O que é Comunicação Óptica de Curto Alcance?

As comunicações ópticas de curto alcance podem ser uma surpresa. A área de aplicação mais direta da comunicação óptica é velocidade ultra alta, capacidade ultra grande e comunicação óptica de distância ultra longa. A comunicação óptica foi inicialmente usada para resolver a transmissão de serviços de telecomunicações de longa distância e alta velocidade e, em seguida, lentamente introduzida na rede do data center para fornecer interfaces de taxa de alta velocidade do lado do cliente.

A Evolução do Curto Faixa de Comunicações Ópticas

Até hoje, já é óbvio que a comunicação óptica está penetrando na transmissão de alcance mais curto. Por exemplo, a indústria usou recentemente a tecnologia óptica de pacote conjunto para resolver o problema da interconexão óptica dentro dos módulos e entre os chips, e a capacidade de um único chip de comutação será de até 25.6 Tb/s. Conforme mostrado na Figura 1, são listados cenários típicos de aplicação de comunicação óptica em diferentes distâncias de transmissão e penetração para distâncias mais curtas.

Figura 1. Evolução das aplicações de comunicação óptica

Não é por acaso que cada vez mais aplicações para comunicações ópticas estão mudando para curta distância. A Cisco previu essa tendência há vários anos e ela foi confirmada. O tráfego da rede metropolitana já ultrapassou as redes de backbone de longa distância em 2017 e, com o aumento das redes de entrega de conteúdo (CDN) e o crescimento dos serviços relacionados à nuvem, o tráfego relacionado à rede do data center agora é comparável ao tráfego IP da Internet.

Espera-se que, até o próximo ano, a parcela de tráfego dentro dos data centers exceda 70%, enquanto a parcela do tráfego leste-oeste seja de quase 85%, superando em muito o tráfego norte-sul, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2. Cisco prevê a distribuição do tráfego do data center em 2021

Portanto, é preciso dizer que a rede do futuro será dominada por data centers, e a transmissão óptica de curto alcance deve ser enfatizada. Não apenas isso, mas com a mudança na arquitetura de rede, muito conteúdo está sendo aproximado dos usuários para fornecer serviços de menor latência. Portanto, quanto mais aplicações de curta distância, maior a demanda por largura de banda.

O atual backbone de longa distância acaba de ser atualizado para 200G, mas a demanda em data centers de curta distância já atingiu 400G, e alguns até serão atualizados para taxas de interface de 800G. Este ano, a Ethernet Alliance lançou a especificação 800G Ethernet. Obviamente, aplicações de curto alcance representadas por data centers, clusters de supercomputação e outras redes interconectadas tornaram-se um novo ponto de crescimento para comunicações ópticas fora do mercado de telecomunicações, e a importância é evidente.

Definição de Curto Faixa de Comunicação Óptica

O que é comunicação óptica de curto alcance? Existem muitas respostas diferentes.

IEEE define curto alcance (SR) como cerca de 100m, e OIF define curto alcance como 300m. Mas a comunidade acadêmica chegou a estender o alcance da comunicação óptica de curto alcance para cerca de 100 km. Parece que não há uma figura clara para definir claramente o que é comunicação óptica de curto alcance, e vale a pena definir toda a comunicação óptica dentro do intervalo de 100m~100km como comunicação óptica de curto alcance na próxima introdução. Ou seja, a parte circulada em vermelho na Figura 1, é claro, chamada de comunicação óptica de curto alcance é mais apropriada. Para comunicação óptica dentro de 100m, deve ser chamada de interconexão óptica de curto alcance, que se refere à interconexão intra-sistema, entre placas ou a bordo.

Figura 3. Detalhamento adicional de cenários e tecnologias-chave para breve comunicações ópticas de alcance

Conforme mostrado na Figura 3, a comunicação óptica de curto alcance é ainda subdividida e contém cenários como SR, DR, FR, LR, ER e ZR de acordo com a distância de transmissão de perto para longe.

Padrões para Comunicações Ópticas de Curto Alcance

Para essas diferentes aplicações de distância, a indústria também introduziu 100G e padrões de interconexão óptica do lado do cliente 400G, conforme mostrado na Tabela 1.

Tabela 1. Padrões do lado do cliente relacionados a 100G/400G

Pode ser visto que:

Para 100m, é principalmente tecnologia de transmissão multimodo com matriz de fonte de luz VCSEL de 850nm.

Para 500m a 2km, a tecnologia de transmissão de modo único é comumente usada, e a fonte de luz é mais diversificada, que pode ser 1310nm DML, SiP ou mesmo EML.

Para 10 km a 40 km, é necessário 1310/1550 nm EML ou mesmo MZM. 1310 tem a vantagem de baixa dispersão, mas alta perda e nenhum amplificador óptico maduro de banda O de baixo custo a essa distância. A vantagem de usar 1550 é a baixa perda da fibra, há um amplificador óptico maduro, mas o impacto da dispersão é maior.

Além das comunicações de data center, existe outra classe importante de aplicações para comunicações ópticas de 10 km, que é a construção de fronthaul 5G que está em pleno andamento. A Tabela 2 resume as soluções técnicas típicas e os padrões correspondentes na China.

Fronthaul 5G usa principalmente multiplexação por divisão de comprimento de onda de banda O, usando modulação direta DML para gerar sinal NRZ de 25 Gb/s e detecção de PIN na extremidade receptora, a principal dificuldade é reduzir o custo e controlar o custo de dispersão de comprimentos de onda longos. Espera-se que a tecnologia baseada em DWDM seja difícil de escalar na transmissão direta 5G, embora haja maior potencial de expansão e orçamento de energia, mas o custo EML + TEC ajustável é significativamente maior do que outros programas.

Tabela 2. Comparação técnica de soluções típicas de fronthaul 5G

Obviamente, para comunicação óptica de 20 km, também existem aplicações importantes na indústria de telecomunicações, geralmente conhecidas como redes ópticas de acesso, também conhecidas como redes ópticas passivas (PON). Esta área é uma tecnologia completamente padronizada internacionalmente, e atualmente PON passou por APON, BPON, G/EPON, 10G EPON, XGSPON, etc. A taxa mais alta disponível comercialmente é 10Gb/s simétricos. Mas a padronização tem estado na vanguarda, incluindo o 40GTWDM-PON, também chamado de NGPON2, que foi concluído há alguns anos. O 25G EPON identificado em 2018 e até mesmo o 50G PON de onda única atualmente sendo discutido pelo ITU-T e pelo IEEE. O problema central nesta área é a questão do custo e do orçamento de energia, que se resume à falta de soluções de recepção de modulação de alta velocidade e sensibilidade de baixo custo. Além disso, para aplicações ZR de 80 km, a OIF já lançou um protocolo de implementação 400ZR com modulação 60QAM de 16 Gbaud e espaçamento de canal de 100 G ou 75 GHz, enquanto o IEEE também está discutindo um padrão 100GE/400GBASE ZR no IEEE P802.3 ct/cw, que deve ser compatível ao máximo com OIF 400ZR. Obviamente, para 100G, bem como 400G ZR Nível de 80 km da indústria de transmissão óptica geralmente concorda que a necessidade de introduzir tecnologia de detecção coerente 100G/400G.

Tecnologias de modulação e multiplexação para comunicações ópticas de curto alcance

Em termos de padrões atuais da indústria e soluções de mercado, atualmente existem apenas dois formatos de modulação que são amplamente adotados pela indústria em curto alcance. Um é NRZ de 25Gb/s, usado principalmente em interfaces 4x25G 100G; a outra é a modulação PAM4 com taxas de onda única de 50 Gb/s e 100 Gb/s, que pode ser usada para realizar interfaces 8x50G ou 4x100G 400G, bem como interfaces do lado do cliente 1x100G de onda única 100G. Para o futuro Interconexões de curto alcance de 800G, pode haver soluções 8x100G PAM4 e possivelmente até 4x200G PAM4.

Para transmissão óptica coerente de curto alcance, nenhum dos esquemas atualmente padronizados define técnicas semelhantes ao PCS de modelagem probabilística e codificação de correção de erro direta super forte, como LDPC. Dentre os sistemas coerentes que já possuem padrões, como MSA, OIF, ITU-T, OpenROADM, IEEE, CableLabs definiram apenas (D)QPSK, 8QAM, 16QAM, que são formatos de modulação relativamente simples. Quanto ao FEC, o primeiro 100G MSA define a escada HD FEC com 6.7% de overhead e NCG=9.8dB, posteriormente o C-FEC definido em OIF 400 ZR com 14.8% de overhead e NCG=10.8dB para 16QAM, e o O- FEC definido no OpenROADM com sobrecarga de 15.1%. Após três iterações de decodificação, o NCG de 16QAM pode atingir 11.6 dB.

Em termos de métodos de multiplexação, dois tipos de multiplexação são freqüentemente usados ​​nas atuais interconexões ópticas de curta distância 100G/400G padronizadas. Um deles é a multiplexação por divisão de espaço, vários conectores MPO de fibra monomodo/multimodo para alcançar a ligação multicanal. A segunda é a multiplexação por divisão de comprimento de onda, em que vários comprimentos de onda são transmitidos na mesma fibra monomodo ou multimodo.

A Tabela 3 resume a classificação das tecnologias de multiplexação usadas para taxas de interface de 100G. Vale a pena notar que a tecnologia óptica de silício usada em sistemas de multiplexação por divisão de ar pode ter melhores vantagens de custo, porque apenas uma potência de comprimento de onda é necessária para dividir em vários caminhos e, em seguida, na matriz do modulador óptico de silício. Você não apenas pode controlar o tamanho, mas também pode reduzir o custo do laser. No entanto, espera-se que o orçamento de energia seja o principal obstáculo para a tecnologia óptica de silício em aplicações de interconexão óptica de curto alcance.

Tabela 3. Comparação das tecnologias de multiplexação utilizadas em interfaces 100G

O conteúdo acima é a principal introdução do Fiber Mall à evolução das tendências de comunicação óptica de curto alcance, limites de distância, avanços de padrões, tecnologias de modulação e multiplexação comumente usadas na indústria, com foco na introdução de tecnologias usadas em aplicações maduras na indústria.

O Fiber Mall também discutirá a tecnologia de modulação avançada, nova tecnologia de detecção, algoritmo DSP, comparação da evolução da tecnologia 800G/1.6T, etc. da perspectiva da academia.