400G DWDM: объедините приемопередатчик QSFP-DD с когерентным DWDM

Сочетание технологии DWDM и маршрутизации является ключом к реализации оптического модуля 400G QSFP-DD DWDM. В последние годы когерентные продукты DWDM готовы идти в ногу с введением когерентных сменных оптических модулей 400G DWDM.

В этом документе рассматривается эволюция когерентной технологии DWDM, чтобы дополнительно изучить детали когерентного съемного оптического модуля 400G DWDM, а также выяснить, как реализовать интеграцию DWDM и технологии маршрутизации.

Почему 400G DWDM QSFP-DD ZR использует когерентную технологию?

Когерентный оптический модуль приема относится к оптическому модулю с согласованной конструкцией на приемном конце, который в основном используется в технологии передачи второго поколения системы WDM.

Первое поколение WDM не использует технологию когерентного приема.

  1. Зачем использовать WDM?
  2. Зачем использовать DWDM?
  3. Почему DWDM нужна когерентная технология при увеличении пропускной способности?

Когда волоконно-оптическая связь была впервые предложена в 1970-х годах, говорили, что волоконная оптика имеет почти неограниченную пропускную способность, почти нулевые потери и почти нулевую стоимость. Там была большая промышленная ценность.

волоконная оптика имела почти неограниченную пропускную способность, почти нулевые потери и почти нулевую стоимость.

Теперь он в основном реализовал низкую стоимость и низкие потери. Но большой пропускной способности на дальние расстояния достигнуто не было.

большая пропускная способность на большие расстояния не была достигнута.

Частота света, подходящая для передачи по оптоволокну, составляет 190-230 ТГц, что является большой несущей частотой. Однако из-за ограничений технологии модуляции сигнала и технологии демодуляции в отрасли мы действительно можем использовать полосу пропускания сигнала в десятки ГГц, что не позволяет эффективно использовать огромную несущую частоту света.

Низкие потери являются важным фактором для увеличения расстояния передачи. Но на самом деле волновод волокна очень мал. Из-за требуемой плотности мощности входящего волокна волновод не может быть слишком большим, иначе он сгорит или вызовет нелинейные эффекты. Когда модулированный сигнал между отношением сигнал-шум и приемным концом может достигать сотен или даже тысяч километров передачи, волокно фактически может обеспечить только около сотни километров расстояния передачи, что является пустой тратой для сигнала.

Как увеличить мощность

Если вы не можете увеличить полосу пропускания модулированного сигнала, вы можете использовать технологию разделения по длине волны для передачи большего количества каналов.

Как увеличить дальность передачи оптического волокна

Вы можете использовать технологию ретрансляции для передачи одной секции за раз, пока отношение сигнал/шум оптического сигнала не достигнет своего предела.

Разделение длины волны

Он может расширить возможности.

Реле

Это может увеличить эквивалентное расстояние передачи. Оптический усилитель, использующий EDFA для ретрансляции, был отличным выбором для недорогой ретрансляции в 1990-х годах.

Чтобы приспособить недорогую EDFA для релейного усиления, необходимо поместить несколько длин волн в долю волны в пределах спектра усиления EDFA.

Необходимо поместить несколько длин волн в долю волны в пределах спектра усиления EDFA.

Раннее разделение длин волн решало как проблему увеличения пропускной способности в ограниченных промышленных условиях, так и проблему использования недорогих реле для увеличения расстояния передачи.

Но поскольку пропускная способность волокна продолжает увеличиваться, есть два пути увеличения количества длин волн и увеличения скорости на длину волны.

волоконная оптика имела почти неограниченную пропускную способность, почти нулевые потери и почти нулевую стоимость.

Но это создает новые проблемы.

Во-первых, увеличить количество длин волн. Эти длины волн необходимо контролировать в пределах пика усиления оптического усилителя, что приводит к уменьшению интервалов длин волн.

Второй — увеличить скорость на длину волны. Скорость становится все выше и выше с 622M, 1.25G и 2.5G, а расстояние передачи становится все короче и короче. Причина в том, что чувствительность приемной стороны ухудшается, а мощность передающей стороны не может непрерывно увеличиваться и ограничивается суммарной мощностью входящего волокна. Существует также недостаток, заключающийся в том, что чем выше скорость сигнала, тем больше разброс частотной области и необходимость расширения интервала длин волн.

Чем меньше расстояние, тем меньше длина волны. Это противоречие.

Чтобы решить эту проблему, мы должны улучшить чувствительность на приемном конце. Можно увеличить скорость и при этом сохранить характеристики дальней передачи.

Как улучшить чувствительность? Увеличьте сигнал или уменьшите шум.

Увеличение сигнала может быть достигнуто за счет конструктивной интерференции. А снижения шума можно добиться дифференциальными расчетами или деструктивной интерференцией. На приемном конце добавление конструкции помех сигнала может улучшить отношение сигнал/шум и оптимизировать чувствительность.

Интерференция сигнала зависит от фазы. Поскольку фаза контролируется, какая трата времени на создание набора фазовой модуляции 0/180 °. Вы можете использовать 45° и 225°, наложенные на 135°/315°, два набора модуляции сигнала. Это удвоит количество передаваемых битов без увеличения полосы пропускания сигнала.

Мультиплексирование с разделением по длине волны IMDD на основе NRZ улучшает скорость каждой длины волны. Поскольку чувствительность ухудшается, расстояние передачи становится короче. Чем выше скорость сигнала (по сути, ширина полосы), тем больше расширение частотной области и необходимость расширения интервала длин волн, что влияет на увеличение количества длин волн.

На основе формата модуляции DP-QPSK скорость передачи данных может быть увеличена без увеличения полосы пропускания. Без увеличения полосы частот частотный диапазон не нужно расширять, поэтому развертывание количества длин волн не затрагивается.

На основе когерентного приема через помехи улучшается сигнал, подавляются шумы, улучшается отношение сигнал/шум, а дальность передачи не становится меньше, а увеличивается.

Вернемся к нашей основной линии снова с когерентными оптическими модулями, увеличивая емкость и увеличивая расстояние. Это техническая конкурентоспособность когерентного оптического модуля, используемого в опорной сети опорной сети с большой пропускной способностью и большим расстоянием.

Когерентные оптические модули, есть несколько важных отраслей техники.

  1. Фазовый контроль, который требует, чтобы промышленность имела возможность обеспечить массовое производство при низких затратах. Эти технологии созрели примерно в 2005 году, а когерентный модуль вступил в фазу индустриализации примерно в 2010 году.

Для интерференции на приемном конце нужен гетеродин, а свет — это электромагнитные волны, поэтому его еще называют локальным колебательным светом (ЛО). Чем чище частота, тем лучше усиление после помех, что является требованием узкой ширины линии гетеродина. Поскольку когерентный модуль используется в системе с разделением по длине волны, он может настраивать длину волны, он обладает относительно сильной адаптируемостью, поэтому гетеродину требуется перестраиваемая длина волны.

 

Там, где есть необходимость в помехах, его обычно называют смесителем. Раньше для этой цели использовались ПЛК на основе оксида кремния на основе кремния, которые имели низкие потери, но не могли интегрировать детекторы. Позже был использован InP, а затем кремниевый свет, оба полупроводника могут интегрировать смеситель и детектор.

Чтобы разрешить взаимосвязь между фазой и амплитудой детектора, требуется очень много арифметических операций, и с индустриализацией когерентных оптических модулей DSP также стал важным компонентом модуля.

 

DSP, цифровая обработка сигналов, берет индивидуальную информацию, передаваемую оптическим сигналом, и использует алгоритмы для анализа сигнала после аналого-цифрового преобразования. Алгоритм является важной работой, в том числе как рассчитать дисперсию и компенсацию, как выполнить прогнозирование и компенсацию поляризационной дисперсии, как рассчитать девиацию частоты и так далее.

Помимо алгоритма, еще одной сложностью DSP является высокое энергопотребление. Одним из способов снижения энергопотребления является использование высокоточных полупроводниковых технологий. Примерно в 2010 году DSP использует процесс CMOS около 65 нм. К 2023 году технология DSP уже может достичь 5-нм, 7-нм, а энергопотребление значительно снижается.

 

Когерентные оптические модули имеют модуляторы IQ, двойную поляризацию, модуляцию двойной полярности и эквивалентные четыре амплитудных модулятора, чтобы не тратить впустую управление фазой и поляризацией.

 

В модуляторах IQ более ранних лет использовался ниобат лития, но размер был очень большим. Позже появилась миниатюрная технология модуляции на основе InP, размером всего в треть ниобата лития. Затем позже была интеграция кремниевой фотоники, интеграция кремниевой фотоники может отправлять модуляцию IQ, ICR объединяются, отправляют и получают вместе COSA (позже IC-TROSA). Размер был меньше.

Поскольку отрасль продолжала развиваться, эффективность кодирования QPSK еще более повысилась. С QAM8, QAM16 индустриализирован для достижения большей битовой эффективности.

 

Сценарий применения когерентных оптических модулей также начал расширяться. Помимо традиционной опорной сети телекоммуникаций, взаимосвязи между данными, существует также тенденция к большой пропускной способности и большому расстоянию. WDM, использовавшийся на заре межсетевого взаимодействия центров обработки данных DCI, представляет собой прямую передачу и IM/DD WDM.

В продолжении наращивания пропускной способности существуют те же противоречия, что и в предыдущей магистральной сети. Теперь, изучая предыдущий опыт, когерентная технология может еще больше увеличить пропускную способность без сокращения расстояния.

Это начало 400G ZR для второго поколения DCI.

 

 

Развитие DWDM Когерентная оптика

Менее чем за 10 лет модуль DWDM добился больших успехов, оптические устройства становятся все меньше и меньше, а скорость все выше и выше. За тот же период он увеличился в 10 раз: с 40G в 2011 году до 400G. К 2022 году на рынке уже появились сменные оптические модули 800G.

КСФП-ДД-400Г-ДКО-ЗР+

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

Внедрение когерентной оптической технологии является одним из важнейших нововведений в развитии системы DWDM. Когерентное оптическое оборудование использует передовые оптические устройства и процессоры цифровых сигналов (DSP) для отправки и приема сложной модуляции световых волн, чтобы реализовать высокоскоростную передачу данных. На очень высоком уровне когерентная модуляция остается движущей силой высокоскоростных оптических устройств, включая 400G и выше. когерентные приемопередатчики.

Первая коммерчески доступная когерентная система DWDM — 40G, за ней последовала 100G. Эти системы основаны на линейных картах и ​​шасси. Они могут поддерживать множество линейных карт в каждой системе и занимать столько же места, сколько продукты со скоростью 10G. Это большой прогресс. Теперь они могут передавать скорость 100G и большее расстояние передачи. Со временем скорость линейных карт увеличилась до 200G и выше, но с появлением облачных провайдеров отрасль приближается к переломному моменту.

В частности, по мере того, как сети облачных провайдеров начинают расти в геометрической прогрессии, производители вынуждены создавать более мелкие, быстрые и дешевые сетевые компоненты. Именно этот переломный момент привел к появлению оптических транспондерных систем DWDM. Система оптического транспондера исключает шасси и линейную карту. Это физически небольшая автономная система, небольшой коммутатор ЦОД высотой 1 или 2RU (1.5″-3″). Ключом к осуществимости пакета оптического ретранслятора является разделение двух основных компонентов когерентной оптической передачи: оптического устройства (лазер, приемник, модулятор и т. д.) и DSP (процессор цифровых сигналов).

Когерентная оптика 400G DWDM

И эти нововведения привели к появлению подключаемого модуля CFP2-ACO (Analog Coherent Optics), подключаемого модуля DWDM с относительно небольшим размером CFP2. Технология DSP также развивается, поэтому один чип DSP может поддерживать несколько модулей CFP2-ACO. Таким образом, размещая несколько DSP в оптическом транспондере, производители выпускали системы, способные передавать 2 Тбит/с (клиентские соединения 20x100G) в 2-х стойках (3″). Напротив, для системы на основе шасси потребуется 12 стоек. Помимо экономии места, они более энергоэффективны.

Конечно, вышеизложенное является очень простым объяснением когерентной передачи сигнала. На самом деле, целью разработчиков является преобразование цифровых сигналов в аналоговые для передачи данных и обратное преобразование аналоговых сигналов в цифровые на другом конце.

Однако CFP2-ACO может обрабатывать только аналоговые сигналы, но не цифровые. Он принимает когерентный аналоговый сигнал для передачи от DSP или передает полученный когерентный аналоговый сигнал на DSP для преобразования его в цифровой сигнал, как показано на рисунке.

Система передачи CFP2-ACO DWDM

Система передачи CFP2-ACO DWDM

Система CFP2-ACO широко используется во всей отрасли и стала стандартной формой оптической передачи практически в сети каждого облачного провайдера.

В то же время с введением CFP2-DCO, подключаемая когерентная оптика DWDM продолжает развиваться. «D» означает «цифровой» в цифровой когерентной оптике. Разработчики когерентной оптики в очередной раз уменьшили габариты и энергопотребление компонентов, поэтому и оптические устройства, и DSP размещены в CFP2. Таким образом, нет необходимости использовать стойку для размещения DSP, поэтому когерентная передача DWDM может осуществляться непосредственно с маршрутизатора или коммутатора, что является поворотным моментом реальной интеграции DWDM и маршрутизатора.

Передача DCO DWDM в маршрутизаторе или коммутаторе

Передача DCO DWDM в маршрутизаторе или коммутаторе

Теперь когерентные оптические модули эволюционировали до 400G ZR и 400G ZR+ в корпусах QSFP-DD, используя ту же технологию, что и CFP2-DCO, но меньшего размера. Такой компактный корпус, в котором размещены когерентные оптические устройства 400G DWDM, действительно обеспечивает жизнеспособное решение для конвергенции маршрутизации и DWDM.

 

400G Стандарты когерентных оптических приемопередатчиков DWDM

400G развился до такой степени, что существует несколько стандартов. К ним относятся 400ZR, 400G ZR+, 400G OpenROADM и 400G OpenZR+, которые идут в несколько разных направлениях.

Первым был Optical Interconnect Forum (OIF), создавший стандарт 400ZR. 400ZR предназначен для периферийных и относительно коротких (в пределах 120 км) приложений для межсоединений центров обработки данных. Примерно в то же время протокол OpenROADM с несколькими источниками также определил спецификации для подключаемых модулей 400G DWDM, причем спецификации были ориентированы на сети поставщиков услуг, такие как оптическая передача на большие расстояния (> 120 км), расширенная прямая коррекция ошибок (oFEC) и дополнительные скорости передачи данных. (100G, 200G, 300G или 400G). Хотя могут быть реализованы дополнительные функции, требуется больше мощности, чем 15 Вт, указанные ZR. По этой причине спецификация OpenROADM называется 400G ZR +.

В конце концов, между двумя организациями и различными производителями оптических устройств они согласовали лучший стандарт для объединения OIF и OpenROADM и назвали его OpenZR+. Объединив характеристики каждого устройства в одном корпусе, можно получить универсальное когерентное оптическое устройство DWDM, как показано на рисунке ниже.

400G OpenZR+

Мы видим, что при постоянном улучшении упаковки, функций и скорости передачи данных оптического модуля диапазон оптической передачи становится все шире и шире, а расстояние передачи увеличивается. Используя стандарт OpenZR+, можно достичь дальности передачи 1400 км, что более чем в 10 раз превышает дальность передачи 400ZR. С высокой плотностью 400G DWDM в маршрутизаторах в сочетании с простотой проектирования трафика и избыточностью путей сегментированной маршрутизации мы можем ожидать серьезного изменения в архитектуре сети передачи.

 

В ноябре 2020, ФайберМолл был приглашен стать первым участником OpenZR+ MSA. FiberMall offв начале 2018 года официально инвестировала в разработку когерентного оптического модуля, открыта для стратегического сотрудничества с цепочкой поставок вверх по течению, чтобы оптимизировать инновации в маломощных конструкциях и модели модуляции сигнала, и добилась значительных результатов. Теперь мы выпустили цифровые когерентные оптические модули 100G CFP-DCO, 100G CFP2-DCO и когерентный оптический трансивер DWDM 200G, а также когерентный оптический трансивер 400G DWDM в строгом соответствии со стандартами OpenZR+ для межсетевого взаимодействия центров обработки данных и городских сетей для оптической передачи на сверхдальние расстояния. .

Оставьте комментарий

Наверх