100G DWDM 시스템의 핵심 기술

통신망의 중·고속 서비스가 지속적으로 발전함에 따라 기존 DCI(Data Center Interconnection) 및 광역 통신망의 전송 대역폭에 대한 요구사항이 더욱 높아지고 시급해졌습니다. 주류 10/40Gbps 광 전송 기술에서 100Gb/s로의 진화는 광 전송 기술의 추세가 되었습니다. FiberMall은 QSFP28 PAM4 기술이 100km 이내의 100G DWDM 전송에 사용될 수 있고 100km 이상의 100G DWDM 전송에는 위상 변조 및 코히어런트 수신의 100G 광 전송 방법이 필요하다는 많은 연구 끝에 결론을 내렸습니다.

그 중에서도 코히런트 수신 기술을 사용한 PM-QPSK 전송 시스템은 업계에서 가장 잘 알려져 있습니다. 채널의 다양한 손상(색상 분산, PMD, 캐리어 주파수, 위상 오프셋 등)은 전기적 영역에서 유연하게 보상되고 디지털 신호 처리(DSP) 기술을 사용하여 PM-QPSK 시스템 수신기에서 신호로 재구성될 수 있습니다. 따라서 코히런트 감지와 결합된 PM-QPSK는 최적의 솔루션을 제공하며, 대부분의 시스템 공급업체가 100G 장거리 전송 방식으로 선택합니다.

DWDM 기술은 1.25G NRZ, 2.5G NRZ, 10G NRZ 및 25G NRZ를 포함하여 점점 더 높은 변조 속도로 발전했습니다. 50G PAM4와 100G PAM4는 모두 고차 변조 PAM4를 사용하며, 현재 경쟁력 있는 DWDM 코히어런트 변조 기술도 주로 200G 및 400G와 미래의 800G 고대역폭 서비스에 사용됩니다.

100G DWDM QSFP28 PAM4 광 모듈은 별도의 DWDM 변환기 플랫폼 없이 적절한 데이터 센터 라우터 또는 스위치에 직접 연결되므로 비용이 크게 절감되고 배포 및 유지 관리가 간소화됩니다. 또한 적절한 분산 보상 모듈(DCM) 및 EDFA 증폭 시스템을 사용하여 하이브리드 전송을 위해 기존 DWDM 네트워크에 PAM4 모듈을 추가할 수 있습니다.

차세대 제품 형태는 4G(50X1G PAM50), 4G(100X2G PAM50) 및 4G(100x1G PAM100)와 같은 PAM4 상위 변조를 기반으로 합니다.

 

50G(1X50G PAM4)해법

50G(1X50G PAM4) 솔루션을 사용하는 광 모듈에는 50G SFP56 DWDM 광 모듈(C-band, 50Ghz 파장 간격)이 포함됩니다. 이 제품은 SFP+와 동일한 크기의 SFP56 폼팩터를 채택했으며 기존 배포 아키텍처를 변경하지 않고 직접 50G로 업그레이드할 수 있다.

50G SFP56 DWDM 광 모듈은 광 포트 측과 전기 포트 측 모두에서 50G PAM4 변조를 채택하고 송신단에서 DWDM EML 레이저를 사용합니다. DCM 분산 보상 및 EDFA의 지원으로 최소 80km 전송 거리의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 단일 광섬유의 총 대역폭은 96파 x50G=4800G를 지원하며 산업 등급 온도의 제품 형태는 5G 프런트홀 시스템의 요구를 충족할 수 있습니다.

그림 1: 50G SFP56 DWDM 광 모듈의 개략도

100G(2X50G PAM4)해법

100G(2X50G PAM4) 솔루션을 사용하는 광 모듈에는 다음이 포함됩니다. 100G QSFP28 DWDM (C-밴드, 50Ghz 파장 간격). 업계에서는 일반적으로 100G PAM4 QSFP28이라고 하며 광 포트는 100개의 다른 2G DWDM 파장으로 50GE 서비스를 전달합니다. 전기 포트 쪽은 4X25G NRZ를 채택하고 광학 포트 쪽은 CS 및 LC 인터페이스의 두 가지 솔루션을 제공합니다. CS 인터페이스는 4개의 광섬유(2개 입력 및 2개 출력)를 채택합니다. 이중 LC 인터페이스 방식은 WDM 기술을 채택하고 2개의 광섬유로 전송이 가능합니다. DCM 분산 보상 및 EDFA 지원으로 최소 80km 전송 거리 요구 사항을 충족할 수 있으며 단일 광섬유의 총 대역폭은 96파 x50G=4800G를 지원합니다.

그림 2: 100G QSFP28 DWDM 광 모듈(CS 인터페이스)의 개략도

그림 3: 100G QSFP28 DWDM 광 모듈(LC 인터페이스)의 개략도

100G(1x100G PAM4) 솔루션

100G(1x100G) 솔루션에는 100G QSFP28 DWDM(C-대역, 100GHZ)이 포함됩니다. 이 제품은 주로 DWDM 광원 + 실리콘 광 변조 기술로 구현됩니다. DCM+EDFA의 지원으로 80km 전송을 충족할 수 있으며 단일 광섬유의 총 대역폭은 48파 x100G=4800G를 지원합니다.

그림 4: 100G QSFP28 DWDM 광 모듈의 개략도

장점이 있는 PAM4 DWDM 광 모듈은 일반적으로 포인트-투-포인트 DCI, DWDM 기반 100G 이더넷 메트로 액세스, 캠퍼스 및 엔터프라이즈 링크, 400G 모바일 액세스 아키텍처 등과 같은 100G 및 5G 구성에 사용됩니다. 데이터 센터 DCI의 경우 80km~120km, 상위 PAM50 변조 기반의 100G/4G DWDM 기술은 코히어런트와 경쟁할 수 있습니다. 200G/100G DWDM 기술로 저렴한 비용으로 시장 점유율 확보. 아래 표와 같이:

항목	듀얼 웨이브 50G PAM4 DWDM 솔루션	단파 100G PAM4 솔루션	코히런트 DP-QPSK 솔루션
전력 소비	5.5W 정보	5.5W 정보	20W 이상
폼 팩터	QSFP28	QSFP28	CFP2/CFP
DWDM 주파수 공간	50GHz	100GHz	50GHz
EDFA가 필요한가요?	예	예	예
DCM 분산 보상	예	예	아니
RX OSNR 허용 오차	매우 낮음, 캐스케이드에서 최대 2개의 EDFA	매우 낮음, 캐스케이드에서 최대 2개의 EDFA	높음, N개의 EDFA를 계단식으로 연결할 수 있습니다.
일반적인 총 대역폭	96X50G	48X100G	96X100G
단일 광섬유/이중 광섬유 전송을 달성할 수 있는지 여부	쉽게	쉽게	매우 어렵고 두 개의 다른 ITLA 광원이 필요합니다.
전송 거리	80km~120km	80km~100km	80km 이상

표 1: 50G PAM4 DWDM 시스템 VS 100G PAM4 DWDM 시스템 VS 100G DWDM 코히런트 시스템

100G 코히런트 DP-QPSK 체계의 핵심 기술

1) 편파 다중화 직교 위상 편이 변조(PM-QPSK)

QPSK는 다변수(4차) 디지털 주파수 대역 변조 방법입니다. 신호의 정현파 캐리어는 2개의 가능한 이산 위상 상태를 가지며 각 캐리어 위상은 100개의 이진 기호를 전달합니다. PM-QPSK는 단일 50G 신호를 서로 다른 편파 상태를 갖는 4개의 XNUMXG 캐리어 신호로 분할하고 각 캐리어에 대해 QPSK 변조를 수행합니다. 따라서 이 방법은 채널 전송 속도를 절반으로 줄일 수 있습니다. 동시에 각 편광 상태는 XNUMX개의 위상을 사용하여 비트 정보를 나타낼 수 있으므로 채널 전송 속도를 절반으로 줄일 수 있습니다. 결과적으로 PM-QPSK 인코딩 후 전송 속도는 비트 전송률의 XNUMX분의 XNUMX로 줄어들 수 있습니다.

다음은 PM-QPSK 인코딩 방법의 개략도입니다.

그림 5: PM-QPSK 코딩의 개략도

 2)SD-FEC

FEC 기술은 광통신 시스템에서 널리 사용됩니다. 다른 FEC는 다른 시스템 성능을 얻을 수 있습니다. FEC는 수신된 신호의 처리 방법에 따라 경판정 코드와 연판정 코드로 나눌 수 있습니다.

경결정 코드는 전통적인 오류 정정 코드 관점에 기반한 디코딩 방법입니다. 복조기는 먼저 채널 출력 값에 대해 최선의 어려운 결정을 내립니다. 하드 디시전의 FEC redundancy는 약 7%로 광통신 분야에서 널리 사용되고 있다.

연판정 디코딩은 채널에서 출력되는 파형 정보를 최대한 활용합니다. 복조기는 정합 필터의 실제 값 출력을 디코더로 보냅니다. 즉, 연판정 디코더는 이러한 코드 스트림의 신뢰성을 설명하기 위해 "0/1" 코드 스트림뿐만 아니라 "소프트 정보"도 필요합니다. 결정 임계값에서 멀어질수록 결정의 신뢰도가 높아지고 그렇지 않으면 신뢰도가 낮아집니다.

거리의 정도를 반영하기 위해서는 판정 공간을 보다 세밀하게 분할할 필요가 있다. "0/1" 임계값을 나누는 것 외에도 "0" 및 "1" 공간도 "신뢰 임계값"으로 나누어 결정 공간에서 결정 지점의 상대적 위치를 나타냅니다. Hard Decision에 비해 Soft Decision은 더 많은 채널 정보를 포함합니다. 디코더는 하드 디시전 디코딩보다 더 큰 코딩 이득을 얻기 위해 확률적 디코딩을 통해 이 정보를 최대한 활용할 수 있습니다.

OIF는 100G가 중복성이 20% 미만인 연결정 순방향 오류 수정 코딩(SD-FEC)을 선택할 것을 권장합니다. 이 경우 순 코딩 이득은 약 10.5dB에 도달할 수 있습니다. SD-FEC 100G 기술을 사용하면 10G와 동일한 수준의 전송 거리에 도달할 수 있습니다.

3) 코히런트 기술

코히어런스는 파동이 동일한 진동량, 동일한 진동 방향 및 주파수, 고정된 위상 관계를 갖는 복조 메커니즘을 나타냅니다. 변조된 신호의 반송파에 수신된 변조된 신호를 곱한 다음 저역 통과 필터링을 통해 변조된 신호를 얻는 검출 방법입니다.

코히런트 감지는 강도, 위상 및 주파수 변조된 광 무선 신호를 감지합니다. 광 신호는 광 수신기에 들어가기 전에 수신단에서 국부 발진기 레이저(LO)와 혼합되어 LO 레이저의 주파수와 원래 광원의 주파수 간의 차이와 동일한 중간 주파수 성분이 생성됩니다.

직접 검출과 비교하여 코히런트 검출은 큰 신호 대 잡음비를 얻는 경향이 있습니다. 더 많은 복구 가능한 신호 유형과 더 나은 주파수 선택성을 가지고 있어 DWDM 시스템에 더 적합합니다. 디지털 코히어런트 수신기는 위상 다이버시티 및 편광 다이버시티를 통해 광 신호의 모든 광학 속성을 전기 영역에 매핑합니다. 또한 성숙한 DSP 기술을 사용하여 전기 영역에서 편파 역다중화 및 채널 선형성 손상 보상을 달성합니다. 이 모든 것은 전송 채널에서 광분산 보상 및 편광 역다중화 설계를 단순화하여 광분산 보상기와 낮은 PMD 섬유에 대한 의존도를 줄이고 제거합니다.

그러나 디지털 코히런트 수신기는 전송 채널 설계의 복잡성을 수신기로 전달합니다. 코히어런트 탐지에서 더 나은 탐지 특성을 얻는 데 드는 비용은 시스템의 복잡성이 크게 증가하고 유연성이 부족하다는 것입니다.

 

100G 구현의 기본 원칙

1) 100G 라인 측 송신기의 기본 원리

100Gb/s 라인 측 광 모듈의 설계 목표는 장거리 광 전송에 적용하고 OTU4의 DWDM 장비의 라인 측 전송을 지원하는 것입니다. 다음 그림은 100Gb/s 라인 측 광 모듈의 송신단 블록 다이어그램을 보여줍니다.

그림 6: 100Gb/s 라인 테스트 광 모듈 송신기의 개략도

그림과 같이 ITLA(integrated tunable laser)에서 출력된 연속광은 QPSK 변조기로 보내지며 변조기의 편광 분리 장치에 의해 PBS가 생성된 후 두 개의 광파가 됩니다. 각 편광은 QPSK 변조기에 의해 변조되며 신호를 변조할 때 MUX에서 생성되는 I 및 O 신호가 있습니다. 광대역 증폭기 및 드라이버는 I 및 O 신호를 증폭하고 변조기에 적용하여 전기 광학 변조를 생성합니다.

변조된 두 개의 QPSK 신호는 PBC에 의해 합성되고 PM-QPSK 편파 다중화 신호가 출력된다. QPSK 변조기(Modulator)의 경우 폐쇄 루프 제어를 통해 I, Q 및 Pi/2 위상의 다중 바이어스 포인트에 대한 피드백 제어(MZ 바이어스 제어)도 수행해야 QPSK 변조기가 할 수 있습니다. 정상적인 바이어스 상태에서 오랫동안 안정적으로 작동합니다. 또한, 송신부는 SD-FEC 인코더를 통해 전송할 서비스 데이터도 인코딩하여 MUX(X) 및 MUX(Y)에 입력한다. 병렬-직렬 변환을 사용하여 4채널 직렬 데이터를 생성하고 드라이버로 출력합니다.

2) 수신측의 기본 원리

아래 그림과 같이 PM-QPSK 광신호는 장거리 전송 후 광모듈의 간섭성 수신부에 의해 수신된다. 광 신호는 X 방향과 Y 방향으로 표시되는 편광 빔 스플리터에 의해 90개의 상호 직교 편광된 광 신호로 분할됩니다. 두 방향의 광 신호는 해당 국부 발진기 편광과 900도(XNUMXHybrid)로 간섭적으로 혼합됩니다. 혼합 주파수에 의해 출력된 신호는 평형 광전 검출기를 통해 광전 변환된 후 ADC에 의해 샘플링 및 양자화되어 아날로그/디지털 변환이 완료됩니다. 마지막으로 샘플링 및 양자화 후 개별 디지털 시퀀스는 처리를 위해 DSP 장치로 전송됩니다.

그림 7: 100Gb/s 라인 측 광 트랜시버 수신기의 블록 다이어그램

DSP에서 디지털 신호는 클록 복구 처리에 의해 동기화됩니다. 편광 디멀티플렉싱과 CD, PMD 및 부분 비선형 효과 손상의 제거는 전기 도메인 등화에 의해 실현됩니다. 로컬 발진 광원과 송신 광 캐리어 간의 주파수 차이와 위상 잡음의 영향은 주파수 오프셋 추정 및 해당 판단 처리에 의해 제거됩니다. 처리된 데이터는 디코딩을 위해 SD-FEC 디코더 장치로 전송되고 마지막으로 데이터 신호가 복구됩니다.

3) DSP 알고리즘의 기본 원리

DSP 장치는 DSP 알고리즘을 완성하며, 주로 클록 복구, 편광 역다중화를 통한 이퀄라이제이션, 캐리어 추정, 위상 추정, 슬라이서 및 디코더의 XNUMX가지 하위 기능으로 나뉩니다. 기능 블록 다이어그램은 다음 그림에 나와 있습니다.

그림 8: 디지털 신호 처리 장치의 블록 다이어그램

다음은 블록다이어그램의 각 단위를 소개합니다.

• 디지털 시계 복구

디지털 클록 복구의 목적은 ADC의 샘플링 클록이 송신단의 심볼 클록과 독립적이기 때문에 보간 필터 수신기의 심볼 샘플링 시간을 사용해야 한다는 것입니다. 이를 통해 수신기의 조정된 샘플링 클록이 전송 심볼 클록과 동기화할 수 있습니다. 즉, ADC의 샘플링 속도가 심볼 속도와 정확히 일치하도록 합니다.

• 등화 및 편광 역다중화

등화 및 편파 디멀티플렉싱은 단일 편파에서 수행됩니다. 이퀄라이제이션의 기능은 채널의 선형 요인으로 인한 신호 누화를 제거하는 것입니다. 고정 또는 가변 탭 계수를 사용하여 FIR로 실현할 수 있는 반면, 편광 역다중화는 나비 필터로 실현해야 합니다. Polarization demultiplexing은 두 개의 편광된 신호를 분리하는 것입니다. 이는 신호가 전송될 때 두 편파 사이에 누화(편파 결합으로 인해 발생)가 있기 때문입니다. 그리고 편광 회전으로 인해 수신단에서 PBS 이후의 신호 편광은 초기 편광과 일치하지 않습니다.

•  캐리어 주파수 오프셋 추정

레이저의 비이상적 특성으로 인해 광 코히어런트 수신기의 로컬 발진기 레이저의 발진 주파수는 캐리어 주파수와 편차가 있을 수 있습니다. 이 주파수 오프셋은 위상 오프셋인 심볼에 반영됩니다. PM-QPSK와 같은 위상 변조 시스템의 경우 주파수 오프셋으로 인한 위상 오프셋은 최종 데이터 심볼을 복조하기 전에 제거해야 합니다. 따라서 주파수 오프셋 추정은 수신기에 없어서는 안 될 모듈입니다. 원리는 주파수 오프셋의 크기를 감지한 다음 추정된 주파수 오프셋 값에 따라 심볼에 위상 보정을 수행하여 주파수 오프셋의 영향을 제거하는 것입니다.

그림9：캐리어 주파수 오프셋 추정

 

• 캐리어 위상 오프셋 추정

레이저의 선폭으로 인해 일부 위상 편이가 실제 진동 주파수 근처에서 발생합니다. 주파수 오프셋 추정의 오류를 고려할 때 주파수 오프셋 추정 후 심볼의 위상 오프셋은 여전히 ​​존재합니다. 이 오프셋은 시간에 따라 변하며 0에서 2π까지의 모든 범위를 포괄할 수 있습니다. 캐리어 위상 복구의 목적은 위상 오프셋의 이 부분을 제거하여 출력 심볼 위상을 심볼 결정에 직접 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 캐리어 위상 추정의 기본 원리는 정보 위상의 예상치 못한 위상 오프셋을 얻어 각 심볼에서 제거하는 것입니다.

• 디코딩 및 데이터 복구

QPSK의 경우 신호의 위상이 복원된 후 위상 변조 규칙에 따라 두 개의 극성 I 및 Q 신호를 얻을 수 있습니다. DQPSK의 경우 신호의 위상이 복구된 후 두 개의 극성 I 및 Q 신호를 얻기 위해 두 기호의 위상을 빼야 합니다.

100G 시스템의 기술적 특징 및 장점

우리 모두 알고 있듯이 단일 채널 속도의 모든 증가는 OSNR 허용 오차, 색 분산, PMD 및 비선형성을 포함한 전송 손상에 의해 제한됩니다. 따라서 이러한 전송 장애의 영향을 줄이기 위해서는 보다 발전된 기술이 필요합니다. 100G는 편광 다중화, 위상 변조, 슈퍼 FEC, 코히어런트 감지 및 DSP와 같은 여러 기술을 통합합니다. 현재 100G 기술 솔루션의 특징은 다음과 같습니다.

• 편광 다중화 기술과 광 신호의 두 편광 상태 사이의 상호 직교성을 사용하여 동일한 광 캐리어에 정보의 두 채널이 전달됩니다. 이렇게 하면 신호 기호 속도가 절반으로 줄어듭니다. ADC 및 DSP와 코히어런트 검출의 조합은 100G의 핵심 기술 혁신이기도 합니다. 직접 검출 및 자기 간섭 복조와 비교할 때 간섭 검출과 DSP 기술의 조합은 복조 효율과 수신기 감도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.
•  QPSK 기술은 광 캐리어가 전달하는 정보의 양을 두 배로 늘릴 수 있으며 편광 다중화와 결합하여 100G 신호의 전송 속도를 약 25Gbaud/s로 줄입니다. 따라서 QPSK는 50GHz 간격으로 OTN 시스템에 적용될 수 있으며 광섬유 비선형성 허용 오차에 대한 신호 요구 사항을 줄일 수 있습니다.
• 100G 기술은 LDPC(Low-Density Parity-Check Code) 솔루션과 연판정 방식을 통해 코딩 이득을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
• ADC 및 DSP와 코히어런트 검출의 조합은 100G의 핵심 기술 혁신이기도 합니다. 직접 검출 및 자기 간섭 복조와 비교할 때 간섭 검출과 DSP 기술의 조합은 복조 효율과 수신기 감도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

결론

100km 전송 거리 내의 데이터 센터 상호 연결(DCI)을 위해 FiberMall은 100G(2X50G PAM4) DWDM QSFP28 및 100G(1x100G PAM4) DWDM QSFP28 솔루션을 제공합니다. 대도시 지역 네트워크의 경우 전송 거리가 100km 이상인 경우 FiberMall은 1x 100G QSFP28에서 1x 100G CFP-CDO로, 2x 100G QSFP28에서 1x 200G CFP2 DP-8QAM 또는 DP-16QAM의 두 가지 장거리 솔루션을 제공합니다. FiberMall의 모든 직원의 공동 노력을 통해 100G DWDM 기술은 매우 성숙해졌으며 전 세계 데이터 센터 및 대도시 지역 네트워크에 널리 배포되었습니다.