Достижения в технологии оптической передачи 400G

В настоящее время телекоммуникационная сеть сталкивается с проблемами преобразования сети и увеличения пропускной способности. Таким образом, улучшение одноволновой скорости и дальности передачи оптических систем передачи и увеличение использования полосы пропускания волоконно-оптических систем связи стало обычным делом операторов и поставщиков оборудования для удовлетворения растущего спроса на сетевой трафик.

В настоящее время отрасль сотрудничает по трем основным направлениям, чтобы ускорить эволюцию магистральных оптических сетей в сторону поколения 80*400G.

Улучшение скорости

Магистральная сеть развивается с 10G до 100G, а затем до 200G, при этом расстояние практически не меняется, а пропускная способность постоянно увеличивается. На фоне повышения скорости портов маршрутизатора наступила эра портов 400G, и все операторы связи приступили к тестированию и проверке. Ожидается, что в 2023 году произойдет применение магистральной сети 400G OTN.

Улучшение емкости

Поскольку магистральная оптическая сеть имеет скорость до 200G, она занимает ширину спектра 75 ГГц. Когда он разовьется до 400G QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), он будет занимать ширину спектра 150 ГГц. По сравнению с 200G спектральная эффективность 400G не был улучшен, нарушив правило, согласно которому пропускная способность увеличивается в десять раз, а частотный спектр остается неизменным от 10G до 100G. Из-за влияния предела Шеннона открытие новых путей необходимо для повышения общей пропускной способности оптоволокна.

В настоящее время наиболее практичным решением является расширение частотного спектра C+L, включая план расширения частотного спектра C6T и L5T 11 ТГц, для которого завершены сетевые испытания, и план расширения частотного спектра C6T и L6T 12 ТГц, который в настоящее время проходит лабораторные испытания. Возможности и вот-вот завершится тестирование сети, и продолжается непрерывная оптимизация производительности системы.

В системе 80*800G дальнейшее рассмотрение будет уделено расширению частотного спектра до диапазонов S+C+L+U. В то же время, по мере увеличения скорости магистральной сети, новые волоконно-оптические технологии, такие как многожильные волокна, маломодовые волокна и полые волокна, необходимо использовать в сочетании для обеспечения дальней передачи.

Повышение эффективности

В эпоху 400G/800G применяется новая технология DSP, которая поддерживает несколько скоростей передачи и переключение режимов модуляции, а также реализует наилучшую адаптацию различных пропускных способностей на разных расстояниях программно-определяемым образом, максимизируя произведение пропускная способность-расстояние и спектральный диапазон. эффективность.

Прогресс исследований одноволновой сети 400G+ Технологии

Что касается различных сценариев применения, таких как городские и магистральные сети, в системах передачи 400G используются различные технологии для достижения баланса между производительностью передачи, эффективностью использования спектра и стоимостью. В таблице 1 перечислены характеристики и возможности основных одноволновых тарифных систем. Между технологиями 100G и 100G+ существуют определенные особенности поколений. В инженерных приложениях модули ближней связи следующего поколения и модули дальней связи предыдущего поколения обычно сосуществуют в отраслевой цепочке, что обеспечивает унификацию производственной цепочки.

Таблица 1. Характеристики и возможности различных одноволновых тарифных систем

Как показано на рисунке 1, существуют нормализованные представления отраслевой цепочки 200G PM-16QAM и 100G PM-QPSK с общей скоростью передачи 32G, отраслевой цепочки 400G PM-16QAM и 200G PM-QPSK с общей скоростью 64G и 400G PM-QPSK. QPSK и будущий 800G PM-16QAM используют общую отраслевую цепочку со скоростью передачи данных 128G.

Рисунок 1. Ассоциация нормализованные представления отраслевая цепочка ближнего и дальнего действия

В настоящее время широко используется 200G QPSK, а 400G 16QAM со скоростью передачи 64G может удовлетворить потребности городской передачи. Технология передачи 400G в настоящее время использует вероятностное формирование (PS) 16QAM на скорости 96G в бодах, которая в конечном итоге будет преобразована в схему QPSK на скорости 128G в бодах. По сравнению с 400G PS 16QAM, показатель OSNR 400G QPSK примерно на 1 дБ лучше, а входная мощность увеличена более чем на 1 дБ, что делает его подходящим для различных сценариев передачи на большие расстояния и совместимым с будущая отраслевая сеть 800G 16QAM.

На уровне чипа когерентная технология oDSP прошла через несколько поколений эволюции, и различия между поколениями в основном отражаются в самой высокой частоте одиночной волны, типе кода модуляции, а также размере и энергопотреблении. В настоящее время чип 400G 16QAM oDSP использует техпроцесс 7 нм, потребляет около 8 Вт и поддерживает скорость передачи данных 64G. Для следующего поколения приложений дальнего действия 400G главный производитель oDSP выпустил одноволновую дорожную карту продукта 1.2T и даже образцы модулей, поддерживающих скорость передачи данных до 140G, с использованием 5-нм техпроцесса.

С точки зрения алгоритма oDSP, формирования созвездия и высокой производительности FEC алгоритм кодека более критичен. Формирование созвездия делится на геометрическое формирование (GS) и вероятностное формирование (PS), как показано на рисунке 2(a) и рисунке 2(b). GS и PS обеспечивают лучшую производительность, чем обычная QAM, за счет изменения местоположения и вероятности появления точек созвездия, чтобы они отображали особое распределение.

Рисунок 2. Схема формирования созвездия

Технология высокопроизводительного кодирования с исправлением ошибок (FEC) может обеспечить более высокий чистый выигрыш от кодирования за счет использования комбинации каскадного кодирования и мягкого решения, многократного итеративного декодирования.

Высокопроизводительные оптоэлектронные устройства являются основой для достижения высокой точности преобразования электрических сигналов в оптические сигналы. В условиях применения оптической передачи 400G на большие расстояния скорость передачи системы превышает 100Gbd, а полоса пропускания рабочего диапазона оптического устройства должна быть более 50GHz. В настоящее время основные поставщики на основе технологических платформ кремниевой фотоники (SiP) или фосфида индия (InP) для проведения исследований в области миниатюризации, интеграции и широкополосных оптических приемопередающих устройств запустили часть квазикоммерческих образцов.

Усовершенствованная технология упаковки устройств также является важным средством оптимизации пропускной способности оптоэлектронных микросхем. В настоящее время кремниевые оптические чипы могут увеличить полосу пропускания модулятора на 3 дБ с 30 ГГц до более чем 80 ГГц за счет интеграции функции Driver's Peaking и оптимизации процесса упаковки 2.5D/3D. Это может обеспечить более чем 2 дБ последовательного улучшения допуска OSNR для модулированных сигналов высокого порядка 400G+, а растущая зрелость этой технологии еще больше ускоряет коммерциализацию систем дальнего действия 128G со скоростью 400 Гбит/с.

Среди основных компонентов оптических систем наиболее важными являются оптический усилитель (ОУ) и селективный переключатель длины волны (WSS). В настоящее время коммерческие ОУ в основном представляют собой волоконно-оптические усилители, легированные эрбием (EDFA), которые поддерживают полосу пропускания C-диапазона 4 ТГц, 4.8 ТГц и даже 6 ТГц. Техническое узкое место усиления L-диапазона 6 ТГц устранено, производительность образца соответствует ожиданиям, а производительность на уровне системы проверяется и оптимизируется. Однако, ограниченный эффективностью усиления волокна, легированного эрбием, на больших длинах волн, показатель шума расширенного L-диапазона EDFA может быть более чем на 1 дБ хуже, чем у расширенного C-диапазона, а стоимость и размер модуля также соответственно увеличиваются.

В настоящее время коммерческие WSS охватывают C-диапазон 6 ТГц, типичные вносимые потери около 6 дБ и количество портов до 32. Используя новейшую технологию жидких кристаллов на кремнии высокого разрешения (LCoS), разрешение среза спектра WSS составляет 6.25. ГГц, несколько производителей расширили рабочий диапазон до L-диапазона 6ТГц.

Что касается развития стандартов, то Исследовательская комиссия 15 Международного союза электросвязи (ITU-T SG15) провела исследование спецификаций физического уровня для интерфейсов 200G и 400G и приняла PM-16QAM в качестве стандартного типа кода для городских приложений 400G, продвигая процесс стандартизации открытого кодирования с прямой коррекцией ошибок (oFEC). Кроме того, несколько отраслевых организаций, использующих протоколы с несколькими источниками (MSA), также выпустили технические стандарты для 100G+. Например:

• OpenROADM/OpenZR+ выпустила спецификацию когерентного оптического модуля 100–400G, поддерживающую пакеты CFP2-DCO и QSFP-DD/OSFP, добавляя 100/200G QPSK, 300G 8QAM и другие режимы модуляции к структуре кадра 400ZR, а также используя oFEC вместо каскадного FEC. (cFEC) для поддержки передачи 450G класса 400 км.
• Китайская ассоциация стандартов связи (CCSA) разработала соответствующие стандарты: завершена разработка стандартов оптической передачи и модулей для скоростей 100G и ниже, проект представления 200G в основном выбирает кодовые типы 200G QPSK, 8QAM, 16QAM, стандарт городской зоны 400G в основном использует одноволновая схема 200G с двумя несущими, N *400G дальнее расширенное оптическое мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) Изучение технических требований к системе и другие темы стандартов для высокоскоростных приложений были завершены, что ясно указывает на то, что QPSK является идеальным решением для достижения единой -wave 400Gb/s дальнего/сверхдальнего действия.

Прогресс исследований в области технологии расширения диапазона волн

Технология расширения диапазона унаследована от DWDM для дальнейшего расширения доступной полосы пропускания за пределы традиционного C-диапазона и повышения пропускной способности передачи по одному волокну за счет увеличения количества каналов для передачи по совместному волокну.

Основываясь на традиционном DWDM C-диапазоне, за последние два года китайские операторы и поставщики оборудования привели к расширению Super C-диапазона (C6T), чтобы увеличить пропускную способность C-диапазона с 4 ТГц/4.8 ТГц до 6 ТГц в сочетании с посадкой 200G по схеме QPSK с 80-волновым интервалом 75ГГц. На самом деле окно с низкими потерями одномодового волокна включает не только C-диапазон, но и диапазоны O, E, S, L и U. В последние годы несколько операторов и интернет-провайдеров в США также развернули системы C+L для DCI и передачи по подводному кабелю, что может удвоить пропускную способность оптоволокна. Поскольку пропускная способность одномодового волокна приближается к пределу Шеннона в 100 Тбит/с, технология расширения полосы частот стала горячей точкой для академических и отраслевых исследований. В настоящее время местные операторы и поставщики оборудования активно продвигают модернизацию C6T до C6T&L6, чтобы обеспечить возможность дальней передачи 80-волнового 400G QPSK по одному волокну. Базовая архитектура многодиапазонной оптической системы передачи показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Базовая архитектура многодиапазонной оптической системы передачи

Текущее развитие отраслевой цепочки, связанной с C+L, показано в таблице 2. Видно, что после преодоления технических трудностей ход развития цепочки поставок оптических компонентов с расширенным диапазоном C+L соответствует ожиданиям, Ожидается, что новое поколение широкополосного оптического уровня C6T+L6T 12 ТГц с одноволновой оптической системой 400G QPSK начнет коммерческое развертывание в течение 1 года.

Таблица 2. Ключевые компоненты системы C6T и L6T прогресс в отраслевой цепочке

Эффект ВКР в оптическом волокне значительно усиливается с расширением полосы пропускания и увеличением входной мощности и имеет кумулятивный эффект по участкам. В системах C+L требуются не только точные стратегии управления оптической мощностью для эффективного управления усилением и наклоном в начале, но и компенсация неравномерности мощности, вызванной SRS, за счет конфигураций волн заполнения. Кроме того, необходимо постоянно поддерживать состояние полной конфигурации, чтобы уменьшить влияние динамического роста бизнеса на существующий бизнес. Опираясь на опыт подводных кабельных систем, можно добиться «замещения истинного-ложного», заменив деловые сигналы заполняющими волнами при добавлении или удалении каналов, что облегчает активацию и тестирование бизнеса. Перед регулировкой мощности из-за сильной передачи мощности SRS в системе C+L одноволновая неравномерность мощности в конце системы сильно ухудшается и не может соответствовать требованиям системных приложений. Стратегия предварительной коррекции мощности C+L регулирует усиление и наклон усиления ЭДФА, что приводит к значительному улучшению неравномерности мощности, неравномерности OSNR и минимального OSNR. Алгоритм автоматической регулировки мощности и конфигурация волны заполнения были полностью проверены в полевых испытаниях, заложив основу для последующего коммерческого развертывания.

Прогресс в системах 400G с одной несущей

Еще в 2020 году компания FiberMall в партнерстве с поставщиками оборудования провела тестирование 400G 16QAM с одной несущей в действующей сети, достигнув расстояния передачи до 600 км. В октябре 2021 года компания FiberMall в сотрудничестве с Huawei, ZTE и FiberHome завершила первую в мире проверку оптической передачи с высокой пропускной способностью 400G и одной несущей со сверхшироким спектром в действующей сети, достигнув расстояния передачи более 1000 км. В июле 2022 года FiberMall и ZTE смоделировали в лаборатории длину оптоволокна, потери и запас обслуживания на основе сетевых требований и провели проверку передачи 400G QPSK, достигнув дальности передачи 3038 км по 49 неэлектрическим ретрансляционным сегментам. В январе 2023 года, основываясь на результатах лабораторных испытаний, компания FiberMall провела тестирование сети 400G QPSK в режиме реального времени в четырех провинциях, включая Чжэцзян, Цзянси, Хунань и Гуйчжоу, с участием 45 сегментов оптического усилителя, достигнув рекордного расстояния передачи 5616 км для 400G. Неэлектрическое реле QPSK в действующей сети и первая проверка характеристик передачи расширения спектра до 6 ТГц C6T+L12T.

Для создания сети вычислительной мощности необходимо продвигать исследования и разработки ключевых технологий для 400G, добиваться комплексных технических инноваций в модуляции, спектре и инфраструктуре, а также продолжать способствовать развитию технологий оптической связи нового поколения. на этой основе построить полностью оптическую основу для сети вычислительных мощностей и способствовать развитию цифровой экономики.