Что такое оптическая связь ближнего действия?

Оптическая связь ближнего действия может стать чем-то вроде сюрприза. Наиболее непосредственной областью применения оптической связи является сверхвысокая скорость, сверхбольшая пропускная способность и сверхдальняя оптическая связь. Оптическая связь изначально использовалась для обеспечения высокоскоростной передачи телекоммуникационных услуг на большие расстояния, а затем постепенно внедрялась в сеть центра обработки данных для обеспечения высокоскоростных интерфейсов на стороне клиента.

Эволюция коротких Оптическая связь диапазона

На сегодняшний день уже очевидно, что оптическая связь проникает в передачу на более короткие расстояния. Например, в последнее время в отрасли для решения проблемы оптической связи внутри модулей и между микросхемами используется технология совместного изготовления оптических модулей, а пропускная способность одной коммутационной микросхемы будет достигать 25.6 Тбит/с. Как показано на рисунке 1, перечислены типичные сценарии применения оптической связи на различных расстояниях передачи и проникновения на более короткие расстояния.

Рисунок 1. Эволюция приложений оптической связи

Неслучайно все больше и больше приложений оптической связи переходят на ближнюю связь. Эту тенденцию Cisco предсказала несколько лет назад, и она подтвердилась. В 2017 году городской сетевой трафик уже превзошел магистральные сети дальней связи, а с появлением сетей доставки контента (CDN) и ростом облачных сервисов сетевой трафик центров обработки данных теперь сопоставим с IP-трафиком в Интернете.

Ожидается, что к следующему году доля трафика внутри центров обработки данных превысит 70%, а доля трафика с востока на запад составит почти 85%, что намного превышает трафик с севера на юг, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Прогноз Cisco по распределению трафика центров обработки данных в 2021 г.

Таким образом, следует сказать, что в сети будущего будут доминировать центры обработки данных, и необходимо сделать упор на оптическую передачу на короткие расстояния. Не только это, но и с изменением сетевой архитектуры большое количество контента становится ближе к пользователям, чтобы предоставлять услуги с меньшей задержкой. Следовательно, чем больше приложений для ближней связи, тем выше потребность в пропускной способности.

Текущая магистраль дальней связи была только что модернизирована до 200G, но потребность в центрах обработки данных ближней связи уже давно достигла 400G, а некоторые даже будут модернизированы до скорости интерфейса 800G. В этом году Ethernet Alliance выпустил спецификацию 800G Ethernet. Очевидно, что приложения малого радиуса действия, представленные центрами обработки данных, кластерами суперкомпьютеров и другими взаимосвязанными сетями, стали новой точкой роста оптических коммуникаций за пределами телекоммуникационного рынка, и их важность очевидна.

Определение короткого Диапазон оптической связи

Что такое оптическая связь ближнего действия? Есть много разных ответов.

IEEE определяет ближний радиус действия (SR) примерно как 100 м, а OIF определяет ближний диапазон как 300 м. Но научное сообщество даже расширило диапазон оптической связи ближнего действия примерно до 100 км. Кажется, что нет четкой цифры, чтобы четко определить, что такое оптическая связь ближнего действия, и в следующем введении стоит определить всю оптическую связь в интервале 100–100 км как оптическую связь ближнего действия. То есть часть, обведенная красным кружком на рис. 1, конечно, называется оптической связью ближнего действия. Для оптической связи в пределах 100 м ее следует называть оптическим соединением ближнего действия, которое относится к внутрисистемному, межплатному или внутриплатному взаимодействию.

Рисунок 3. Дальнейшая разбивка сценариев и ключевых технологий для краткости дальняя оптическая связь

Как показано на рисунке 3, оптическая связь малого радиуса действия далее подразделяется и содержит такие сценарии, как SR, DR, FR, LR, ER и ZR, в зависимости от расстояния передачи от ближнего до дальнего.

Стандарты оптической связи ближнего действия

Для этих различных дистанционных применений в отрасли теперь также введены 100G и стандарты оптического соединения на стороне клиента 400G, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Стандарты на стороне клиента, относящиеся к 100G/400G

Видно, что:

Для 100 м это в основном многомодовая технология передачи с массивом источников света VCSEL 850 нм.

На расстоянии от 500 м до 2 км обычно используется одномодовая технология передачи, а источник света более разнообразен, это может быть 1310 нм DML, SiP или даже EML.

Для дальности от 10 до 40 км требуется EML 1310/1550 нм или даже MZM. 1310 имеет преимущество низкой дисперсии, но больших потерь и отсутствия зрелого недорогого оптического усилителя O-диапазона на этом расстоянии. Преимуществом использования 1550 являются низкие потери в волокне, имеется зрелый оптический усилитель, но влияние дисперсии больше.

Помимо связи в центрах обработки данных, существует еще один важный класс приложений для 10-километровой оптической связи — строительство фронтальной сети 5G, которое идет полным ходом. В таблице 2 приведены типичные технические решения и соответствующие стандарты в Китае.

Передняя сеть 5G в основном использует мультиплексирование с разделением по длине волны O-диапазона, прямую модуляцию DML для генерации сигнала NRZ со скоростью 25 Гбит/с и обнаружение PIN-кода на принимающей стороне. Основная трудность заключается в снижении стоимости и контроле стоимости дисперсии длинных волн. Ожидается, что технологию на основе DWDM будет сложно масштабировать в прямой передаче 5G, хотя она имеет больший потенциал расширения и бюджет мощности, но регулируемая стоимость EML + TEC значительно выше, чем у других программ.

Табл. 2. Техническое сравнение типичных передовых решений 5G

Конечно, для оптической связи на расстоянии 20 км также существуют важные приложения в телекоммуникационной отрасли, широко известные как оптические сети доступа, также известные как пассивные оптические сети (PON). Эта область является полностью стандартизированной на международном уровне технологией, и в настоящее время PON проходит через APON, BPON, G/EPON, 10G EPON, XGSPON и т. д. Самая высокая коммерчески доступная скорость — симметричная 10 Гбит/с. Но на переднем крае была стандартизация, включая 40GTWDM-PON, также называемую NGPON2, которая была завершена несколько лет назад. 25G EPON, идентифицированный в 2018 году, и даже одноволновая 50G PON в настоящее время обсуждается как ITU-T, так и IEEE. Основной проблемой в этой области является вопрос бюджета стоимости и мощности, который сводится к отсутствию недорогих решений для высокоскоростного и высокочувствительного модуляционного приема. Кроме того, для приложений ZR на 80 км OIF уже выпустила протокол реализации 400ZR с модуляцией 60QAM 16 Гбод и разносом каналов 100G или 75 ГГц, в то время как IEEE также обсуждает стандарт 100GE/400GBASE ZR в IEEE P802.3 ct/cw, который, как ожидается, быть максимально совместимым с OIF 400ZR. Очевидно, для 100G, а также 400Г ЗР 80-километровый уровень индустрии оптической передачи в целом согласился с необходимостью внедрения технологии когерентного обнаружения 100G/400G.

Технологии модуляции и мультиплексирования для оптической связи ближнего действия

С точки зрения текущих отраслевых стандартов и рыночных решений в настоящее время существует только два формата модуляции, которые широко используются в отрасли для ближнего действия. Одним из них является NRZ 25 Гбит/с, который в основном используется в интерфейсах 4x25G 100G; другой — модуляция PAM4 с одноволновыми скоростями 50 Гбит/с и 100 Гбит/с, которую можно использовать для реализации интерфейсов 8x50G или 4x100G 400G, а также 1x100G одноволновых интерфейсов 100G на стороне клиента. Для будущего Межблочные соединения 800G ближнего действия, могут быть решения 8x100G PAM4 и, возможно, даже 4x200G PAM4.

Для когерентной оптической передачи на короткие расстояния ни одна из стандартизированных в настоящее время схем не определяет методы, подобные вероятностному формированию PCS и кодированию со сверхсильной прямой коррекцией ошибок, такому как LDPC. Среди когерентных систем, которые уже имеют стандарты, такие как MSA, OIF, ITU-T, OpenROADM, IEEE, CableLabs определили только (D)QPSK, 8QAM, 16QAM, которые являются относительно простыми форматами модуляции. Что касается FEC, самый ранний MSA 100G определяет лестничную HD FEC с 6.7% служебных данных и NCG = 9.8 дБ, позже C-FEC определяется в OIF 400 ZR с 14.8% служебными данными и NCG = 10.8 дБ для 16QAM, а O- FEC определен в OpenROADM с накладными расходами 15.1%. После трех итераций декодирования NCG 16QAM может достигать 11.6 дБ.

С точки зрения методов мультиплексирования, два типа мультиплексирования часто используются в современных стандартизированных оптических соединениях ближнего действия 100G/400G. Одним из них является пространственное мультиплексирование, несколько одномодовых/многомодовых волоконно-оптических разъемов MPO для достижения многоканальной привязки. Второй — мультиплексирование с разделением по длине волны, при котором несколько длин волн передаются по одному и тому же одномодовому или многомодовому волокну.

В таблице 3 представлена ​​классификация технологий мультиплексирования, используемых для скоростей интерфейса 100G. Стоит отметить, что кремниево-оптическая технология, используемая в системах мультиплексирования с воздушным разделением, может иметь лучшие преимущества по стоимости, потому что требуется только мощность одной длины волны для разделения на несколько путей, а затем в массив кремниево-оптических модуляторов. Вы можете не только контролировать размер, но и снизить стоимость лазера. Тем не менее, бюджет мощности, как ожидается, будет основным препятствием для кремниевой оптической технологии в приложениях оптических межсоединений ближнего действия.

Табл. 3. Сравнение технологий мультиплексирования, используемых в интерфейсах 100G

Вышеупомянутый контент является основным введением Fiber Mall в развитие тенденций оптической связи ближнего действия, границ расстояний, усовершенствований стандартов, технологий модуляции и мультиплексирования, обычно используемых в отрасли, с акцентом на внедрение технологий, используемых в зрелых приложениях в промышленности.

Fiber Mall также обсудит передовую технологию модуляции, новую технологию обнаружения, алгоритм DSP, сравнение эволюции технологии 800G/1.6T и т. д. с точки зрения научных кругов.