Quang học kết hợp xử lý truyền tải công suất cao

 

 

Quang học kết hợp cho phép truyền-công suất cao bằng cách điều chỉnh biên độ, pha và phân cực của sóng ánh sáng, cho phép mạng cáp quang truyền nhiều dữ liệu hơn đáng kể so với các phương pháp dựa trên cường độ-truyền thống. Công nghệ này sử dụng xử lý tín hiệu số ở cả đầu phát và đầu thu để mã hóa nhiều chiều của tín hiệu quang, đạt tốc độ truyền từ 100G đến 1,6T trên mỗi bước sóng trong khoảng cách vượt quá 1.000 km.

 

 

Hiệu ứng nhân công suất

 

Ưu điểm cơ bản của quang học kết hợp nằm ở cách chúng khai thác các tính chất vật lý của ánh sáng. Hệ thống khóa bật-truyền thống chuyển đổi cường độ ánh sáng để biểu thị dữ liệu nhị phân, giới hạn công suất ở mức khoảng 10 Gb/s trên mỗi bước sóng. Các hệ thống kết hợp điều chỉnh đồng thời ba thuộc tính độc lập: biến thiên biên độ, dịch pha và trạng thái phân cực trên hai mặt phẳng trực giao.

Mã hóa đa chiều này tạo ra thứ mà các kỹ sư gọi là mức tăng hiệu suất phổ. Một hệ thống nhất quán sử dụng khóa dịch pha cầu phương phân cực kép{2}}truyền bốn bit thông tin trên mỗi ký hiệu, so với một bit trong các hệ thống truyền thống. Khi kết hợp với các sơ đồ điều chế nâng cao như 64-QAM (điều chế biên độ cầu phương), các bộ thu phát kết hợp sẽ đẩy hiệu suất phổ về các giới hạn Shannon lý thuyết.

Công suất tăng lên đáng kể-quang học kết hợp mang lại công suất truyền tải cao hơn tới 80 lần so với các phương pháp khóa bật-thông thường. Hiệu ứng nhân rộng này xảy ra mà không cần cài đặt thêm sợi quang, khiến công nghệ mạch lạc trở nên hấp dẫn về mặt kinh tế đối với các nhà khai thác mạng đang gặp phải những hạn chế về băng thông.

Bộ xử lý tín hiệu số trong các hệ thống nhất quán xử lý tốc độ ký hiệu vượt quá 100 Gbaud trong các triển khai hiện tại. Mỗi biểu tượng mang nhiều bit thông qua việc điều khiển chính xác các góc pha và mức biên độ. Ví dụ: hệ thống 64-QAM thể hiện 64 trạng thái tín hiệu riêng biệt bằng cách kết hợp sáu bit trên mỗi ký hiệu, mặc dù điều này đòi hỏi phải duy trì chất lượng tín hiệu chính xác trên các khoảng cách truyền.

 

Cách xử lý tín hiệu kỹ thuật số cho phép truyền-khoảng cách xa

 

Khả năng khoảng cách tách quang học mạch lạc khỏi các lựa chọn thay thế. Các chip DSP được nhúng trong các bộ thu phát kết hợp thực hiện việc bù toán học-theo thời gian thực đối với những suy giảm của sợi quang mà nếu không sẽ làm suy giảm tín hiệu.

Sự tán sắc màu làm cho các bước sóng ánh sáng khác nhau truyền đi với tốc độ hơi khác nhau qua sợi quang, làm trải rộng các xung quang học. Trong các hệ thống 10G, điều này yêu cầu các mô-đun bù phân tán vật lý cứ sau 60-80 km. DSP kết hợp áp dụng các phép biến đổi toán học nghịch đảo để tái tạo lại tín hiệu gốc bằng kỹ thuật số, loại bỏ phần cứng cồng kềnh.

Sự phân tán chế độ phân cực đưa ra một thách thức khác. Sợi quang có những khiếm khuyết vi mô khiến ánh sáng bị chia thành hai thành phần phân cực truyền với tốc độ khác nhau. Bộ xử lý mạch lạc nhanh chóng theo dõi trạng thái phân cực để tránh lỗi bit, đồng thời cải thiện khả năng chịu đựng sự mất mát phụ thuộc vào phân cực. DSP cập nhật các hiệu chỉnh này hàng nghìn lần mỗi giây, thích ứng với các điều kiện sợi quang thay đổi.

Các thuật toán sửa lỗi chuyển tiếp được tích hợp vào DSP bổ sung thêm các mẫu dữ liệu dự phòng cho phép bộ thu phát hiện và sửa lỗi truyền mà không cần truyền lại. FEC quyết định-độ lợi mềm-cao cho phép tín hiệu truyền qua khoảng cách xa hơn trong khi yêu cầu ít điểm tái tạo hơn, cung cấp nhiều biên độ hơn cho tín hiệu tốc độ bit-cao hơn để truyền qua khoảng cách xa hơn.

Sự kết hợp các kỹ thuật bù kỹ thuật số này giải thích lý do tại sao các hệ thống nhất quán thường xuyên đạt được đường truyền không có lỗi-trên phạm vi 2.000 km, với một số cấu hình vượt quá 10.000 km. Về cơ bản, DSP chuyển các thách thức kỹ thuật quang học từ lớp vật lý sang các thuật toán phần mềm.

 

Quỹ đạo thị trường và quy mô triển khai

 

Thị trường thiết bị quang học mạch lạc thể hiện động lực thương mại của công nghệ. Thị trường thiết bị quang học kết hợp toàn cầu được định giá 16,91 tỷ USD vào năm 2024 và dự kiến ​​sẽ đạt 33,24 tỷ USD vào năm 2033, phản ánh tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 7,8%. Sự tăng trưởng này bắt nguồn từ việc nhiều lĩnh vực triển khai đồng thời công nghệ mạch lạc.

Các kết nối trung tâm dữ liệu tiêu thụ khối lượng mô-đun kết hợp lớn nhất. Các ứng dụng của trung tâm dữ liệu chiếm 58% nhu cầu thu phát quang kết hợp kỹ thuật số, được thúc đẩy bởi các nhà khai thác siêu quy mô kết nối các cơ sở trên khắp các khoảng cách đô thị và khu vực. Các nhà cung cấp đám mây cần đồng bộ hóa dữ liệu giữa các trung tâm phân bố theo địa lý, tạo ra nhu cầu liên tục về các đường liên kết có dung lượng-cao.

Phổ công nghệ trải dài qua nhiều thế hệ. 100Bộ thu phát kết hợp G đóng góp 32% thị phần và vẫn đóng vai trò quan trọng đối với việc nâng cấp mạng hiện có, với 40% nhà cung cấp dịch vụ ở Bắc Mỹ và Châu Âu dựa vào công nghệ 100G. Trong khi đó, hệ thống 400G đại diện cho điểm triển khai hiện tại, cân bằng công nghệ hoàn thiện với công suất cao.

Các thế hệ mới hơn đang bước vào sản xuất. 800Các mô-đun kết hợp G ra mắt vào năm 2024 và đang phát triển mạnh mẽ vào năm 2025, trong khi công nghệ kết hợp 1,6T bắt đầu sản xuất số lượng lớn trong một số ứng dụng chọn lọc vào năm 2025. Lộ trình của ngành mở rộng tới các hệ thống 3,2T, mặc dù những hệ thống này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.

Các mô-đun mạch lạc có thể cắm được đặc biệt thúc đẩy khả năng tăng tốc áp dụng. Các bộ thu phát-có thể hoán đổi nóng này tích hợp DSP, laser, bộ điều biến và bộ thu vào các hệ số dạng như QSFP-DD, cho phép chèn trực tiếp vào bộ định tuyến và bộ chuyển mạch. Hơn 70% băng thông nhất quán được triển khai vào năm 2024 là ở các mô-đun có thể cắm được, đánh dấu sự chuyển đổi từ thẻ dòng độc quyền sang các thành phần được tiêu chuẩn hóa.

 

Các biến thể kiến ​​trúc cho các trường hợp sử dụng khác nhau

 

Các nhà khai thác mạng lựa chọn công nghệ mạch lạc dựa trên yêu cầu về khoảng cách và dung lượng, tạo ra các mô hình triển khai riêng biệt.

Mạng lưới đô thị và khu vực (80-500 km)

Tiêu chuẩn 400ZR thống trị khoảng cách tàu điện ngầm ngắn hơn. Các mô-đun này cung cấp công suất 400G lên tới 120 km bằng cách sử dụng các định dạng điều chế cố định được tối ưu hóa cho các kết nối trung tâm dữ liệu. Tiện ích mở rộng ZR+ hỗ trợ khoảng cách đạt tới 500 km thông qua việc định hình chòm sao xác suất, giúp điều chỉnh linh hoạt việc điều chế dựa trên các điều kiện liên kết.

Mô-đun 800G ZR/ZR+ ra mắt vào năm 2025 mở rộng mô hình này, hỗ trợ truyền dẫn hơn 500 km ở chế độ ZR và hơn 1.000 km ở chế độ ZR+ hiệu suất cao. Các nhà khai thác mạng sử dụng chúng để kết nối các trung tâm dữ liệu trong khu vực đô thị và giữa các thành phố lân cận.

Mạng lưới đường dài-(500-2.000 km)

Truyền-khoảng cách dài yêu cầu điều chế phức tạp hơn và công suất phát cao hơn. Các hệ thống này sử dụng điều chế QPSK hoặc 16-QAM với mã sửa lỗi chuyển tiếp mạnh hơn. Hiệu suất phổ giảm so với các hệ thống tàu điện ngầm đánh đổi công suất để đạt được phạm vi tiếp cận, nhưng các nhà khai thác bù đắp bằng cách triển khai ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc.

Một hệ thống đường dài-điển hình ghép 80-96 bước sóng vào các cặp sợi đơn. Ở mức 400G mỗi bước sóng, tổng công suất sợi đạt 32-38 terabit/giây. Bộ ghép kênh thả quang bổ sung-có thể cấu hình lại cho phép định tuyến bước sóng động tại các nút trung gian mà không cần chuyển đổi quang sang điện.

Đường đi ngầm và đường dài-dài{1}} (2.000-10.000 km)

Cáp ngầm kết nối các lục địa triển khai công nghệ kết hợp tiên tiến nhất. 99% lưu lượng dữ liệu toàn cầu truyền qua các liên kết dưới biển, trong đó-công suất cao, tầm xa và độ tin cậy đạt được thông qua công nghệ quang học kết hợp là điều cần thiết.

Các hệ thống dưới biển sử dụng phương pháp định hình xác suất để điều chỉnh các điểm chòm sao dựa trên tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu, trích xuất công suất tối đa từ mỗi bước sóng trong khi vẫn duy trì đường truyền không có lỗi. Các hệ thống này sử dụng khuếch đại bên ngoài ở khoảng cách 50-80 km nhưng phụ thuộc nhiều vào khả năng DSP để bù đắp cho sự phi tuyến của sợi quang tích lũy.

 

Những thách thức kỹ thuật ở tốc độ cao hơn

 

Việc mở rộng hệ thống kết hợp lên 800G, 1.6T và cao hơn sẽ đưa ra các hạn chế kỹ thuật không đáng kể ở 100G.

Sự suy giảm tỷ lệ tín hiệu-thành{1}}nhiễu

Lược đồ điều chế bậc cao-sẽ đóng gói nhiều bit hơn cho mỗi ký hiệu nhưng giảm khoảng cách giữa các điểm trong chòm sao. Hệ thống 64-QAM với 64 trạng thái tín hiệu có khoảng cách Euclide giữa các điểm nhỏ hơn nhiều so với bốn trạng thái của QPSK. Bất kỳ nhiễu hoặc biến dạng nào đều làm cho các ký hiệu khó phân biệt hơn, làm tăng tỷ lệ lỗi bit.

Giải pháp này bao gồm các thuật toán sửa lỗi chuyển tiếp mạnh mẽ hơn, nhưng FEC bổ sung thêm chi phí tính toán. FEC mạnh được tích hợp trong DSP có thể bổ sung thêm ngân sách điện và nhiệt, tạo ra những thách thức về quản lý nhiệt trong các thiết bị có mật độ-đóng gói dày đặc. Các nhà cung cấp cân bằng sức mạnh FEC với mức tiêu thụ điện năng và độ trễ.

Giới hạn băng thông thành phần tương tự

Khi tốc độ ký hiệu tăng từ 32 Gbaud lên 100 Gbaud và hơn thế nữa, các thành phần analog phải xử lý dải tần rộng hơn. Biến dạng tín hiệu gây ra bởi các thành phần tương tự trong máy phát và máy thu trở thành vấn đề lớn khi tốc độ ký hiệu tăng và mức điều chế trở nên cao hơn.

Bộ điều biến yêu cầu băng thông điện rộng hơn để mã hóa chính xác các tín hiệu tốc độ cao. Bộ tách sóng quang và bộ khuếch đại xuyên trở kháng phải chuyển đổi tín hiệu quang sang miền điện mà không tạo ra sự suy giảm phụ thuộc vào tần số. Bộ chuyển đổi tương tự-sang-kỹ thuật số cần tốc độ lấy mẫu và độ phân giải cao hơn, làm tăng mức tiêu thụ điện năng và chi phí.

Hiệu ứng sợi phi tuyến

Sợi quang thể hiện hành vi phi tuyến ở mức năng lượng cao. Hiệu ứng Kerr làm cho chiết suất thay đổi theo cường độ quang học, tạo ra sự tự điều chế pha và điều chế chéo pha giữa các bước sóng trong hệ thống DWDM. Sự trộn lẫn bốn{4}}sóng tạo ra tín hiệu giả ở tần số mới, đánh cắp năng lượng từ dữ liệu-mang bước sóng.

DSP áp dụng các thuật toán bù phi tuyến, nhưng chúng đòi hỏi nguồn lực tính toán đáng kể. Toán học liên quan đến việc giải các phương trình Schrödinger phi tuyến mô tả sự truyền ánh sáng qua sợi quang. Độ phức tạp của quá trình xử lý có tỷ lệ kém theo khoảng cách và số lượng bước sóng, buộc phải cân bằng-giữa độ chính xác bù và ngân sách nguồn DSP.

 

 

Sự phát triển về khả năng tương tác

 

Các hệ thống mạch lạc ban đầu gặp phải tình trạng khóa nhà cung cấp-. Mỗi nhà sản xuất đã triển khai các sơ đồ điều chế và thuật toán FEC độc quyền trong DSP của họ, yêu cầu các bộ thu phát phù hợp ở cả hai đầu của liên kết. Điều này tạo ra những hạn chế trong việc mua sắm và hạn chế tính linh hoạt trong thiết kế mạng.

Các mô-đun quang kết hợp trước đây thiếu khả năng tương tác, đòi hỏi phải có hệ thống quang học của cùng một công ty ở cả hai đầu của liên kết do sự khác biệt trong cách điều chế và mã hóa. Diễn đàn Kết nối Internet Quang học đã giải quyết vấn đề này thông qua các thỏa thuận triển khai nhằm chuẩn hóa các định dạng điều chế, mã FEC và giao diện quản lý.

Thông số kỹ thuật 400ZR, được hoàn thành vào năm 2020, đã xác định sơ đồ điều chế QPSK cố định với các tham số FEC cụ thể. Điều này lần đầu tiên cho phép khả năng tương tác của nhiều nhà cung cấp trong lĩnh vực quang học kết hợp. Các nhà khai thác mạng có thể mua mô-đun từ các nhà cung cấp khác nhau và thiết lập các liên kết hoạt động mà không cần kiểm tra tính tương thích.

OpenZR+ mở rộng khả năng tương tác đến phạm vi dài hơn bằng cách tiêu chuẩn hóa định dạng xác suất và nhiều định dạng điều chế. Bộ thu phát đàm phán các chế độ hoạt động trong quá trình khởi tạo liên kết, chọn tham số tối ưu cho điều kiện sợi quang hiện tại. Tính linh hoạt này giúp các nhà khai thác tối đa hóa công suất trên các nhà máy sợi hiện có.

OIF đã triển khai nỗ lực phát triển các giải pháp kết nối quang kết hợp 1.6T vào năm 2024 và đang đạt được tiến bộ hướng tới các thỏa thuận triển khai 1600ZR và 1600ZR+ có thể tương tác. Mỗi thế hệ đều yêu cầu công việc tiêu chuẩn hóa mới để cân bằng việc tối ưu hóa hiệu suất với các hạn chế về khả năng tương tác.

 

Cân nhắc về hiệu quả năng lượng

 

Các hệ thống mạch lạc tiêu thụ nhiều năng lượng hơn trên mỗi bit được truyền so với các giải pháp thay thế-phát hiện trực tiếp, đặt ra câu hỏi về tính bền vững khi lưu lượng dữ liệu tăng theo cấp số nhân.

Mô-đun có thể cắm kết hợp 400G thường tiêu thụ 15-20 watt, trong đó DSP chiếm 8-12 watt. Để so sánh, mô-đun phát hiện trực tiếp 400G tiêu thụ tổng cộng 10-12 watt. Khoảng cách ngày càng mở rộng ở quy mô giá đỡ - một bộ định tuyến có 36 cổng kết hợp tiêu thụ 550-700 watt chỉ dành cho quang học.

Tuy nhiên, hiệu quả ở cấp độ hệ thống lại nói lên một câu chuyện khác. Nhà cung cấp cơ sở hạ tầng Colt Technology Services báo cáo mức tiết kiệm năng lượng là 97% khi sử dụng quang học kết hợp dựa trên bộ định tuyến-, trong khi một nhà khai thác khác đã giảm được 64% chi phí vốn. Những khoản tiết kiệm này đến từ việc loại bỏ thiết bị truyền tải quang riêng biệt, giảm không gian giá đỡ, yêu cầu làm mát và chi phí quản lý.

Việc tính toán hiệu quả phụ thuộc vào sự lựa chọn kiến ​​trúc. Mạng truyền thống sử dụng bộ định tuyến để chuyển mạch và tách các hệ thống DWDM để-truyền tải khoảng cách xa, yêu cầu chuyển đổi quang-sang{3}}điện-sang-quang ở mỗi ranh giới. Các thiết bị cắm mạch lạc cho phép IP-trên-DWDM, trong đó bộ định tuyến trực tiếp tạo ra các bước sóng DWDM, loại bỏ các lớp phát đáp.

Mức tiêu thụ điện năng của DSP cải thiện theo từng thế hệ thông qua các nút xử lý CMOS nhỏ hơn. 7các quy trình chế tạo DSP nm giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng so với các thế hệ trước, với các quy trình 5nm và 3nm mang lại nhiều lợi ích hơn. Các kỹ thuật đóng gói tiên tiến như tích hợp quang tử silicon cũng làm giảm điện năng bằng cách rút ngắn các kết nối điện.

 

Động lực chi phí và ngưỡng kinh tế

 

Quang học mạch lạc trước đây đã đưa ra mức giá cao, hạn chế việc triển khai ở các mạng-đường dài nơi các giải pháp thay thế không thể cạnh tranh về phạm vi tiếp cận. Động lực thị trường đang dịch chuyển những ranh giới kinh tế này.

Tích hợp thành phần giúp giảm chi phí. Việc đóng gói quang tử silicon và sự phát triển của DSP 7nm cho phép chế tạo các mô-đun bao gồm DSP, laser, bộ khuếch đại, bộ dò ảnh-và mạch tích hợp RF trên nền nguyên khối. Sự tích hợp này làm giảm độ phức tạp trong sản xuất và cải thiện năng suất.

Các yếu tố hình thức có thể cắm được sẽ tăng tốc việc áp dụng bằng cách phân bổ chi phí phát triển trên khối lượng lớn hơn. Một thiết kế QSFP{1}}DD duy nhất phục vụ nhiều nhà cung cấp và ứng dụng, không giống như các dòng thẻ độc quyền có số lần sản xuất hạn chế. Hơn 20 triệu mô-đun quang datacom 400G và 800G được xuất xưởng vào năm 2024, tạo ra tính kinh tế nhờ quy mô mà các thế hệ trước không thể có được.

Điểm giao nhau về chi phí di chuyển gần hơn tới các biên của mạng. Năm năm trước, công nghệ mạch lạc chỉ có ý nghĩa khi vượt quá 500 km. Ngày nay, các mô-đun 400ZR cạnh tranh về mặt kinh tế ở quãng đường 80-120 km, đặc biệt khi tính đến việc tiết kiệm chi phí vận hành nhờ cấu trúc đơn giản hóa. Một số nhà khai thác triển khai các hệ thống mạch lạc cho các tuyến tàu điện ngầm dài 40 km trong đó tổng chi phí sở hữu phù hợp với chi phí vốn ban đầu.

Xói mòn giá tiếp tục khi cạnh tranh tăng cường. Các ứng dụng kết nối trung tâm dữ liệu đã tiêu thụ số lượng kỷ lục các mô-đun kết hợp có thể cắm vào năm 2024, với Marvell, Acacia và Ciena là nhà cung cấp chính. Nhiều nhà cung cấp cung cấp các sản phẩm cạnh tranh sẽ thúc đẩy việc định giá theo mức độ hàng hóa, mặc dù vị trí dẫn đầu về công nghệ ở các thế hệ mới nhất vẫn đòi hỏi sự cao cấp.

 

Tích hợp với ghép kênh phân chia bước sóng

 

Quang học kết hợp đạt được tác động tối đa khi kết hợp với DWDM, nhân công suất trên mỗi sợi quang thành phạm vi terabit.

DWDM chứa tới 96 kênh với mỗi màu mang tín hiệu riêng biệt. Khi mỗi bước sóng mang 400G thông qua điều chế kết hợp, tổng công suất đạt 38,4 terabit trên mỗi cặp sợi. Hiệu ứng nhân lên này giải thích tại sao một sợi quang có thể thay thế hàng trăm kết nối song song.

Các hệ thống mạch lạc đơn giản hóa việc triển khai DWDM so với các phương pháp phát hiện-trực tiếp. Truyền thông sợi quang kết hợp giúp loại bỏ sự cần thiết của các mô-đun bù tán sắc trong hệ thống DWDM, vì chức năng này được DSP hoàn thành. Các thế hệ DWDM trước đây yêu cầu bản đồ phân tán được thiết kế cẩn thận, đặt DCM ở các khoảng thời gian cụ thể để bù đắp cho sự tích tụ phân tán màu.

Kiến trúc lưới linh hoạt sẽ mở ra khả năng bổ sung. DWDM truyền thống sử dụng khoảng cách kênh cố định 50 GHz hoặc 100 GHz. Định hình quang phổ cho phép các sóng mang được ép lại gần nhau hơn để tối đa hóa công suất trong các hệ thống lưới linh hoạt. Kênh kết hợp 400G có thể chiếm phổ tần 75 GHz với bộ lọc thích hợp, trong khi kênh 100G chỉ cần 37,5 GHz, cho phép các nhà khai thác đóng gói nhiều bước sóng hơn vào sợi quang hiện có.

Định hình xung Nyquist thu hẹp độ rộng phổ của tín hiệu được truyền bằng cách áp dụng tính năng lọc chính xác trong DSP. Điều này làm giảm dải bảo vệ giữa các kênh DWDM liền kề, tăng tổng công suất hệ thống lên 10-20% so với tín hiệu chưa được lọc. Kỹ thuật này đòi hỏi sự phối hợp cẩn thận giữa DSP của máy phát và máy thu để tránh suy giảm tín hiệu.

 

Tối ưu hóa hiệu suất thông qua định hình xác suất

 

Các hệ thống kết hợp tiên tiến sử dụng việc định hình chòm sao theo xác suất để khai thác thêm dung lượng từ các liên kết sợi quang. Kỹ thuật này điều chỉnh tần suất xuất hiện các biên độ ký hiệu khác nhau trong tín hiệu được truyền.

Các hệ thống QAM truyền thống phân phối các điểm chòm sao một cách đồng đều trên không gian biên độ và pha. Việc định hình xác suất có chủ ý truyền các ký hiệu có biên độ-thấp thường xuyên hơn các ký hiệu có biên độ-cao, khớp phân bố tín hiệu được truyền với các đặc điểm giúp tối đa hóa dung lượng kênh theo lý thuyết Shannon.

Ưu điểm đến từ sự thay đổi tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu trên các nhịp sợi quang. Biểu tượng có biên độ cao-yêu cầu nhiều công suất truyền hơn và dễ bị nhiễu hơn. Bằng cách giảm tần suất xuất hiện của chúng, hệ thống sẽ duy trì công suất trung bình thấp hơn trong khi vẫn đạt được tốc độ thông tin cao hơn trong các điều kiện SNR hạn chế.

Mô-đun 800G ZR+ đạt được phạm vi truyền vượt quá 1.000-km ở chế độ hiệu suất cao với định hình xác suất và hơn 2.000 km ở tốc độ dữ liệu thấp hơn. Người vận hành định cấu hình các mô-đun để trao đổi công suất theo khoảng cách dựa trên chất lượng sợi quang và khoảng cách bộ khuếch đại trong các tuyến cụ thể.

Kỹ thuật này đòi hỏi các thuật toán DSP phức tạp và tăng thêm độ phức tạp tính toán. Bộ phát phải mã hóa dữ liệu thành các phân bố ký hiệu không{1}}đồng nhất, trong khi bộ thu giải mã các mẫu này một cách chính xác. Việc triển khai hiện tại tập trung vào các phân phối có hình dạng Gaussian-mang lại hiệu suất gần như-tối ưu với độ phức tạp có thể quản lý được.

 

Ứng dụng trong hệ thống cáp ngầm

 

Mạng cáp quang dưới biển đại diện cho ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất về công nghệ mạch lạc, trong đó độ tin cậy và năng lực tác động trực tiếp đến cơ sở hạ tầng truyền thông toàn cầu.

Cáp ngầm trải dài hàng nghìn km mà không có điểm truy cập trung gian để bảo trì hoặc nâng cấp. Quang học kết hợp giúp giảm chi phí ban đầu và mức tiêu thụ điện năng của mạng lưới tàu ngầm đồng thời cải thiện tính bảo mật và tính toàn vẹn tín hiệu của chúng. Khả năng duy trì việc truyền-không có lỗi trong khoảng cách cực xa của công nghệ này khiến việc cài đặt này trở nên cần thiết.

Các hệ thống dưới biển hiện đại triển khai 16-24 cặp sợi trên mỗi cáp, mỗi sợi mang 80-120 bước sóng ở tốc độ 200-400G mỗi bước sóng. Tổng dung lượng cáp đạt tới nhiều petabit/giây. Dung lượng trên mỗi sợi được kích hoạt bởi công nghệ kết hợp giúp giảm số lượng cặp sợi cần thiết, giảm chi phí cáp và kích thước vật lý.

Hệ thống tàu ngầm sử dụng thuật toán DSP chuyên dụng để xử lý các thách thức đặc biệt. Sự thay đổi nhiệt độ theo độ sâu đại dương ảnh hưởng đến đặc tính của sợi. Dòng hải lưu gây ra hiện tượng uốn cong vi mô làm thay đổi trạng thái phân cực. DSP liên tục thích ứng với các yếu tố môi trường này trong suốt vòng đời thiết kế 25 năm của cáp ngầm.

Các kịch bản sửa chữa được hưởng lợi từ tính linh hoạt mạch lạc. Khi cáp bị hư hỏng cần phải nối, người vận hành có thể điều chỉnh các định dạng điều chế và cường độ FEC trên các bước sóng bị ảnh hưởng để duy trì dịch vụ trong khi vẫn có thể điều chỉnh mức suy hao tăng lên từ các điểm nối. Khả năng thích ứng này làm giảm độ phức tạp của việc sửa chữa so với các hệ thống cố định.

 

Truyền dẫn hai chiều sợi quang đơn-

 

Những cải tiến gần đây cho phép truyền dẫn mạch lạc qua các sợi đơn thay vì các cặp sợi, tăng gấp đôi công suất cơ sở hạ tầng hiệu quả.

Truyền dẫn quang học truyền thống qua sợi đơn sử dụng hai bước sóng để truyền thông tin theo các hướng ngược nhau bằng cách sử dụng bộ phối hợp hoặc bộ tuần hoàn. Cách tiếp cận này phù hợp với các hệ thống có tốc độ-thấp nhưng trở nên phức tạp ở tốc độ nhất quán do yêu cầu quản lý bước sóng.

Kiến trúc quang học XR sử dụng quá trình xử lý tín hiệu kỹ thuật số để chia nhỏ việc truyền và nhận một tia laser thành các kênh con tần số-nhỏ hơn được gọi là sóng mang phụ kỹ thuật số, cho phép lưu lượng truy cập hai chiều lên tới 200 Gb/s trên một sợi quang. Khi được triển khai trên 64 bước sóng, công suất đạt 12,8 Tb/s trên một sợi đơn.

Kỹ thuật này đòi hỏi phải quản lý quang phổ cẩn thận. Các sóng mang phụ kỹ thuật số chiếm các khe tần số khác nhau trong băng thông của một bước sóng, với các hướng truyền và nhận sử dụng các vùng phổ không-chồng lấp. DSP thực hiện lọc để tách các thành phần này, duy trì sự cách ly thích hợp giữa các hướng.

Aire Networks đã triển khai-truyền dẫn kết hợp sợi đơn bằng cách sử dụng quang học kết hợp thông minh có thể cắm được để tối đa hóa lợi tức đầu tư vào cơ sở hạ tầng hiện có và tránh chi phí vốn đáng kể cũng như thời gian cần thiết để lắp đặt sợi mới. Mô hình triển khai này giúp người vận hành đối mặt với tình trạng khan hiếm sợi trong ống dẫn hoặc không gian ống dẫn.

 

Con đường mở rộng năng lực trong tương lai

 

Lộ trình quang học mạch lạc mở rộng ra ngoài các hệ thống 800G và 1.6T hiện tại, mặc dù những hạn chế về mặt vật lý trở nên khó khăn hơn ở mỗi thế hệ.

Microsoft và các nhà cung cấp đám mây siêu quy mô khác đã tích cực nâng cao nghiên cứu về kết nối quang và mở rộng quy mô bộ thu phát của trung tâm dữ liệu vào năm 2025, với các kế hoạch ngành nhằm-triển khai quy mô lớn 1,6T và các bộ thu phát quang kết hợp tiên tiến khác. Những phát triển này cho thấy công suất tiếp tục tăng do khối lượng công việc AI và các hoạt động siêu quy mô.

Việc tăng tốc độ ký hiệu cung cấp một đường dẫn tỷ lệ. Các hệ thống 100 Gbaud hiện tại có thể phát triển tới 140 Gbaud hoặc cao hơn, mặc dù điều này đòi hỏi phải tăng băng thông theo tỷ lệ trong tất cả các thành phần tương tự. Vật lý vật liệu giới hạn tốc độ chuyển đổi của thiết bị điện tử và mức độ mà bộ tách sóng quang băng thông có thể xử lý.

Điều chế bậc cao hơn{0}}mang đến một con đường khác. Việc chuyển từ 64{6}}QAM sang 256-QAM hoặc thậm chí 1024-QAM sẽ tăng số bit trên mỗi ký hiệu nhưng các điểm chòm sao trở nên cực kỳ gần nhau. Cách tiếp cận này chỉ hoạt động trên các liên kết khoảng cách ngắn, chất lượng rất cao hoặc yêu cầu mã FEC mạnh hơn đáng kể.

Ghép kênh không gian thông qua các sợi đa{0}}lõi hoặc đa chế độ{1}}thể hiện khả năng-lâu dài hơn. Những sợi này chứa nhiều kênh không gian độc lập trong một sợi đơn. Công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, đòi hỏi các loại bộ khuếch đại, bộ ghép kênh và thuật toán DSP mới để xử lý nhiễu xuyên âm kênh không gian.

Quang học đồng đóng gói có thể hỗ trợ các hệ thống thế hệ tiếp theo-bằng cách đặt các DSP kết hợp ngay cạnh silicon chuyển mạch, giảm độ dài đường dẫn điện và mức tiêu thụ điện năng.. 1.6Các mô-đun kết hợp T tận dụng quang học đồng đóng gói và quang tử silicon để đẩy khả năng tích hợp và hiệu suất lên các cấp độ mới. Cách tiếp cận này phải đối mặt với những thách thức sản xuất xung quanh năng suất và quản lý nhiệt.

 

Câu hỏi thường gặp

 

Quang học kết hợp hỗ trợ công suất gì so với hệ thống cáp quang truyền thống?

Hệ thống quang học kết hợp đạt được công suất cao hơn 80 lần so với các phương pháp khóa-bật thông thường bằng cách điều chỉnh đồng thời biên độ, pha và phân cực. Các hệ thống hiện tại có công suất từ ​​100G đến 800G trên mỗi bước sóng trong quá trình sản xuất, với 1,6T sẽ được triển khai vào năm 2025. Khi kết hợp với tính năng ghép kênh DWDM lên tới 96 bước sóng, dung lượng sợi đơn-sẽ vượt quá 38 terabit/giây.

Quang học kết hợp có thể truyền đi bao xa mà không cần tái tạo tín hiệu?

Khoảng cách truyền phụ thuộc vào định dạng điều chế và chất lượng sợi. Hệ thống Metro 400ZR đạt tới 120 km, trong khi ZR+ kéo dài tới 500 km. Cấu hình đường dài-với khả năng điều chế QPSK và sửa lỗi mạnh mẽ về phía trước đạt được quãng đường 2.000 km. Hệ thống cáp ngầm dưới biển sử dụng thuật toán định hình xác suất và DSP chuyên dụng vượt quá 10.000 km giữa các điểm tái sinh.

Điều gì khiến DSP mạch lạc trở nên cần thiết cho việc truyền-công suất cao?

Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số xử lý ba chức năng quan trọng cho phép liên kết-khoảng cách xa, dung lượng{1} cao. Chúng bù đắp cho sự phân tán màu sắc và phân tán chế độ phân cực về mặt toán học, loại bỏ các mô-đun bù vật lý. Họ thực hiện các thuật toán sửa lỗi chuyển tiếp để phát hiện và sửa lỗi truyền. Chúng thực hiện phát hiện mạch lạc bằng cách xử lý cả-thành phần tín hiệu theo pha và cầu phương, khôi phục thông tin về pha mang dữ liệu bổ sung.

Tại sao công nghệ mạch lạc lại đắt hơn các giải pháp thay thế-phát hiện trực tiếp?

Bộ thu phát mạch lạc yêu cầu các chip DSP phức tạp được chế tạo trên các nút xử lý tiên tiến, các tia laser có thể điều chỉnh được với khả năng điều khiển tần số chính xác và các cấu trúc bộ điều biến phức tạp để mã hóa thông tin pha. Riêng DSP đã chiếm 40-50% chi phí mô-đun. Tuy nhiên, kinh tế học ở cấp độ hệ thống ủng hộ công nghệ mạch lạc cho khoảng cách vượt quá 80-120 km khi tính đến việc loại bỏ thiết bị và tiết kiệm vận hành nhờ các kiến ​​trúc đơn giản hóa.

---

Nguồn

Giải pháp VIAVI - Quang học kết hợp là gì (https://www.viavisolutions.com)

NTT R&D - Sự phát triển tương lai của công nghệ truyền dẫn quang kết hợp kỹ thuật số

Ciena - Quang học kết hợp là gì (https://www.ciena.com)

Nghiên cứu Straits - Quy mô thị trường thiết bị quang học mạch lạc 2024-2033

Thông tin chuyên sâu về tăng trưởng toàn cầu - Thị trường máy thu phát quang học kết hợp kỹ thuật số 2025-2034

Acacia Communications - Triển vọng quang học mạch lạc 2025 (https://acacia-inc.com)

Cignal AI - 800Báo cáo thị trường quang học GbE năm 2025

Coherent Corp. - 800Thông báo về sản phẩm G ZR/ZR+ năm 2025

Nghiên cứu điển hình về truyền dẫn quang kết hợp sợi quang - đơn{1}} của Infinera 2024

FiberMall - Công nghệ truyền thông quang học mạch lạc 2025