Tutarlı alıcı-vericiler ileri teknoloji gerektirir

 

Tutarlı alıcı-vericiler, gelişmiş dijital sinyal işlemcileri ve fotonik entegrasyon gerektiren genlik, faz ve polarizasyon modülasyonunu kullanarak verileri kodlar. Bu cihazlar, yüzlerce kilometre boyunca sinyal bütünlüğünü korurken 100G'den 1,6T'ye kadar veri hızlarına ulaşır.

Teknoloji üç temel yeniliği birleştiriyor: alıcı-verici gücünün yaklaşık %50'sini tüketen 7nm işlem düğümleri üzerine kurulu özel DSP çipleri, sembol başına birden fazla bit kodlayan 16-QAM ve 64-QAM gibi gelişmiş modülasyon şemaları ve optik bileşenleri CMOS uyumlu ölçekte entegre eden silikon fotonik platformları.

 

 

Dijital Sinyal İşleme Neden Tutarlı Performansı Tanımlıyor?

 

DSP çipi, tutarlı iletim sistemlerinin elektronik çekirdeği olarak işlev görür. 7 nm işlem geometrisinde, bu işlemciler analog-dijital-dönüştürmeyi, 50.000 ps/nm'yi aşan kromatik dağılım telafisini, polarizasyon modu dağılım azaltmayı ve ileri hata düzeltmeyi- gerçekleştirirken tüm bunları takılabilir form faktörleri için güç dağılımını 10W'ın altında tutar.

Modern DSP'ler, modülasyon sembolleri arasında güç dağıtımını optimize eden bir teknik olan olasılıksal takımyıldız şekillendirmeyi uygular. PCS, 16-QAM takımyıldızındaki 16 noktanın tümünü eşit şekilde kullanmak yerine, düşük güçlü iç takımyıldız noktalarını daha sık tercih eder. Bu yaklaşım, sembol hızını artırmadan veya ek güçlendirme gerektirmeden iletim erişimini %20-30 oranında artırır.

Hesaplama yoğunluğu, DSP ilerlemesinin neden tutarlı bir evrime yol açtığını açıklıyor. 16 nm'den 7 nm'ye geçiş, güç tüketimini %75'in üzerinde azalttı ve daha yüksek baud hızlarına olanak sağladı. Marvell gibi şirketler bunu Canopus mimarisiyle, 2019'un sonlarında örnek alarak ve ilk ticari 400G ZR modüllerini etkinleştirerek başardı. Çip, farklı erişim gereksinimleri için yazılımla seçilebilen modlarla 100G, 200G, 300G ve 400G'de çoklu hızlı çalışmayı destekler.

İşleme mimarisi, düğüm boyutu kadar önemlidir. DSP farklı bloklar içerir: paralel verileri dört uyumlu kanala dönüştüren seri hale getirici-seri durumdan çıkarıcı devreler, bilgileri ışık özelliklerine kodlayan ve kodunu çözen gerçek sinyal işleme birimi, Ethernet ve OTN protokolleri için çerçeveleme motorları ve fiber bozulmalarını gerçek zamanlı olarak telafi eden uyarlanabilir ekolayzerler. Her blok özel fikri mülkiyet gerektirir; bu nedenle Nokia, Infinera ve Cisco gibi dikey olarak entegre sağlayıcılar DSP tasarım yeteneklerini dahili olarak korurlar.

Güç verimliliği kritik kısıtlama olmaya devam ediyor. DSP'lerin toplam alıcı-verici gücünün yaklaşık yarısını tükettiği göz önüne alındığında, QSFP-DD ve OSFP gibi kompakt form faktörlerinde termal yönetim çok önemli hale gelir. Bu modüller için 15W'lık güç bütçesi, optik bileşenler ve sürücüler hesaba katıldığında DSP işlemi için yalnızca 5-7W'lık bir güç bırakıyor. Bu kısıtlama, sektörü, Marvell'in Orion DSP'sinin bit başına daha düşük gücü hedeflediği 800G uygulamaları için 5 nm süreç düğümlerine doğru itti.

 

Gelişmiş Modülasyon Şemaları Spektral Verimliliği Sağlar

 

Tutarlı alıcı-vericiler, bilgi yoğunluğunu kodlamak için karesel genlik modülasyonundan yararlanır. 16-QAM formatında, her sembol, genlik ve faz durumlarının kombinasyonları yoluyla dört biti temsil eder. Çift polarizasyon uygulaması, bu kapasiteyi etkili bir şekilde ikiye katlayarak, 90 dereceyle ayrılmış dik polarizasyon modları boyunca sembol başına sekiz bit iletir.

Modülasyon sırası, veri hızı ve optik sinyal-gürültü oranı gereksinimleri{- arasında doğrudan geçiş yapar. Sembol başına iki bit kodlayan QPSK modülasyonu, 12-14 dB kadar düşük OSNR'yi tolere eder ve 100G hızlarında 4.000 km'yi aşan iletim mesafelerine olanak tanır. 16-QAM'ye adım atmak, verimi dört katına çıkararak 400G'ye çıkarır, ancak OSNR'nin 22 dB'nin üzerinde olmasını gerektirir, bu da fiber kalitesine bağlı olarak erişimi yaklaşık 1.000-1.500 km ile sınırlandırır. 64-QAM gibi daha yüksek seviyeler, veri hızlarını tek bir dalga boyu içinde 600G'ye iter, ancak OSNR gereksinimlerinin 28 dB'yi aşması nedeniyle etkin menzil 200 km'nin altına düşer.

Modülasyon karmaşıklığı ile erişim arasındaki bu ilişki, ağ dağıtım stratejilerini şekillendirir. 80-120 km'ye yayılan veri merkezi ara bağlantıları, 400ZR standardı kapsamında 400G uygulamaları için genellikle 16-QAM kullanır. 300-500 km'ye uzanan metro ağları, kapasite ve mesafeyi dengelemek için 8-QAM'yi seçebilir. Okyanusları geçen uzun mesafeli denizaltı kabloları, maksimum esneklik için tipik olarak QPSK'ye döner ve binlerce kilometrelik açıklıklar karşılığında dalga boyu başına daha düşük kapasiteyi kabul eder.

Polarizasyon çoğullaması, yatay ve dikey polarizasyonları bağımsız veri kanalları olarak ele alarak etkili bant genişliğini iki katına çıkarır. Alıcının DSP'si bu polarizasyonları çözmeli ve farklı yayılma gecikmelerine neden olan polarizasyon modu dağılımını telafi etmelidir. Bu, hesaplama karmaşıklığını artırır, ancak çift polarizasyon olmadan ticari veri hızlarına ulaşmak için hala temel olmaya devam etmektedir;-400G'lik bir alıcı-verici, sembol hızının iki katına çıkarılmasını veya engelleyici derecede yüksek modülasyon sıralarına geçmeyi gerektirecektir.

Son araştırmalar daha da yüksek-düzenli biçimleri araştırıyor. 256-QAM gösterimleri, düşük maliyetli lazerlerden kaynaklanan faz gürültüsünü yönetmek için olasılıksal şekillendirmeyi kullanarak 80 km'de net 1 Tbps iletim elde etti. Bu tür formatlar üretim dağıtımı için deneysel olmaya devam etse de, DSP işlem gücü ve optik bileşen hassasiyeti geliştikçe gelecekteki ölçeklendirme yollarını gösterirler.

 

Silikon Fotonik Entegrasyonu Boyutu ve Maliyeti Azaltır

 

Silikon fotoniği, CMOS üretim süreçlerini kullanarak optik fonksiyonların yekpare entegrasyonunu sağlar. Tipik bir tutarlı optik alt düzenek, modülatörleri, fotodetektörleri, polarizasyon ışın bölücülerini ve tutarlı karıştırıcıları birkaç milimetre kare büyüklüğündeki tek bir silikon çip üzerinde birleştirir. Bu entegrasyon daha önce hassas fiber hizalamayla bir araya getirilmiş ayrı bileşenler gerektiriyordu; bu, yüksek-hacimli üretim ve takılabilir form faktörleriyle uyumlu olmayan bir süreçti.

Teknoloji, olgun yarı iletken dökümhane yeteneklerinden yararlanıyor. Coherent'in alıcı-verici ürünleri için kullandığı Tower Semiconductor'ın PH18 süreci, silikon-üzerinde-izolatör plakaları kullanan optik dedektörleri, dalga kılavuzlarını ve modülatörleri entegre eder. Bu dökümhaneler halihazırda elektronik çipler için uygun ölçekte çalışmakta ve özel optik üretim hatlarıyla imkansız olan fotonik üretim hacimlerine olanak sağlamaktadır.

Silikonun dolaylı bant aralığı, temel bir sınırlama sunar:-iletişim dalga boylarında ışığı etkili bir şekilde yayamaz veya algılayamaz. Çözümler, lazer kaynakları ve germanyum fotodetektörler için indiyum fosfit gibi III-V malzemeleriyle heterojen entegrasyonu içerir. Bazı uygulamalar, lazer düzeneklerini silikon PIC'den ayırmak için kenar-bağlantısını kullanırken, diğerleri III-V kalıplarının silikon üzerine doğrudan yonga levha ile bağlanmasını sağlar. Her yaklaşım, entegrasyon yoğunluğunu üretim karmaşıklığı ve maliyetine göre dengeler.

Modülasyon verimliliği, silikon fotonik geliştirme yol haritasının çoğunu yönlendirir. Taşıyıcı enjeksiyona dayalı standart plazma-dağılım modülatörleri birçok uygulama için yeterli performansı sağlar, ancak yeni-nesil 800G ve 1,6T hızları için gereken yüksek-hızlı, düşük-voltajlı çalışma konusunda zorluk çekerler. Bu sınırlama, Pockels'in{8}}etki malzemelerinin araştırılmasını teşvik etti. Silikon alt tabakalara bağlanan ince film lityum niyobat, artan işlem karmaşıklığına rağmen tek başına silikona göre daha düşük sürücü voltajları ve daha yüksek bant genişliği sunar.

Ekonomik durum hacim açısından zorlayıcı hale geliyor. İlk fotonik maske setleri milyonlarca dolara mal oluyor ve tasarım döngüleri 12-18 ay sürüyor. Bununla birlikte, gofret işleme maliyetleri, yıllık 100.000 birimi aşan üretim süreçlerinde amortismana tabi tutulduktan sonra elektronik çiplerle karşılaştırılabilir düzeyde kalır. Milyonlarca birim halinde gönderilen veri merkezi alıcı-vericileri için silikon fotonik, ayrı montaj yaklaşımlarına kıyasla 2-3 kat maliyet tasarrufu sağlar.

Sıcaklık stabilitesi başka bir avantajı temsil eder. Silikon modülatörleri, yerel osilatör lazerindeki dalga boyu ayarıyla yönetilebilen santigrat derece başına yaklaşık 0,08 nm'lik dalga boyu kaymaları sergiler. Bu, birçok tasarımda termoelektrik soğutuculara olan gereksinimi ortadan kaldırarak güç tüketimini önemli ölçüde azalttı. Endüstriyel sıcaklık aralıkları (-40 derece ila 85 derece) için derecelendirilen alıcı-vericiler artık bu spesifikasyonu aktif soğutma olmadan silikon fotonik kullanarak elde ediyor.

 

 

Baud Hızı ve Sembol İşleme Karmaşıklığı

 

Sembol hızı, tutarlı iletim sisteminin temel saat hızını belirler. Mevcut 400G uyumlu modüller 64 gigabaud hızında çalışıyor, bu da DSP'nin saniyede 64 milyar sembol işlediği anlamına geliyor. 16-QAM kodlama (sembol başına 4 bit) ve ikili polarizasyon (2x) ile birleştirildiğinde bu, 400G toplam veri hızını sağlar: 64 GBd × 4 bit × 2 polarizasyon=512 Gbps ham kapasite, ileri hata düzeltme ek yükünden sonra 400 Gbps'ye düşürülür.

Baud hızının artırılması, verimi doğrudan ölçeklendirir ancak fiziksel sınırlarla karşılaşır. Nokia'nın PSE-V mimarisinin gösterdiği gibi, 90 gigabaud hızında, aynı 16-QAM formatı 600G kapasite sunar. Ancak DSP ile optik bileşenler arasındaki elektriksel ara bağlantılar bant genişliği sınırlamalarıyla karşı karşıyadır. İz uzunlukları ve bağ teli endüktansları bu frekanslarda kayıp ve dağılıma neden olduğundan sinyal bütünlüğü bozulur. Bu, sektörü DSP'nin, sürücü amplifikatörlerinin ve silikon fotonik motorun minimum ara bağlantı mesafesiyle dikey olarak istiflendiği 3 boyutlu entegrasyon yaklaşımlarına doğru yönlendirdi.

Elektriksel ve optik arayüzler arasındaki ilişki tasarım kısıtlamaları yaratır. 400G-ZR alıcı-verici, ana sisteme standart bir 400GbE elektrik arayüzü sunar-PAM-4 sinyalini kullanan sekiz adet 50G şerit. DSP dahili olarak bunu dört adet 64-GBd optik kanala dönüştürür. Bu oran uyumsuzluğu, geleneksel olarak DSP aygıt yazılımında uygulanan bir "dişli kutusu" işlevini gerektirir. Dönüşüm, çoğu uygulama için kabul edilebilir, ancak ultra düşük gecikmeli ticaret sistemleri veya gerçek zamanlı kontrol döngüleri için sorunlu olan, genellikle 200-500 nanosaniyelik bir gecikmeye neden olur.

Daha yüksek sembol oranları aynı zamanda daha iyi elyaf kalitesi gerektirir. 64 GBd'de, standart tek-modlu fiber, yaklaşık 17 ps/nm/km civarında yönetilebilir kromatik dağılım sergiler. 90 GBd'ye artış, dağılım-ile tetiklenen sinyal genişlemesini artırır; bu da ya daha agresif DSP eşitlemesi ya da daha kısa iletim aralıkları gerektirir. Bu, mevcut fiber altyapısıyla 100 GBd civarında pratik bir tavan oluşturuyor, ancak gelişmiş fiber türleri ve daha güçlü DSP'ler bu sınırı zorlayabilir.

İleri hata düzeltme, sembol karmaşıklığına göre ölçeklenen ek yük ekler. Basit zor-karar FEC'si %7 ek yük getirebilirken, daha fazla kodlama kazancı sağlayan gelişmiş yumuşak-karar algoritmaları %20-25 ek yük tüketir. 512 Gbps ham hız üreten 64-GBd, 16 QAM'lik bir sistem için %20 FEC ek yükü, 400G hedefine yakın 410 Gbps net kapasite sağlar. DSP'nin bu düzeltmeyi 1 mikrosaniyenin altındaki gecikmelerle gerçek zamanlı olarak işlemesi gerekir; bu da işleme mimarisine çok büyük talepler getirir.

 

Kromatik ve Polarizasyon Dağılım Telafisi

 

Optik fiber, doğası gereği farklı dalga boylarını farklı hızlarda dağıtır; bu, kilometre başına nanometre başına pikosaniye cinsinden ölçülen kromatik dağılım adı verilen bir etkidir. 100 km'nin üzerinde standart tek-modlu fiber, 1550 nm'lik bir sinyal yaklaşık 1.700 ps/nm dağılım biriktirir. Telafi olmadan, bu darbe yayılımı 10 Gbps'nin üzerindeki veri hızları için sinyal bütünlüğünü yok eder.

Eski DWDM sistemleri, negatif dağılım özelliklerine sahip dağılım dengeleme modülleri-özel fiber makaralarını kullanarak bu sorunu çözdü. Bu pasif cihazlar ekleme kaybını artırdı, her bağlantı aralığı için hassas mühendislik gerektirdi ve önemli miktarda raf alanı kapladı. Tutarlı DSP'ler, ters dağılım transfer fonksiyonunu hesaplayarak ve alınan sinyallere dijital filtreleme uygulayarak bu gereksinimi ortadan kaldırdı. Algoritma, sinyal bant genişliği boyunca kromatik dağılımın sağladığı faz dönüşünü basitçe tersine çevirir.

Modern tutarlı DSP'ler, marjlı 600 km standart fibere eşdeğer olan 100.000 ps/nm'yi aşan kromatik dispersiyonu telafi eder. Hesaplama, hızlı Fourier dönüşümü algoritmaları aracılığıyla hesaplama açısından verimli olan frekans-alanı filtrelemeyi içerir. Bununla birlikte, filtre uzunluğu ve güncelleme hızı DSP kaynaklarını tüketir; bu nedenle eski tutarlı sistemler mevcut cihazlara göre daha düşük baud hızlarında çalışırdı. Moore Yasası ilerlemesiyle DSP işlem gücü arttıkça, güç tüketimi azalırken telafi aralığı genişledi.

Polarizasyon modu dağılımı, mikroskobik olarak farklı hızlarda ilerleyen fiber-yatay ve dikey polarizasyon modlarındaki hafif çift kırılmadan kaynaklanır. PMD, fiber uzunluğu boyunca rastgele değişiklik gösterir ve sıcaklık ve strese göre değişir, bu da statik filtrelerle telafi edilmesini imkansız hale getirir. PMD büyüklüğü tipik olarak 0,1-0,5 ps/√km ölçer ve 1000 km'lik aralıklarda 3-15 ps'ye kadar birikir.

DSP, sabit modül algoritması veya benzer yaklaşımlar kullanılarak uyarlanabilir eşitleme yoluyla PMD'yi ele alır. Bu algoritmalar, çevresel değişiklikleri takip etmek için her birkaç mikrosaniyede bir ekolayzır katsayılarını güncelleyerek polarizasyon rotasyonunu ve diferansiyel grup gecikmesini gerçek-zamanlı olarak izler. Eşitleme, her örnek için matris çarpımlarını gerektirir ve DSP işleme kapasitesinin yaklaşık %20'sini tüketir. Alıcı-vericiler, 400G modülleri için tipik olarak 50 ps olan maksimum tolere edilebilir PMD'yi belirtir ve bu da çok eski veya stresli fiber tesislerindeki dağıtımı sınırlandırır.

Doğrusal olmayan etkiler üçüncü bir zorluğu da beraberinde getirir. Yüksek optik güçlerde, fiberin kırılma indisi yoğunluğa-bağımlı hale gelir ve WDM kanalları arasında kendi-faz modülasyonuna ve çapraz-faz modülasyonuna neden olur. Bu etkiler fiber uzunluğu ve optik güçle birlikte büyür ve sonuçta kullanılabilecek fırlatma gücü sınırlanır. DSP'ler kromatik dağılım gibi doğrusal bozulmaları telafi edebilirken, doğrusal olmayan telafi, iletilen dalga biçimlerine dayalı olarak sinyal bozulmasını tahmin eden önemli ölçüde daha karmaşık algoritmalar gerektirir. Bazı gelişmiş uygulamalar vericide doğrusal olmayan ön dengeleme uygulayarak iletilen sinyali kasıtlı olarak bozar ve böylece fiberin doğrusal olmama durumu onu alıcıdaki doğru şekle geri getirir.

 

Form Faktörü Gelişimi ve Güç Kısıtlamaları

 

Tutarlı alıcı-vericiler, birden fazla kasa yuvasında yüzlerce watt tüketen hat-kartı uygulamaları olarak başladı. 2010 civarında tanıtılan CFP form faktörü, büyük bir takılabilir modülde yaklaşık 100 W güce ulaştı. CFP2 modülleri bunu 2014 yılına kadar 40-60 W'a düşürerek tek yuvalı tutarlı arayüzlere olanak sağladı. QSFP-DD (15W) ve OSFP (20-25W) formatlarındaki devrim, yukarıda açıklanan mimari değişiklikleri gerektirdi: 7nm DSP'ler, silikon fotonik entegrasyonu ve agresif güç optimizasyonu.

15W QSFP-DD güç zarfı yaklaşık olarak şöyledir: DSP için 6-7W, modülatörler ve alıcılar dahil olmak üzere silikon fotonik motor için 2-3W, sürücü amplifikatörleri ve trans-empedans amplifikatörleri için 3-4W ve ayarlanabilir lazer için 1-2W. Bu sıkı bütçe, çok sayıda tasarımdan taviz verilmesini zorunlu kılmaktadır. Çift hızlı çalışma veya geliştirilmiş FEC algoritmaları gibi özellikler, güç sınırlarına uymayabilecek işlem yükü ekler. Termal yönetim kritik hale gelir; küçük bir modülden dağıtılan 15W, dikkatli bir soğutucu tasarımı ve ana sistem hava akışı gerektirir.

OSFP'nin daha büyük boyutu ve 20-25W'lık güç bütçesi, daha yetenekli uygulamalara olanak tanır. Metro ağlarını hedefleyen OpenZR+ spesifikasyonu OSFP formatında çalışır ve entegre optik amplifikasyon, daha gelişmiş DSP algoritmaları ve genişletilmiş sıcaklık aralıkları aracılığıyla daha yüksek çıkış gücünü destekler. Ek 5-10W, temel 400ZR uygulamalarına kıyasla erişimi 120 km'den 500+ km'ye çıkaran olasılıksal şekillendirme ve daha yüksek kazançlı FEC gibi özellikleri etkinleştirir.

Birlikte-paketlenmiş optikler bir sonraki entegrasyon sınırını temsil eder. CPO, takılabilir modüller yerine fotonik kalıpları anahtar silikonunun hemen yanına yerleştirerek elektrikli serileştirici-seri hale getiricileri ve bunlarla ilişkili güç tüketimini ortadan kaldırır. CPO mimarilerinde tutarlı optik motor, takılabilir form faktöründeki 15W'a kıyasla 400G kapasite için 5W dağıtabilir. Bu 3 kat güç azalması, daha kısa elektrik yollarından ve sinyal koşullandırmanın gereksiz aşamalarının ortadan kaldırılmasından kaynaklanmaktadır. Ancak CPO sahada değiştirilebilirliği feda ederek üretim ve hizmet lojistiğini karmaşık hale getiriyor.

Standart organları, birlikte çalışabilirliği yenilikle dengelemek için çalışır. OIF 400ZR uygulama sözleşmesi, veri merkezi ara bağlantı uygulamaları için tutarlı yeteneklerin belirli bir alt kümesini tanımlar:-64 GBd sembol hızı, DP-16QAM modülasyonu, belirli FEC algoritması sağlayan, çok sağlayıcılı birlikte çalışabilirlik. OpenZR+ bunu daha esnek parametrelerle metro mesafelerine kadar genişletiyor. Ciena'nın WaveLogic veya Infinera'nın ICE platformları gibi tescilli uygulamalar performansı daha da ileriye taşıyor ancak bağlantının her iki ucunda da eşleşen ekipmanlara ihtiyaç duyuyor.

 

 

Uzun-Uzun Mesafe Performansı ve Optik Güç Bütçeleri

 

İletim erişimi temel olarak optik güç bütçesine-, yani başlatılan güç ile alıcı hassasiyeti arasındaki farka bağlıdır. 400G-ZR modülü, entegre yarı iletken optik amplifikatörler aracılığıyla tipik olarak 0 dBm başlatma gücüne ulaşır ve -20 dBm alıcı hassasiyeti sergileyerek 20 dB güç bütçesi sağlar. 3-4 dB konnektör kaybı, 0,2 dB/km fiber zayıflaması ve gerekli marj hesaba katıldığında bu, yaklaşık 80 km'lik erişime olanak sağlar.

Metro-optimize edilmiş alıcı-vericiler, daha yüksek başlatma gücü ve iyileştirilmiş alıcı hassasiyeti sayesinde erişimi genişletir. OpenZR+ uygulamaları, daha yetenekli entegre amplifikatörler aracılığıyla +4 dBm başlatma ve gelişmiş DSP algoritmaları ve daha düşük gürültülü fotodetektörler aracılığıyla -24 dBm hassasiyet elde eder. Geliştirilmiş 28 dB'lik bütçe, optik amplifikasyonla 400 km'lik bir kapsama veya her 80-100 km'de bir erbiyum katkılı fiber amplifikatörlerle 1,000+ km'lik bir kapsama olanak sağlar.

Uzun{0}mesafe denizaltı sistemleri farklı şekilde çalışır. Bunlar, takılabilir alıcı-vericiler yerine, +10 ila +15 dBm başlatma gücü üreten harici yüksek-güç amplifikatörlerine sahip hat-kartı uygulamalarını kullanır. Optik amplifikatörlerin her 50-80 km'de bir aralıklarla yerleştirilmesi, okyanus ötesi mesafelerde sinyal gücünü korur. Temel ölçüm, spektral verimlilik olur-optik bant genişliğinin Hz başına saniyede kaç bit olduğu. Gelişmiş uygulamalar, PCS aracılığıyla 8-10 bit/s/Hz'e, OSNR izin verdiğinde yüksek dereceli QAM'ye ve 11-12 dB kodlama kazancı sağlayan gelişmiş FEC'e ulaşır.

DWDM çoğullama, birden fazla dalga boyu kanalını tek fiberler üzerinde toplar. Modern sistemler, C-bantında 50 GHz aralıkta 96 kanalı veya daha sıkı filtrelemeyle 25 GHz aralıkta 192 kanalı destekler. Tam yüklü bir C+L bant sistemi, her biri 400G'de olan 200+ dalga boyunu taşıyabilir ve bir fiber çifti üzerinde 80 Tbps toplam kapasite sağlayabilir. Tutarlı alıcı-vericiler, keskin optik filtreleme ve hassas dalga boyu kararlılığı gerektiren minimum karışma ile bitişik kanallarla bir arada bulunmalıdır.

Yeniden yapılandırılabilir optik ekleme{0}}bırakma çoklayıcıları, optik-elektriksel-optik dönüşüm olmadan esnek dalga boyu yönlendirmeye olanak tanır. Tutarlı alıcı-vericiler, karmaşık ağ ağları için tipik olarak 10-15 dB olan ROADM ekleme kaybının üstesinden gelmek için dikkatli dalga boyu kontrolü ve yeterli başlatma gücü aracılığıyla ROADM'lerle çalışır. Uyumlu modüllerdeki ayarlanabilir lazerler, uyarlanabilir ağlar için önemli bir kolaylaştırıcı olan fiziksel modül değişikliklerini gerektirmek yerine, dalga boyunun dakikalar içinde yeniden yapılandırılmasını destekler.

 

Uygulama Zorlukları ve Tasarım{0}}Ödemeleri

 

Bileşen entegrasyonu kalıcı zorluklar sunar. Silikon fotoniği, dalga kılavuzu katmanlarının-1-2 nanometrelik varyasyonlarının hassas kalınlık kontrolünü gerektirir, rezonans dalga boylarını değiştirir ve performansı düşürür. III-V lazerlerin silikon alt katmanlara heterojen entegrasyonu, mikron altı hizalama ve düşük kayıplı optik bağlantı gerektirir. Üretim verimi, dökümhane deneyimiyle artsa da süreç değişikliklerine karşı hassas olmaya devam ediyor.

Termal yönetim kompakt form faktörlerini karmaşık hale getirir. Bir QSFP-DD modülündeki 15 W'lık konsantre güç dağıtımı, bileşen bağlantı noktalarında 80 dereceyi aşan sıcak noktalar oluşturur. Bu sıcaklık artışı lazer dalga boylarını değiştirir, silikon dalga kılavuzlarındaki optik yol uzunluklarını değiştirir ve bileşenlerin eskimesini hızlandırır. Metal soğutucular aracılığıyla ısının yayılması ve dikkatli PCB termal tasarımı bu etkileri azaltır, ancak termal kısıtlamalar sıklıkla maksimum performansı sınırlar.

Test ve yeterlilik, geliştirme zaman çizelgelerini uzatır. Tutarlı alıcı-vericilerin sıcaklık aralıkları, dalga boyu ızgaraları ve fiber türleri genelinde 10^-15'in altında bit hata oranları göstermesi gerekir. Protokol uyumluluk testi Ethernet çerçevelemeyi, OTN kapsüllemeyi ve yönetim arayüzlerini doğrular. Birlikte çalışabilirlik doğrulaması, birden fazla ekipman satıcısıyla test yapılmasını gerektirir. Bu işlem genellikle ilk silikondan üretime çıkışına kadar 18-24 ay sürer.

Maliyet yapısı, doğrudan-tespit optiklerinden farklıdır. Özel DSP, fotonik entegrasyon ve ayarlanabilir lazer bileşenleri daha yüksek temel maliyetler oluşturur ve bu durum, harici dağılım dengelemesinin ortadan kaldırılması ve daha uzun erişimlerin desteklenmesiyle dengelenir. Üretim hacimleri, birim maliyetleri-yılda 100.000 birime yükseltir; silikon fotonik, ayrık montajla maliyet eşitliğine ulaşır; Milyonlarca ünitede silikon %50-60 oranında maliyet tasarrufu sağlar.

Standartların parçalanması dağıtımı karmaşıklaştırır. 400ZR geniş çapta benimsenirken, OpenZR+ gibi uzantılar ve özel formatlar pazarı parçalara ayırıyor. Eşleşen alıcı-verici uygulamaları gerektiren ekipmanlar, satıcıya bağlı kalma-yatırır ve çok-satıcılı ağları karmaşık hale getirir. Endüstri konsorsiyumları daha fazla standardizasyona yönelik çalışır, ancak performans farklılaşması özel uzantıları teşvik eder.

800G ve 1,6T'ye güç ölçeklendirmesi aynı anda tüm sınırları zorluyor. Güç bütçelerini korurken veri hızını iki katına çıkarmak için 5 nm veya 3 nm DSP'ler, geliştirilmiş modülasyon formatları ve daha iyi fotonik entegrasyon gerekir. 400G mimarilerini doğrusal olarak ölçeklendirmek, güç zarflarını ve termal sınırları aşacaktır. Analog sinyal işleme, optik alan eşitleme ve heterojen chiplet mimarileri gibi yeni teknikler bu kısıtlamaları kırmayı amaçlıyor.

 

Pazar Dinamikleri ve Uygulama Segmentleri

 

Veri merkezi ara bağlantı uygulamaları, başlangıçta tutarlı takılabilirliğin benimsenmesini sağladı. Birbirinden 40-120 km uzaklıktaki tesisleri birbirine bağlayan bulut sağlayıcıları, her yıl milyonlarca birim halinde 400ZR modülleri dağıtarak, özel taşıma ekipmanlarını doğrudan yönlendiriciden yönlendiriciye-bağlantılarla değiştirdi. Bu "DWDM üzerinden IP" mimarisi ağları basitleştirdi, güç tüketimini azalttı ve daha az ekipman türü ve operasyonel model sayesinde ekonomiyi iyileştirdi.

Telekomünikasyon taşıyıcılarının farklı gereksinimleri vardır. 200-2.000 km'yi kapsayan metro ve bölgesel ağlar, DCI için optimize edilmiş modüllerin sunduğundan daha yüksek performansa ihtiyaç duyar. Telekomünikasyon-sınıfı özellikleri arasında gelişmiş izleme, kesintisiz dalga boyu ayarlama ve taşıyıcı sınıfı güvenilirlik standartları yer alır. OpenZR+ ve tescilli tutarlı uygulamalar, daha yetenekli DSP'ler, daha iyi optik performans ve kapsamlı operasyon desteğiyle bu ihtiyaçları karşılar.

Denizaltı kablo sistemleri performansın zirvesini temsil eder. Okyanus ötesi bağlantılar, erişilemeyen dağıtım konumları göz önüne alındığında, fiber başına maksimum kapasite ve en yüksek güvenilirliği gerektirir. Bu sistemler, ölçülen fiber özelliklerine dayalı olarak belirli bağlantı-dikkatli modülasyon seçimi, daha uzun yenileme aralıklarını tolere eden maksimum kodlama kazancı FEC ve kapsamlı yedeklilik için optimize edilmiş özel tutarlı uygulamaları kullanır. 25+ yıllık kablo ömürleri, tipik ticari standartları aşan bileşen niteliği gerektirir.

5G taşımacılığı, tutarlı optiklere yönelik yeni bir talep yaratıyor. Mobil ağ yoğunlaşması ve bant genişliği büyümesi, hücre sahası ana taşıyıcı ve orta taşıyıcı bağlantıları için fiber gereksinimlerini artırıyor. Endüstriyel sıcaklık aralıklarını destekleyen tutarlı alıcı-vericiler, uzak veya sokak dolaplarında dış mekan dağıtımlarına olanak tanır. Kompakt, güç-verimli, çevresel açıdan güçlendirilmiş paketlerdeki 100G'nin tutarlı uygulamaları, maliyet ve sağlamlık için maksimum performanstan ödün vererek bu segmenti hedefliyor.

Kurumsal ağlar geçmişte daha kısa mesafeler ve daha düşük bant genişliği gereksinimleri göz önüne alındığında doğrudan{0}}algılama optikleri kullanıyordu. Ancak 400G kampüs omurgaları ve-binalar arası bağlantılar, tutarlı ekonomiyi giderek daha fazla haklı kılıyor. Takılabilir form faktörleri ve düşen maliyetler sayesinde basitleştirilmiş dağıtım, adreslenebilir pazarı geleneksel taşıyıcı ağların ötesine taşıyor.

 

Teknoloji Yol Haritası ve Gelecek Yönergeleri

 

800G tutarlı alıcı-vericiler, 5nm DSP'ler ve gelişmiş modülasyon şemaları kullanılarak 2024 yılında üretime girdi. 16-QAM veya 8-QAM modülasyonuyla 90-100 GBd sembol hızında bu cihazlar, benzer form faktörlerinde 400G kapasitesini iki katına çıkarır. Termal yönetim özelliklerinin sınırında, OSFP uygulamaları için güç tüketimi 18-22 W'a yükseldi. Mevcut fiber altyapısındaki kapasitenin iki katına çıkarılmasının maliyetli fiber tesisi genişlemesini ertelediği yüksek kapasiteli bağlantılar için ekonomik durum hala zorlayıcı olmaya devam ediyor.

1,6T tutarlılığı mevcut geliştirme sınırını temsil eder. Gösterimler bu oranı 8-QAM modülasyonuyla 140 GBd işlemle elde etti, ancak ticari dağıtım için 3nm DSP kullanılabilirliği ve daha fazla fotonik entegrasyon iyileştirmesi bekleniyor. Alternatif olarak, çift taşıyıcılı 800G uygulamaları, iki 800G kanalını tek bir modülde çoğaltır. En uygun yol, güç verimliliğine, maliyet hedeflerine ve pazara sunma süresine{11}}bağlıdır.

Elektrikli DSP'lerin ötesinde, optik sinyal işleme potansiyel güç tasarrufu sağlar. Fotonik devreler kullanılarak optik alanda bir miktar eşitleme, dağılım telafisi veya faz geri kazanımının gerçekleştirilmesi, DSP'nin hesaplama yükünü azaltabilir. Ancak optik işleme, dijital algoritmaların esnekliğinden ve uyarlanabilirliğinden yoksundur, bu da uygulanabilirliği belirli, iyi tanımlanmış bozukluklarla sınırlandırmaktadır.

Kuantum iletişimi, kuantum anahtar dağıtımı için tutarlı teknolojiyi araştırıyor. Kuantum durumları için gereken hassas faz ve polarizasyon kontrolü, tutarlı alıcı-verici yeteneklerinden yararlanır. Günümüzde kuantum ağları niş olsa da, tutarlı donanımı temel alarak klasik ve kuantum optik iletişim arasında sinerji yaratabilir.

Yapay zeka uygulamaları bant genişliği gereksinimlerini daha da artırıyor. Büyük dil modellerinin eğitimi, hesaplamayı binlerce GPU'ya dağıtarak aylık eksabayt cinsinden ölçülen doğu-batı veri merkezi trafiğini oluşturur. Bu trafik, tek binalarda bile üstün kapasite-mesafe ürünü için tutarlı optikleri giderek daha fazla kullanıyor. Yapay zeka iş yükleri büyüdükçe tutarlı alıcı-verici hacminin baskın itici gücü haline gelebilirler.

 

Çözüm

 

Tutarlı alıcı-vericilerin ileri teknoloji gereksinimleri, temel fizik kısıtlamalarından ve performans hedeflerinden kaynaklanmaktadır. Optik fazı ve polarizasyonu değiştirmek, fotonik yapıların nanometre-ölçekte kontrolünü gerektirir. Çoklu gigahertz hızlarında sembol başına gigabitin işlenmesi, son teknoloji dijital sinyal işlemcilerini gerektirir. Bu yeteneklerin kompakt, güç-verimli paketlere entegre edilmesi, yarı iletken, fotonik ve paketleme teknolojilerinin sınırlarını zorluyor.

İlerleme, birden fazla disiplindeki koordineli ilerlemelerle devam ediyor. DSP tasarımcıları süreç düğümlerini küçültür ve algoritmaları optimize eder. Fotonik mühendisleri daha iyi modülatörler ve daha düşük-kayıp entegrasyonu geliştirir. Sistem mimarları hedef uygulamalar için modülasyon formatlarını, sembol hızlarını ve FEC yükünü dengeler. Sonuç, ağ yeteneklerinin genişletilmesine olanak tanıyan kapasite, erişim ve maliyet-etkinliğinde istikrarlı bir iyileşmedir.

Tutarlı alıcı-vericilerin neden bu kadar ileri teknolojiye ihtiyaç duyduğunu anlamak, optik ağları şekillendiren mühendislik dengelerini aydınlatıyor. Her tasarım seçeneği (7nm'ye karşı 5nm DSP, silikona karşı lityum niyobat modülatörü, 16-QAM'ye karşı 8-QAM modülasyonu) performans, güç ve maliyet etkilerinin dikkatli bir analizini içerir. Teknoloji, doyumsuz bant genişliği talebinin yönlendirdiği ve yarı iletken endüstrisindeki ilerlemelerin sağladığı hızla gelişmeye devam ediyor.