گیرنده های منسجم به فناوری پیشرفته نیاز دارند

 

فرستنده‌های منسجم داده‌ها را با استفاده از مدولاسیون دامنه، فاز و پلاریزاسیون کدگذاری می‌کنند که به پردازنده‌های سیگنال دیجیتال پیچیده و ادغام فوتونیک نیاز دارد. این دستگاه ها به سرعت داده از 100G تا 1.6T دست می یابند و در عین حال یکپارچگی سیگنال را در طول صدها کیلومتر حفظ می کنند.

این فناوری سه نوآوری اساسی را با هم ترکیب می‌کند: تراشه‌های تخصصی DSP که بر روی گره‌های فرآیند ۷ نانومتری ساخته شده‌اند که تقریباً ۵۰ درصد انرژی فرستنده گیرنده را مصرف می‌کنند، طرح‌های مدولاسیون پیشرفته مانند ۱۶-QAM و 64-QAM که چندین بیت در هر نماد را رمزگذاری می‌کنند، و پلت‌فرم‌های فوتونیک سیلیکونی که مؤلفه‌های سازگار با مقیاس نوری را در CM OS ادغام می‌کنند.

 

 

چرا پردازش سیگنال دیجیتال عملکرد منسجم را تعریف می کند؟

 

تراشه DSP به عنوان هسته الکترونیکی سیستم های انتقال منسجم عمل می کند. این پردازنده‌ها در هندسه فرآیند 7 نانومتری، تبدیل آنالوگ به دیجیتال، جبران پراکندگی رنگی بیش از 50000 ps/nm، کاهش پراکندگی حالت پلاریزاسیون، و تصحیح خطای رو به جلو- را انجام می‌دهند، در حالی که اتلاف توان را برای فاکتورهای قابل شارژ وات زیر 10 حفظ می‌کنند.

DSPهای مدرن شکل‌دهی صورت فلکی احتمالی را پیاده‌سازی می‌کنند، تکنیکی که توزیع توان را در بین نمادهای مدولاسیون بهینه می‌کند. به جای استفاده از تمام 16 نقطه در یک صورت فلکی 16{3}}QAM به طور مساوی، PCS بیشتر از نقاط صورت فلکی داخلی کم توان استفاده می کند. این رویکرد بدون افزایش نرخ نماد یا نیاز به تقویت اضافی، دسترسی انتقال را 20-30٪ افزایش می دهد.

شدت محاسباتی توضیح می دهد که چرا پیشرفت DSP باعث تکامل منسجم می شود. حرکت از گره‌های فرآیندی 16 نانومتری به 7 نانومتری مصرف انرژی را تا بیش از 75 درصد کاهش می‌دهد و در عین حال نرخ باود بالاتری را ممکن می‌سازد. شرکت‌هایی مانند مارول با معماری Canopus خود به این مهم دست یافتند و در اواخر سال ۲۰۱۹ نمونه‌برداری کردند و اولین ماژول‌های تجاری 400G ZR را فعال کردند. این تراشه از عملکرد چند نرخی در 100G، 200G، 300G، و 400G با حالت‌های نرم‌افزاری{13}}برای نیازهای دسترسی مختلف پشتیبانی می‌کند.

معماری پردازش به اندازه اندازه گره اهمیت دارد. DSP شامل بلوک‌های متمایز است: مدارهای سریال‌ساز-مدارهای deserializer که داده‌های موازی را به چهار کانال منسجم تبدیل می‌کنند، واحد پردازش سیگنال واقعی که اطلاعات را به ویژگی‌های نور کدگذاری و رمزگشایی می‌کند، موتورهای فریم‌بندی برای پروتکل‌های اترنت و OTN، و اکولایزرهای تطبیقی ​​که آسیب‌های فیبر را جبران می‌کنند{2}در زمان واقعی{2}. هر بلوک به مالکیت معنوی تخصصی نیاز دارد، به همین دلیل است که فروشندگان یکپارچه عمودی مانند Nokia، Infinera و Cisco قابلیت‌های طراحی DSP را در داخل حفظ می‌کنند.

راندمان انرژی همچنان محدودیت حیاتی است. با مصرف DSPهایی که تقریباً نیمی از کل توان فرستنده گیرنده را مصرف می کنند، مدیریت حرارتی در فاکتورهای فشرده مانند QSFP-DD و OSFP بسیار مهم می شود. بودجه برق 15 وات برای این ماژول‌ها تنها 5 تا 7 وات برای عملیات DSP پس از محاسبه اجزای نوری و درایورها باقی می‌ماند. این محدودیت صنعت را به سمت گره‌های فرآیند 5 نانومتری برای برنامه‌های 800G سوق داد، جایی که Orion DSP مارول حتی توان کمتری در هر بیت را هدف قرار می‌دهد.

 

طرح های مدولاسیون پیشرفته کارایی طیفی را فعال می کند

 

فرستنده های منسجم از مدولاسیون دامنه مربعی برای رمزگذاری چگالی اطلاعات استفاده می کنند. در قالب 16-QAM، هر نماد چهار بیت را از طریق ترکیب حالت‌های دامنه و فاز نشان می‌دهد. اجرای دوقطبی به طور موثر این ظرفیت را دو برابر می کند و هشت بیت در هر نماد را در حالت های قطبش متعامد که با 90 درجه از هم جدا شده اند ارسال می کند.

ترتیب مدولاسیون مستقیماً بین نرخ داده و سیگنال نوری-به نسبت{1}}نویز مورد نیاز است. مدولاسیون QPSK، کدگذاری دو بیت در هر نماد، OSNR را تا 12-14 دسی بل تحمل می کند و فواصل انتقال بیش از 4000 کیلومتر را با نرخ 100G امکان پذیر می کند. گام به گام به 16-QAM توان خروجی را چهار برابر می کند و به 400G می رساند، اما به OSNR بالای 22 دسی بل نیاز دارد، که بسته به کیفیت فیبر، دسترسی به حدود 1000-1500 کیلومتر را محدود می کند. سفارشات بالاتر مانند 64-QAM نرخ داده را به 600G در یک طول موج می رساند، اما به دلیل نیازهای OSNR بیش از 28 دسی بل، برد موثر به زیر 200 کیلومتر کاهش می یابد.

این رابطه بین پیچیدگی مدولاسیون و دسترسی، استراتژی‌های استقرار شبکه را شکل می‌دهد. اتصالات مرکز داده به طول 80-120 کیلومتر معمولاً از 16{10}}QAM برای برنامه‌های 400G تحت استاندارد 400ZR استفاده می‌کنند. شبکه‌های مترو با وسعت 300-500 کیلومتر ممکن است 8{12}}QAM را برای تعادل ظرفیت و مسافت انتخاب کنند. کابل‌های زیردریایی طولانی‌مدت که از اقیانوس‌ها عبور می‌کنند معمولاً برای حداکثر انعطاف‌پذیری به QPSK باز می‌گردند و ظرفیت کمتری در هر طول موج را در ازای دهانه‌های چند هزار کیلومتری می‌پذیرند.

پلاریزاسیون مالتی پلکس پهنای باند موثر را با در نظر گرفتن قطبش های افقی و عمودی به عنوان کانال های داده مستقل دو برابر می کند. DSP گیرنده باید این پلاریزاسیون ها را دمولتیپلکس کند و پراکندگی حالت پلاریزاسیون را که باعث تأخیرهای انتشار متفاوت می شود، جبران کند. این امر پیچیدگی محاسباتی را اضافه می‌کند، اما برای دستیابی به نرخ‌های داده تجاری ضروری است-بدون قطبش دوگانه، یک فرستنده گیرنده 400G نیاز به دو برابر کردن نرخ نماد یا حرکت به ترتیبات مدولاسیون بسیار بالا دارد.

تحقیقات اخیر فرمت‌های سفارش بالاتر-را بررسی می‌کند. نمایش‌های 256-QAM با استفاده از شکل‌دهی احتمالی برای مدیریت نویز فاز لیزرهای کم‌هزینه، به انتقال خالص ۱ ترابیت بر ثانیه در طول ۸۰ کیلومتر دست یافت. در حالی که چنین قالب‌هایی برای استقرار تولید آزمایشی باقی می‌مانند، با بهبود قدرت پردازش DSP و دقت اجزای نوری، مسیرهای مقیاس‌بندی آینده را نشان می‌دهند.

 

ادغام فوتونیک سیلیکون اندازه و هزینه را کاهش می دهد

 

فوتونیک سیلیکون ادغام یکپارچه توابع نوری را با استفاده از فرآیندهای ساخت CMOS امکان پذیر می کند. یک زیر مجموعه نوری منسجم معمولی- مدولاتورها، آشکارسازهای نوری، تقسیم‌کننده‌های پرتو قطبی، و میکسرهای منسجم را روی یک تراشه سیلیکونی منفرد با اندازه‌گیری چند میلی‌متر مربع ترکیب می‌کند. این ادغام قبلاً به اجزای مجزا مونتاژ شده با تراز فیبر دقیق-فرآیندی ناسازگار با تولید با حجم بالا-و عوامل شکل قابل اتصال نیاز داشت.

این فناوری از قابلیت های کامل ریخته گری نیمه هادی بهره می برد. فرآیند PH18 Tower Semiconductor که توسط Coherent برای محصولات فرستنده گیرنده خود استفاده می‌شود، آشکارسازهای نوری، موجبرها و تعدیل‌کننده‌ها را با استفاده از سیلیکون-روی{3}}ویفرهای عایق یکپارچه می‌کند. این ریخته‌گری‌ها در حال حاضر در مقیاس برای تراشه‌های الکترونیکی کار می‌کنند و حجم تولید فوتونیک را امکان‌پذیر می‌کنند که با خطوط ساخت نوری تخصصی غیرممکن است.

فاصله باند غیرمستقیم سیلیکون یک محدودیت اساسی دارد-نمی‌تواند نور را در طول موج‌های ارتباطی به طور موثر ساطع یا تشخیص دهد. راه حل ها شامل ادغام ناهمگن با مواد III-V مانند فسفید ایندیم برای منابع لیزری و آشکارسازهای نوری ژرمانیوم است. برخی از پیاده‌سازی‌ها از جفت لبه‌ای برای جدا کردن مجموعه‌های لیزر از PIC سیلیکونی استفاده می‌کنند، در حالی که برخی دیگر پیوند مستقیم ویفرهای III-V را روی سیلیکون دنبال می‌کنند. هر رویکرد، چگالی ادغام را در مقابل پیچیدگی و هزینه ساخت عوض می کند.

بازده مدولاسیون بیشتر نقشه راه توسعه فوتونیک سیلیکونی را هدایت می کند. تعدیل‌کننده‌های استاندارد پراکندگی پلاسما مبتنی بر تزریق حامل عملکرد مناسبی را برای بسیاری از برنامه‌ها ارائه می‌کنند، اما با عملکرد-سرعت بالا و پایین{3}}ولتاژ مورد نیاز برای نرخ‌های نسل بعدی 800G و 1.6T مشکل دارند. این محدودیت باعث تحقیقات در مورد مواد اثر Pockels- شد. نازک{10}}لیتیوم نیوبات متصل به بسترهای سیلیکونی ولتاژ درایو کمتر و پهنای باند بالاتری نسبت به سیلیکون به تنهایی ارائه می‌کند، هرچند با افزایش پیچیدگی فرآیند.

پرونده اقتصادی در حجم قانع کننده می شود. مجموعه های اولیه ماسک فوتونیک میلیون ها دلار هزینه دارند و چرخه های طراحی 12 تا 18 ماه طول می کشد. با این حال، هزینه های پردازش ویفر قابل مقایسه با تراشه های الکترونیکی است که در طول دوره های تولید بیش از 100000 واحد در سال مستهلک شوند. برای فرستنده‌های مرکز داده که میلیون‌ها واحد ارسال می‌شوند، فوتونیک سیلیکون در مقایسه با روش‌های مونتاژ گسسته، هزینه را 2 تا 3 برابر کاهش می‌دهد.

پایداری دما نشان دهنده مزیت دیگری است. تعدیل کننده های سیلیکون تغییرات طول موج تقریباً 0.08 نانومتر بر درجه سانتیگراد را نشان می دهند که از طریق تنظیم طول موج در لیزر نوسانگر محلی قابل کنترل است. این امر الزامات کولرهای ترموالکتریک را در بسیاری از طرح ها حذف کرد و مصرف برق را به میزان قابل توجهی کاهش داد. فرستنده و گیرنده های درجه بندی شده برای محدوده دمای صنعتی (40- درجه تا 85 درجه) اکنون با استفاده از فوتونیک سیلیکونی بدون خنک کننده فعال به این مشخصات دست می یابند.

 

 

نرخ باود و پیچیدگی پردازش نمادها

 

نرخ نماد، سرعت کلاک اساسی سیستم انتقال منسجم را تعیین می کند. ماژول‌های منسجم 400G کنونی با سرعت 64 گیگاباد کار می‌کنند، یعنی DSP 64 میلیارد نماد در ثانیه پردازش می‌کند. همراه با کدگذاری 16-QAM (4 بیت در هر نماد) و قطبش دوگانه (2x)، این نرخ کل داده 400G را به دست می‌آورد: 64 گیگابایت × 4 بیت × 2 قطبش=512 ظرفیت خام گیگابیت بر ثانیه، که پس از تصحیح خطای جلو به 400 گیگابیت بر ثانیه کاهش می‌یابد.

افزایش نرخ باود به طور مستقیم توان عملیاتی را کاهش می دهد اما با محدودیت های فیزیکی مواجه می شود. با 90 گیگاباد، که توسط معماری PSE{2}}V نوکیا نشان داده شده است، همان قالب 16-QAM ظرفیت 600G را ارائه می دهد. با این حال، اتصالات الکتریکی بین DSP و اجزای نوری با محدودیت‌های پهنای باند روبرو هستند. یکپارچگی سیگنال کاهش می یابد زیرا طول ردیابی و اندوکتانس سیم پیوند باعث از دست دادن و پراکندگی در این فرکانس ها می شود. این صنعت را به سمت رویکردهای یکپارچه سازی سه بعدی سوق داد که در آن DSP، تقویت کننده های درایور و موتور فوتونیک سیلیکونی به صورت عمودی و با حداقل فاصله اتصال به هم قرار می گیرند.

رابطه بین رابط های الکتریکی و نوری محدودیت های طراحی ایجاد می کند. یک گیرنده 400G-ZR یک رابط الکتریکی استاندارد 400GbE را به سیستم میزبان ارائه می‌کند-هشت خط 50G با استفاده از PAM{12}}4 سیگنالینگ. در داخل، DSP این را به چهار کانال نوری 64{13}}GBd تبدیل می‌کند. این عدم تطابق نرخ به یک تابع "گیربکس" نیاز دارد که به طور سنتی در سیستم عامل DSP پیاده سازی می شود. این تبدیل، تأخیر، معمولاً 200-500 نانوثانیه را معرفی می‌کند که برای اکثر برنامه‌ها قابل قبول است، اما برای سیستم‌های معاملاتی با تأخیر بسیار کم یا حلقه‌های کنترل بلادرنگ مشکل‌ساز است.

نرخ نمادهای بالاتر نیز کیفیت فیبر بهتری را می طلبد. در 64 گیگابایت در روز، فیبر حالت استاندارد تک- پراکندگی رنگی قابل کنترل در حدود 17 ps/nm/km را نشان می‌دهد. افزایش به 90 گیگابایت در روز باعث افزایش انتشار سیگنال می‌شود که به یکسان سازی DSP تهاجمی‌تر یا بازه‌های انتقال کوتاه‌تر نیاز دارد. این یک سقف عملی در حدود 100 گیگابایت در روز با زیرساخت فیبر فعلی ایجاد می کند، اگرچه انواع فیبرهای بهبود یافته و DSP های قدرتمندتر ممکن است این مرز را افزایش دهند.

تصحیح خطا به جلو، سربار را اضافه می کند که با پیچیدگی نماد مقیاس می شود. FEC تصمیم گیری سخت ساده ممکن است 7٪ سربار اضافه کند، در حالی که الگوریتم های پیشرفته تصمیم گیری نرم- که سود بیشتر کدگذاری را ارائه می دهند، 20-25٪ سربار مصرف می کنند. برای یک سیستم 64{14}}گیگابیت در روز، ۱۶-QAM که ۵۱۲ گیگابیت بر ثانیه خام تولید می‌کند، یک سربار FEC 20 درصد، ظرفیت خالص 410 گیگابیت بر ثانیه را به دست می‌دهد که نزدیک به هدف 400G است. DSP باید این تصحیح را در زمان واقعی با تأخیرهای کمتر از 1 میکروثانیه پردازش کند، که تقاضاهای زیادی را برای معماری پردازش ایجاد می کند.

 

جبران پراکندگی رنگی و قطبی

 

فیبر نوری ذاتا طول موج های مختلف را با سرعت های مختلف پراکنده می کند، اثری که پراکندگی رنگی نامیده می شود که بر حسب پیکو ثانیه بر نانومتر در کیلومتر اندازه گیری می شود. بیش از 100 کیلومتر فیبر یک حالت استاندارد، یک سیگنال 1550 نانومتری تقریباً 1700 ps/nm پراکندگی را جمع می‌کند. بدون جبران، این پخش پالس یکپارچگی سیگنال را برای نرخ داده های بالای 10 گیگابیت بر ثانیه از بین می برد.

سیستم‌های DWDM قدیمی با استفاده از ماژول‌های جبران پراکندگی{0}}قرقره‌های فیبر ویژه با ویژگی‌های پراکندگی منفی به این موضوع پرداختند. این دستگاه‌های غیرفعال تلفات درج را اضافه کردند، به مهندسی دقیق برای هر دهانه پیوند نیاز داشتند و فضای رک قابل توجهی را اشغال کردند. DSP های منسجم با محاسبه تابع انتقال معکوس پراکندگی و اعمال فیلتر دیجیتال برای سیگنال های دریافتی، این نیاز را حذف کردند. الگوریتم به سادگی چرخش فازی را که پراکندگی رنگی در سراسر پهنای باند سیگنال ایجاد می کند، معکوس می کند.

DSPهای منسجم مدرن، پراکندگی رنگی بیش از 100000 ps/nm، معادل 600 کیلومتر فیبر استاندارد با حاشیه را جبران می‌کنند. این محاسبات شامل فیلتر دامنه{4}}فرکانس است که از نظر محاسباتی از طریق الگوریتم‌های تبدیل فوریه سریع کارآمد است. با این حال، طول فیلتر و نرخ به‌روزرسانی، منابع DSP را مصرف می‌کند، به همین دلیل است که سیستم‌های منسجم اولیه با نرخ باود کمتری نسبت به دستگاه‌های فعلی کار می‌کنند. همانطور که قدرت پردازش DSP با پیشرفت قانون مور افزایش یافت، دامنه جبران افزایش یافت در حالی که مصرف برق کاهش یافت.

پراکندگی حالت پلاریزاسیون از انکسار مضاعف جزئی در حالت‌های قطبش افقی و عمودی فیبر{0} با سرعت‌های میکروسکوپی متفاوتی حرکت می‌کند. PMD به طور تصادفی در طول فیبر تغییر می کند و با دما و تنش تغییر می کند و جبران آن را با فیلترهای ساکن غیرممکن می کند. قدر PMD معمولاً 0.1-0.5 ps/√km است و در طول 1000 کیلومتر به 3-15 ps تجمع می یابد.

DSP PMD را از طریق یکسان سازی تطبیقی ​​با استفاده از الگوریتم مدول ثابت یا رویکردهای مشابه نشان می دهد. این الگوریتم‌ها چرخش پلاریزاسیون و تاخیر گروه دیفرانسیل را در{1}زمان واقعی ردیابی می‌کنند و ضرایب اکولایزر را هر چند میکروثانیه به‌روزرسانی می‌کنند تا تغییرات محیطی را دنبال کنند. تساوی نیاز به ضرب ماتریس برای هر نمونه دارد که تقریباً 20٪ از ظرفیت پردازش DSP را مصرف می کند. فرستنده‌های گیرنده حداکثر PMD قابل تحمل را مشخص می‌کنند، معمولاً 50 ps برای ماژول‌های 400G، که استقرار را در کارخانه‌های فیبر بسیار قدیمی یا تحت فشار محدود می‌کند.

جلوه‌های غیرخطی چالش سومی را ارائه می‌کنند. در توان‌های نوری بالا، ضریب شکست فیبر به شدت-وابسته می‌شود و باعث مدولاسیون خود-فاز و مدولاسیون متقاطع-فاز بین کانال‌های WDM می‌شود. این اثرات با طول فیبر و قدرت نوری رشد می‌کنند و در نهایت قدرت پرتاب قابل استفاده را محدود می‌کنند. در حالی که DSP ها می توانند آسیب های خطی مانند پراکندگی رنگی را جبران کنند، جبران غیرخطی به الگوریتم های پیچیده تری نیاز دارد که اعوجاج سیگنال را بر اساس شکل موج های ارسالی پیش بینی می کند. برخی از پیاده‌سازی‌های پیشرفته، جبران‌سازی غیرخطی پیش- را در فرستنده اعمال می‌کنند، و عمداً سیگنال ارسالی را تحریف می‌کنند، بنابراین غیرخطی بودن فیبر آن را به شکل صحیح در گیرنده بازمی‌گرداند.

 

تکامل عامل شکل و محدودیت های قدرت

 

فرستنده‌های گیرنده منسجم به‌عنوان پیاده‌سازی کارت‌های خطی شروع شدند که صدها وات را در چند شکاف شاسی مصرف می‌کردند. ضریب فرم CFP که در حدود سال 2010 معرفی شد، تقریباً 100 وات برق در یک ماژول بزرگ قابل اتصال به دست آورد. ماژول‌های CFP2 این میزان را تا سال 2014 به 40-60 وات کاهش دادند و رابط‌های منسجم تک اسلات را فعال کردند. دستیابی به موفقیت در فرمت های QSFP-DD (15W) و OSFP (20-25W) نیازمند تغییرات معماری شرح داده شده در بالا بود: DSP های 7 نانومتری، ادغام فوتونیک سیلیکونی، و بهینه سازی توان تهاجمی.

پوشش برق 15W QSFP-DD تقریباً خراب می‌شود: 6-7 وات برای DSP، 2-3 وات برای موتور فوتونیک سیلیکونی شامل تعدیل‌کننده‌ها و گیرنده‌ها، 3-4 وات برای تقویت‌کننده‌های درایور و تقویت‌کننده‌های ترانس امپدانس، و 1-2 وات برای لیزر قابل تنظیم. این بودجه محدود باعث سازش های متعدد طراحی می شود. ویژگی‌هایی مانند عملکرد با نرخ دوگانه یا الگوریتم‌های بهبودیافته FEC، بار پردازشی را اضافه می‌کنند که ممکن است در محدوده قدرت قرار نگیرد. مدیریت حرارتی بحرانی می شود - 15 وات از یک ماژول کوچک مستلزم طراحی دقیق هیت سینک و جریان هوای سیستم میزبان است.

اندازه بزرگتر OSFP و بودجه توان 20-25 وات، اجرای با قابلیت بیشتری را امکان پذیر می کند. مشخصات OpenZR+ که شبکه‌های مترو را هدف قرار می‌دهد در قالب OSFP کار می‌کند و از توان خروجی بالاتر از طریق تقویت نوری یکپارچه، الگوریتم‌های DSP پیچیده‌تر و دامنه‌های دمایی گسترده‌تر پشتیبانی می‌کند. 5-10 وات اضافی ویژگی‌هایی مانند شکل‌دهی احتمالی و FEC با بهره بالاتر را امکان‌پذیر می‌کند که در مقایسه با پیاده‌سازی‌های پایه 400ZR، دسترسی از 120 کیلومتر به 500+ کیلومتر را بهبود می‌بخشد.

اپتیک‌های بسته‌بندی‌شده (Co{0}) مرز ادغام بعدی را نشان می‌دهند. به‌جای ماژول‌های قابل اتصال، CPO قالب‌های فوتونیکی را مستقیماً در مجاورت سیلیکون سوئیچ قرار می‌دهد و سریال‌سازهای الکتریکی-و مصرف انرژی مرتبط با آنها را حذف می‌کند. در معماری‌های CPO، موتور نوری منسجم ممکن است 5 وات را برای ظرفیت 400G تلف کند، در مقایسه با 15 وات در فرم فاکتور قابل اتصال. این کاهش 3 برابری توان ناشی از مسیرهای الکتریکی کوتاهتر و حذف مراحل اضافی تهویه سیگنال است. با این حال، CPO قابلیت جایگزینی میدان را قربانی می کند و لجستیک تولید و خدمات را پیچیده می کند.

نهادهای استاندارد برای ایجاد تعادل بین قابلیت همکاری و نوآوری تلاش می کنند. توافقنامه پیاده‌سازی OIF 400ZR زیرمجموعه خاصی از قابلیت‌های منسجم را تعریف می‌کند-نرخ نماد 64 GBd، مدولاسیون DP-16QAM، الگوریتم مشخص شده FEC که قابلیت همکاری چند فروشنده را برای برنامه‌های اتصال مرکز داده تضمین می‌کند. OpenZR+ این را به فواصل مترو با پارامترهای انعطاف پذیرتر گسترش می دهد. پیاده‌سازی‌های اختصاصی مانند WaveLogic Ciena یا پلتفرم‌های ICE Infinera عملکرد را بیشتر می‌کنند، اما نیاز به تجهیزات مشابه در هر دو انتهای پیوند دارند.

 

 

بودجه‌های-عملکرد طولانی و توان نوری

 

دسترسی انتقال اساساً به بودجه توان نوری{0}}تفاوت بین قدرت راه اندازی و حساسیت گیرنده بستگی دارد. یک ماژول 400G-ZR معمولاً از طریق تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌رسانای یکپارچه، توان راه‌اندازی 0 دسی‌بل‌متر را به دست می‌آورد و حساسیت گیرنده -20 دسی‌بل‌متر را نشان می‌دهد و بودجه توان 20 دسی‌بل را تولید می‌کند. پس از محاسبه اتلاف کانکتور 3-4 دسی بل، تضعیف فیبر 0.2 دسی بل بر کیلومتر و حاشیه مورد نیاز، این امکان دسترسی تقریباً 80 کیلومتری را فراهم می کند.

فرستنده‌های بهینه‌شده مترو{0}}از طریق قدرت راه‌اندازی بالاتر و حساسیت گیرنده بهبود یافته دسترسی را افزایش می‌دهند. پیاده‌سازی‌های OpenZR+ به راه‌اندازی +4 dBm از طریق تقویت‌کننده‌های یکپارچه‌تر و حساسیت -24 dBm از طریق الگوریتم‌های DSP پیشرفته و آشکارسازهای نوری کم‌تر دست می‌یابند. بودجه بهبودیافته 28 دسی بل، 400 کیلومتر دهانه با تقویت نوری یا 1،000+ کیلومتر با تقویت کننده های فیبر دوپ شده با اربیوم در هر 80-100 کیلومتر را امکان پذیر می کند.

سیستم‌های زیردریایی مسافت طولانی- متفاوت عمل می‌کنند. اینها به جای فرستنده‌های قابل اتصال، از پیاده‌سازی‌های کارتی خطی با تقویت‌کننده‌های خارجی{{3} با قدرت بالا استفاده می‌کنند که قدرت راه‌اندازی +10 تا +15 dBm را تولید می‌کنند. تقویت کننده های نوری فاصله هر 50-80 کیلومتر قدرت سیگنال را در فواصل بین اقیانوسی حفظ می کند. معیار کلیدی بازده طیفی{12}}چند بیت در ثانیه در هر هرتز از پهنای باند نوری است. پیاده‌سازی‌های پیشرفته از طریق PCS به 8-10 بیت/ثانیه در هرتز، QAM با مرتبه بالا زمانی که OSNR اجازه می‌دهد، و FEC پیچیده که بهره کدگذاری 11-12 دسی‌بل را ارائه می‌کند، می‌رسند.

مالتی پلکسی DWDM چندین کانال با طول موج را روی فیبرهای منفرد جمع می کند. سیستم های مدرن از 96 کانال در فاصله 50 گیگاهرتز در سراسر باند C یا 192 کانال در فاصله 25 گیگاهرتز با فیلترهای دقیق تر پشتیبانی می کنند. یک سیستم باند C+L کاملاً بارگذاری شده ممکن است 200+ طول موج، هر کدام در 400G را حمل کند، که ظرفیت مجموع 80 ترابایت بر ثانیه را روی یک جفت فیبر ایجاد می‌کند. فرستنده‌های منسجم باید با کانال‌های مجاور با حداقل تداخل وجود داشته باشند که نیاز به فیلتر نوری دقیق و پایداری طول موج دقیق دارند.

مولتی پلکسرهای افزودنی نوری قابل تنظیم مجدد{0}}مسیریابی طول موج انعطاف پذیر را بدون تبدیل نوری-الکتریکی-نوری امکان پذیر می کند. فرستنده و گیرنده منسجم با ROADM ها از طریق کنترل دقیق طول موج و قدرت پرتاب کافی برای غلبه بر افت درج ROADM، معمولاً 10-15 دسی بل برای شبکه های مش پیچیده، کار می کنند. لیزرهای قابل تنظیم در ماژول‌های منسجم، به جای نیاز به تغییرات فیزیکی ماژول، از پیکربندی مجدد طول موج در چند دقیقه پشتیبانی می‌کنند که یک عامل کلیدی برای شبکه‌های تطبیقی ​​است.

 

چالش‌های پیاده‌سازی و طراحی-معارض است

 

ادغام مولفه ها چالش های مداومی را به همراه دارد. فوتونیک سیلیکون نیازمند کنترل دقیق ضخامت لایه‌های موجبر است-تغییرات 1-2 نانومتری، طول موج‌های تشدید را تغییر داده و عملکرد را کاهش می‌دهد. ادغام ناهمگن لیزرهای III-V بر روی بسترهای سیلیکونی، نیاز به تراز زیر-میکرون و کوپلینگ نوری کم تلفات دارد. بازده تولید همچنان به تغییرات فرآیند حساس است، اگرچه با تجربه ریخته گری بهبود می یابد.

مدیریت حرارتی عوامل فرم فشرده را پیچیده می کند. اتلاف توان متمرکز 15 وات در یک ماژول QSFP{2}}DD نقاط داغ بیش از 80 درجه را در اتصالات اجزا ایجاد می کند. این افزایش دما طول موج لیزر را جابجا می کند، طول مسیر نوری را در موجبرهای سیلیکونی تغییر می دهد و پیری اجزا را تسریع می کند. انتشار گرما از طریق هیت سینک های فلزی و طراحی دقیق حرارتی PCB این اثرات را کاهش می دهد، اما محدودیت های حرارتی اغلب حداکثر عملکرد را محدود می کند.

آزمایش و صلاحیت، زمان‌بندی توسعه را افزایش می‌دهد. فرستنده های منسجم باید نرخ خطای بیت زیر 10^-15 را در محدوده دما، شبکه های طول موج و انواع فیبر نشان دهند. آزمایش انطباق پروتکل چارچوب اترنت، محصورسازی OTN و رابط های مدیریتی را تأیید می کند. اعتبار سنجی قابلیت همکاری نیاز به آزمایش با چندین فروشنده تجهیزات دارد. این فرآیند معمولاً 18 تا 24 ماه از اولین سیلیکون تا انتشار زمان می برد.

ساختار هزینه با اپتیک-تشخیص مستقیم متفاوت است. DSP تخصصی، ادغام فوتونیک و اجزای لیزر قابل تنظیم هزینه های پایه بالاتری را ایجاد می کنند که با حذف جبران پراکندگی خارجی و پشتیبانی از دسترسی های طولانی تر جبران می شود. حجم تولید باعث افزایش هزینه‌های واحد می‌شود-در سالانه 100000 واحد، فوتونیک سیلیکون برابری هزینه را با مونتاژ گسسته به دست می‌آورد. در میلیون ها واحد، سیلیکون 50 تا 60 درصد کاهش هزینه را به همراه دارد.

تکه تکه شدن استانداردها استقرار را پیچیده می کند. در حالی که 400ZR به استقبال گسترده ای دست یافت، برنامه های افزودنی مانند OpenZR+ و فرمت های اختصاصی بازار را تکه تکه می کنند. تجهیزاتی که نیاز به اجرای فرستنده گیرنده منطبق دارند، باعث ایجاد قفل فروشنده-در شبکه‌های چند-فروشنده می‌شوند. کنسرسیوم‌های صنعتی به سمت استانداردسازی بیشتر کار می‌کنند، اما تمایز عملکرد مشوق توسعه‌های اختصاصی است.

مقیاس قدرت تا 800G و 1.6T همه محدودیت ها را به طور همزمان برطرف می کند. دوبرابر کردن سرعت داده در حین حفظ بودجه های انرژی به DSP های 5 نانومتری یا 3 نانومتری، فرمت های مدولاسیون بهبود یافته و یکپارچگی فوتونیک بهتر نیاز دارد. مقیاس‌بندی ساده معماری‌های 400G به صورت خطی از پوشش‌های توان و محدودیت‌های حرارتی فراتر می‌رود. تکنیک‌های جدیدی مانند پردازش سیگنال آنالوگ، یکسان سازی دامنه نوری، و معماری‌های چیپلت ناهمگن با هدف شکستن این محدودیت‌ها هستند.

 

پویایی بازار و بخش های کاربردی

 

برنامه های کاربردی اتصال مرکز داده، پذیرش اولیه منسجم قابل اتصال را به همراه داشت. ارائه دهندگان ابری که امکانات را به فاصله 40-120 کیلومتر از هم متصل می‌کنند، ماژول‌های 400ZR را در میلیون‌ها واحد در سال مستقر می‌کنند و تجهیزات حمل و نقل اختصاصی را با اتصالات مستقیم روتر-به روتر جایگزین می‌کنند. این معماری "IP over DWDM" شبکه ها را ساده کرد، مصرف برق را کاهش داد و از طریق انواع تجهیزات و مدل های عملیاتی کمتر، اقتصاد را بهبود بخشید.

اپراتورهای مخابراتی نیازهای متفاوتی را حفظ می کنند. شبکه‌های مترو و منطقه‌ای که 200-2000 کیلومتر را پوشش می‌دهند به عملکرد بالاتری نسبت به ماژول‌های بهینه‌سازی شده DCI نیاز دارند. ویژگی‌های درجه{5}Telco عبارتند از نظارت پیشرفته، تنظیم طول موج بدون ضربه و استانداردهای قابلیت اطمینان در کلاس حامل. OpenZR+ و پیاده‌سازی‌های منسجم اختصاصی این نیازها را با DSP‌های توانمندتر، عملکرد نوری بهتر و پشتیبانی عملیات گسترده‌تر برطرف می‌کنند.

سیستم های کابلی زیردریایی نشان دهنده اوج عملکرد هستند. پیوندهای بین اقیانوسی حداکثر ظرفیت در هر فیبر و بالاترین قابلیت اطمینان را با توجه به مکان‌های استقرار غیرقابل دسترس نیاز دارند. این سیستم‌ها از پیاده‌سازی‌های منسجم سفارشی بهینه‌سازی شده برای پیوند خاص استفاده می‌کنند-انتخاب مدولاسیون دقیق براساس ویژگی‌های فیبر اندازه‌گیری شده، حداکثر بهره کدگذاری FEC با تحمل بازه‌های بازسازی طولانی‌تر، و افزونگی گسترده. طول عمر کابل 25+ سال مستلزم صلاحیت جزء فراتر از استانداردهای تجاری معمولی است.

حمل و نقل 5G تقاضای نوظهور برای اپتیک منسجم ایجاد می کند. تراکم شبکه تلفن همراه و رشد پهنای باند نیازهای فیبر را برای اتصالات backhaul و midhaul سایت سلولی ایجاد می کند. فرستنده و گیرنده های منسجم که از محدوده دمای صنعتی پشتیبانی می کنند، امکان استقرار در فضای باز را در کابینت های راه دور یا خیابان فراهم می کنند. پیاده‌سازی‌های منسجم 100G در بسته‌های فشرده،{5}}قدرت کارآمد و سازگار با محیط‌زیست این بخش را هدف قرار می‌دهند و حداکثر کارایی را با هزینه و استحکام معامله می‌کنند.

شبکه‌های سازمانی در گذشته از اپتیک‌های مستقیم-با توجه به فواصل کوتاه‌تر و پهنای باند کمتر مورد نیاز استفاده می‌کردند. با این حال، ستون فقرات پردیس 400G و ارتباطات بین-ساختمانی به طور فزاینده ای اقتصاد منسجم را توجیه می کند. استقرار ساده از طریق عوامل شکل قابل اتصال و کاهش هزینه ها، بازار آدرس پذیر را فراتر از شبکه های حامل سنتی گسترش می دهد.

 

نقشه راه فناوری و مسیرهای آینده

 

فرستنده های منسجم 800G در سال 2024 وارد تولید شدند و از DSP های 5 نانومتری و طرح های مدولاسیون پیشرفته استفاده می کردند. با نرخ نماد 90-100 گیگابایت در روز با مدولاسیون 16-QAM یا 8-QAM، این دستگاه‌ها ظرفیت 400G را در فاکتورهای شکلی مشابه دو برابر می‌کنند. مصرف برق به 18-22 وات برای پیاده سازی OSFP، در لبه قابلیت های مدیریت حرارتی افزایش یافت. مورد اقتصادی برای اتصالات با ظرفیت بالا قانع کننده است که در آن دوبرابر شدن ظرفیت در زیرساخت های فیبر موجود، گسترش پرهزینه کارخانه فیبر را به تعویق می اندازد.

منسجم 1.6T نشان دهنده مرز توسعه فعلی است. نمایش‌ها این نرخ را از طریق عملیات 140 گیگابایت در روز با مدولاسیون 8-QAM به دست آوردند، اگرچه استقرار تجاری در انتظار در دسترس بودن DSP 3 نانومتری و بهبودهای بیشتر در یکپارچگی فوتونیک است. از طرف دیگر، پیاده‌سازی‌های 800G حامل دوگانه، دو کانال 800G را در یک ماژول مالتیپلکس می‌کنند. مسیر بهینه به بهره وری انرژی، اهداف هزینه و زمان{11}}نظارت به بازار بستگی دارد.

فراتر از DSPهای الکتریکی، پردازش سیگنال نوری باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود. انجام برخی تساوی، جبران پراکندگی یا بازیابی فاز در حوزه نوری با استفاده از مدارهای فوتونی می تواند بار محاسباتی DSP را کاهش دهد. با این حال، پردازش نوری فاقد انعطاف‌پذیری و سازگاری الگوریتم‌های دیجیتال است، که کاربرد آن را برای آسیب‌های خاص{2}}محدود می‌کند.

ارتباطات کوانتومی فناوری منسجمی را برای توزیع کلید کوانتومی بررسی می کند. کنترل دقیق فاز و پلاریزاسیون مورد نیاز برای حالت های کوانتومی از قابلیت های فرستنده گیرنده منسجم استفاده می کند. در حالی که امروزه شبکه‌های کوانتومی جایگاه ویژه‌ای دارند، ممکن است سخت‌افزار منسجمی را به‌عنوان پایه‌ای اتخاذ کنند و هم‌افزایی بین ارتباطات نوری کلاسیک و کوانتومی ایجاد کنند.

کاربردهای هوش مصنوعی نیاز به پهنای باند را بیشتر می کنند. آموزش مدل‌های زبان بزرگ، محاسبات را بین هزاران GPU توزیع می‌کند و ترافیک مرکز داده شرق-غرب را که در اگزابایت ماهانه اندازه‌گیری می‌شود، ایجاد می‌کند. این ترافیک به‌طور فزاینده‌ای از اپتیک منسجم برای محصول با ظرفیت برتر-ش در فاصله، حتی در ساختمان‌های منفرد استفاده می‌کند. با افزایش حجم کاری هوش مصنوعی، آنها ممکن است به محرک غالب حجم فرستنده گیرنده منسجم تبدیل شوند.

 

نتیجه گیری

 

الزامات فناوری پیشرفته فرستنده گیرنده های منسجم از محدودیت های فیزیک اساسی و اهداف عملکردی ناشی می شود. دستکاری فاز نوری و پلاریزاسیون نیازمند کنترل مقیاس نانومتری ساختارهای فوتونیکی است. پردازش گیگابیت در هر نماد با نرخ چند گیگاهرتز نیازمند پردازشگرهای سیگنال دیجیتال پیشرفته-است. ادغام این قابلیت‌ها در بسته‌های فشرده و کارآمد{5}}نیمه‌رسانا، فوتونیک و فن‌آوری‌های بسته‌بندی را به حداکثر می‌رساند.

پیشرفت از طریق پیشرفت های هماهنگ در چندین رشته ادامه می یابد. طراحان DSP گره های فرآیند را کوچک می کنند و الگوریتم ها را بهینه می کنند. مهندسان فوتونیک تعدیل‌کننده‌های بهتری را توسعه می‌دهند و تلفیق کمتری-می‌کنند. معماران سیستم فرمت های مدولاسیون، نرخ نمادها و سربار FEC را برای برنامه های هدف متعادل می کنند. نتیجه بهبود مستمر ظرفیت، دسترسی، و اثربخشی هزینه{5}}است که امکان گسترش قابلیت‌های شبکه را فراهم می‌کند.

درک اینکه چرا فرستنده‌های گیرنده منسجم به چنین فناوری پیشرفته‌ای نیاز دارند، تجارت مهندسی-شکل‌دهی شبکه‌های نوری را روشن می‌کند. هر انتخاب طراحی-7 نانومتر در مقابل 5 نانومتر DSP، مدولاتور سیلیکون در مقابل نیوبات لیتیوم، مدولاسیون 16-QAM در مقابل 8-QAM-شامل تجزیه و تحلیل دقیق عملکرد، توان و پیامدهای هزینه است. این فناوری به سرعت در حال تکامل است که ناشی از تقاضای سیری‌ناپذیر پهنای باند و با پیشرفت‌های صنعت نیمه‌رسانا است.