اپتیک منسجم انتقال ظرفیت بالا را انجام می دهد

 

 

اپتیک همدوس با تعدیل دامنه، فاز و پلاریزاسیون امواج نور، انتقال با ظرفیت بالا را امکان‌پذیر می‌کند و به شبکه‌های فیبری اجازه می‌دهد تا داده‌های بسیار بیشتری را نسبت به روش‌های مبتنی بر شدت{1}} سنتی منتقل کنند. این فناوری از پردازش سیگنال دیجیتال در هر دو انتهای فرستنده و گیرنده برای رمزگذاری ابعاد چندگانه سیگنال های نوری استفاده می کند و نرخ انتقال از 100G تا 1.6T در هر طول موج در فواصل بیش از 1000 کیلومتر را به دست می آورد.

 

 

اثر ضرب ظرفیت

 

مزیت اساسی اپتیک های همدوس در نحوه بهره برداری از خواص فیزیکی نور نهفته است. سیستم‌های کلیدی خاموش{1} سنتی شدت نور را برای نمایش داده‌های باینری تغییر می‌دهند و ظرفیت را به تقریباً 10 گیگابیت بر ثانیه در هر طول موج محدود می‌کنند. سیستم‌های منسجم به طور همزمان سه ویژگی مستقل را تعدیل می‌کنند: تغییرات دامنه، تغییر فاز، و حالت‌های پلاریزاسیون در دو صفحه متعامد.

این رمزگذاری{0}}چند بعدی چیزی را ایجاد می‌کند که مهندسان آن را افزایش بازده طیفی می‌نامند. یک سیستم منسجم با استفاده از کلیدهای تغییر فاز چهارگانه پلاریزاسیون دوگانه، در مقایسه با یک بیت در سیستم های سنتی، چهار بیت اطلاعات را در هر نماد منتقل می کند. هنگامی که با طرح های مدولاسیون پیشرفته مانند 64-QAM (مدولاسیون دامنه مربعی) ترکیب می شود، فرستنده گیرنده منسجم، کارایی طیفی را به سمت محدودیت های نظری شانون سوق می دهد.

افزایش ظرفیت قابل توجهی است-اپتیک های منسجم تا 80 برابر ظرفیت انتقال بیشتر در مقایسه با روش های کلیدی خاموش{2} معمولی. این اثر ضرب بدون نصب فیبر اضافی اتفاق می‌افتد و فناوری منسجم را از نظر اقتصادی برای اپراتورهای شبکه که با محدودیت‌های پهنای باند مواجه هستند جذاب می‌کند.

پردازنده‌های سیگنال دیجیتال در سیستم‌های منسجم، نرخ نماد بیش از 100 گیگاباد را در پیاده‌سازی‌های فعلی مدیریت می‌کنند. هر نماد چندین بیت را از طریق کنترل دقیق زوایای فاز و سطوح دامنه حمل می کند. به عنوان مثال، یک سیستم 64-QAM، 64 حالت سیگنال مجزا را با ترکیب شش بیت در هر نماد نشان می دهد، اگرچه این امر مستلزم حفظ کیفیت سیگنال دقیق در فواصل انتقال است.

 

چگونه پردازش سیگنال دیجیتال، انتقال از راه دور را فعال می‌کند

 

قابلیت فاصله، اپتیک منسجم را از جایگزین جدا می کند. تراشه‌های DSP تعبیه‌شده در فرستنده‌های گیرنده منسجم، جبران‌سازی ریاضی واقعی{1}}را برای اختلالات فیبر انجام می‌دهند که در غیر این صورت سیگنال‌ها را کاهش می‌دهند.

پراکندگی رنگی باعث می شود که طول موج های مختلف نور با سرعت های کمی متفاوت در فیبر حرکت کنند و پالس های نوری را پخش کنند. در سیستم های 10G، این نیاز به ماژول های جبران پراکندگی فیزیکی در هر 60-80 کیلومتر داشت. DSPهای منسجم، تبدیل‌های ریاضی معکوس را برای بازسازی سیگنال اصلی به صورت دیجیتال اعمال می‌کنند و سخت‌افزار حجیم را حذف می‌کنند.

پراکندگی حالت قطبی چالش دیگری را ارائه می دهد. فیبرهای نوری دارای عیوب میکروسکوپی هستند که نور را به دو جزء قطبی تقسیم می کند که با سرعت های مختلف حرکت می کنند. پردازنده‌های منسجم به سرعت وضعیت پلاریزاسیون را ردیابی می‌کنند تا از خطاهای بیتی جلوگیری کنند، در حالی که تحمل‌ها را برای تلفات وابسته به قطبش{2}} بهبود می‌بخشند. DSP این اصلاحات را هزاران بار در ثانیه به روز می کند و با شرایط متغیر فیبر سازگار می شود.

الگوریتم‌های تصحیح خطای پیشرو که در DSP ادغام شده‌اند، الگوهای داده اضافی را اضافه می‌کنند که گیرنده‌ها را قادر می‌سازد تا خطاهای ارسال را بدون ارسال مجدد شناسایی و تصحیح کنند. FEC با{1}}تصمیم گیری نرم-بالا سیگنال ها را قادر می سازد تا مسافت های طولانی تری را طی کنند در حالی که به نقاط بازسازی کننده کمتری نیاز دارند، و حاشیه بیشتری برای سیگنال های بیت-بالا برای پیمودن مسافت های دورتر فراهم می کند.

این ترکیبی از تکنیک‌های جبران دیجیتالی توضیح می‌دهد که چرا سیستم‌های منسجم به طور معمول به انتقال بدون خطا در طول 2000 کیلومتر، با برخی پیکربندی‌ها بیش از 10،000 کیلومتر می‌رسند. DSP اساسا چالش های مهندسی نوری را از لایه فیزیکی به الگوریتم های نرم افزاری منتقل می کند.

 

مسیر بازار و مقیاس استقرار

 

بازار تجهیزات نوری منسجم، حرکت تجاری این فناوری را نشان می دهد. ارزش بازار جهانی تجهیزات نوری منسجم در سال 2024 به 16.91 میلیارد دلار رسید و پیش بینی می شود تا سال 2033 به 33.24 میلیارد دلار برسد که نشان دهنده نرخ رشد مرکب سالانه 7.8 درصدی است. این رشد ناشی از چندین بخش است که فناوری منسجم را به طور همزمان به کار می گیرند.

اتصالات مرکز داده بیشترین حجم ماژول های منسجم را مصرف می کنند. برنامه های کاربردی مرکز داده 58 درصد از تقاضای فرستنده گیرنده نوری منسجم دیجیتال را تشکیل می دهند که توسط اپراتورهای مقیاس بزرگ که امکانات را در فواصل مترو و منطقه ای به هم متصل می کنند، هدایت می شود. ارائه‌دهندگان ابر باید داده‌ها را بین مراکز جغرافیایی توزیع‌شده همگام‌سازی کنند و تقاضای دائمی برای پیوندهای{3}}با ظرفیت بالا ایجاد کنند.

طیف فناوری چندین نسل را در بر می گیرد. 100فرستنده های منسجم G 32 درصد از سهم بازار را به خود اختصاص می دهند و برای ارتقای شبکه موجود حیاتی باقی می مانند، به طوری که 40 درصد از اپراتورها در آمریکای شمالی و اروپا به فناوری 100G متکی هستند. در همین حال، سیستم‌های 400G نقطه شیرین استقرار کنونی را نشان می‌دهند که فناوری بالغ را با ظرفیت بالا متعادل می‌کند.

نسل‌های جدیدتر وارد تولید می‌شوند. 800ماژول‌های منسجم G که در سال 2024 راه‌اندازی شد و در سال 2025 در حال افزایش است، در حالی که فناوری منسجم 1.6T در سال 2025 وارد تولید حجمی در برنامه‌های منتخب شد. نقشه راه صنعت به سیستم‌های 3.2T گسترش می‌یابد، اگرچه اینها در مراحل تحقیقاتی باقی می‌مانند.

ماژول های منسجم قابل اتصال به طور خاص شتاب پذیرش را هدایت می کنند. این فرستنده‌های گیرنده داغ-قابل تعویض، DSP، لیزر، مدولاتور و گیرنده را در فاکتورهایی مانند QSFP-DD ادغام می‌کنند و امکان درج مستقیم در روترها و سوئیچ‌ها را فراهم می‌کنند. بیش از 70 درصد از پهنای باند منسجمی که در سال 2024 به کار گرفته شد، در ماژول های قابل اتصال بود که نشان دهنده تغییر از کارت های خط اختصاصی به اجزای استاندارد است.

 

تغییرات معماری برای موارد استفاده مختلف

 

اپراتورهای شبکه فناوری منسجمی را بر اساس فاصله و ظرفیت مورد نیاز انتخاب می‌کنند و الگوهای استقرار متمایز ایجاد می‌کنند.

مترو و شبکه های منطقه ای (80-500 کیلومتر)

استاندارد 400ZR بر مسافت های کوتاه مترو مسلط است. این ماژول ها با استفاده از فرمت های مدولاسیون ثابت که برای اتصالات مرکز داده بهینه شده اند، ظرفیت 400G را تا 120 کیلومتر ارائه می دهند. پسوند ZR+ از فواصل نزدیک به 500 کیلومتر از طریق شکل‌دهی صورت فلکی احتمالی پشتیبانی می‌کند، که به صورت پویا مدولاسیون را بر اساس شرایط پیوند تنظیم می‌کند.

ماژول‌های 800G ZR/ZR+ که در سال 2025 راه‌اندازی شدند، این الگو را گسترش می‌دهند و از انتقال بیش از 500 کیلومتر در حالت ZR و بیش از 1000 کیلومتر در حالت‌های-ZR+ با عملکرد بالا پشتیبانی می‌کنند. اپراتورهای شبکه از اینها برای اتصال مراکز داده در مناطق شهری و بین شهرهای مجاور استفاده می کنند.

شبکه‌های مسافت طولانی- (500-2000 کیلومتر)

انتقال از راه دور به مدولاسیون پیچیده‌تر و قدرت انتقال بالاتر نیاز دارد. این سیستم ها از مدولاسیون QPSK یا 16-QAM با کدهای تصحیح خطای رو به جلو قوی تر استفاده می کنند. بازده طیفی کاهش یافته در مقایسه با سیستم‌های مترو ظرفیت را با دستیابی عوض می‌کند، اما اپراتورها با به کارگیری مالتی پلکسی تقسیم طول موج متراکم جبران می‌کنند.

یک سیستم معمولی مسافت طولانی، 80-96 طول موج را روی جفت فیبر تکی چندگانه می‌کند. در 400G در هر طول موج، ظرفیت کل فیبر به 32{7}}38 ترابیت در ثانیه می‌رسد. مولتی پلکسرهای قطره{8}}افزودنی نوری قابل تنظیم مجدد، مسیریابی طول موج پویا را در گره های میانی بدون تبدیل نوری به الکتریکی امکان پذیر می کند.

زیر دریا و فوق‌العاده-بلند-مسافت (2000-10000 کیلومتر)

کابل‌های زیردریایی که قاره‌ها را به هم متصل می‌کنند، پیشرفته‌ترین فناوری منسجم. 99% از ترافیک داده‌های جهانی را از طریق پیوندهای زیردریایی جریان می‌دهند، جایی که ظرفیت-بالا، برد طولانی و قابلیت اطمینان حاصل از فناوری نوری منسجم ضروری است.

سیستم‌های زیردریایی از شکل‌دهی احتمالی استفاده می‌کنند که نقاط صورت فلکی را بر اساس نسبت سیگنال به-تنظیم می‌کند و حداکثر ظرفیت را از هر طول موج استخراج می‌کند و در عین حال انتقال بدون خطا را حفظ می‌کند. این سیستم ها از تقویت خارجی در فواصل 50 تا 80 کیلومتری استفاده می کنند، اما برای جبران غیرخطی های فیبر انباشته شده، به شدت به قابلیت های DSP متکی هستند.

 

چالش های فنی در سرعت های بالاتر

 

مقیاس بندی سیستم های منسجم به 800G، 1.6T و فراتر از آن، محدودیت های مهندسی را معرفی می کند که در 100G قابل توجه نبودند.

کاهش نسبت سیگنال-به-نویز

طرح‌های مدولاسیون مرتبه بالاتر بیت‌های بیشتری را در هر نماد بسته‌بندی می‌کنند اما فاصله بین نقاط صورت فلکی را کاهش می‌دهند. یک سیستم 64-QAM با 64 حالت سیگنال، در مقایسه با چهار حالت QPSK، فواصل اقلیدسی بین نقاط بسیار کمتری دارد. هرگونه نویز یا اعوجاج تشخیص نمادها را سخت تر می کند و نرخ خطای بیت را افزایش می دهد.

راه حل شامل الگوریتم های تصحیح خطای رو به جلو قدرتمندتر است، اما FEC سربار محاسباتی را اضافه می کند. FEC قوی یکپارچه شده در DSP می‌تواند به بودجه برق و گرما اضافه کند و چالش‌های مدیریت حرارتی را در تجهیزات فشرده- ایجاد کند. فروشندگان قدرت FEC را در برابر مصرف برق و تأخیر متعادل می کنند.

محدودیت های پهنای باند اجزای آنالوگ

با افزایش نرخ نمادها از 32 گیگاباد به 100 گیگاباد و بالاتر، اجزای آنالوگ باید محدوده فرکانس وسیع تری را کنترل کنند. اعوجاج سیگنال ناشی از اجزای آنالوگ در فرستنده و گیرنده با افزایش نرخ نمادها و افزایش سطح مدولاسیون به یک مسئله اصلی تبدیل می شود.

تعدیل‌کننده‌ها به پهنای باند الکتریکی گسترده‌تری برای رمزگذاری دقیق سیگنال‌های-سرعت بالا نیاز دارند. آشکارسازهای نوری و تقویت‌کننده‌های عبوری باید سیگنال‌های نوری را بدون ایجاد تضعیف وابسته به فرکانس به حوزه الکتریکی تبدیل کنند. مبدل های آنالوگ به

اثرات فیبر غیر خطی

فیبر نوری در سطوح توان بالا رفتار غیرخطی از خود نشان می دهد. اثر کر باعث می‌شود ضریب شکست با شدت نوری تغییر کند و مدولاسیون خود{1}فاز و مدولاسیون فاز متقاطع بین طول‌موج‌ها در سیستم‌های DWDM ایجاد کند. چهار-اختلاط موج سیگنال‌های جعلی را در فرکانس‌های جدید تولید می‌کند و انرژی را از داده‌ها-حامل طول‌موج می‌دزدد.

DSPها الگوریتم های جبران غیرخطی را اعمال می کنند، اما اینها به منابع محاسباتی قابل توجهی نیاز دارند. ریاضیات شامل حل معادلات غیرخطی شرودینگر است که انتشار نور از طریق فیبر را توصیف می کند. پیچیدگی پردازش با فاصله و تعداد طول‌موج‌ها مقیاس ضعیفی دارد، که باعث می‌شود بین دقت جبران و بودجه‌های توان DSP مبادله شود.

 

 

تکامل قابلیت همکاری

 

سیستم‌های منسجم اولیه از قفل-فروشنده رنج می‌بردند. هر سازنده طرح‌های مدولاسیون اختصاصی و الگوریتم‌های FEC را در DSP‌های خود پیاده‌سازی کرد که به فرستنده‌های گیرنده همسان در هر دو انتهای یک پیوند نیاز داشت. این امر محدودیت های تدارکاتی و انعطاف پذیری طراحی شبکه را محدود کرد.

ماژول های نوری منسجم از لحاظ تاریخی از عدم قابلیت همکاری رنج می بردند و به دلیل تفاوت در مدولاسیون و کدگذاری، به اپتیک از یک شرکت در هر دو انتهای پیوند نیاز داشتند. انجمن نوری Internetworking به این موضوع از طریق توافق نامه های پیاده سازی که فرمت های مدولاسیون، کدهای FEC و رابط های مدیریت را استاندارد می کند، پرداخت.

مشخصات 400ZR که در سال 2020 تکمیل شد، یک طرح مدولاسیون QPSK ثابت با پارامترهای FEC خاص را تعریف کرد. این کار قابلیت همکاری چند فروشنده را برای اولین بار در اپتیک منسجم فعال کرد. اپراتورهای شبکه می‌توانند ماژول‌ها را از تامین‌کنندگان مختلف خریداری کنند و پیوندهای کاری را بدون آزمایش سازگاری ایجاد کنند.

OpenZR+ با استانداردسازی شکل‌دهی احتمالی و فرمت‌های مدولاسیون متعدد، قابلیت همکاری را تا دسترسی‌های طولانی‌تر گسترش می‌دهد. فرستنده و گیرنده ها حالت های عملیاتی را در طول اولیه سازی لینک، انتخاب پارامترهای بهینه برای شرایط فیبر فعلی، بررسی می کنند. این انعطاف‌پذیری به اپراتورها کمک می‌کند تا ظرفیت کارخانه‌های فیبر موجود را به حداکثر برسانند.

OIF تلاش‌هایی را برای راه‌حل‌های اتصال نوری منسجم 1.6T در سال 2024 آغاز کرد و در حال پیشرفت به سمت توافق‌نامه‌های اجرایی 1600ZR و 1600ZR+ است. هر نسل به کار استانداردسازی جدید نیاز دارد تا بهینه سازی عملکرد را در برابر محدودیت های قابلیت همکاری متعادل کند.

 

ملاحظات بهره وری انرژی

 

سیستم‌های منسجم در مقایسه با جایگزین‌های تشخیص مستقیم-به ازای هر بیت انتقال انرژی بیشتری مصرف می‌کنند و با افزایش تصاعدی ترافیک داده، سؤالاتی در مورد پایداری ایجاد می‌کنند.

یک ماژول قابل اتصال منسجم 400G معمولاً 15-20 وات می کشد که DSP 8-12 وات است. در مقایسه، یک ماژول تشخیص مستقیم 400G در مجموع 10-12 وات مصرف می کند. این شکاف در مقیاس رک افزایش می‌یابد - یک روتر با 36 پورت منسجم، 550-700 وات را فقط برای اپتیک می‌کشد.

با این حال، کارایی سطح سیستم{0}}داستان متفاوتی را بیان می کند. ارائه‌دهنده زیرساخت، Colt Technology Services، 97% صرفه‌جویی در مصرف انرژی را با استفاده از اپتیک‌های منسجم مبتنی بر روتر- گزارش کرد، در حالی که اپراتور دیگری به کاهش 64% هزینه سرمایه دست یافت. این صرفه جویی از حذف تجهیزات حمل و نقل نوری جداگانه، کاهش فضای رک، نیازهای خنک کننده و هزینه های مدیریتی حاصل می شود.

محاسبه بهره وری به انتخاب های معماری بستگی دارد. شبکه‌های سنتی از مسیریاب‌ها برای سوئیچینگ و سیستم‌های DWDM مجزا برای-حمل و نقل مسافت‌های طولانی استفاده می‌کنند که نیازمند تبدیل‌های نوری-به{3}}الکتریکی{4}}به-در هر مرز هستند. پلاگین‌های منسجم، IP{7}}روی-DWDM را فعال می‌کنند، جایی که روترها مستقیماً طول موج‌های DWDM را تولید می‌کنند و لایه‌های فرستنده را حذف می‌کنند.

مصرف برق DSP با هر نسل از طریق گره‌های فرآیند CMOS کوچکتر بهبود می‌یابد. 7فرایندهای ساخت DSP به طور چشمگیری مصرف انرژی را در مقایسه با نسل‌های قبلی کاهش می‌دهند، با فرآیندهای 5 نانومتری و 3 نانومتری که دستاوردهای بیشتری را ارائه می‌دهند. تکنیک‌های بسته‌بندی پیشرفته مانند ادغام فوتونیک سیلیکون نیز با کوتاه کردن اتصالات الکتریکی، توان را کاهش می‌دهند.

 

دینامیک هزینه و آستانه های اقتصادی

 

اپتیک منسجم از لحاظ تاریخی بر قیمت‌های ممتاز فرمان می‌داد، و استقرار را در شبکه‌های{0} طولانی که در آن جایگزین‌ها نمی‌توانستند در دسترس رقابت کنند، محدود می‌کرد. پویایی بازار این مرزهای اقتصادی را تغییر می دهد.

ادغام اجزا باعث کاهش هزینه می شود. بسته‌بندی فوتونیک سیلیکونی و توسعه DSPهای 7 نانومتری، ساخت ماژول‌هایی را که شامل مدارهای مجتمع DSP، لیزر، تقویت‌کننده، آشکارساز عکس{2}}و RF روی یک بستر یکپارچه می‌شوند، ممکن کرد. این ادغام پیچیدگی تولید را کاهش می دهد و بازده را بهبود می بخشد.

عوامل شکل قابل اتصال با توزیع هزینه‌های توسعه در حجم‌های بزرگ‌تر، پذیرش را تسریع می‌کنند. یک طراحی واحد QSFP-DD بر خلاف کارت‌های خط اختصاصی با دوره‌های تولید محدود، به چندین فروشنده و برنامه خدمت می‌کند. بیش از 20 میلیون ماژول نوری دیتاکام 400G و 800G در سال 2024 ارسال شد و صرفه‌جویی در مقیاس را ایجاد کرد که در نسل‌های قبلی امکان‌پذیر نبود.

نقطه تقاطع هزینه به لبه های شبکه نزدیک تر می شود. پنج سال پیش، فناوری منسجم تنها بیش از 500 کیلومتر معنی داشت. امروزه، ماژول‌های 400ZR از نظر اقتصادی در 80-120 کیلومتر رقابت می‌کنند، به‌ویژه زمانی که صرفه‌جویی در هزینه‌های عملیاتی ناشی از معماری‌های ساده شده را در نظر بگیریم. برخی اپراتورها سیستم های منسجمی را برای پیوندهای مترو 40 کیلومتری مستقر می کنند که در آن هزینه کل مالکیت هزینه سرمایه اولیه را توجیه می کند.

با تشدید رقابت، فرسایش قیمت ها ادامه دارد. برنامه‌های اتصال مرکز داده در سال 2024 رکورد ماژول‌های منسجم قابل اتصال را مصرف کردند و Marvell، Acacia و Ciena به‌عنوان تامین‌کنندگان اصلی بودند. فروشندگان متعددی که محصولات رقیب را ارائه می‌کنند، قیمت‌ها را به سمت سطوح کالایی سوق می‌دهند، اگرچه رهبری فناوری در نسل‌های جدید همچنان دارای امتیاز است.

 

ادغام با تقسیم طول موج چند برابری

 

اپتیک‌های منسجم وقتی با DWDM ترکیب می‌شوند، به حداکثر تأثیر می‌رسند و در هر{0}} ظرفیت فیبر در محدوده ترابیت ضرب می‌شوند.

DWDM حداکثر 96 کانال را در خود جای می دهد که هر رنگ دارای یک سیگنال مجزا است. هنگامی که هر طول موج 400G را از طریق مدولاسیون منسجم حمل می کند، ظرفیت کل به 38.4 ترابیت در هر جفت فیبر می رسد. این اثر ضربی توضیح می دهد که چرا یک فیبر واحد می تواند صدها اتصال موازی را جایگزین کند.

سیستم‌های منسجم، استقرار DWDM را در مقایسه با روش‌های-تشخیص مستقیم ساده می‌کنند. ارتباطات فیبر نوری منسجم نیاز به ماژول های جبران پراکندگی را در سیستم های DWDM از بین می برد، زیرا این عملکرد توسط DSP تکمیل می شود. نسل‌های قبلی DWDM به نقشه‌های پراکندگی دقیق مهندسی شده نیاز داشتند، و DCM‌ها را در فواصل زمانی مشخص برای جبران تجمع پراکندگی رنگی قرار می‌دادند.

معماری شبکه انعطاف پذیر ظرفیت اضافی را باز می کند. DWDM سنتی از فاصله کانال ثابت 50 گیگاهرتز یا 100 گیگاهرتز استفاده می کند. شکل‌دهی طیفی به حامل‌ها اجازه می‌دهد تا برای به حداکثر رساندن ظرفیت در سیستم‌های شبکه انعطاف‌پذیر به هم نزدیک‌تر شوند. یک کانال منسجم 400G ممکن است 75 گیگاهرتز از طیف را با فیلتر مناسب اشغال کند، در حالی که یک کانال 100G تنها به 37.5 گیگاهرتز نیاز دارد و اپراتورها را قادر می سازد تا طول موج های بیشتری را روی فیبر موجود بسته بندی کنند.

شکل دهی پالس Nyquist با اعمال فیلتر دقیق در DSP، پهنای طیفی سیگنال های ارسالی را محدود می کند. این باندهای محافظ بین کانال های DWDM مجاور را کاهش می دهد و ظرفیت کل سیستم را 10-20٪ در مقایسه با سیگنال های فیلتر نشده افزایش می دهد. این تکنیک به هماهنگی دقیق بین فرستنده و گیرنده DSP نیاز دارد تا از تخریب سیگنال جلوگیری شود.

 

بهینه سازی عملکرد از طریق شکل دهی احتمالی

 

سیستم‌های منسجم پیشرفته از شکل‌دهی صورت فلکی احتمالی برای استخراج ظرفیت اضافی از پیوندهای فیبر استفاده می‌کنند. این تکنیک تعداد دفعات ظاهر شدن دامنه نمادهای مختلف در سیگنال ارسالی را تنظیم می کند.

سیستم های سنتی QAM نقاط صورت فلکی را به طور یکنواخت در طول دامنه و فضای فاز توزیع می کنند. شکل‌دهی احتمالی عمداً نمادهای دامنه کم-را بیشتر از نمادهای دامنه-بالا ارسال می‌کند، و توزیع سیگنال ارسالی را با ویژگی‌هایی مطابقت می‌دهد که ظرفیت کانال را تحت تئوری شانون به حداکثر می‌رساند.

این مزیت از تغییرات نسبت سیگنال به-در طول دهانه فیبر ناشی می‌شود. نمادهای دامنه{3}بالا به قدرت انتقال بیشتری نیاز دارند و بیشتر مستعد نویز هستند. با کاهش فراوانی وقوع آنها، سیستم در حالی که در شرایط SNR محدود به نرخ اطلاعات بالاتری دست می یابد، توان متوسط ​​کمتری را حفظ می کند.

ماژول‌های 800G ZR+ در حالت‌های با کارایی بالا با شکل‌دهی احتمالی و بیش از 2000 کیلومتر با سرعت داده کمتر، به انتقال بیش از 1000-کیلومتر دست می‌یابند. اپراتورها ماژول ها را برای مبادله ظرفیت برای مسافت بر اساس کیفیت فیبر و فاصله تقویت کننده در مسیرهای خاص پیکربندی می کنند.

این تکنیک به الگوریتم های پیچیده DSP نیاز دارد و پیچیدگی محاسباتی را اضافه می کند. فرستنده‌ها باید داده‌ها را به-توزیع نمادهای غیریکنواخت کدگذاری کنند، در حالی که گیرنده‌ها این الگوها را با دقت رمزگشایی می‌کنند. پیاده‌سازی‌های فعلی بر توزیع‌های گاوسی-شکل تمرکز دارند که عملکرد تقریباً-بهینه با پیچیدگی قابل مدیریت ارائه می‌دهند.

 

کاربرد در سیستم های کابلی زیردریایی

 

شبکه‌های فیبر زیر دریا نشان‌دهنده‌ترین کاربرد برای فناوری منسجم است، جایی که قابلیت اطمینان و ظرفیت مستقیماً بر زیرساخت‌های ارتباطات جهانی تأثیر می‌گذارد.

کابل‌های زیردریایی هزاران کیلومتر بدون نقاط دسترسی میانی برای تعمیر و نگهداری یا ارتقاء هستند. اپتیک منسجم هزینه اولیه و مصرف برق شبکه های زیردریایی را کاهش می دهد و در عین حال امنیت و یکپارچگی سیگنال آنها را بهبود می بخشد. توانایی این فناوری برای حفظ{2}}انتقال بدون خطا در فواصل بسیار زیاد، آن را برای این نصب ها ضروری می کند.

سیستم‌های زیردریایی مدرن 16-24 جفت فیبر در هر کابل را مستقر می‌کنند که هر فیبر دارای 80-120 طول موج در 200-400G در هر طول موج است. ظرفیت کل کابل به چندین پتابیت در ثانیه می رسد. ظرفیت هر فیبر فعال شده توسط فناوری منسجم، تعداد جفت فیبر مورد نیاز را کاهش می دهد و هزینه کابل و اندازه فیزیکی را کاهش می دهد.

سیستم های زیردریایی از الگوریتم های تخصصی DSP برای رسیدگی به چالش های منحصر به فرد استفاده می کنند. تغییرات دما با عمق اقیانوس بر ویژگی های فیبر تأثیر می گذارد. جریان های دریایی باعث خم شدن میکرو می شوند که حالت های قطبش را تغییر می دهد. DSP در طول عمر طراحی 25 ساله کابل های زیردریایی به طور مداوم با این عوامل محیطی سازگار است.

سناریوهای تعمیر از انعطاف پذیری منسجم سود می برند. هنگامی که کابل آسیب می بیند که نیاز به اتصال دارد، اپراتورها می توانند فرمت های مدولاسیون و قدرت FEC را در طول موج های تحت تاثیر تنظیم کنند تا در عین حال با افزایش تلفات ناشی از نقاط اتصال، سرویس را حفظ کنند. این سازگاری پیچیدگی تعمیر را در مقایسه با سیستم های ثابت کاهش می دهد.

 

انتقال دوطرفه فیبر تک{{0}

 

نوآوری‌های اخیر انتقال منسجم را روی فیبرهای منفرد به جای جفت فیبر امکان‌پذیر می‌سازد و ظرفیت زیرساخت موثر را دو برابر می‌کند.

انتقال نوری سنتی روی یک فیبر منفرد از دو طول موج برای انتقال اطلاعات در جهت مخالف با استفاده از دیپلکسرها یا سیرکولاتورها استفاده می کند. این رویکرد برای سیستم‌های کم سرعت- کار می‌کند، اما به دلیل الزامات مدیریت طول موج، در سرعت‌های منسجم پیچیده می‌شود.

معماری اپتیک XR از پردازش سیگنال دیجیتال استفاده می کند تا انتقال و دریافت یک لیزر را به زیرکانال های فرکانس کوچکتر-به نام حامل های دیجیتال تقسیم کند و تا 200 گیگابیت بر ثانیه ترافیک دو طرفه را در یک فیبر واحد امکان پذیر می کند. وقتی در 64 طول موج مستقر شود، ظرفیت به 12.8 ترابایت بر ثانیه در یک رشته می رسد.

این تکنیک نیاز به مدیریت طیفی دقیق دارد. زیرحامل‌های دیجیتال شکاف‌های فرکانس متفاوتی را در پهنای باند یک طول موج اشغال می‌کنند، با جهت‌های ارسال و دریافت با استفاده از مناطق طیفی غیر همپوشانی-. DSP فیلتر را برای جداسازی این اجزا انجام می دهد و ایزوله کافی بین جهت ها را حفظ می کند.

Aire Networks برای به حداکثر رساندن بازگشت سرمایه در زیرساخت‌های موجود و اجتناب از هزینه‌های سرمایه‌ای قابل توجه و زمان مورد نیاز برای نصب فیبرهای جدید، انتقال منسجم فیبر{0}} را با استفاده از اپتیک‌های هوشمند متصل به هم متصل کرد. این الگوی استقرار به اپراتورهایی که با کمبود فیبر در مجراها یا فضای مجرای مواجه هستند کمک می کند.

 

مسیرهای مقیاس بندی ظرفیت آینده

 

نقشه راه منسجم اپتیک فراتر از سیستم‌های 800G و 1.6T کنونی است، اگرچه محدودیت‌های فیزیکی در هر نسل چالش‌برانگیزتر می‌شوند.

مایکروسافت و سایر ارائه دهندگان ابر مقیاس ابر به طور فعال تحقیقاتی را در مورد اتصالات نوری و مقیاس بندی فرستنده گیرنده های مرکز داده در سال 2025 با برنامه های صنعتی برای استقرار-در مقیاس بزرگ 1.6T و سایر فرستنده های نوری منسجم پیشرفته انجام دادند. این پیشرفت‌ها نشان‌دهنده افزایش مداوم ظرفیت است که ناشی از بار کاری هوش مصنوعی و عملیات‌های مقیاس بزرگ است.

افزایش نرخ نماد یک مسیر مقیاس بندی را فراهم می کند. سیستم‌های 100 Gbaud فعلی می‌توانند به سمت 140 Gbaud یا بالاتر تکامل یابند، اگرچه این امر مستلزم افزایش متناسب پهنای باند در تمام اجزای آنالوگ است. فیزیک مواد سرعت تعویض الکترونیک و میزان پهنای باند نوریاب ها را محدود می کند.

مدولاسیون سفارش بالاتر راه دیگری را ارائه می دهد. حرکت از 64-QAM به 256-QAM یا حتی 1024-QAM بیت‌ها را در هر نماد افزایش می‌دهد، اما نقاط صورت فلکی بسیار به هم نزدیک می‌شوند. این رویکرد فقط بر روی لینک‌های با کیفیت بسیار بالا و با فاصله کوتاه کار می‌کند یا به کدهای FEC بسیار قوی‌تری نیاز دارد.

مالتی پلکس فضایی از طریق فیبرهای چند هسته‌ای یا چند حالته امکان- طولانی‌تری را نشان می‌دهد. این الیاف حاوی چندین کانال فضایی مستقل در یک رشته هستند. این فناوری در مراحل تحقیقاتی باقی مانده است و به انواع جدیدی از تقویت کننده ها، مالتی پلکسرها و الگوریتم های DSP برای مدیریت تداخل کانال فضایی نیاز دارد.

اپتیک‌های بسته‌بندی شده مشترک ممکن است با قرار دادن DSPهای منسجم مستقیماً در مجاورت سیلیکون سوئیچ، کاهش طول مسیرهای الکتریکی و مصرف انرژی، سیستم‌های نسل بعدی را فعال کنند. این رویکرد با چالش های تولیدی پیرامون عملکرد و مدیریت حرارتی مواجه است.

 

سوالات متداول

 

اپتیک منسجم در مقایسه با سیستم های فیبر سنتی از چه ظرفیتی پشتیبانی می کند؟

سیستم‌های نوری منسجم با تعدیل دامنه، فاز و پلاریزاسیون به‌طور هم‌زمان، 80 برابر ظرفیت بیشتری نسبت به روش‌های کلیدی خاموش{1} معمولی دارند. سیستم‌های کنونی از 100G تا 800G در هر طول موج در تولید، با 1.6T در سال 2025 وارد می‌شوند. وقتی با مالتی پلکس DWDM تا 96 طول موج ترکیب می‌شود، ظرفیت فیبر منفرد از 38 ترابیت در ثانیه فراتر می‌رود.

اپتیک همدوس تا کجا می تواند بدون بازسازی سیگنال ارسال کند؟

فاصله انتقال به فرمت مدولاسیون و کیفیت فیبر بستگی دارد. سیستم های مترو 400ZR به 120 کیلومتر می رسد، در حالی که ZR+ تا 500 کیلومتر گسترش می یابد. پیکربندی‌های مسافت طولانی-با مدولاسیون QPSK و تصحیح خطای جلو قوی به 2000 کیلومتر می‌رسند. سیستم‌های کابلی زیردریایی با استفاده از شکل‌دهی احتمالی و الگوریتم‌های تخصصی DSP از 10000 کیلومتر بین نقاط بازسازی استفاده می‌کنند.

چه چیزی DSP های منسجم را برای-انتقال با ظرفیت بالا ضروری می کند؟

پردازنده‌های سیگنال دیجیتال سه عملکرد حیاتی را انجام می‌دهند که لینک‌های-فاصله{1} و با ظرفیت بالا را فعال می‌کنند. آنها پراکندگی رنگی و پراکندگی حالت قطبش را به صورت ریاضی جبران می کنند و ماژول های جبران فیزیکی را حذف می کنند. آنها الگوریتم های تصحیح خطای رو به جلو را پیاده سازی می کنند که خطاهای انتقال را شناسایی و رفع می کند. آنها شناسایی منسجمی را با پردازش اجزای سیگنال فاز و مربع انجام می‌دهند و اطلاعات فازی را که داده‌های اضافی را حمل می‌کنند بازیابی می‌کنند.

چرا فناوری منسجم گران‌تر از جایگزین‌های-تشخیص مستقیم است؟

فرستنده‌های گیرنده منسجم به تراشه‌های DSP پیچیده ساخته شده بر روی گره‌های فرآیند پیشرفته، لیزرهای قابل تنظیم با کنترل فرکانس دقیق و ساختارهای مدولاتور پیچیده برای رمزگذاری اطلاعات فاز نیاز دارند. DSP به تنهایی 40{3}}50٪ از هزینه ماژول را تشکیل می دهد. با این حال، اقتصاد سطح سیستم از فناوری منسجم برای مسافت‌های بیش از 80 تا 120 کیلومتر هنگام استفاده از تجهیزات حذف‌شده و صرفه‌جویی عملیاتی از معماری‌های ساده‌شده استفاده می‌کند.

---

منابع

راهکارهای VIAVI - اپتیک منسجم چیست (https://www.viavisolutions.com)

NTT R&D - توسعه آینده فناوری انتقال نوری منسجم دیجیتال

Ciena - Coherent Optics چیست (https://www.ciena.com)

Straits Research - اندازه بازار تجهیزات نوری منسجم 2024-2033

بینش رشد جهانی - بازار فرستنده گیرنده نوری منسجم دیجیتال 2025-2034

Acacia Communications - Coherent Optics Outlook 2025 (https://acacia-inc.com)

Cignal AI - 800گزارش GbE Optics Market 2025

Coherent Corp. - 800G ZR/ZR+ اعلامیه محصول 2025

Infinera - Single-مطالعه موردی انتقال نوری منسجم فیبر 2024

FiberMall - Coherent Optical Communication Technology 2025