تطبيق جهاز الإرسال والاستقبال البصري بسرعة 800 جيجابت/ثانية

توقعات السوق وسيناريوهات التطبيق

أدى ظهور خدمات جديدة مثل الواقع الافتراضي 4K (VR)، وإنترنت الأشياء، والحوسبة السحابية إلى فرض متطلبات أعلى على النطاق الترددي للشبكة، والتزامن، والأداء في الوقت الفعلي. وفقًا لتوقعات Omdia، مع استمرار زيادة الطلب على عرض النطاق الترددي في السنوات القليلة المقبلة، على الرغم من أن أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية بسرعة 100 و200 و400 جيجابت/ثانية ستظل تتمتع بأكبر حصة في السوق، إلا أنه سيتم نشر أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية بسرعة 800 جيجابت/ثانية على نطاق واسع في عام 2025.

الشكل 1: مخطط معمارية شبكة 800GE

كما هو موضح في الشكل 1، وفقًا لهيكل شبكة 800 GE، يمكن أن تكون مسافة الاتصال من المفتاح العلوي للحامل (TOR) إلى المفتاح Leaf قصيرة مثل عشرات الأمتار أو طويلة حتى مئات الأمتار. بالنسبة لهذا الجزء من الاتصال، تعتمد شركات الإنترنت الكبيرة عمومًا تقنية اتصال 100 جيجابت/ثانية، وتقوم بالترقية تدريجيًا إلى تقنية 200 جيجابت/ثانية أو 400 جيجابت/ثانية بدءًا من عام 2021. وبدأت بعض الشركات الرائدة في تجارب تقنية 800 جيجابت/ثانية في 2023. قد يؤدي الاتصال من مفتاح Leaf إلى Spine، أو من مفتاح Spine إلى جهاز التوجيه الأساسي، إلى حل مشكلة الاتصال البيني داخل الحرم الجامعي أو بين الحرم الجامعي المجاور. يمكن أن تصل مسافة الاتصال إلى 2 كم أو حتى 10 كم. تمت ترقية معدل الواجهة تدريجيًا من 100 جيجابت/ثانية إلى 200 جيجابت/ثانية أو 400 جيجابت/ثانية بدءًا من عام 2021. يشير الاتصال البيني لمراكز البيانات (DCI) عمومًا إلى الاتصال بين عدة مراكز بيانات متجاورة لموازنة التحميل أو النسخ الاحتياطي للتعافي من الكوارث. قد تصل مسافة الاتصال إلى عشرات الكيلومترات. لمثل هذه المسافة الطويلة، نظرًا لأن موارد الألياف الضوئية ثمينة نسبيًا، يستخدم الأشخاص بشكل أساسي تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف بالإضافة إلى الاتصال المتماسك لإعادة استخدام موارد الألياف الضوئية قدر الإمكان. نقوم بتقسيم سيناريوهات التطبيق لجهاز الإرسال والاستقبال البصري بسرعة 800 جيجابت/ثانية إلى SR (سيناريو 100 متر)، وسيناريو DR/FR/LR (سيناريو 500 متر/2 كيلومتر/10 كيلومتر)، وسيناريو ER/ZR (سيناريو 40 كيلومتر/80 كيلومتر).

حل تقني

فكرة عامة عن البرنامج

يشمل تطور الحلول التقنية بسرعة 800 جيجابت/ثانية 3 أجيال. الجيل الأول هو 8 حلول بصرية و8 حلول كهربائية: الواجهة الضوئية 8×100 جيجابت/ثانية، والواجهة الكهربائية 8×100 جيجابت/ثانية، والوقت التجاري هو 2021؛ الجيل الثاني هو 4 حلول بصرية و8 حلول كهربائية: واجهة بصرية 4×200 جيجابت/ثانية، واجهة كهربائية 8×100 جيجابت/ثانية، متاحة تجاريًا في عام 2024؛ الجيل الثالث عبارة عن 4 حلول بصرية و4 حلول كهربائية: واجهة بصرية 4×200 جيجابت/ثانية، واجهة كهربائية 8×100 جيجابت/ثانية، ومن المتوقع أن تكون متاحة تجاريًا في عام 2026. على المدى الطويل (خلال 5 سنوات)، سيتم توفير الطاقة الضوئية/الكهربائية سيتم تعميم تقنية القناة الواحدة بسرعة 200 جيجابت/ثانية؛ على المدى القصير (في غضون 3 سنوات)، نظرًا لأن أجهزة الرقائق الإلكترونية الضوئية أحادية القناة بسرعة 200 جيجابت/ثانية وتكنولوجيا المعادلة لم تنضج بعد، فإن الصناعة لا تزال بحاجة إلى وقت لاختراق الاختناقات التقنية ذات الصلة.

الواجهة الكهربائية والتعبئة والتغليف

يمكننا أن نقول من تطوير 100 جيجابت / ثانية للتشكيل المباشر وجهاز الإرسال والاستقبال البصري للكشف المباشر، عندما يكون معدل القناة الواحدة للواجهة الكهربائية هو نفس معدل الواجهة البصرية، فإن بنية جهاز الإرسال والاستقبال البصري ستصل إلى الحالة المثالية مع مزايا انخفاض استهلاك الطاقة والتكلفة المنخفضة. ستكون الواجهة الكهربائية أحادية القناة بسرعة 100 جيجابت/ثانية هي الواجهة الكهربائية المثالية لجهاز الإرسال والاستقبال الضوئي بسرعة 8×100 جيجابت/ثانية، وستكون الواجهة الكهربائية أحادية القناة بسرعة 200 جيجابت/ثانية هي الواجهة الكهربائية المثالية لـ 4×200 جيجابت/ثانية جهاز الإرسال والاستقبال البصري. فيما يتعلق بالتعبئة، يمكن أن يوجد جهاز إرسال واستقبال بصري بسرعة 800 جيجابت/ثانية في أشكال مختلفة مثل عامل الشكل الصغير رباعي الكثافة المزدوج القابل للتوصيل (QSFPDD800) وعامل الشكل الثماني الصغير القابل للتوصيل (OSFP). نظرًا لعوامل مثل الأسلاك داخل الوحدة وفقدان الموصل، لا يزال جهاز الإرسال والاستقبال البصري القابل للتوصيل المعتمد على واجهات كهربائية بسرعة 200 جيجابت/ثانية يواجه العديد من التحديات.

واجهة بصرية

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من بنيات الواجهة البصرية لجهاز الإرسال والاستقبال البصري بسرعة 800 جيجابت/ثانية، كما هو موضح في الشكل 2. (1) جهاز الإرسال والاستقبال البصري لتعديل سعة النبض ذو 8 مستويات (PAM100) 4 × 4 جيجابت/ثانية: يعمل جهاز الإرسال والاستقبال PAM4 بسرعة 53 جيجابت في الثانية ويستخدم 8 أزواج من المحولات الرقمية إلى التناظرية (DACs) والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs)، و8 أجهزة ليزر، و8 أزواج من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية، وزوج واحد من معدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الخشن ذي 1 قنوات (CWDM) أو Ethernet تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي القائم على القناة (LAN-WDM) (اعتمادًا على فقدان تشتت الألياف) معدد الإرسال ومزيل تعدد الإرسال (غير مطلوب لسيناريوهات تطبيق SR/DR). (8) جهاز إرسال واستقبال بصري PAM2 4×200 جيجابت/ثانية: يعمل جهاز الإرسال والاستقبال PAM4 بسرعة 4 جيجابت في اليوم، باستخدام 106 أزواج من DACs وADCs، و4 أزواج من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية (بما في ذلك 4 أجهزة ليزر)، وزوج واحد من CWDM أو LAN رباعي القنوات -WDM (اعتمادًا على فقدان تشتت الألياف) معدد الإرسال ومزيل تعدد الإرسال (غير مطلوب لسيناريوهات تطبيق SR/DR). (4) وحدة بصرية متماسكة بسرعة 1 جيجابت/ثانية: تعمل بسرعة 4 جيجابت في الثانية في ظل الاستقطاب المزدوج لتعديل سعة التربيع السادس عشر (3QAM). ويستخدم 800 أزواج من DACs وADCs، و128 ليزر، وزوج واحد من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية، مما يتيح استخدام الليزر ذو الطول الموجي الثابت في الوحدات الضوئية المتماسكة لمركز البيانات لتقليل التكلفة واستهلاك الطاقة.

الشكل 2: ثلاث معماريات للواجهة البصرية لجهاز إرسال واستقبال بصري بسرعة 800 جيجابت/ثانية

يمكن لحل الضبط المباشر والفحص المباشر بسرعة 8×100 جيجابت/ثانية الاستفادة من البنية التقنية الحالية. التقنيات والمعايير ذات الصلة ناضجة نسبيًا، كما أن سلسلة التوريد مكتملة نسبيًا أيضًا. في سيناريو SR، تواجه تقنية الليزر الذي ينبعث من سطح التجويف الرأسي (VCSEL) بسرعة 100 جيجابت/ثانية تحديات. سيكون تحسين أداء الحلول متعددة الأوضاع وخفض تكلفة الألياف الضوئية متعددة الأوضاع من العوامل الرئيسية في التطور المستمر لهذه التكنولوجيا. تتطور تقنيات الوضع الفردي التي تمثلها ضوئيات السيليكون (SiPh) والليزر المعدل مباشرة (DML) بسرعة. ومن بينها، تتطور تقنية SiPh بسرعة أكبر، ومن المتوقع أن تتنافس مع الحلول متعددة الأوضاع في سيناريوهات التطبيق بمسافات نقل تبلغ 100 متر أو أقل في المستقبل. في سيناريو DR/FR، هناك ثلاثة حلول: الليزر المعدل بالامتصاص الكهربائي (EML)، DML وSiPh.

في مشهد LR، توجد مخططات 800 جيجابت/ثانية LR8 تعتمد على تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الخشن (CWDM)، وتعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي للشبكة المحلية (LWDM) وتعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي للشبكة المحلية الضيقة (nLWDM)، والتي لا تزال في مرحلة البحث. من حيث اختيار الطول الموجي، نظرًا للتشتت الكبير لطول موجة حافة النطاق O، فإن LWDM8 يتفوق على CWDM8 من حيث عقوبة التشتت. في الوقت الحالي، تواجه حلول الضبط المباشر والفحص المباشر لمسافات تصل إلى 10 كيلومترات وما فوق بشكل أساسي تحديات التشتت "في أسوأ الحالات" ومطابقة تفاوت التشتت الضيق.

يمكن أن يؤدي بناء نظام جديد للطول الموجي وضغط نطاق الطول الموجي متعدد القنوات إلى تضييق التشتت الأسوأ وفقًا لذلك، وبالتالي تبسيط تصميم معالجة الإشارات الرقمية (DSP) وتقليل استهلاك الطاقة النظري. على سبيل المثال، تبلغ المسافة المحدودة التشتت للتشكيل المباشر 8×100 Gbit/sPAM4 وحل الكشف المباشر حوالي 10 km عند اعتماد حل LWDM مع تباعد 800 GHz. عند اعتماد حل nLWDM بمسافة 400 جيجاهرتز، يمكن تمديد المسافة المحدودة التشتت إلى 20 كم. عند اعتماد حل nLWDM بمسافة 200 جيجاهرتز، يمكن تمديد المسافة المحدودة التشتت إلى 40 كم. وفي الوقت نفسه، يعد ضغط توزيع نقطة التشتت الصفرية أو نطاق الانجراف وتقليل نطاق التشتت المقابل أحد الحلول أيضًا. ومع ذلك، نظرًا لأن توزيع نقاط التشتت الصفرية لمنتجات الألياف الضوئية من مختلف الشركات المصنعة ليس موحدًا، فلا يزال من الصعب تحقيق ضغط واسع النطاق.

بالنسبة للتشكيل المباشر 4×200 جيجابت/ثانية وحل الكشف المباشر، تستمر قناة واحدة 200 جيجابت/ثانية في استخدام نوع كود التشكيل PAM4، ويمكنها الاستفادة من البنية التحتية الصناعية الناضجة نسبيًا لـ PAM4 (ولكن إمكانية التشكيل الجديد لا يتم استبعاد أنواع التعليمات البرمجية). في سيناريوهات تطبيق 4×200 جيجابت/ثانية DR وFR، يوجد حاليًا حلان تقنيان: 4 قنوات أحادية الوضع متوازية (PSM4) وCWDM4.

ولا يزال هذان الحلان يواجهان العديد من التحديات ويتطلبان المزيد من البحث. بالنسبة لسيناريوهات تطبيق LR، توجد حلول 800 جيجابت/ثانية LR4 تعتمد على CWDM وLWDM وnLWDM. لا تزال هذه الحلول في مرحلة البحث والمناقشة وتتطلب أجهزة شرائح إلكترونية ضوئية ذات نطاق ترددي عالٍ، وتقنية معادلة أقوى وتصحيح الأخطاء الأمامي (FEC) لضمان معدل خطأ البت المصحح (BER). يحتاج عرض النطاق الترددي للجهاز للوحدات الضوئية المتماسكة البالغة 800 جيجابت/ثانية إلى تحسين كبير، ومن الصعب مضاعفة عرض النطاق الترددي في خطوة واحدة. يجب أن تعتمد الوحدة الضوئية المتماسكة بسرعة 800 جيجابت/ثانية المستندة إلى أجهزة 96 جيجابت في الثانية أنواع أكواد التشكيل ذات الترتيب الأعلى. هذه الطريقة لها عيوب مثل انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء البصرية (OSNR)، ومسافة الإرسال المحدودة وسيناريوهات التطبيق. تتميز الوحدة الضوئية المتماسكة ذات الاستقطاب المزدوج (DP) -128QAM المستندة إلى 16 جيجا بايت بقدرة أفضل على OSNR وقدرة نقل وستصبح حل التنفيذ السائد لـ 800 جيجابت/ثانية متماسكة.

FEC

يتم تقسيم FEC عمومًا إلى ثلاث فئات: FEC من طرف إلى طرف، وFEC المتتالي المتداخل، وFEC المجزأ. من المعتقد عمومًا في الصناعة أن تطبيق حل التشكيل المباشر والكشف المباشر بمعدل 8×100 Gbit/s ضمن مسافة إرسال تبلغ 40 km يمكن تحقيقه عن طريق KP4 FEC من طرف إلى طرف. ولمسافة إرسال تبلغ 40 كيلومتراً، يمكن استخدام تصحيح تصحيحي أمامي (FEC) أقوى.

ويتميز حل التشكيل المباشر والكشف المباشر بمعدل 4×200 Gbit/s بمعدل أعلى، وبالتالي يتطلب إدخال معيار BER جديد وطريقة تشفير FEC جديدة ومعادل أكثر تعقيداً. بدأت مجموعات العمل IEEE 802.3 B400G SG (مجموعة دراسة 802.3 ما بعد 400 جيجابت/ثانية) و800G MSA القابلة للتوصيل (اتفاقية متعددة المصادر قابلة للتوصيل بسرعة 800 جيجابت/ثانية) المناقشات ذات الصلة. قد تصبح الطريقة التعاقبية مسارًا جديدًا لحلول التشكيل المباشر والكشف المباشر بمعدل 4×200 جيجابت/ثانية. هذا النهج لا يحتفظ فقط بـ KP4 FEC ويتجنب التكلفة الإضافية لدمج FEC الجديد في الشريحة الرئيسية، ولكنه يوفر أيضًا حماية إضافية للرابط البصري من خلال FEC خفيف الوزن وسهل التنفيذ في جهاز الإرسال والاستقبال البصري، مما يقلل من استهلاك الطاقة وزمن الوصول الناجمة عن فك التشفير. فيما يتعلق بأداء تصحيح الأخطاء، يمكن لمختلف الرموز الداخلية المتتالية مثل KP4+BCH (144,136) تقليل نطاق التصحيح اللاحق إلى أقل من 1E-13 بناءً على نطاق معدل خطأ بتات التصحيح المسبق من 1 إلى 2E-3. وفي الوقت نفسه، يأتي الطلب الأقوى حاليًا على سرعة 800 جيجابت/ثانية من مراكز بيانات OTT (مشغلي الإنترنت) وسيناريوهات الحوسبة عالية الأداء. تحتوي هذه السيناريوهات على متطلبات عالية لحساسية زمن الوصول. أصبحت خوارزمية FEC ذات زمن الوصول المنخفض أحد المتطلبات الأساسية التي تبلغ 800 جيجابت/ثانية.

يتضمن ترابط 800 جيجابت/ثانية 800 جيجابت/sLR و800 جيجابت/ثانية ZR. ولذلك، نحن بحاجة إلى تصميم خوارزميات FEC لسيناريوهات التطبيق المختلفة. (1) يتطلب سيناريو 800LR شبكة حرم جامعي بطول 10 كيلومترات، والتي لها متطلبات عالية من حيث زمن الوصول واستهلاك الطاقة. حاليًا، تتضمن الحلول سلسلة KP4+eHamming/eBCH، والرمز المكاني المقترن FEC (XR-FEC)، وFEC المجمع (CFEC)، وZip، وFEC مفتوح خفيف الوزن (OFEC)، وما إلى ذلك. ومن بينها، يحتوي الحل المتتالي على شيء مشترك مع الحل التسلسلي للتشكيل المباشر والكشف المباشر بمعدل 4×200 جيجابت/ثانية. يمكن أن يؤدي الاتصال بين المسارين إلى تقليل تعقيد الشريحة الرئيسية. (2) يتم استخدام سيناريو 800ZR بشكل أساسي في DCI وهو استمرار لمعيار منتدى شبكة الإنترنت البصري (OIF) 400ZR. يستخدم 800ZR تنسيق التعديل DP-16QAM، والذي يشكل تحديًا معينًا لقدرة CFEC. وقد يتطلب الأمر حلول FEC تتمتع بقدرات أقوى لتصحيح الأخطاء، مثل التشفير متعدد المستويات (MLC) وOFEC.

تكنولوجيا المعادلة

لتحقيق معدل نقل بيانات أحادي القناة يبلغ 200 جيجابت/ثانية، يجب أن تخضع الرقائق الإلكترونية الضوئية لترقية الأداء، مثل SerDes بسرعة 200 جيجابت/ثانية، والرقائق الإلكترونية الضوئية والأجهزة ذات عرض النطاق الترددي أعلى من 50 جيجاهرتز، وما إلى ذلك. وفقًا لتقارير البحث الفني الحالية ، من السهل نسبيًا تحقيق الرقائق الضوئية ذات النطاق الترددي الأعلى من 50 جيجا هرتز. إن كيفية ضمان الأداء الأمثل للمؤشرات الأخرى مع تحسين عرض النطاق الترددي هي النقطة الأساسية التي يجب مراعاتها. في الوقت الحالي، لا يمكن أن يفي عرض النطاق الترددي للشرائح الكهربائية Driver وTIA بمتطلبات المعدل ويتطلب أيضًا قدرات موازنة. أثناء تحسين عرض النطاق الترددي الخاص بها، تحتاج هذه الرقائق الإلكترونية إلى تحقيق تأثيرات تحسين الإشارة على مستوى النظام. يمكن لتقنية المعادلة الفعالة أن تخفف إلى حد كبير متطلبات النظام على عرض النطاق الترددي للأجهزة الإلكترونية البصرية.

تتضمن تقنيات المعادلة الشائعة معادلة التغذية الأمامية (FFE)، ومعادلة ردود الفعل على القرار (DFE)، ومعادلة تسلسل الاحتمال الأقصى (MLSE). من بينها، يتم استخدام FFE على نطاق واسع في أنظمة SerDes ورقائق الإشارة الضوئية DSP (oDSP) نظرًا لسهولة تنفيذها. ومن أجل تخفيف الطلب على عرض نطاق الأجهزة الإلكترونية الضوئية البالغ 200 جيجابت/ثانية، من ناحية، يمكن استخدام تكنولوجيا التسوية المسبقة FFE في المرسل للتعويض عن عرض النطاق الترددي لجهاز الإرسال؛ ومن ناحية أخرى، يمكن تطبيق تقنية معادلة أكثر قوة في oDSP للتخفيف من تأثير قيود عرض النطاق الترددي على تدهور أداء النظام. بالنسبة لمعادلة FFE ذات 5 نقرات المستخدمة في معيار الطول الموجي الفردي 100 جيجابت/ثانية، عند زيادة المعدل إلى 200 جيجابت/ثانية، سيزداد عدد نقرات FFE. على الرغم من أنه يمكن أيضًا استخدام خوارزمية معادلة MLSE عالية الأداء كحل، إلا أن تطبيق MLSE أكثر تعقيدًا ويتطلب قدرًا كبيرًا من العمليات الحسابية، مما سيزيد من استهلاك الطاقة لـ oDSP.