão de 500km. Adota um algoritmo aberto de correção de erros FEC (oFEC). 

400ZR e OpenROADM definem os tipos e características de desempenho, respectivamente, de transceptores ópticos coerentes conectáveis ​​para interconexão de data center e redes de transmissão óptica de telecomunicações, mas cada um tem certas limitações e deficiências. Por exemplo, o 400ZR suporta apenas interfaces do lado do cliente de 400 GbE, enquanto o OpenROADM se aplica apenas aos cenários de rede das operadoras de telecomunicações. Portanto, alguns fabricantes tradicionais da indústria combinaram as respectivas vantagens dos padrões OIF-400ZR e Open ROADM e lançaram outro padrão MSA, OpenZR+. A relação de evolução geral desses três padrões é mostrada na Figura 2.
Figura 2 Desenvolvimento e evolução de padrões de interoperabilidade para transceptores ópticos coerentes

O OpenZR+MSA tem uma gama de aplicações mais ampla e visa operadoras de metro, backbone, DCI e telecomunicações, a fim de obter funções aprimoradas e desempenho aprimorado em formas conectáveis, como QSFP-DD e OSFP, para oferecer suporte à interoperabilidade de vários fornecedores. O OpenZR+ não apenas mantém a interface de host puro Ethernet simples de 400ZR, mas também adiciona suporte para Ethernet multi-taxa e funções de multiplexação de interface de linha 100G, 200G, 300G ou 400G, e adota o OpenROADM MSA e oFEC padronizado pela CableLabs, resultando em maior tolerância de dispersão e maior ganho de codificação. Em setembro de 2020, o OpenZR+ lançou sua primeira versão pública do livro de métricas. Os principais indicadores de desempenho de transceptores ópticos coerentes definidos pelos três padrões OIF-400ZR, Open ROADM e OpenZR+ são mostrados na Tabela 1.


Tabela 1 Comparação de parâmetros padrão de interoperabilidade de transceptor óptico coerente 400ZR, OpenROADM, OpenZR+

É benéfico para as operadoras de rede usar o mesmo fator de forma nos transceptores ópticos do lado da linha que os do lado do cliente, o que reduz os custos por meio de uma arquitetura de rede mais simples. Combinado com a recente tendência da indústria de Open Line System (OLS), esses transceptores ópticos de transmissão podem ser inseridos diretamente em roteadores sem sistemas de transmissão externos. Isso simplifica a plataforma de controle enquanto reduz o custo, o consumo de energia e a área ocupada. Por exemplo, no cenário de aplicação de rede mostrado na Figura 3, o usuário pode optar por inserir diretamente o transceptor óptico coerente que atende aos requisitos do OpenZR+ na porta do roteador que suporta OLS ou inseri-lo na porta do lado da linha do dispositivo de transmissão usado para realizar a conversão do protocolo de sinal. e, em seguida, conecte-se ao roteador pela porta do lado do cliente do dispositivo. Os fornecedores de DSP coerente e transceptores ópticos coerentes estão conduzindo ativamente testes de interoperabilidade de transceptores ópticos coerentes, como Acacia, NEL, Inphi, NeoPhotonics, etc. Atualmente, transceptores ópticos coerentes com uma curta distância de transmissão podem interoperar com vários fabricantes.
 Figura 3 Aplicativo que suporta OpenZR+

Análise da evolução da tecnologia após a aplicação da coerência 400G
Do ponto de vista da evolução da padronização, a próxima geração de produtos conectáveis ​​coerentes de 400G provavelmente adotará uma taxa de 800G de onda única. Recentemente, a OIF está discutindo o desenvolvimento de um padrão de tecnologia coerente de próxima geração - 800ZR. Atualmente, a consideração inicial é oferecer suporte a links DWDM de 80 a 120 km (amplificados) para cenários DCI e links de 2 a 10 km sem amplificação para cenários de campus. A interface do lado do cliente suporta 2×400GE ou 1×800GE, e o lado da linha suporta uma interface de linha coerente de 800G de comprimento de onda único.

Os indicadores de estrutura de quadro são mapeados do lado do cliente para o lado da linha e os indicadores de sinal do lado da linha são definidos para alcançar a interoperabilidade. No nível do componente, a OIF também está discutindo a especificação técnica do modulador coerente de próxima geração OIF-HB-CDM2.0 que suporta taxas de modulação mais altas. Internamente, o CCSA Optical Device Working Group aprovou recentemente 6 projetos de padrões da indústria de dispositivos ópticos de 800 Gbps, incluindo transceptores ópticos de modulação de fase IC-TROSA de 800 Gbps e 1 × 800 Gbps.

Portanto, a indústria também está experimentando alguns novos materiais e tecnologias de dispositivos, como o niobato de lítio de filme fino (TFLN). O niobato de lítio sempre foi considerado um material premium para moduladores ópticos. Os moduladores tradicionais de niobato de lítio de material a granel não podem suportar aplicações de taxa de transmissão acima de 64 GBd devido ao seu tamanho volumoso e largura de banda limitada pelo tamanho do dispositivo. Nos últimos anos, devido ao avanço da tecnologia de processamento de chip TFLN, os moduladores de niobato de lítio também podem atingir tamanho pequeno e alta largura de banda, por isso é considerado uma técnica potencial para realizar moduladores ópticos de 100 GBd e acima. Além disso, para alcançar alta largura de banda no nível do dispositivo, chips de acionamento elétrico e tecnologia de embalagem também estão entre as dificuldades a serem resolvidas.

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