Máy thu phát mạch lạc đòi hỏi công nghệ tiên tiến

 

Bộ thu phát kết hợp mã hóa dữ liệu bằng cách sử dụng điều chế biên độ, pha và phân cực, đòi hỏi bộ xử lý tín hiệu số phức tạp và tích hợp quang tử. Các thiết bị này đạt tốc độ dữ liệu từ 100G đến 1,6T trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn tín hiệu trên hàng trăm km.

Công nghệ này kết hợp ba cải tiến cơ bản: chip DSP chuyên dụng được xây dựng trên các nút xử lý 7nm tiêu thụ khoảng 50% công suất thu phát, các sơ đồ điều chế nâng cao như 16-QAM và 64-QAM mã hóa nhiều bit trên mỗi ký hiệu và nền tảng quang tử silicon tích hợp các thành phần quang học ở quy mô tương thích với CMOS.

 

 

Tại sao xử lý tín hiệu số lại xác định hiệu suất mạch lạc

 

Chip DSP hoạt động như lõi điện tử của hệ thống truyền dẫn mạch lạc. Ở dạng hình học quy trình 7nm, các bộ xử lý này xử lý tất cả quá trình chuyển đổi tương tự-sang-kỹ thuật số, bù tán sắc màu vượt quá 50.000 ps/nm, giảm thiểu tán sắc chế độ phân cực và sửa lỗi chuyển tiếp-trong khi vẫn duy trì công suất tiêu tán dưới 10W đối với hệ số dạng có thể cắm được.

DSP hiện đại triển khai việc định hình chòm sao xác suất, một kỹ thuật tối ưu hóa việc phân bổ công suất trên các ký hiệu điều chế. Thay vì sử dụng tất cả 16 điểm trong chùm 16-QAM như nhau, PCS ưu tiên các điểm chùm bên trong có công suất thấp thường xuyên hơn. Cách tiếp cận này mở rộng phạm vi truyền tải thêm 20-30% mà không cần tăng tốc độ ký hiệu hoặc yêu cầu khuếch đại bổ sung.

Cường độ tính toán giải thích tại sao sự tiến bộ của DSP lại thúc đẩy sự phát triển mạch lạc. Việc chuyển từ các nút quy trình 16nm sang 7nm giúp giảm hơn 75% mức tiêu thụ điện năng trong khi vẫn cho phép tốc độ truyền cao hơn. Các công ty như Marvell đã đạt được điều này nhờ kiến ​​trúc Canopus của họ, lấy mẫu vào cuối năm 2019 và cho ra đời mô-đun 400G ZR thương mại đầu tiên. Chip này hỗ trợ hoạt động đa{8}}tốc độ ở 100G, 200G, 300G và 400G, với các chế độ có thể lựa chọn bằng phần mềm-cho các yêu cầu về phạm vi tiếp cận khác nhau.

Kiến trúc xử lý cũng quan trọng như kích thước nút. DSP chứa các khối riêng biệt: mạch giải tuần tự hóa-chuyển đổi dữ liệu song song thành bốn kênh kết hợp, bộ xử lý tín hiệu thực tế mã hóa và giải mã thông tin thành các thuộc tính ánh sáng, công cụ tạo khung cho giao thức Ethernet và OTN cũng như bộ cân bằng thích ứng bù đắp cho sự suy giảm của sợi quang trong-thời gian thực. Mỗi khối yêu cầu sở hữu trí tuệ chuyên biệt, đó là lý do tại sao các nhà cung cấp tích hợp theo chiều dọc như Nokia, Infinera và Cisco duy trì khả năng thiết kế DSP trong nội bộ.

Hiệu quả sử dụng năng lượng vẫn là hạn chế quan trọng. Với việc DSP tiêu thụ khoảng một nửa tổng công suất của bộ thu phát, việc quản lý nhiệt trở nên quan trọng trong các hệ số dạng nhỏ gọn như QSFP-DD và OSFP. Ngân sách năng lượng 15W cho các mô-đun này chỉ để lại 5-7W cho hoạt động DSP sau khi tính đến các thành phần quang học và trình điều khiển. Hạn chế này đã thúc đẩy ngành hướng tới các nút xử lý 5nm cho các ứng dụng 800G, trong đó Orion DSP của Marvell nhắm đến công suất trên mỗi bit thậm chí còn thấp hơn.

 

Sơ đồ điều chế nâng cao cho phép hiệu quả quang phổ

 

Bộ thu phát kết hợp tận dụng điều chế biên độ cầu phương để mã hóa mật độ thông tin. Ở định dạng 16-QAM, mỗi ký hiệu biểu thị bốn bit thông qua sự kết hợp giữa trạng thái biên độ và pha. Việc triển khai phân cực kép sẽ tăng gấp đôi công suất này một cách hiệu quả, truyền tám bit trên mỗi ký hiệu qua các chế độ phân cực trực giao cách nhau 90 độ.

Thứ tự điều chế trực tiếp cân bằng giữa tốc độ dữ liệu và các yêu cầu về tỷ lệ tín hiệu quang-trên-nhiễu. Điều chế QPSK, mã hóa hai bit cho mỗi ký hiệu, cho phép OSNR ở mức thấp tới 12-14 dB và cho phép khoảng cách truyền vượt quá 4.000 km ở tốc độ 100G. Bước lên 16-QAM sẽ tăng gấp bốn lần thông lượng lên 400G nhưng yêu cầu OSNR trên 22 dB, giới hạn phạm vi tiếp cận khoảng 1.000-1.500 km tùy thuộc vào chất lượng sợi. Các đơn đặt hàng cao hơn như 64-QAM đẩy tốc độ dữ liệu lên 600G trong một bước sóng nhưng phạm vi hiệu quả giảm xuống dưới 200 km do yêu cầu OSNR vượt quá 28 dB.

Mối quan hệ giữa độ phức tạp điều chế và phạm vi tiếp cận định hình các chiến lược triển khai mạng. Các kết nối trung tâm dữ liệu trải rộng 80-120 km thường sử dụng 16-QAM cho các ứng dụng 400G theo tiêu chuẩn 400ZR. Mạng lưới đô thị kéo dài 300{11}}500 km có thể chọn 8-QAM để cân bằng công suất và khoảng cách. Các tuyến cáp ngầm đường dài xuyên đại dương thường sử dụng QPSK để có khả năng phục hồi tối đa, chấp nhận công suất trên mỗi bước sóng thấp hơn để đổi lấy các nhịp dài nhiều nghìn km.

Ghép kênh phân cực tăng gấp đôi băng thông hiệu quả bằng cách xử lý phân cực ngang và dọc như các kênh dữ liệu độc lập. DSP của máy thu phải phân kênh các phân cực này và bù cho sự phân tán chế độ phân cực gây ra các độ trễ truyền khác nhau. Điều này làm tăng thêm độ phức tạp tính toán nhưng vẫn cần thiết để đạt được tốc độ dữ liệu thương mại-không có phân cực kép, bộ thu phát 400G sẽ yêu cầu tốc độ ký hiệu tăng gấp đôi hoặc chuyển sang các lệnh điều chế cực kỳ cao.

Nghiên cứu gần đây khám phá các định dạng-thứ tự cao hơn nữa. Các cuộc trình diễn 256-QAM đã đạt được tốc độ truyền ròng 1 Tbps trên 80 km bằng cách sử dụng định hình xác suất để quản lý nhiễu pha từ các tia laser chi phí thấp. Mặc dù các định dạng như vậy vẫn còn mang tính thử nghiệm để triển khai sản xuất nhưng chúng chỉ ra các lộ trình mở rộng trong tương lai khi sức mạnh xử lý DSP và độ chính xác của thành phần quang học được cải thiện.

 

Tích hợp Silicon Photonics giúp giảm kích thước và chi phí

 

Quang tử silicon cho phép tích hợp nguyên khối các chức năng quang học bằng quy trình chế tạo CMOS. Một tổ hợp quang học kết hợp-kết hợp điển hình kết hợp các bộ điều biến, bộ tách sóng quang, bộ tách chùm phân cực và bộ trộn kết hợp trên một chip silicon duy nhất có kích thước vài mm vuông. Việc tích hợp này trước đây yêu cầu các thành phần riêng biệt được lắp ráp bằng cách căn chỉnh sợi chính xác-một quy trình không tương thích với-các hệ số dạng có thể cắm và sản xuất số lượng lớn.

Công nghệ này tận dụng khả năng của xưởng đúc bán dẫn đã trưởng thành. Quy trình PH18 của Tower Semiconductor, được Coherent sử dụng cho các sản phẩm thu phát của họ, tích hợp bộ dò quang, ống dẫn sóng và bộ điều biến sử dụng tấm cách điện silicon-trên-bánh xốp cách điện. Các xưởng đúc này đã hoạt động ở quy mô lớn đối với chip điện tử, cho phép sản xuất khối lượng quang tử mà các dây chuyền chế tạo quang học chuyên dụng không thể thực hiện được.

Khoảng cách băng thông gián tiếp của Silicon đưa ra một hạn chế cơ bản-nó không thể phát ra hoặc phát hiện ánh sáng một cách hiệu quả ở các bước sóng truyền thông. Các giải pháp liên quan đến việc tích hợp không đồng nhất với các vật liệu III-V như photphua indium cho nguồn laser và bộ tách sóng quang germanium. Một số cách triển khai sử dụng tính năng ghép nối cạnh-để tách các cụm laze khỏi PIC silicon, trong khi một số cách triển khai khác theo đuổi liên kết wafer trực tiếp của khuôn III-V trên silicon. Mỗi cách tiếp cận đều đánh đổi mật độ tích hợp với độ phức tạp và chi phí sản xuất.

Hiệu suất điều chế thúc đẩy phần lớn lộ trình phát triển quang tử silicon. Bộ điều biến phân tán-plasma tiêu chuẩn dựa trên việc chèn sóng mang cung cấp hiệu suất phù hợp cho nhiều ứng dụng nhưng gặp khó khăn với hoạt động-tốc độ cao,-điện áp thấp cần thiết cho-tốc độ 800G và 1.6T thế hệ tiếp theo. Hạn chế này đã thúc đẩy việc điều tra các vật liệu tạo hiệu ứng Pockels-. Lithium niobate màng mỏng{10}}liên kết với chất nền silicon mang lại điện áp truyền động thấp hơn và băng thông cao hơn so với chỉ silicon, mặc dù độ phức tạp của quy trình tăng lên.

Trường hợp kinh tế trở nên hấp dẫn về số lượng. Bộ mặt nạ quang tử ban đầu có giá hàng triệu đô la và chu kỳ thiết kế kéo dài 12-18 tháng. Tuy nhiên, chi phí xử lý wafer vẫn tương đương với chip điện tử sau khi được khấu hao trong quá trình sản xuất vượt quá 100.000 chiếc mỗi năm. Đối với các bộ thu phát trung tâm dữ liệu được vận chuyển với số lượng hàng triệu đơn vị, quang tử silicon giúp giảm chi phí 2-3 lần so với các phương pháp lắp ráp rời rạc.

Sự ổn định nhiệt độ đại diện cho một lợi thế khác. Bộ điều biến silicon thể hiện sự thay đổi bước sóng khoảng 0,08 nm trên mỗi độ C, có thể quản lý được thông qua việc điều chỉnh bước sóng trong laser dao động cục bộ. Điều này loại bỏ các yêu cầu đối với bộ làm mát nhiệt điện trong nhiều thiết kế, giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng. Bộ thu phát được xếp hạng cho phạm vi nhiệt độ công nghiệp (-40 độ đến 85 độ) hiện đạt được thông số kỹ thuật này bằng cách sử dụng quang tử silicon mà không cần làm mát chủ động.

 

 

Độ phức tạp của tốc độ truyền và xử lý ký hiệu

 

Tốc độ ký hiệu xác định tốc độ xung nhịp cơ bản của hệ thống truyền dẫn kết hợp. Các mô-đun kết hợp 400G hiện tại hoạt động ở tốc độ 64 gigabaud, nghĩa là DSP xử lý 64 tỷ ký hiệu mỗi giây. Kết hợp với mã hóa 16-QAM (4 bit cho mỗi ký hiệu) và phân cực kép (2x), điều này mang lại tốc độ dữ liệu tổng hợp 400G: 64 GBd × 4 bit × 2 phân cực=512 Gbps dung lượng thô, giảm xuống 400 Gbps sau chi phí sửa lỗi chuyển tiếp.

Việc tăng tốc độ truyền trực tiếp làm tăng thông lượng nhưng gặp phải các giới hạn vật lý. Với tốc độ 90 gigabaud, được thể hiện bằng kiến ​​trúc PSE{2}}V của Nokia, cùng định dạng 16-QAM mang lại dung lượng 600G. Tuy nhiên, các kết nối điện giữa DSP và các thành phần quang gặp phải những hạn chế về băng thông. Tính toàn vẹn của tín hiệu suy giảm khi chiều dài vết và độ tự cảm của dây liên kết gây ra sự mất mát và phân tán ở các tần số này. Điều này đã thúc đẩy ngành hướng tới các phương pháp tích hợp 3D trong đó DSP, bộ khuếch đại trình điều khiển và động cơ quang tử silicon xếp chồng lên nhau theo chiều dọc với khoảng cách kết nối tối thiểu.

Mối quan hệ giữa giao diện điện và quang tạo ra những hạn chế trong thiết kế. Bộ thu phát 400G-ZR cung cấp giao diện điện 400GbE tiêu chuẩn cho hệ thống máy chủ-tám làn 50G sử dụng tín hiệu PAM-4. Trong nội bộ, DSP chuyển đổi kênh này thành bốn kênh quang 64{13}GBd. Tốc độ không khớp này yêu cầu chức năng "hộp số", được triển khai theo truyền thống trong phần mềm DSP. Quá trình chuyển đổi tạo ra độ trễ, thường là 200-500 nano giây, có thể chấp nhận được đối với hầu hết các ứng dụng nhưng lại gây khó khăn cho các hệ thống giao dịch có độ trễ cực thấp hoặc vòng điều khiển thời gian thực.

Tốc độ ký hiệu cao hơn cũng đòi hỏi chất lượng sợi tốt hơn. Ở mức 64 GBd, sợi quang đơn mode tiêu chuẩn-có độ phân tán màu sắc có thể quản lý được khoảng 17 ps/nm/km. Việc tăng lên 90 GBd sẽ làm tăng độ phân tán-khiến tín hiệu mở rộng, yêu cầu cân bằng DSP mạnh mẽ hơn hoặc khoảng thời gian truyền ngắn hơn. Điều này tạo ra mức trần thực tế khoảng 100 GBd với cơ sở hạ tầng cáp quang hiện tại, mặc dù các loại cáp quang được cải tiến và DSP mạnh hơn có thể đẩy ranh giới này lên.

Sửa lỗi chuyển tiếp sẽ bổ sung thêm chi phí theo tỷ lệ độ phức tạp của ký hiệu. FEC quyết định cứng đơn giản có thể tốn thêm 7% chi phí, trong khi các thuật toán quyết định mềm nâng cao mang lại mức tăng mã hóa lớn hơn tiêu tốn 20{11}}25% chi phí. Đối với hệ thống 64-GBd, 16-QAM tạo ra tốc độ thô 512 Gbps, chi phí FEC 20% mang lại dung lượng ròng 410 Gbps gần với mục tiêu 400G. DSP phải xử lý sự điều chỉnh này trong thời gian thực với độ trễ dưới 1 micro giây, đặt ra yêu cầu rất lớn về kiến ​​trúc xử lý.

 

Bù phân tán màu và phân cực

 

Sợi quang vốn đã phân tán các bước sóng khác nhau ở các vận tốc khác nhau, một hiệu ứng gọi là phân tán màu được đo bằng pico giây trên nanomet trên km. Trên 100 km sợi quang đơn mode tiêu chuẩn, tín hiệu 1550 nm tích lũy độ phân tán xấp xỉ 1.700 ps/nm. Nếu không được bù, sự trải rộng xung này sẽ phá hủy tính toàn vẹn của tín hiệu đối với tốc độ dữ liệu trên 10 Gbps.

Các hệ thống DWDM cũ đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng-các mô-đun bù tán sắc của sợi quang đặc biệt có đặc tính phân tán âm. Các thiết bị thụ động này đã gây thêm tổn thất chèn, yêu cầu kỹ thuật chính xác cho từng nhịp liên kết và chiếm không gian đáng kể trên giá đỡ. DSP kết hợp đã loại bỏ yêu cầu này bằng cách tính toán hàm truyền phân tán nghịch đảo và áp dụng lọc kỹ thuật số cho các tín hiệu nhận được. Thuật toán chỉ đơn giản là đảo ngược góc quay pha mà sự phân tán màu truyền qua băng thông tín hiệu.

DSP kết hợp hiện đại bù đắp cho sự phân tán màu vượt quá 100.000 ps/nm, tương đương với 600 km sợi tiêu chuẩn có biên. Quá trình tính toán bao gồm lọc miền tần số-, tính toán hiệu quả thông qua thuật toán biến đổi Fourier nhanh. Tuy nhiên, độ dài bộ lọc và tốc độ cập nhật tiêu tốn tài nguyên DSP, đó là lý do tại sao các hệ thống kết hợp ban đầu hoạt động ở tốc độ truyền thấp hơn các thiết bị hiện tại. Khi sức mạnh xử lý DSP tăng lên cùng với sự phát triển của Định luật Moore, phạm vi bù được mở rộng trong khi mức tiêu thụ điện năng giảm.

Sự phân tán chế độ phân cực phát sinh từ hiện tượng lưỡng chiết nhẹ trong-các chế độ phân cực ngang và dọc của sợi quang di chuyển với tốc độ khác nhau ở mức vi mô. PMD thay đổi ngẫu nhiên dọc theo chiều dài sợi và thay đổi theo nhiệt độ và ứng suất, khiến không thể bù bằng bộ lọc tĩnh. Cường độ PMD thường đo 0,1-0,5 ps/√km, tích lũy tới 3-15 ps trên các nhịp 1.000 km.

DSP giải quyết PMD thông qua cân bằng thích ứng bằng thuật toán mô đun không đổi hoặc các phương pháp tương tự. Các thuật toán này theo dõi độ xoay phân cực và độ trễ nhóm vi sai trong thời gian thực-, cập nhật hệ số bộ cân bằng vài micro giây một lần để theo dõi những thay đổi của môi trường. Việc cân bằng yêu cầu nhân ma trận cho mỗi mẫu, tiêu tốn khoảng 20% ​​khả năng xử lý DSP. Bộ thu phát chỉ định PMD tối đa có thể chấp nhận được, thường là 50 ps cho các mô-đun 400G, hạn chế việc triển khai trên các nhà máy sợi rất cũ hoặc quá tải.

Hiệu ứng phi tuyến đặt ra thách thức thứ ba. Ở công suất quang cao, chỉ số khúc xạ của sợi quang trở nên phụ thuộc vào cường độ-, gây ra hiện tượng tự điều chế pha và điều chế chéo pha giữa các kênh WDM. Những hiệu ứng này tăng lên theo chiều dài sợi quang và công suất quang, cuối cùng hạn chế công suất phóng có thể được sử dụng. Trong khi DSP có thể bù cho những suy giảm tuyến tính như tán sắc màu, thì bù phi tuyến đòi hỏi các thuật toán phức tạp hơn đáng kể để dự đoán độ méo tín hiệu dựa trên dạng sóng truyền đi. Một số cách triển khai nâng cao áp dụng tính năng bù trước phi tuyến-ở bộ phát, cố tình làm méo tín hiệu được truyền để tính phi tuyến của sợi quang đưa tín hiệu trở lại hình dạng chính xác ở bộ thu.

 

Sự phát triển của yếu tố hình thức và những hạn chế về sức mạnh

 

Bộ thu phát mạch lạc bắt đầu khi triển khai thẻ đường truyền-tiêu thụ hàng trăm watt trên nhiều khe khung. Hệ số dạng CFP, được giới thiệu vào khoảng năm 2010, đã đạt được công suất khoảng 100W trong một mô-đun lớn có thể cắm được. Các mô-đun CFP2 đã giảm mức này xuống còn 40-60W vào năm 2014, cho phép giao diện{10}một khe kết hợp. Sự đột phá đối với các định dạng QSFP-DD (15W) và OSFP (20-25W) yêu cầu những thay đổi về kiến ​​trúc được mô tả ở trên: DSP 7nm, tích hợp quang tử silicon và tối ưu hóa năng lượng mạnh mẽ.

Đường bao công suất QSFP-DD 15W được chia thành khoảng: 6-7W cho DSP, 2-3W cho động cơ quang tử silicon bao gồm bộ điều biến và bộ thu, 3-4W cho bộ khuếch đại trình điều khiển và bộ khuếch đại trở kháng chuyển tiếp và 1-2W cho laser có thể điều chỉnh. Ngân sách eo hẹp này buộc phải thỏa hiệp nhiều về thiết kế. Các tính năng như vận hành tốc độ kép hoặc thuật toán FEC nâng cao sẽ thêm tải xử lý có thể không vừa với giới hạn công suất. Việc quản lý nhiệt trở nên quan trọng - 15W tiêu tán từ một mô-đun nhỏ đòi hỏi thiết kế tản nhiệt cẩn thận và luồng không khí của hệ thống máy chủ.

Kích thước lớn hơn của OSFP và mức tiêu thụ điện năng 20-25W ​​cho phép triển khai hiệu quả hơn. Các mạng đô thị nhắm mục tiêu thông số kỹ thuật OpenZR+ hoạt động ở định dạng OSFP, hỗ trợ công suất đầu ra cao hơn thông qua khuếch đại quang tích hợp, thuật toán DSP phức tạp hơn và phạm vi nhiệt độ mở rộng. 5-10W bổ sung cho phép các tính năng như định hình xác suất và FEC có mức tăng cao hơn giúp cải thiện phạm vi tiếp cận từ 120 km đến 500+ km so với triển khai 400ZR cơ bản.

Quang học đóng gói-đại diện cho biên giới tích hợp tiếp theo. Thay vì các mô-đun có thể cắm được, CPO đặt các khuôn quang tử ngay cạnh silicon chuyển mạch, loại bỏ các bộ khử tuần tự hóa điện-và mức tiêu thụ điện năng liên quan của chúng. Trong kiến ​​trúc CPO, công cụ quang học kết hợp có thể tiêu hao 5W đối với công suất 400G, so với 15W ở dạng hệ số dạng cắm được. Việc giảm công suất gấp 3 lần này đến từ các đường dẫn điện ngắn hơn và loại bỏ các giai đoạn điều hòa tín hiệu dư thừa. Tuy nhiên, CPO hy sinh khả năng thay thế tại hiện trường, làm phức tạp hoạt động hậu cần sản xuất và dịch vụ.

Các cơ quan tiêu chuẩn làm việc để cân bằng khả năng tương tác với sự đổi mới. Thỏa thuận triển khai OIF 400ZR xác định một tập hợp con cụ thể gồm các khả năng mạch lạc-tốc độ ký hiệu 64 GBd, điều chế DP-16QAM, thuật toán FEC cụ thể đảm bảo khả năng tương tác giữa nhiều nhà cung cấp cho các ứng dụng kết nối trung tâm dữ liệu. OpenZR+ mở rộng điều này đến khoảng cách đô thị với các thông số linh hoạt hơn. Việc triển khai độc quyền như nền tảng WaveLogic của Ciena hoặc ICE của Infinera sẽ nâng cao hiệu suất hơn nữa nhưng yêu cầu thiết bị phù hợp ở cả hai đầu của liên kết.

 

 

Ngân sách hiệu suất đường dài và năng lượng quang học-

 

Phạm vi truyền dẫn về cơ bản phụ thuộc vào lượng công suất quang-sự khác biệt giữa công suất phóng và độ nhạy của máy thu. Mô-đun ZR 400G-thường đạt công suất phóng 0 dBm thông qua bộ khuếch đại quang bán dẫn tích hợp và thể hiện độ nhạy máy thu -20 dBm, mang lại mức công suất 20 dB. Sau khi tính đến mức suy hao đầu nối 3-4 dB, độ suy giảm sợi quang là 0,2 dB/km và biên độ yêu cầu, điều này cho phép phạm vi phủ sóng khoảng 80 km.

Bộ thu phát được tối ưu hóa cho Metro-mở rộng phạm vi tiếp cận thông qua công suất phóng cao hơn và độ nhạy của bộ thu được cải thiện. Việc triển khai OpenZR+ đạt được mức khởi chạy +4 dBm thông qua các bộ khuếch đại tích hợp có khả năng cao hơn và độ nhạy -24 dBm thông qua các thuật toán DSP nâng cao và bộ tách sóng quang có độ nhiễu thấp hơn. Ngân sách 28 dB được cải thiện cho phép các nhịp 400 km với bộ khuếch đại quang học hoặc 1,000+ km với bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium cứ sau 80-100 km.

Hệ thống tàu ngầm đường dài-hoạt động khác nhau. Thay vì các bộ thu phát có thể cắm được, các bộ thu phát này sử dụng việc triển khai thẻ đường truyền-với bộ khuếch đại công suất cao-bên ngoài tạo ra công suất khởi động từ +10 đến +15 dBm. Khoảng cách giữa các bộ khuếch đại quang học cách nhau 50-80 km sẽ duy trì cường độ tín hiệu trên khoảng cách xuyên đại dương. Chỉ số chính trở thành hiệu suất quang phổ-bao nhiêu bit trên giây trên mỗi Hz của băng thông quang. Việc triển khai nâng cao đạt được 8-10 bit/s/Hz thông qua PCS, QAM bậc cao khi OSNR cho phép và FEC phức tạp cung cấp mức tăng mã hóa 11-12 dB.

Ghép kênh DWDM tổng hợp nhiều kênh bước sóng vào các sợi đơn. Các hệ thống hiện đại hỗ trợ 96 kênh ở khoảng cách 50 GHz trên băng tần C- hoặc 192 kênh ở khoảng cách 25 GHz với khả năng lọc chặt chẽ hơn. Hệ thống băng tần C+L được tải đầy đủ có thể mang các bước sóng 200+, mỗi bước sóng ở mức 400G, mang lại công suất tổng hợp 80 Tbps trên một cặp sợi quang. Các bộ thu phát kết hợp phải cùng tồn tại với các kênh liền kề với nhiễu xuyên âm tối thiểu, đòi hỏi khả năng lọc quang sắc nét và độ ổn định bước sóng chính xác.

Bộ ghép kênh quang-thả quang có thể định cấu hình lại cho phép định tuyến bước sóng linh hoạt mà không cần chuyển đổi quang-điện{2}}quang. Bộ thu phát kết hợp hoạt động với ROADM thông qua việc kiểm soát bước sóng cẩn thận và công suất phóng thích hợp để khắc phục suy hao chèn ROADM, thường là 10-15 dB đối với các mạng lưới phức tạp. Các tia laser có thể điều chỉnh trong các mô-đun kết hợp hỗ trợ việc cấu hình lại bước sóng trong vài phút thay vì yêu cầu thay đổi mô-đun vật lý, một yếu tố hỗ trợ chính cho mạng thích ứng.

 

Những thách thức triển khai và sự cân bằng trong thiết kế-

 

Tích hợp thành phần đưa ra những thách thức dai dẳng. Quang tử silicon yêu cầu kiểm soát độ dày chính xác của các lớp ống dẫn sóng-các biến thể 1-2 nanomet làm thay đổi bước sóng cộng hưởng và làm giảm hiệu suất. Sự tích hợp không đồng nhất của laser III-V vào các chất nền silicon đòi hỏi phải căn chỉnh-micron phụ và khả năng ghép quang tổn thất thấp. Năng suất sản xuất vẫn nhạy cảm với những biến đổi của quy trình, mặc dù được cải thiện nhờ kinh nghiệm sản xuất.

Quản lý nhiệt làm phức tạp các yếu tố hình thức nhỏ gọn. Công suất tiêu tán tập trung 15W trong mô-đun QSFP{2}}DD tạo ra các điểm nóng vượt quá 80 độ tại các điểm nối thành phần. Sự tăng nhiệt độ này làm thay đổi bước sóng laser, thay đổi độ dài đường quang trong ống dẫn sóng silicon và đẩy nhanh quá trình lão hóa thành phần. Nhiệt lan truyền qua bộ tản nhiệt bằng kim loại và thiết kế tản nhiệt PCB cẩn thận giúp giảm thiểu những tác động này nhưng hạn chế về nhiệt thường hạn chế hiệu suất tối đa.

Kiểm tra và đánh giá kéo dài thời gian phát triển. Bộ thu phát kết hợp phải chứng minh tỷ lệ lỗi bit dưới 10^-15 trong phạm vi nhiệt độ, lưới bước sóng và loại sợi. Kiểm tra tuân thủ giao thức xác minh khung Ethernet, đóng gói OTN và giao diện quản lý. Xác thực khả năng tương tác yêu cầu thử nghiệm với nhiều nhà cung cấp thiết bị. Quá trình này thường tiêu tốn 18-24 tháng từ silicon đầu tiên đến khi đưa vào sản xuất.

Cấu trúc chi phí khác với cấu trúc quang học-phát hiện trực tiếp. Các thành phần DSP, tích hợp quang tử và laser có thể điều chỉnh chuyên dụng tạo ra chi phí cơ bản cao hơn, được bù đắp bằng cách loại bỏ bù tán sắc bên ngoài và hỗ trợ tầm hoạt động dài hơn. Khối lượng sản xuất thúc đẩy chi phí đơn vị-ở mức 100.000 đơn vị hàng năm, quang tử silicon đạt được mức chi phí ngang bằng với lắp ráp rời rạc; ở hàng triệu đơn vị, silicon giúp giảm chi phí 50-60%.

Sự phân mảnh tiêu chuẩn làm phức tạp việc triển khai. Trong khi 400ZR đạt được sự chấp nhận rộng rãi, các tiện ích mở rộng như OpenZR+ và các định dạng độc quyền lại phân mảnh thị trường. Thiết bị yêu cầu triển khai bộ thu phát phù hợp sẽ tạo ra sự khóa-nhà cung cấp và làm phức tạp mạng lưới nhiều-nhà cung cấp. Các tập đoàn trong ngành nỗ lực hướng tới tiêu chuẩn hóa cao hơn, nhưng sự khác biệt về hiệu suất lại khuyến khích mở rộng độc quyền.

Việc mở rộng công suất lên 800G và 1,6T đồng thời đẩy mọi giới hạn. Việc tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu trong khi vẫn duy trì mức tiêu thụ điện năng cần có DSP 5nm hoặc 3nm, các định dạng điều chế được cải tiến và khả năng tích hợp quang tử tốt hơn. Chỉ cần mở rộng tuyến tính các kiến ​​trúc 400G sẽ vượt quá giới hạn công suất và giới hạn nhiệt. Các kỹ thuật mới như xử lý tín hiệu tương tự, cân bằng miền quang và kiến ​​trúc chiplet không đồng nhất nhằm mục đích phá vỡ những hạn chế này.

 

Động lực thị trường và phân khúc ứng dụng

 

Các ứng dụng kết nối trung tâm dữ liệu đã thúc đẩy việc áp dụng thiết bị có thể cắm mạch lạc ban đầu. Các nhà cung cấp đám mây kết nối các cơ sở cách nhau 40-120 km đã triển khai các mô-đun 400ZR với số lượng hàng triệu đơn vị hàng năm, thay thế thiết bị vận chuyển chuyên dụng bằng các kết nối trực tiếp từ bộ định tuyến-đến bộ định tuyến. Kiến trúc "IP over DWDM" này đã đơn giản hóa các mạng, giảm mức tiêu thụ điện năng và cải thiện tính kinh tế thông qua ít loại thiết bị và mô hình hoạt động hơn.

Các hãng viễn thông duy trì các yêu cầu khác nhau. Mạng đô thị và mạng khu vực trải rộng 200-2.000 km cần hiệu suất cao hơn mức mà các mô-đun được tối ưu hóa DCI mang lại. Các tính năng cấp độ của Telco-bao gồm khả năng giám sát nâng cao, điều chỉnh bước sóng không bị ảnh hưởng và các tiêu chuẩn về độ tin cậy của cấp độ nhà cung cấp dịch vụ. OpenZR+ và các triển khai mạch lạc độc quyền giải quyết những nhu cầu này bằng DSP có khả năng cao hơn, hiệu suất quang học tốt hơn và hỗ trợ vận hành mở rộng.

Hệ thống cáp ngầm dưới biển đại diện cho hiệu suất đỉnh cao. Các liên kết xuyên đại dương yêu cầu công suất tối đa trên mỗi sợi quang và độ tin cậy cao nhất tại các vị trí triển khai không thể tiếp cận. Các hệ thống này sử dụng cách triển khai mạch lạc tùy chỉnh được tối ưu hóa cho việc lựa chọn điều chế cẩn thận-liên kết cụ thể dựa trên các đặc tính sợi đo được, mức tăng mã hóa tối đa FEC cho phép các khoảng tái tạo dài hơn và khả năng dự phòng mở rộng. Tuổi thọ của cáp là 25+ năm yêu cầu chất lượng thành phần vượt quá tiêu chuẩn thương mại thông thường.

Truyền tải 5G tạo ra nhu cầu mới về quang học kết hợp. Mật độ mạng di động và tăng trưởng băng thông thúc đẩy các yêu cầu về cáp quang cho các kết nối đường trục và đường trung gian của trạm di động. Bộ thu phát mạch lạc hỗ trợ phạm vi nhiệt độ công nghiệp cho phép triển khai ngoài trời trong các tủ ở xa hoặc trên đường phố. Việc triển khai mạch lạc 100G trong các gói nhỏ gọn,-tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường nhắm đến phân khúc này, đánh đổi hiệu suất tối đa để lấy chi phí và độ chắc chắn.

Mạng doanh nghiệp trước đây đã sử dụng-quang học phát hiện trực tiếp với khoảng cách ngắn hơn và yêu cầu băng thông thấp hơn. Tuy nhiên, đường trục 400G của khuôn viên trường và các kết nối-liên tòa nhà ngày càng chứng minh tính kinh tế mạch lạc. Việc triển khai được đơn giản hóa thông qua các hệ số dạng có thể cắm được và chi phí giảm sẽ mở rộng thị trường có địa chỉ ra ngoài mạng lưới nhà cung cấp dịch vụ truyền thống.

 

Lộ trình công nghệ và định hướng tương lai

 

Bộ thu phát kết hợp 800G được đưa vào sản xuất vào năm 2024, sử dụng DSP 5nm và sơ đồ điều chế nâng cao. Ở tốc độ ký hiệu 90-100 GBd với khả năng điều chế 16-QAM hoặc 8-QAM, các thiết bị này tăng gấp đôi công suất 400G ở các hệ số dạng tương tự. Mức tiêu thụ điện năng tăng lên 18-22W khi triển khai OSFP, vượt trội về khả năng quản lý nhiệt. Trường hợp kinh tế vẫn hấp dẫn đối với các liên kết công suất cao trong đó việc tăng gấp đôi công suất trên cơ sở hạ tầng cáp quang hiện tại sẽ cản trở việc mở rộng nhà máy cáp quang tốn kém.

1.6T mạch lạc đại diện cho giới hạn phát triển hiện tại. Các cuộc thử nghiệm đã đạt được tốc độ này thông qua hoạt động 140 GBd với điều chế 8-QAM, mặc dù việc triển khai thương mại cần chờ tính khả dụng của DSP 3nm và những cải tiến tích hợp quang tử hơn nữa. Ngoài ra, việc triển khai sóng mang kép 800G sẽ ghép hai kênh 800G trong một mô-đun duy nhất. Lộ trình tối ưu phụ thuộc vào hiệu quả sử dụng năng lượng, mục tiêu chi phí và thời gian{11}đưa ra thị trường.

Ngoài DSP điện, việc xử lý tín hiệu quang còn có khả năng tiết kiệm năng lượng. Việc thực hiện một số cân bằng, bù tán sắc hoặc phục hồi pha trong miền quang bằng cách sử dụng mạch quang tử có thể làm giảm tải tính toán DSP. Tuy nhiên, quá trình xử lý quang học thiếu tính linh hoạt và khả năng thích ứng của các thuật toán kỹ thuật số, hạn chế khả năng áp dụng cho các khiếm khuyết cụ thể, có đặc điểm-rõ ràng.

Truyền thông lượng tử khám phá công nghệ mạch lạc để phân phối khóa lượng tử. Việc kiểm soát pha và phân cực chính xác cần thiết cho các trạng thái lượng tử sẽ tận dụng khả năng thu phát mạch lạc. Trong khi đó, ngày nay, các mạng lượng tử có thể sử dụng phần cứng mạch lạc làm nền tảng, tạo ra sự phối hợp giữa truyền thông quang học cổ điển và lượng tử.

Các ứng dụng trí tuệ nhân tạo đẩy yêu cầu băng thông cao hơn. Việc đào tạo các mô hình ngôn ngữ lớn phân phối tính toán trên hàng nghìn GPU, tạo ra lưu lượng truy cập trung tâm dữ liệu phía đông{1}}tây được đo bằng exabyte hàng tháng. Lưu lượng truy cập này ngày càng sử dụng quang học kết hợp để tạo ra sản phẩm khoảng cách-công suất vượt trội, ngay cả trong các tòa nhà đơn lẻ. Khi khối lượng công việc AI tăng lên, chúng có thể trở thành động lực chính thúc đẩy khối lượng thu phát mạch lạc.

 

Phần kết luận

 

Các yêu cầu công nghệ tiên tiến của bộ thu phát mạch lạc xuất phát từ những hạn chế vật lý cơ bản và mục tiêu hiệu suất. Thao tác pha quang học và phân cực đòi hỏi phải kiểm soát ở quy mô nanomet{1}}của các cấu trúc quang tử. Việc xử lý gigabit trên mỗi ký hiệu ở tốc độ đa gigahertz đòi hỏi phải có bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số tiên tiến. Việc tích hợp những khả năng này vào các gói nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng-sẽ đẩy công nghệ bán dẫn, quang tử học và đóng gói đến giới hạn của chúng.

Sự tiến bộ tiếp tục thông qua những tiến bộ phối hợp trên nhiều lĩnh vực. Các nhà thiết kế DSP thu nhỏ các nút quy trình và tối ưu hóa thuật toán. Các kỹ sư quang tử phát triển bộ điều biến tốt hơn và khả năng tích hợp tổn thất-thấp hơn. Kiến trúc sư hệ thống cân bằng các định dạng điều chế, tốc độ ký hiệu và chi phí FEC cho các ứng dụng mục tiêu. Kết quả là sự cải thiện ổn định về công suất, phạm vi tiếp cận và hiệu quả-chi phí cho phép mở rộng khả năng của mạng.

Hiểu được lý do tại sao các bộ thu phát mạch lạc lại yêu cầu công nghệ tiên tiến như vậy sẽ làm sáng tỏ sự cân bằng-kỹ thuật trong việc định hình mạng quang. Mọi lựa chọn thiết kế-Bộ điều chế DSP 7nm so với 5nm, silicon so với lithium niobate, điều chế 16-QAM so với 8-QAM-đều bao gồm việc phân tích cẩn thận về hiệu suất, công suất và các tác động về chi phí. Công nghệ này tiếp tục phát triển nhanh chóng, được thúc đẩy bởi nhu cầu băng thông vô tận và được hỗ trợ bởi những tiến bộ của ngành bán dẫn.