Módulo 400G DWDM CFP2-DCO

El crecimiento del tráfico de red conduce a un aumento del ancho de banda del puerto en la red de transmisión. Para la transmisión de larga distancia y gran ancho de banda, la tecnología de transmisión coherente basada en multiplexación por división de longitud de onda (WDM) proporciona la mejor solución.

A medida que maduren las soluciones coherentes de 400G, proliferará la demanda de puertos coherentes de 400G. Hay dos impulsores para el crecimiento de los puertos coherentes de 400G:

•  crecimiento del ancho de banda de la red;
•  Aumento en la cantidad de puertos 400GE en el lado del cliente.

Se ha demostrado que es el método más rentable para utilizar una longitud de onda de 400G para transportar tráfico de 400GE.

Según el informe de pronóstico de LightCounting, los puertos coherentes de 400G se utilizarán en más y más redes y experimentarán el crecimiento más rápido en los próximos 5 años. Con el aumento continuo del tráfico de red, las longitudes de onda totales y la cantidad de longitudes de onda en una sola red, los operadores de red también aumentarán los requisitos de flexibilidad de la gestión y programación de la red, promoviendo así el despliegue a gran escala de ROADM (reconfigurable optical add/drop). multiplexor).

Los proveedores de servicios de Internet (ISP) pueden configurar dinámicamente las rutas de longitud de onda según sea necesario a través de la tecnología de conmutación selectiva de longitud de onda (WSS). Las rutas ópticas pueden realizar conexiones punto a punto, lo que reduce la latencia y el consumo de energía. Debido a estos beneficios, cada vez más ISP están adoptando esta solución.

Por ejemplo, en 2017, uno de los ISP chinos construyó redes ROADM con 364 longitudes de onda a lo largo de los tramos medio e inferior del río Yangtze. La modulación de velocidad flexible y la tecnología de malla flexible hacen que las redes DWDM sean más flexibles y resistentes, mientras que los sistemas DWDM tradicionales utilizan una malla fija de 50/100 GHz, frecuencia central y ancho de canal. Si la modulación flexible y la tecnología de red están disponibles, el formato de modulación y el ancho del canal de cada puerto se pueden personalizar de acuerdo con la capacidad y la distancia de transmisión, mejorando la eficiencia espectral y la capacidad de transmisión. El siguiente es un diagrama esquemático de una tasa y malla flexibles para una configuración de red flexible.

Figura 1: diagrama esquemático de tarifa flexible y grilla

Los cambios en la arquitectura de la red requieren módulos ópticos del lado de la línea más flexibles que admitan Flex Rate y Flex Grid. La tendencia actual en las redes ópticas es hacia mayores eficiencias espectrales, acercándose al límite de Shannon. Módulos ópticos coherentes se desarrollan en tres direcciones:

• Eficiencia espectral: mejore la eficiencia espectral y la capacidad de fibra única de acuerdo con el progreso del algoritmo oDSP;
• Tasa de baudios: aumente la tasa de baudios de una sola longitud de onda, obtenga un mayor ancho de banda de un solo puerto y reduzca el costo y el consumo de energía por bit;
• Tamaño más pequeño y menor consumo de energía: adopta componentes optoelectrónicos integrados, un proceso de fabricación avanzado y un algoritmo oDSP dedicado.

Debido a la limitación de Shannon, la longitud de onda de 64 Gbaud 400G no puede lograr el rendimiento requerido para la transmisión óptica a largas distancias. Se requieren velocidades de transmisión más altas y algoritmos oDSP más complejos y potentes para cumplir con los requisitos de las redes troncales interurbanas (regionales) y de larga distancia.

Por ejemplo, para enlaces de larga distancia (> 1000 km), la tasa de baudios para longitudes de onda de 400 G debe ser superior a 90 Gbaud, y es necesario aumentar las tasas de ADC y DAC en el oDSP. Sin embargo, a medida que aumentan las velocidades en baudios, la transmisión por fibra óptica es más costosa y más difícil de compensar. Por lo tanto, se necesitan algoritmos de compensación más fuertes para compensar el daño físico del carril.

Dado que los ROADM se han utilizado ampliamente, un enlace de longitud de onda de extremo a extremo debe atravesar varios o incluso docenas de ROADM, incluidos los conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS). El efecto de superposición del filtrado WSS reduce el ancho de banda efectivo del enlace, lo que plantea mayores requisitos para el algoritmo de compensación en el oDSP. La siguiente figura muestra el efecto de ROADM multietapa en el ancho de banda del canal óptico.

Figura 2: el efecto de ROADM de múltiples etapas en el ancho de banda del canal óptico

Además, muchos ISP desean configurar de manera flexible el formato de modulación y la velocidad en baudios de acuerdo con la velocidad del puerto y la distancia de transmisión. Por ejemplo, implementan 400G 16QAM para transmisión de larga distancia de 400G y 800G 64QAM para decenas de kilómetros de interconexiones de centros de datos metropolitanos para mejorar la eficiencia espectral y reducir el costo por bit. Con esta técnica de modulación flexible y una malla flexible de capas ópticas, se puede maximizar la capacidad de fibra, ahorrando inversión en cable óptico.

Las soluciones de transceptores ópticos coherentes 400G de larga distancia y gran capacidad de FiberMall satisfacen las necesidades de diferentes clientes. Cada módulo admite modulación de velocidad flexible (100G/200G/400G) y está empaquetado en CFP2. Admite ancho espectral de banda C de 40 nm y banda Super C de 48 nm al mismo tiempo y admite un máximo de 120 longitudes de onda para satisfacer las necesidades de gran capacidad de los clientes.

Los componentes fotónicos de silicio de tamaño pequeño o los componentes InP de gran ancho de banda y alto rendimiento se utilizan para cumplir con una variedad de escenarios de aplicación diferentes. Los principios de 400G módulos ópticos coherentes en diferentes paquetes son los mismos. El extremo Tx del módulo óptico coherente 400G consta de oDSP, controlador de datos, láser sintonizable de longitud de onda y modulador PDM-I/Q.

Primero, los datos de la placa base se mapean y codifican. El Tx-oDSP luego realiza la conformación espectral y la compensación del ancho de banda del enlace de datos. Después de eso, el controlador de datos amplifica la amplitud e ingresa los datos amplificados al modulador. El modulador luego convierte los datos en una señal óptica para la salida. En el lado Rx, la señal óptica ingresa al ICR e interfiere con la longitud de onda del oscilador local para realizar la conversión fotoeléctrica. Después de que el ADC de alta velocidad muestrea la señal eléctrica, compensa la dispersión cromática (CD) y el estado de polarización (SOP). El siguiente es el diagrama de bloques del módulo óptico coherente.

Figura 3: Diagrama de bloques del módulo óptico coherente

 

Estas son las sugerencias para los módulos ópticos 400G CFP2-DCO utilizados para la transmisión de larga distancia de gran capacidad 400G:

• Cumple con el protocolo CFP2 (MSA);
• Usando el paquete CFP2;
• Cumple con las especificaciones de interfaz 400G CAUI-8 y FlexO;
• Admite múltiples formatos de modulación, incluidos QPSK y 16QAM;
• Admite 400G 16QAM 500 km a 75 GHz y 200G QPSK 2000 km a 75 GHz.

El 400G CFP2-DCP es un módulo óptico enchufable que proporciona un rendimiento óptimo e incorpora varias tecnologías innovadoras para mejorar el rendimiento de transmisión de 400G. A continuación se muestra el diagrama de bloques de 400G CFP2-DCO.

Figura 4:Diagrama de bloques de 400G CFP2-DCO

• oDSP de alto rendimiento y bajo consumo de energía
• Para aumentar la distancia de transmisión, se adopta la tecnología Turbo Product Codes (TPC) FEC (alto rendimiento, bajo consumo de energía) para acercarse al límite de Shannon. También se admiten tasas elásticas de 200G a 400G. Además, las funciones conectables y de bajo consumo se implementan con una arquitectura IP/DSP de bajo consumo.

Para 400G CFP2-DCO, se admiten múltiples formatos de modulación, incluidos 400G 16QAM, 200G QPSK y DQPSK. Para transmisión de alta capacidad, se recomienda 16QAM para transmisión de 400G a 75 GHz de longitud de onda única. Para redes nuevas, se recomienda utilizar QPSK para transmisión de 200G@75 GHz con una distancia de transmisión de 2000 km. Por el contrario, DQPSK se aplica a las redes existentes en escenarios mixtos para reducir el impacto en la linealidad.

• Súper capacidad de banda C
• En el sistema de multiplexación por división de longitud de onda, la capacidad de un sistema de fibra única se ve directamente afectada por el número de longitudes de onda de transmisión. El módulo CFP2 es el primer módulo óptico de banda Super C, admite 80 longitudes de onda de 400G@75G y tiene una capacidad de transmisión óptica de fibra única de 32T. La realización de la banda Super C se basa en otras capacidades, incluidos los láseres subyacentes, los ICTR y los amplificadores ópticos (OA) incorporados.

Tx y Rx comparten un solo láser para lograr un diseño compacto de baja potencia en un paquete CFP2. Además, el diseño láser exclusivo de FiberMall utiliza un nanoláser compacto con potencia óptica de alto rendimiento. A continuación se muestra un espectro de banda ultra ancha (120 longitudes de onda).

Figura 5: Espectro de banda ultra ancha

• Amplio rango de ajuste de potencia óptica de salida
• En la transmisión de larga distancia, la potencia óptica de salida debe ajustarse para obtener un mejor rendimiento. La potencia óptica de salida de 400G CFP2-DCO se puede ajustar con precisión en el rango de +1dBm a +4dBm para cumplir con los requisitos de potencia de entrada de diferentes capas ópticas.
• Fotónica de silicio integrado ICTR
• La tecnología ICTR de fotónica de silicio se utiliza en la 400G CFP2-DCO módulo para minimizar el tamaño físico. Debido a sus propiedades ópticas únicas, la fotónica de silicio tiene un mayor confinamiento de campo óptico, lo que da como resultado estructuras de guía de ondas más compactas. Además, la fotónica de silicio admite el procesamiento de polarización, lo que permite la modulación y la detección coherente de señales 16QAM polarizadas duales al tiempo que minimiza el tamaño del chip ICTR.
• Embalaje multichip fotoeléctrico

El rendimiento del enlace de RF del oDSP al modulador óptico está optimizado para reducir los requisitos del controlador y, por lo tanto, reducir el consumo de energía. Además, los chips ópticos y los chips electrónicos se empaquetan juntos para reducir el tamaño físico.

• OA compacto de alto rendimiento

La tecnología ICTR de fotónica de silicio se utiliza para lograr un tamaño compacto pero da como resultado una gran pérdida de inserción. Para los requisitos de transmisión óptica de alto rendimiento, el terminal de salida adopta un pequeño OA desarrollado de forma independiente por FiberMall para amplificar la señal óptica. Además, la NF del OA está optimizada para señales ópticas amplificadas de alta calidad.

Hahi estan las sugerencias fo el módulo óptico 400G MSA para transmisión de larga distancia y gran capacidad:

• oDSP de alto rendimiento
• Para aumentar la distancia de transmisión, se utiliza tecnología FEC de alto rendimiento para acercarse continuamente al límite de Shannon, y se admiten tasas elásticas de 200-800G. Cuando aumenta la cantidad de ROADM y la cantidad de filtros en cascada en la arquitectura de red totalmente óptica, se utiliza el algoritmo Faster-Than-Nyquist (FTN) para mejorar la capacidad de transferencia de los filtros, lo que garantiza que los filtros de varias etapas no causar pérdidas. El módulo de adquisición y análisis de datos del enlace de fibra óptica está integrado en el sistema de gestión de la red para mejorar la capacidad de operación y mantenimiento durante todo el ciclo de vida. El rendimiento de transmisión del 400G MSA se muestra en la siguiente figura.

Figura 6: Rendimiento de transmisión del 400G MSA

• Láser de alto rendimiento
• En un sistema coherente de 400G, un láser sintonizable proporciona una señal óptica en Tx para la modulación. En Rx, otro láser sintonizable proporciona la señal óptica, que se utiliza como señal de referencia local para la detección coherente. El láser debe tener las siguientes características:

– Alta potencia óptica de salida: garantiza la alta potencia óptica incidente del módulo y mejora el rendimiento de la transmisión;

– Ancho de línea estrecho: el ruido de fase no lineal se introduce después de que la señal óptica se transmita a través de la fibra óptica, y el ancho de línea está directamente relacionado con el ruido de fase. Esto es especialmente cierto para las transmisiones de modulación de amplitud en cuadratura alta (QAM), que aumentan aún más los requisitos de ancho de línea. Se utiliza un exclusivo láser integrado InP con SOA para garantizar una alta potencia óptica de salida.

Además, el diseño de rejilla único y el esquema de control de longitud de onda se utilizan para lograr un ancho de línea ultra estrecho y un bloqueo de longitud de onda de alta estabilidad. Además, al optimizar el medio de ganancia y la rejilla sintonizable del láser, se cubre un láser sintonizable en la banda Super-C. La siguiente imagen muestra un láser de alto rendimiento.

Figura 7: Un láser de alto rendimiento

• Modulador de alto rendimiento
• Por lo general, los moduladores se crean mediante el uso de una de las tecnologías: niobato de litio (LiNbO 3 ), fósforo de indio (InP) o fotónica de silicio. Cada uno tiene sus fortalezas y debilidades. LiNbO3 es una plataforma madura de componentes ópticos que puede lograr un gran ancho de banda y una amplitud de disco baja, pero con un tamaño de componente grande. InP admite modulación de alto ancho de banda y puede integrar SOA para lograr una alta potencia óptica de salida. Sin embargo, InP es sensible a la temperatura y el control de temperatura requiere TEC.
• Por otro lado, los moduladores fotónicos de silicio integran unidades funcionales de multiplexación de polarización a nivel de chip mientras reducen el tamaño físico, lo que requiere voltajes de conducción más grandes. El 400G MSA utiliza un sustrato semiaislante y un modulador Mach-Zehnder exclusivo para la integración SOA e InP I/Q-MZ de alto ancho de banda. De esta manera, se logra un alto ancho de banda de modulación y una alta potencia óptica de salida. La siguiente figura muestra el alto ancho de banda de modulación soportado por el modulador InP.

Figura 8: el ancho de banda de alta modulación admitido por el modulador InP

• Optoelectrónico de alto rendimiento o RFIC
• En la Tx del receptor óptico coherente, se requiere un controlador para amplificar la señal eléctrica para impulsar el modulador óptico. En el lado Rx, se requiere un TIA para convertir las señales de corriente en una señal de voltaje y amplificar la señal de voltaje. Por lo tanto, los controladores y los TIA deben tener un mayor ancho de banda y una mejor linealidad.
• Realiza ancho de banda ultra alto, linealidad ultra alta, controlador lineal de ruido ultra bajo y TIA, basado en una arquitectura de circuito innovadora y un diseño de ecualización activa. Coherent Drive Modulators (CDM) e ICR también proporcionan un gran ancho de banda.

Ffigura9：TIA y el controlador

• ICR de alto rendimiento
• Se usa un ICR en Rx para recibir la señal óptica en un receptor óptico coherente. Este proceso también involucra mezcladores ópticos y PD que se usan para convertir señales ópticas en señales eléctricas. Las tecnologías relacionadas con ICR incluyen la tecnología de silicio sobre aislante (SOI) para la integración de ICR, la tecnología de circuito de onda de luz planar (PLC) para mezcladores ópticos y un InP PD.

• Los mezcladores ópticos basados ​​en la tecnología SiN se pueden utilizar para lograr un buen acoplamiento de fibra y procesamiento de polarización para obtener el mejor efecto de mezcla óptica. Los PD de InP con alto ancho de banda y alta sensibilidad se montan en chips SiN a través de un paquete único de flip-chip, que forma ICR de alta integración, alto rendimiento y tamaño pequeño. El diagrama ICR es el siguiente.

Figura 10: Diagrama esquemático de ICR

• Paquete de alto rendimiento
• El 400G MSA utiliza un paquete de modelo de dispositivo cargador (CDM) de alto rendimiento. El controlador y el modulador de gran ancho de banda están empaquetados en un solo conjunto, lo que reduce las longitudes de seguimiento para las señales de RF de alta velocidad y garantiza la integridad de la señal de alta velocidad y un gran ancho de banda. Algunos puertos eléctricos utilizan pines para garantizar una conexión estable y un ancho de banda de las señales entrantes, lo que mejora el rendimiento de los componentes CDM. La siguiente figura es un diagrama esquemático del empaque de componentes de alto rendimiento.

Figura 11: diagrama esquemático del empaque de componentes de alto rendimiento

• Tasas flexibles de 200-800G, transmisión de gran capacidad de 800G de onda única
• El micromódulo admite QAM de alto orden mediante un potente oDSP y una óptica de gran ancho de banda. Mientras tanto, el modelado de constelaciones 2.0 se utiliza para admitir un ajuste de 200-800G. Además, el OA incorporado puede garantizar la potencia óptica de salida bajo una modulación de orden superior.

Ffigura12：Formatos de modulación flexibles

La necesidad de mayor capacidad, menor costo por bit y menor consumo de energía está impulsando velocidades de transmisión cada vez mayores para los módulos ópticos. Como tecnología principal de la generación anterior, 100G ha entrado en un ciclo de vida maduro y estable, y es difícil reducir el costo unitario. En la actualidad, los módulos ópticos 400G convencionales se han utilizado en varios escenarios de red, como redes de centros de datos, redes portadoras integradas metropolitanas y redes de transmisión de larga distancia de gran capacidad.