400G DWDM CFP2-DCO 모듈

네트워크 트래픽의 증가는 전송 네트워크의 포트 대역폭 증가로 이어집니다. 장거리 및 고대역폭 전송을 위해서는 WDM(Wavelength-Division Multiplexing) 기반의 코히어런트 전송 기술이 최상의 솔루션을 제공합니다.

400G 코히어런트 솔루션이 성숙함에 따라 400G 코히어런트 포트에 대한 수요가 급증할 것입니다. 400G 코히어런트 포트의 성장에는 두 가지 동인이 있습니다.

•  네트워크 대역폭 증가
•  클라이언트 측에서 400GE 포트의 수를 늘립니다.

하나의 400G 파장을 사용하여 400GE 트래픽을 전달하는 것이 가장 비용 효율적인 방법임이 입증되었습니다.

LightCounting의 예측 보고서에 따르면 400G 코히어런트 포트는 점점 더 많은 네트워크에서 사용될 것이며 향후 5년 동안 가장 빠른 성장을 보일 것입니다. 네트워크 트래픽, 총 파장 및 단일 네트워크의 파장 수가 지속적으로 증가함에 따라 네트워크 운영자는 네트워크 관리 및 스케줄링의 유연성 요구 사항도 증가하여 ROADM(재구성 가능한 광 추가/삭제)의 대규모 배포를 촉진할 것입니다. 멀티플렉서).

ISP(인터넷 서비스 공급자)는 WSS(파장 선택 스위칭) 기술을 통해 필요에 따라 파장 경로를 동적으로 구성할 수 있습니다. 광학 경로는 지점 간 연결을 실현하여 대기 시간과 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 이러한 이점으로 인해 점점 더 많은 ISP가 이 솔루션을 채택하고 있습니다.

예를 들어, 2017년 중국 ISP 중 하나는 양쯔강 중류와 하류를 따라 364개의 파장으로 ROADM 네트워크를 구축했습니다. 유연한 속도 변조 및 유연한 메쉬 기술은 DWDM 네트워크를 보다 유연하고 탄력적으로 만드는 반면 기존 DWDM 시스템은 고정된 50/100GHz 메쉬, 중심 주파수 및 채널 폭을 사용합니다. 유연한 변조 및 그리드 기술을 사용할 수 있는 경우 용량 및 전송 거리에 따라 각 포트의 변조 형식 및 채널 폭을 사용자 지정하여 스펙트럼 효율성 및 전송 용량을 향상시킬 수 있습니다. 다음은 유연한 네트워크 구성을 위한 유연한 속도 및 메쉬의 개략도입니다.

그림 1: 유연한 속도 및 그리드의 개략도

네트워크 아키텍처의 변화로 인해 Flex Rate 및 Flex Grid를 지원하는 보다 유연한 라인 측 광 모듈이 필요합니다. 광 네트워크의 현재 추세는 더 높은 스펙트럼 효율성을 지향하여 Shannon 한계에 접근하고 있습니다. 코히런트 광 모듈 세 가지 방향으로 발전하고 있습니다.

• 스펙트럼 효율성: oDSP 알고리즘의 진행에 따라 스펙트럼 효율성과 단일 섬유 용량을 향상시킵니다.
• 전송 속도: 단일 파장 전송 속도를 높이고 더 높은 단일 포트 대역폭을 확보하며 비트당 비용과 전력 소비를 줄입니다.
• 더 작은 크기 및 더 낮은 전력 소비: 통합 광전자 부품, 고급 제조 공정 및 전용 oDSP 알고리즘을 채택합니다.

Shannon 제한으로 인해 64 Gbaud 400G 파장은 장거리 광 전송에 필요한 성능을 달성할 수 없습니다. 도시 간(지역) 및 장거리 백본 네트워크의 요구 사항을 충족하려면 더 높은 전송 속도와 더 복잡하고 강력한 oDSP 알고리즘이 필요합니다.

예를 들어 장거리 링크(> 1000km)의 경우 400G 파장의 전송 속도는 90Gbaud 이상이어야 하며 oDSP의 ADC 및 DAC 속도를 모두 높여야 합니다. 그러나 전송 속도가 증가함에 따라 광섬유 전송은 더 비싸고 보상하기가 더 어렵습니다. 따라서 물리적 차선 손상을 보상하기 위해서는 더 강력한 보상 알고리즘이 필요합니다.

ROADM이 널리 사용되었다는 점을 감안할 때 종단간 파장 링크는 WSS(파장 선택 스위치)를 포함하여 여러 개 또는 수십 개의 ROADM을 통과해야 합니다. WSS 필터링의 중첩 효과는 링크의 유효 대역폭을 감소시켜 oDSP의 보상 알고리즘에 대한 더 높은 요구 사항을 제시합니다. 아래 그림은 다단계 ROADM이 광 채널 대역폭에 미치는 영향을 보여줍니다.

그림 2: 광 채널 대역폭에 대한 다단계 ROADM의 효과

또한 많은 ISP는 포트 속도와 전송 거리에 따라 변조 형식과 전송 속도를 유연하게 구성하기를 원합니다. 예를 들어, 그들은 400G 장거리 전송을 위해 16G 400QAM을 배치하고 수십 킬로미터의 메트로 데이터 센터 상호 연결을 위해 800G 64QAM을 배치하여 스펙트럼 효율성을 개선하고 비트당 비용을 줄입니다. 이 유연한 변조 기술과 광학 레이어의 유연한 메쉬를 통해 섬유 용량을 최대화하여 광케이블 투자를 절약할 수 있습니다.

FiberMall의 장거리 및 대용량 400G 코히어런트 광 트랜시버 솔루션은 다양한 고객의 요구를 충족합니다. 각 모듈은 유연한 속도 변조(100G/200G/400G)를 지원하며 CFP2에 패키지되어 있습니다. 40nm C-band 스펙트럼 폭과 48nm Super C-band를 동시에 지원하며 최대 120 파장을 지원하여 고객의 대용량 요구를 충족시킵니다.

소형 실리콘 포토닉스 부품 또는 고성능 고대역폭 InP 부품은 다양한 애플리케이션 시나리오를 충족하는 데 사용됩니다. 400G의 원리 코히어런트 광 모듈 다른 패키지에서 동일합니다. 400G 코히어런트 광 모듈의 Tx 끝은 oDSP, 데이터 드라이버, 파장 가변 레이저 및 PDM-I/Q 변조기로 구성됩니다.

먼저 마더보드의 데이터가 매핑되고 인코딩됩니다. 그런 다음 Tx-oDSP는 데이터 링크 대역폭에 대한 스펙트럼 형성 및 보상을 수행합니다. 그 후, 데이터 드라이버는 진폭을 증폭하고 증폭된 데이터를 변조기에 입력한다. 그런 다음 변조기는 데이터를 출력용 광 신호로 변환합니다. Rx 측에서는 광 신호가 ICR로 들어가고 국부 발진기의 파장과 간섭하여 광전 변환을 실현합니다. 고속 ADC가 전기 신호를 샘플링한 후 색 분산(CD) 및 편광 상태(SOP)를 보상합니다. 다음은 코히어런트 광 모듈의 블록 다이어그램입니다.

그림 3: 코히런트 광 모듈의 블록 다이어그램

 

다음은 400G 대용량 장거리 전송에 사용되는 2G CFP400-DCO 광 모듈에 대한 제안 사항입니다.

• CFP2 프로토콜(MSA) 준수;
• CFP2 패키지 사용;
• 400G CAUI-8 및 FlexO 인터페이스 사양을 준수합니다.
• QPSK 및 16QAM을 포함한 여러 변조 형식을 지원합니다.
• 400G 16QAM 500km @ 75GHz 및 200G QPSK 2000km @ 75GHz를 지원합니다.

400G CFP2-DCP는 최적의 성능을 제공하고 400G 전송 성능을 향상시키는 몇 가지 혁신적인 기술을 통합하는 플러그형 광 모듈입니다. 다음은 400G CFP2-DCO 블록 다이어그램을 보여줍니다.

그림 4: 400G CFP2-DCO 블록 다이어그램

• 고성능 저전력 oDSP
• 전송 거리를 늘리기 위해 TPC(Turbo Product Codes) FEC 기술(고성능, 저전력 소비)을 채택하여 Shannon 한계에 접근합니다. 200G에서 400G까지 탄력적 속도도 지원됩니다. 또한 플러그형 및 저전력 기능은 저전력 IP/DSP 아키텍처로 구현됩니다.

400G CFP2-DCO의 경우 400G 16QAM, 200G QPSK 및 DQPSK를 비롯한 여러 변조 형식이 지원됩니다. 고용량 전송을 위해서는 단파장 16G@400GHz 전송에 75QAM을 권장한다. 새로운 네트워크의 경우 전송 거리가 200km인 75G@2000GHz 전송에 QPSK를 사용하는 것이 좋습니다. 반대로 DQPSK는 선형성에 미치는 영향을 줄이기 위해 혼합 시나리오에서 기존 네트워크에 적용됩니다.

• 슈퍼 C 대역 기능
• 파장 분할 다중화 시스템에서 단일 광섬유 시스템의 용량은 전송 파장의 수에 직접적인 영향을 받습니다. CFP2 모듈은 80G@400G의 75개 파장을 지원하고 32T의 단일 섬유 광 전송 용량을 갖는 최초의 Super C 대역 광 모듈입니다. Super C 대역의 실현은 기본 레이저, ICTR 및 내장 광 증폭기(OA)를 비롯한 다른 기능에 의존합니다.

Tx와 Rx는 단일 레이저를 공유하여 CFP2 패키지에서 저전력 소형 설계를 달성합니다. 또한 FiberMall의 고유한 레이저 설계는 고출력 광 출력을 가진 소형 나노 레이저를 사용합니다. 아래는 초광대역 스펙트럼(120 파장)입니다.

그림 5: 초광대역 스펙트럼

• 큰 출력 광 전력 조정 범위
• 장거리 전송에서 더 나은 성능을 얻으려면 출력 광 전력을 미세 조정해야 합니다. 400G CFP2-DCO의 출력 광 전력은 +1dBm ~ +4dBm 범위에서 정밀하게 조정되어 다양한 광학 레이어의 입력 전력 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
• 실리콘 포토닉스 통합 ICTR
• 실리콘 포토닉스 ICTR 기술은 400G CFP2-DCO 물리적 크기를 최소화하는 모듈. 고유한 광학 특성으로 인해 실리콘 포토닉스는 더 큰 광학 필드 제한을 가지므로 더 컴팩트한 도파관 구조가 생성됩니다. 또한, 실리콘 포토닉스는 편광 처리를 지원하여 ICTR 칩 크기를 최소화하면서 이중 편광 16QAM 신호의 변조 및 간섭 감지를 가능하게 합니다.
• 광전 멀티 칩 패키징

oDSP에서 광학 변조기로의 RF 링크 성능은 드라이버 요구 사항을 줄이고 전력 소비를 줄이기 위해 최적화됩니다. 또한 광학칩과 전자칩을 함께 패키징하여 물리적인 크기를 줄였습니다.

• 고성능 소형 OA

실리콘 포토닉스 ICTR 기술을 사용하여 크기를 콤팩트하게 만들 수 있지만 삽입 손실이 큽니다. 고성능 광 전송 요구 사항을 위해 출력 단자는 광 신호를 증폭하기 위해 FiberMall에서 독자적으로 개발한 소형 OA를 채택합니다. 또한 OA의 NF는 고품질 증폭 광 신호에 최적화되어 있습니다.

H다음은 제안 사항입니다.또는 장거리 및 초대용량 전송을 위한 400G MSA 광 모듈:

• 고성능 oDSP
• 전송 거리를 늘리기 위해 고성능 FEC 기술을 사용하여 Shannon limit에 지속적으로 접근하며 200-800G의 탄성률을 지원합니다. 전광 네트워크 구조에서 ROADM의 수와 계단식 필터의 수가 증가할 때 FTN(Faster-Than-Nyquist) 알고리즘을 사용하여 필터의 통과 기능을 향상시켜 다단계 필터를 보장합니다. 손실을 일으키지 마십시오. 광섬유 링크의 데이터 수집 및 분석 모듈은 네트워크 관리 시스템에 통합되어 전체 수명 주기 동안 운영 및 유지 관리 기능을 향상시킵니다. 400G MSA의 전송 성능은 아래 그림과 같습니다.

그림6: 400G MSA의 전송 성능

• 고성능 레이저
• 일관된 400G 시스템에서 조정 가능한 레이저는 변조를 위해 Tx에서 광학 신호를 제공합니다. Rx에서 또 다른 조정 가능한 레이저가 광학 신호를 제공하며 이는 일관된 감지를 위한 로컬 기준 신호로 사용됩니다. 레이저는 다음과 같은 특성을 가져야 합니다.

– 고출력 광출력: 모듈의 높은 입사 광출력을 보장하고 전송 성능을 향상시킵니다.

– 좁은 선폭: 광섬유를 통해 광신호가 전송된 후 비선형 위상 노이즈가 도입되며 선폭은 위상 노이즈와 직접적으로 관련됩니다. 이것은 선폭 요구 사항을 더욱 증가시키는 높은 직교 진폭 변조(QAM) 전송에 특히 해당됩니다. SOA가 포함된 고유한 InP 통합 레이저를 사용하여 고출력 광 출력을 보장합니다.

또한 독특한 격자 디자인과 파장 제어 방식을 사용하여 매우 좁은 선폭과 높은 안정성의 파장 잠금을 달성합니다. 또한 이득 매체와 레이저의 조정 가능한 격자를 최적화하여 Super-C 대역의 조정 가능한 레이저를 커버합니다. 아래 그림은 고성능 레이저를 보여줍니다.

그림 7： 고성능 레이저

• 고성능 변조기
• 일반적으로 변조기는 리튬 니오베이트(LiNbO 3 ), 인듐 인(InP) 또는 실리콘 포토닉스 기술 중 하나를 사용하여 생성됩니다. 각각의 강점과 약점이 있습니다. LiNbO3는 높은 대역폭과 낮은 구동 진폭을 달성할 수 있지만 구성 요소 크기가 큰 성숙한 광학 구성 요소 플랫폼입니다. InP는 고대역폭 변조를 지원하고 SOA를 통합하여 고출력 광출력을 달성할 수 있습니다. 그러나 InP는 온도에 민감하며 온도 제어에는 TEC가 필요합니다.
• 반면 실리콘 광변조기는 편광 다중화 기능부를 칩 레벨에 집적하면서도 물리적 크기를 줄여 더 큰 구동 전압이 필요하다. 400G MSA는 고대역폭 InP I/Q-MZ 및 SOA 통합을 위해 반절연 기판과 고유한 Mach-Zehnder 변조기를 사용합니다. 이러한 방식으로 높은 변조 대역폭과 높은 출력 광 전력이 달성됩니다. 다음 그림은 InP 변조기가 지원하는 높은 변조 대역폭을 보여줍니다.

그림 8: InP 변조기가 지원하는 높은 변조 대역폭

• 고성능 광전자 또는 RFIC
• 코히어런트 광수신기의 Tx에서 광변조기를 구동하기 위해 전기적 신호를 증폭하는 드라이버가 필요하다. Rx 측에서는 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 전압 신호를 증폭하기 위해 TIA가 필요합니다. 따라서 드라이버와 TIA는 더 높은 대역폭과 더 나은 선형성을 가져야 합니다.
• 혁신적인 회로 구조와 능동 이퀄라이제이션 설계를 기반으로 초고대역폭, 초고선형성, 초저노이즈 선형 드라이버 및 TIA를 구현합니다. CDM(Coherent Drive Modulator) 및 ICR도 고대역폭을 제공합니다.

F그림9：TIA 그리고 운전사

• 고성능 ICR
• 코히어런트 광 수신기에서 광 신호를 수신하기 위해 Rx에서 ICR이 사용됩니다. 이 프로세스에는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 데 사용되는 광 믹서 및 PD도 포함됩니다. ICR 관련 기술로는 ICR 통합을 위한 SOI(silicon-on-insulator) 기술, 광 믹서를 위한 평면 광파 회로(PLC) 기술, InP PD 등이 있다.

• SiN 기술을 기반으로 하는 광학 믹서를 사용하여 우수한 광섬유 결합 및 편광 처리를 달성하여 최상의 광학 혼합 효과를 얻을 수 있습니다. 고대역폭, 고감도의 InP PD를 고유의 flip-chip 패키지를 통해 SiN 칩에 실장하여 고집적, 고성능, 소형 ICR을 구성합니다. ICR 다이어그램은 다음과 같습니다.

그림 10： ICR 개략도

• 고성능 패키지
• 400G MSA는 고성능 CDM(충전기 장치 모델) 패키지를 사용합니다. 고대역폭 드라이버와 변조기는 단일 어셈블리에 패키징되어 고속 RF 신호의 트레이스 길이를 줄이고 고속 신호 무결성과 고대역폭을 보장합니다. 일부 전기 포트는 핀을 사용하여 들어오는 신호의 안정적인 연결 및 대역폭을 보장하여 CDM 구성 요소의 성능을 향상시킵니다. 다음 그림은 고성능 부품 패키징의 개략도입니다.

그림 11： 고성능 부품 패키징 개략도

• 200-800G 유연한 속도, 단파 800G 대용량 전송
• 마이크로 모듈은 강력한 oDSP 및 고대역폭 광학 장치를 통해 고차 QAM을 지원합니다. 한편, Constellation Shaping 2.0은 200-800G 조정을 지원하는 데 사용됩니다. 또한 내장 OA는 고차 변조에서 출력 광 전력을 보장할 수 있습니다.

F그림12：유연한 변조 형식

더 높은 용량, 더 낮은 비트당 비용 및 더 낮은 전력 소비에 대한 요구로 인해 광 모듈의 전송 속도가 점점 더 빨라지고 있습니다. 이전 세대의 주류 기술인 100G는 성숙하고 안정적인 수명 주기에 진입했으며 단가를 낮추기가 어렵습니다. 현재 주류 400G 광 모듈은 데이터 센터 네트워킹, 대도시 통합 베어러 네트워크 및 대용량 장거리 전송 네트워크와 같은 다양한 네트워크 시나리오에서 사용되었습니다.