Avances en la tecnología de transmisión óptica 400G

Actualmente, la red de telecomunicaciones enfrenta desafíos en la transformación de la red y la mejora del ancho de banda. Por lo tanto, mejorar la tasa de onda única y la distancia de transmisión de los sistemas de transmisión óptica y aumentar la utilización del ancho de banda de los sistemas de comunicación de fibra óptica se han convertido en objetivos comunes de los operadores y proveedores de equipos para satisfacer la creciente demanda de tráfico de red.

Actualmente, la industria está colaborando en tres dimensiones principales para acelerar la evolución de las redes ópticas troncales hacia la generación 80*400G.

Mejora de tarifas

La red troncal evoluciona de 10G a 100G y luego a 200G, con la distancia básicamente sin cambios y la capacidad continuamente multiplicada. Con el trasfondo de las actualizaciones de velocidad en los puertos de los enrutadores, ha llegado la era de los puertos 400G, y todos los operadores de telecomunicaciones han lanzado pruebas y verificaciones. En 2023, se espera que ocurra la aplicación de backbone 400G OTN.

Mejora de la capacidad

Como la red óptica troncal se acelera hasta 200G, ocupa un ancho de espectro de 75GHz. Cuando se desarrolle a 400G QPSK (modulación por desplazamiento de fase en cuadratura), ocupará un ancho de espectro de 150GHz. En comparación con 200G, la eficiencia espectral de 400G no se ha mejorado, rompiendo la regla de que la capacidad aumenta diez veces mientras el espectro de frecuencia permanece sin cambios de 10G a 100G. Debido a la influencia del límite de Shannon, es necesario abrir nuevos caminos para mejorar la capacidad general de transmisión de fibra.

Actualmente, la solución más práctica es la expansión del espectro de frecuencias de la banda C+L, incluido el plan de expansión del espectro de frecuencias C6T y L5T de 11 THz, que ha completado las pruebas de red, y el plan de expansión del espectro de frecuencias de C6T y L6T de 12 THz, que actualmente cuenta con pruebas de laboratorio. capacidades y está a punto de completar las pruebas de red, y la optimización continua del rendimiento del sistema está en curso.

En el sistema 80*800G, se considerará más la ampliación del espectro de frecuencias a las bandas S+C+L+U. Al mismo tiempo, a medida que aumenta la velocidad de la red troncal, las nuevas tecnologías de fibra óptica, como las fibras multinúcleo, las fibras de pocos modos y las fibras de núcleo hueco, deben usarse en conjunto para garantizar la distancia de transmisión de larga distancia.

Mejora de la eficiencia

En la era de 400G/800G, se adopta la nueva tecnología DSP, que admite múltiples tasas de baudios y conmutación de modos de modulación, y realiza la mejor adaptación de diferentes capacidades a diferentes distancias de manera definida por software, maximizando el producto de capacidad-distancia y espectral. eficiencia.

Progreso de la investigación sobre 400G de longitud de onda única+ Tecnología

Con respecto a diferentes escenarios de aplicación, como redes metropolitanas y troncales, se emplean varias tecnologías en los sistemas de transmisión de 400G para lograr un equilibrio entre el rendimiento de la transmisión, la eficiencia del espectro y el costo. La Tabla 1 enumera las características y capacidades de los principales sistemas de tasa de longitud de onda única. Hay distintas características generacionales entre las tecnologías 100G y 100G+. En las aplicaciones de ingeniería, los módulos de corta distancia de la próxima generación y los módulos de larga distancia de la generación anterior suelen coexistir dentro de la cadena industrial, logrando así la unificación de la cadena industrial.

Tabla 1. Características y capacidades de diferentes sistemas de tasa de onda única

Como se muestra en la Figura 1, hay representaciones normalizadas de la cadena industrial de 200 G baudios compartidos de 16 G PM-100QAM y 32 G PM-QPSK, la cadena industrial de 400 G baudios compartidos de 16 G PM-200QAM y 64 G PM-QPSK, y la cadena industrial de 400 G PM-QPSK QPSK y el futuro 800G PM-16QAM comparten la cadena industrial de velocidad de transmisión de 128G.

Figura 1 y XNUMX. El sistema  representaciones normalizadas de cadena industrial de corto y largo alcance

Actualmente, el QPSK de 200G se usa ampliamente, y el 400QAM de 16G con una velocidad de transmisión de 64G puede satisfacer las necesidades de transmisión metropolitana. La tecnología de transmisión 400G actualmente emplea un 16QAM de configuración probabilística (PS) a una velocidad de transmisión de 96G, que eventualmente evolucionará a un esquema QPSK a una velocidad de transmisión de 128G. En comparación con el 400G PS 16QAM, el rendimiento OSNR consecutivo del 400G QPSK es aproximadamente 1 dB mejor, mientras que la potencia de entrada aumenta en más de 1 dB, lo que lo hace adecuado para varios escenarios de transmisión de larga distancia y compatible con la futura cadena industrial 800G 16QAM.

Desde el nivel del chip, la tecnología oDSP coherente ha pasado por varias generaciones de evolución, y las diferencias entre generaciones se reflejan principalmente en la tasa de onda única más alta, el tipo de código de modulación, así como el tamaño y el consumo de energía. Actualmente, el chip oDSP 400G 16QAM utiliza un proceso de fabricación de 7nm, consume alrededor de 8W y admite una velocidad de transmisión de 64G. Para la próxima generación de aplicaciones de 400G de largo alcance, el fabricante principal de oDSP ha lanzado una hoja de ruta de productos de 1.2T de onda única e incluso muestras de módulos, que admiten una velocidad de transmisión de hasta 140G, utilizando un proceso de chip de 5nm.

Desde el aspecto del algoritmo oDSP, la formación de constelaciones y el alto rendimiento FEC algoritmo de códec son más críticos. La conformación de constelaciones se divide en Conformación geométrica (GS) y Conformación probabilística (PS), como se muestra en la Figura 2(a) y la Figura 2(b). GS y PS proporcionan un mejor rendimiento que el QAM convencional al cambiar la ubicación y la probabilidad de ocurrencia de los puntos de la constelación para que muestren una distribución especial.

Figura 2 y XNUMX. Esquema de la formación de constelaciones

La tecnología de codificación de corrección de errores (FEC) de alto rendimiento puede obtener una mayor ganancia de codificación neta mediante el uso de una combinación de codificación en cascada y decisión suave, decodificación iterativa múltiple.

Los dispositivos optoelectrónicos de alto rendimiento son la base para lograr una conversión de alta fidelidad de señales eléctricas a señales ópticas. Frente a las aplicaciones de transmisión óptica de 400G de largo alcance, la velocidad en baudios del sistema es superior a 100 Gbd y el ancho de banda de la banda operativa del dispositivo óptico debe ser superior a 50 GHz. En la actualidad, los principales proveedores basados ​​en plataformas de proceso Silicon Photonics (SiP) o Indium Phosphide (InP) para llevar a cabo investigaciones sobre miniaturización, integración y dispositivos transceptores ópticos de gran ancho de banda, lanzaron parte de las muestras cuasi comerciales.

La tecnología avanzada de empaquetado de dispositivos también es un medio importante para optimizar el ancho de banda de los chips optoelectrónicos. Actualmente, los chips ópticos de silicio pueden aumentar el ancho de banda de 3dB de un modulador de 30 GHz a más de 80 GHz mediante la integración de la función Driver's Peaking y la optimización del proceso de empaquetado 2.5D/3D. Esto puede traer más de 2dB de mejora de tolerancia OSNR consecutiva para señales moduladas de alto orden 400G+, y la creciente madurez de esta tecnología acelera aún más la comercialización de sistemas 128G de largo alcance de 400 Gbd.

En los componentes centrales de los sistemas ópticos, el amplificador óptico (OA) y el interruptor selectivo de longitud de onda (WSS) son los más críticos. Actualmente, el OA comercial es principalmente un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA), que admite un ancho de banda de banda C de 4THz, 4.8THz e incluso 6THz. El cuello de botella técnico de la amplificación de 6 THz de banda L se ha superado, el rendimiento de la muestra está en línea con las expectativas y el rendimiento a nivel del sistema se está verificando y optimizando. Sin embargo, limitado por la eficiencia de amplificación de la fibra dopada con erbio en longitudes de onda largas, el índice de ruido del EDFA de banda L extendida puede ser más de 1 dB peor que el de la banda C extendida, y el costo y el tamaño del módulo también aumentan en consecuencia.

En la actualidad, WSS comercial ha cubierto la banda C de 6 THz, una pérdida de inserción típica de aproximadamente 6 dB y el número de puertos de hasta 32. Utilizando la última tecnología de cristal líquido de alta resolución sobre silicio (LCoS), la resolución de segmento de espectro WSS de 6.25 GHz, varios fabricantes han ampliado la banda de trabajo a la banda L de 6 THz.

En cuanto al progreso de los estándares, el Grupo de Estudio 15 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-T SG15) realizó una investigación sobre las especificaciones de la capa física para las interfaces 200G y 400G, y adoptó PM-16QAM como el tipo de código estándar para las aplicaciones metropolitanas 400G, promoviendo el proceso de estandarización de la codificación abierta de corrección de errores hacia adelante (oFEC). Además, varias organizaciones de protocolos de múltiples fuentes (MSA) en la industria también han publicado estándares técnicos para 100G+. Por ejemplo:

• OpenROADM/OpenZR+ lanzó una especificación de módulo óptico coherente de 100~400G, compatible con paquetes CFP2-DCO y QSFP-DD/OSFP, añadiendo 100/200G QPSK, 300G 8QAM y otros modos de modulación a la estructura de trama 400ZR, y usando oFEC en lugar de FEC en cascada (cFEC) para admitir transmisión 450G de clase 400 km.
• La Asociación de Estándares de Comunicaciones de China (CCSA) ha desarrollado estándares relevantes: se completó el desarrollo de estándares de módulos y transmisión óptica para velocidades de 100G e inferiores, el borrador de envío de 200G selecciona principalmente tipos de código QPSK, 200QAM, 8QAM de 16G, el estándar de área metropolitana de 400G utiliza esencialmente un esquema de doble portadora 200G de onda única, N * 400G multiplexación por división de longitud de onda óptica mejorada de largo alcance (WDM) Se han completado el estudio de requisitos técnicos del sistema y otros temas de estándares para aplicaciones de mayor velocidad, lo que indica claramente que QPSK es la solución ideal para lograr un solo -wave 400 Gb/s de largo alcance/ultra largo alcance.

Progreso de la investigación de la tecnología de extensión de banda de onda

La tecnología de extensión de banda se hereda de DWDM para ampliar aún más el ancho de banda de transmisión disponible más allá de la banda C tradicional y mejorar la capacidad de transmisión de fibra única al aumentar la cantidad de canales para la transmisión de cofibra.

Basado en el DWDM de banda C tradicional, en los últimos dos años, los operadores y proveedores de equipos chinos han liderado la expansión de la banda Super C (C6T) para aumentar el ancho de banda de la banda C de 4THz/4.8THz a 6THz, en conjunto con el aterrizaje del esquema 200G QPSK con intervalo de 80 GHz de 75 ondas. De hecho, la ventana de baja pérdida de la fibra monomodo incluye no solo la banda C, sino también las bandas O, E, S, L y U. En los últimos años, algunos operadores y proveedores de Internet en EE. UU. también han implementado sistemas C+L en DCI y transmisión por cable submarino, que pueden duplicar la capacidad de fibra. Con la fibra monomodo acercándose al límite de capacidad de Shannon de 100 Tbit/s, la tecnología de extensión de banda se ha convertido en un punto de interés para la investigación académica y de la industria. Actualmente, los operadores nacionales y los proveedores de equipos están promoviendo activamente la actualización de C6T a C6T y L6 para proporcionar una capacidad de transmisión de larga distancia QPSK 80G de 400 ondas de fibra única. La arquitectura básica del sistema de transmisión óptica multibanda se muestra en la Figura 3.

Figura 3 y XNUMX. La arquitectura básica del sistema de transmisión óptica multibanda

El desarrollo actual de la cadena de la industria relacionada con C+L se muestra en la Tabla 2. Se puede ver que con las dificultades técnicas superadas, el progreso del desarrollo de la cadena de suministro de componentes ópticos de banda extendida de C+L está en línea con las expectativas. y se espera que la nueva generación de capa óptica de banda ancha C6T+L6T 12THz con sistema óptico QPSK de 400G de onda única marque el comienzo de la implementación comercial dentro de 1 año.

Tabla 2. Progreso de la cadena industrial de componentes clave del sistema C6T y L6T

El efecto SRS en la fibra óptica mejora significativamente con la expansión del ancho de banda y el aumento de la potencia de entrada y tiene un efecto acumulativo en todas las secciones. En los sistemas C+L, no solo se requieren estrategias precisas de administración de potencia óptica para controlar efectivamente la ganancia y la pendiente al principio, sino también la compensación de las irregularidades de potencia causadas por SRS a través de configuraciones de onda de llenado. Además, es necesario mantener un estado de configuración completo en todo momento para reducir el impacto del crecimiento empresarial dinámico en los negocios existentes. Basándose en la experiencia de los sistemas de cable submarino, se puede lograr la "sustitución de verdadero o falso" al reemplazar las señales comerciales con ondas de llenado al agregar o eliminar canales, lo que facilita la activación y prueba comercial. Antes del ajuste de potencia, debido a la fuerte transferencia de potencia SRS en el sistema C+L, la planitud de potencia de onda única al final del sistema se deteriora severamente y no puede cumplir con los requisitos de las aplicaciones del sistema. La estrategia de preecualización de potencia C+L ajusta la ganancia y la pendiente de ganancia del EDFA, lo que da como resultado mejoras significativas en la planitud de potencia, la planitud de OSNR y la OSNR mínima. El algoritmo de ajuste de potencia automático y la configuración de onda de llenado se han validado por completo en pruebas de campo, sentando las bases para implementaciones comerciales posteriores.

Progreso en los sistemas 400G de un solo portador

Ya en 2020, FiberMall se asoció con proveedores de equipos para realizar pruebas en un solo portador 400G 16QAM en la red en vivo, logrando una distancia de transmisión de hasta 600 km. En octubre de 2021, FiberMall colaboró ​​con Huawei, ZTE y FiberHome para completar la primera validación de transmisión óptica de alta capacidad 400G de portador único de espectro ultra amplio del mundo en la red en vivo, logrando una distancia de transmisión de más de 1000 km. En julio de 2022, FiberMall y ZTE simularon la longitud de la fibra, la pérdida y el margen de mantenimiento en el laboratorio en función de los requisitos de la red y realizaron una verificación de transmisión QPSK de 400 G, logrando una distancia de transmisión de 3038 km en 49 segmentos de relé no eléctricos. En enero de 2023, con base en los resultados de las pruebas de laboratorio, FiberMall llevó a cabo una prueba de red en vivo QPSK de 400 G en cuatro provincias, incluidas Zhejiang, Jiangxi, Hunan y Guizhou, con 45 segmentos de amplificadores ópticos y logró una distancia de transmisión sin precedentes de 5616 km para 400 G. Relé no eléctrico QPSK en la red viva, y verificando por primera vez el rendimiento de transmisión de la extensión del espectro a los 6THz de C6T+L12T.

Para diseñar la red de potencia informática, es necesario promover la investigación y el desarrollo de tecnologías clave para 400G, lograr una innovación técnica integral en modulación, espectro e infraestructura, y continuar promoviendo la evolución de la tecnología de comunicación óptica de nueva generación. sobre esta base, construir una base totalmente óptica para la red de potencia informática y contribuir al desarrollo de la economía digital.