משדרים קוהרנטיים דורשים טכנולוגיה מתקדמת

 

מקלטי משדר קוהרנטיים מקודדים נתונים באמצעות אפנון משרעת, פאזה וקיטוב, מה שדורש מעבדי אותות דיגיטליים מתוחכמים ואינטגרציה פוטונית. מכשירים אלה משיגים קצבי נתונים מ-100G עד 1.6T תוך שמירה על שלמות האות לאורך מאות קילומטרים.

הטכנולוגיה משלבת שלושה חידושים בסיסיים: שבבי DSP מיוחדים הבנויים על צמתי תהליך של 7 ננומטר שצורכים כ-50% מהספק של מקלט-משדר, תוכניות אפנון מתקדמות כמו 16-QAM ו-64-QAM המקודדות מספר ביטים לסמל, ופלטפורמות פוטוניקה מסיליקון המשלבות רכיבים אופטיים בהתאמה ל-CMOS.

 

 

מדוע עיבוד אותות דיגיטלי מגדיר ביצועים קוהרנטיים

 

שבב DSP מתפקד כליבה אלקטרונית של מערכות שידור קוהרנטיות. בגיאומטריית תהליך של 7 ננומטר, מעבדים אלה מטפלים בהמרה אנלוגית-ל-דיגיטלית, פיצוי פיזור כרומטי העולה על 50,000 ps/nm, הפחתת פיזור מצבי קיטוב ותיקון שגיאות קדימה-, והכל תוך שמירה על פיזור הספק מתחת ל-10W עבור גורמי צורה ניתנים לחיבור.

DSPs מודרניים מיישמים עיצוב קונסטלציה הסתברותי, טכניקה המייעלת את חלוקת הכוח על פני סמלי אפנון. במקום להשתמש בכל 16 הנקודות בקונסטלציה של 16-QAM באופן שווה, PCS מעדיף נקודות קונסטלציה פנימיות בעלות הספק נמוך בתדירות גבוהה יותר. גישה זו מרחיבה את טווח השידור ב-20-30% מבלי להגדיל את קצב הסמלים או לדרוש הגברה נוספת.

עוצמת החישוב מסבירה מדוע קידום DSP מניע אבולוציה קוהרנטית. מעבר מצמתי תהליך של 16 ננומטר ל-7 ננומטר הפחית את צריכת החשמל בלמעלה מ-75% תוך מתן אפשרות לקצבי שידור גבוהים יותר. חברות כמו Marvell השיגו זאת עם ארכיטקטורת Canopus שלהן, דגמו בסוף 2019 ואיפשרו את מודולי ה-400G ZR הסוחרים הראשונים. השבב תומך בפעולה מרובת-קצב ב-100G, 200G, 300G ו-400G, עם מצבים{13}}לבחירה בתוכנה עבור דרישות טווח הגעה שונות.

ארכיטקטורת העיבוד חשובה כמו גודל הצומת. ה-DSP מכיל בלוקים ברורים: מעגלי מסיר סדרה-הממירים נתונים מקבילים לארבעה ערוצים קוהרנטיים, יחידת עיבוד האותות בפועל המקודדת ומפענחת מידע למאפייני אור, מנועי מסגרות לפרוטוקולי Ethernet ו-OTN, ואקולייזרים אדפטיביים המפצים על ליקויים בסיבים בזמן אמת-. כל בלוק דורש קניין רוחני מיוחד, וזו הסיבה שספקים משולבים אנכית כמו נוקיה, אינפינרה וסיסקו שומרים על יכולות עיצוב DSP באופן פנימי.

יעילות החשמל נותרה המגבלה הקריטית. עם DSPs שצורכים בערך מחצית מהספק הכולל של מקלטי המשדר, ניהול תרמי הופך לחשיבות עליונה בגורמי צורה קומפקטיים כמו QSFP-DD ו-OSFP. תקציב הספק של 15W עבור מודולים אלה משאיר רק 5-7W לפעולת DSP לאחר התחשבות ברכיבים אופטיים ודרייברים. אילוץ זה דחף את התעשייה לכיוון צמתי תהליך של 5nm עבור יישומי 800G, כאשר Orion DSP של Marvell מכוון להספק נמוך עוד יותר לביט.

 

ערכות אפנון מתקדמות מאפשרות יעילות ספקטרלית

 

מקלטי משדר קוהרנטיים ממנפים אפנון משרעת נצב כדי לקודד צפיפות מידע. בפורמט 16-QAM, כל סמל מייצג ארבע ביטים באמצעות שילובים של מצבי משרעת ופאזה. מימוש קיטוב כפול מכפיל למעשה את הקיבולת הזו, ומשדר שמונה ביטים לכל סמל על פני מצבי קיטוב אורתוגונלי המופרדים ב-90 מעלות.

סדר האפנון מחליף ישירות בין דרישות קצב הנתונים ודרישות יחס אות אופטי-ל-יחס רעש. אפנון QPSK, המקודד שני ביטים לסמל, סובל OSNR נמוך עד 12-14 dB ומאפשר מרחקי שידור העולים על 4,000 ק"מ בקצבי 100G. עלייה ל-16-QAM מכפילה את התפוקה ל-400G אך דורשת OSNR מעל 22dB, המגבילה את טווח ההגעה לכ-1,000-1,500 ק"מ בהתאם לאיכות הסיבים. הזמנות גבוהות יותר כמו 64-QAM דוחפות את קצבי הנתונים ל-600G בתוך אורך גל בודד, אך הטווח האפקטיבי יורד מתחת ל-200 ק"מ עקב דרישות OSNR העולות על 28dB.

הקשר הזה בין מורכבות אפנון וטווח הגעה מעצב אסטרטגיות פריסת רשת. חיבורי מרכזי נתונים המשתרעים על פני 80-120 ק"מ משתמשים בדרך כלל ב-16-QAM עבור יישומי 400G תחת תקן 400ZR. רשתות מטרו המשתרעות על פני 300-500 ק"מ עשויות לבחור 8-QAM כדי לאזן בין קיבולת ומרחק. כבלים תת ימיים ארוכי טווח שחוצים אוקיינוסים חוזרים בדרך כלל ל-QPSK עבור חוסן מירבי, ומקבלים קיבולת נמוכה יותר לכל אורך גל בתמורה לטווחים של אלפי קילומטרים.

ריבוי קיטוב מכפיל את רוחב הפס האפקטיבי על ידי התייחסות לקיטוב אופקי ואנכי כעל ערוצי נתונים עצמאיים. ה-DSP של המקלט חייב לבצע דה-מולטיפלקס של קיטובים אלה ולפצות על פיזור מצבי קיטוב שגורם לעיכובים שונים של התפשטות. זה מוסיף מורכבות חישובית אבל נשאר חיוני להשגת קצבי נתונים מסחריים-ללא קיטוב כפול, מקלט משדר של 400G ידרוש הכפלת קצב הסמלים או מעבר לסדרי אפנון גבוהים מאוד.

מחקר אחרון בוחן פורמטים מסדרים- גבוהים אף יותר. הדגמות של 256-QAM השיגו שידור נטו של 1 Tbps לאורך 80 ק"מ באמצעות עיצוב הסתברותי לניהול רעשי פאזה מלייזרים בעלות נמוכה. בעוד שפורמטים כאלה נשארים ניסיוניים לפריסת ייצור, הם מציינים נתיבי קנה מידה עתידיים ככל שכוח העיבוד של DSP ודיוק הרכיבים האופטי משתפרים.

 

שילוב סיליקון פוטוניק מפחית את הגודל והעלות

 

פוטוניקת סיליקון מאפשרת אינטגרציה מונוליטית של פונקציות אופטיות באמצעות תהליכי ייצור CMOS. תת-מכלול אופטי קוהרנטי טיפוסי-משלב מאפננים, גלאי פוטו, מפצלי קרן קיטוב ומערבלים קוהרנטיים על שבב סיליקון יחיד בגודל של כמה מילימטרים רבועים. אינטגרציה זו דרשה בעבר רכיבים נפרדים שהורכבו עם יישור סיבים מדויק-תהליך שאינו תואם לייצור-בנפח גדול וגורמי צורה ניתנים לחיבור.

הטכנולוגיה ממנפת יכולות יציקה בוגרות של מוליכים למחצה. תהליך ה-PH18 של Tower Semiconductor, המשמש את Coherent עבור מוצרי המשדר שלהם, משלב גלאים אופטיים, מוליכי גל ומאפננים באמצעות סיליקון-על- פרוסות מבודדות. בתי היציקה הללו כבר פועלים בקנה מידה עבור שבבים אלקטרוניים, ומאפשרים נפחי ייצור פוטוניים שאי אפשר יהיה עם קווי ייצור אופטיים מיוחדים.

הפער העקיף של סיליקון מציג מגבלה בסיסית-הוא לא יכול לפלוט או לזהות אור ביעילות באורכי גל תקשורת. הפתרונות כוללים אינטגרציה הטרוגנית עם חומרים III-V כמו אינדיום פוספיד למקורות לייזר ומגלאי צילום גרמניום. יישומים מסוימים משתמשים בצימוד קצה- כדי להפריד בין מכלולי לייזר מ-PIC של סיליקון, בעוד שאחרים רודפים אחרי הדבקה ישירה של פרוסות של חומרי III-V על סיליקון. כל גישה מחליפה את צפיפות האינטגרציה מול מורכבות הייצור ועלות.

יעילות אפנון מניעה חלק גדול ממפת הדרכים לפיתוח פוטוני סיליקון. מאפננים לפיזור- פלזמה סטנדרטיים המבוססים על הזרקת נשא מספקים ביצועים נאותים עבור יישומים רבים, אך נאבקים עם פעולת מתח גבוהה- ומתח נמוכה- הדרושה עבור-הדור הבא של 800G ו-1.6T. מגבלה זו גרמה לחקירה של חומרי אפקט Pockels-. ליתיום ניובאט סרט דק{10} המוצמד למצעי סיליקון מציע מתחי הנעה נמוכים יותר ורוחב פס גבוה יותר מסיליקון בלבד, אם כי במורכבות תהליך מוגברת.

המקרה הכלכלי הופך משכנע בנפח. ערכות מסכות פוטוניות ראשוניות עולות מיליוני דולרים, ומחזורי העיצוב נמשכים 12-18 חודשים. עם זאת, עלויות עיבוד פרוסות נותרות דומות לשבבים אלקטרוניים לאחר מופחתות על פני ריצות ייצור העולה על 100,000 יחידות בשנה. עבור מקלטי משדר של מרכזי נתונים המשלוחים במיליוני יחידות, פוטוניקת סיליקון מספקת הפחתת עלויות פי 2-3 בהשוואה לגישות הרכבה בדידות.

יציבות הטמפרטורה מייצגת יתרון נוסף. מאפננים סיליקון מציגים שינויים באורך גל של כ-0.08 ננומטר לכל מעלה צלזיוס, הניתנים לניהול באמצעות כוונון אורך גל בלייזר המתנד המקומי. זה ביטל את הדרישות למקררים תרמו-אלקטריים בעיצובים רבים, והפחית משמעותית את צריכת החשמל. מקלטי משדר המדורגים לטווחי טמפרטורות תעשייתיים (-40 מעלות עד 85 מעלות) משיגים כעת מפרט זה באמצעות פוטוני סיליקון ללא קירור אקטיבי.

 

 

קצב בונד ומורכבות עיבוד סמלים

 

קצב הסמלים קובע את מהירות השעון הבסיסית של מערכת השידור הקוהרנטית. מודולים קוהרנטיים נוכחיים של 400G פועלים ב-64 גיגה-באוד, כלומר ה-DSP מעבד 64 מיליארד סמלים בשנייה. בשילוב עם קידוד 16-QAM (4 סיביות לסמל) וקיטוב כפול (2x), זה מניב את קצב הנתונים המצטבר של 400G: 64 GBd × 4 סיביות × 2 קיטובים=512 Gbps קיבולת גולמית, מופחתת ל-400 Gbps לאחר תקורה של תיקון שגיאות קדימה.

הגדלת קצב ההבאה מדרגת ישירות את התפוקה אך נתקלת בגבולות פיזיים. ב-90 גיגה-באוד, שהודגם על ידי ארכיטקטורת PSE-V של נוקיה, אותו פורמט 16-QAM מספק קיבולת של 600G. עם זאת, חיבורים חשמליים בין DSP ורכיבים אופטיים עומדים בפני מגבלות רוחב פס. שלמות האות מתדרדרת כאשר אורכי עקבות ושראות חוטי קשר מביאים לאובדן ופיזור בתדרים אלה. זה הניע את התעשייה לעבר גישות אינטגרציה תלת-ממדיות שבהן DSP, מגברי דרייבר ומנועי סיליקון פוטוניים נערמים אנכית עם מרחק חיבור מינימלי.

הקשר בין ממשקים חשמליים לאופטיים יוצר אילוצי עיצוב. מקלט משדר 400G-ZR מציג ממשק חשמלי סטנדרטי של 400GbE למערכת המארחת-שמונה נתיבים של 50G באמצעות איתות PAM-4. באופן פנימי, ה-DSP ממיר את זה לארבעה ערוצים אופטיים של 64-GBd. אי-התאמה של קצב זה דורשת פונקציית "תיבת הילוכים", המיושמת באופן מסורתי בקושחת DSP. ההמרה מציגה חביון, בדרך כלל 200-500 ננו-שניות, מקובל עבור רוב היישומים אך בעייתי עבור מערכות מסחר עם אחזור נמוך במיוחד או לולאות בקרה בזמן אמת.

שיעורי סמלים גבוהים יותר דורשים גם איכות סיבים טובה יותר. ב-64 GBd, סיבים סטנדרטיים במצב יחיד- מציגים פיזור כרומטי ניתן לניהול בסביבות 17 ps/nm/km. הגדלה ל-90 GBd מעלה את הרחבת האות-שנגרמת לפיזור, ומצריכה השוואת DSP אגרסיבית יותר או טווחי שידור קצרים יותר. זה יוצר תקרה מעשית סביב 100 GBd עם תשתית סיבים נוכחית, אם כי סוגי סיבים משופרים ו-DSPs חזקים יותר עשויים לדחוף את הגבול הזה.

תיקון שגיאות קדימה מוסיף תקורה שמתרחבת עם מורכבות הסמלים. FEC פשוט קשה להחלטה עשויה להוסיף 7% תקורה, בעוד אלגוריתמים מתקדמים של החלטה רכה- המספקים רווח קידוד גדול יותר צורכים 20-25% תקורה. עבור מערכת 64-GBd, 16-QAM המייצרת 512 Gbps גולמי, תקורה של 20% FEC מניבה קיבולת נטו של 410 Gbps - קרוב ליעד ה-400G. ה-DSP חייב לעבד את התיקון הזה בזמן אמת עם השהיות מתחת למיקרו-שנייה אחת, מה שמציב דרישות עצומות לארכיטקטורת העיבוד.

 

פיצוי פיזור כרומטי וקיטוב

 

סיב אופטי מפזר מטבעו אורכי גל שונים במהירויות שונות, אפקט הנקרא פיזור כרומטי הנמדד בפיקוסניות לננומטר לקילומטר. למעלה מ-100 ק"מ של סיב סטנדרטי- במצב יחיד, אות של 1550 ננומטר צובר פיזור בקירוב של 1,700 ps/nm. ללא פיצוי, פיזור הדופק הזה הורס את שלמות האות עבור קצבי נתונים מעל 10 Gbps.

מערכות DWDM מדור קודם טיפלו בכך באמצעות מודולי פיצוי פיזור-סלילים של סיבים מיוחדים עם מאפייני פיזור שליליים. התקנים פסיביים אלה הוסיפו אובדן הכנסה, דרשו הנדסה מדויקת עבור כל טווח קישורים ותפסו מקום משמעותי במדף. DSPs קוהרנטיים ביטלו דרישה זו על ידי מחשוב פונקציית העברת הפיזור ההפוכה והחלת סינון דיגיטלי על אותות שהתקבלו. האלגוריתם פשוט הופך את סיבוב הפאזה שהפיזור הכרומטי מקנה על פני רוחב הפס של האות.

DSPs קוהרנטיים מודרניים מפצים על פיזור כרומטי העולה על 100,000 ps/nm, שווה ערך ל-600 ק"מ של סיבים סטנדרטיים עם שוליים. החישוב כולל סינון-תדרים, יעיל מבחינה חישובית באמצעות אלגוריתמים מהירים של טרנספורמציה פורייה. עם זאת, אורך המסנן וקצב העדכון צורכים משאבי DSP, וזו הסיבה שמערכות קוהרנטיות מוקדמות פעלו בקצבי בונד נמוכים יותר מהמכשירים הנוכחיים. ככל שכוח העיבוד של DSP גדל עם התקדמות חוק מור, טווח הפיצוי התרחב בעוד צריכת החשמל ירדה.

פיזור מצבי קיטוב נובע משבירה קלה של דו-פעמיים במצבי קיטוב-אופקיים ואנכיים של סיבים נעים במהירויות שונות באופן מיקרוסקופי. PMD משתנה באופן אקראי לאורך הסיבים ומשתנה עם הטמפרטורה והלחץ, מה שהופך את זה לבלתי אפשרי לפצות עם מסננים סטטיים. גודל PMD מודד בדרך כלל 0.1-0.5 ps/√km, מצטבר ל-3-15 ps על פני 1,000 ק"מ.

ה-DSP נותן מענה ל-PMD באמצעות שוויון אדפטיבי באמצעות אלגוריתם המודולוס הקבוע או גישות דומות. אלגוריתמים אלה עוקבים אחר סיבוב הקיטוב והשהיית קבוצות דיפרנציאליות בזמן אמת-, ומעדכנים את מקדמי האקולייזר כל כמה מיקרו-שניות כדי לעקוב אחר שינויים סביבתיים. ההשוואה דורשת הכפלות מטריצות עבור כל דגימה, תוך צורך ב-20% מיכולת העיבוד של DSP. מקלטי משדר מציינים PMD מרבי נסבל, בדרך כלל 50 PS עבור מודולי 400G, המגבילים את הפריסה על פני מפעלי סיבים ישנים מאוד או לחוצים.

השפעות לא ליניאריות מהוות אתגר שלישי. בהספקים אופטיים גבוהים, אינדקס השבירה של הסיב הופך לתלוי-בעוצמה, מה שגורם ל-אפנון עצמי של-אפנון פאזה ואפנון חוצה-פאזות בין ערוצי WDM. אפקטים אלה גדלים עם אורך הסיבים והכוח האופטי, ובסופו של דבר מגבילים את כוח השיגור שניתן להשתמש בו. בעוד ש-DSPs יכולים לפצות על ליקויים ליניאריים כמו פיזור כרומטי, פיצוי אי-ליניאריות דורש אלגוריתמים מורכבים משמעותית המנבאים עיוות אות בהתבסס על צורות גל משודרות. כמה יישומים מתקדמים מיישמים פיצוי- מראש של אי-לינאריות במשדר, ומעוותים בכוונה את האות המשודר כך שאי-לינאריות הסיבים מחזירה אותו לצורה הנכונה במקלט.

 

אבולוציה של גורם צורה ומגבלות כוח

 

מקלטי משדר קוהרנטיים החלו כהטמעות של כרטיסי קו- שצרכו מאות וואט על פני מספר חריצי מארז. גורם הצורה CFP, שהוצג בסביבות 2010, השיג כוח של כ-100W במודול גדול הניתן לחיבור. מודולי CFP2 הפחיתו את זה ל-40-60W עד 2014, מה שאיפשר ממשקים קוהרנטיים-לחריץ אחד. פריצת הדרך לפורמטים QSFP-DD (15W) ו-OSFP (20-25W) דרשה את השינויים הארכיטקטוניים שתוארו לעיל: DSPs 7nm, שילוב פוטוני סיליקון ואופטימיזציה של הספק אגרסיבי.

מעטפת הספק QSFP-DD של 15W מתפרקת בקירוב: 6-7W עבור ה-DSP, 2-3W עבור מנוע הסיליקון הפוטוני כולל מאפננים ומקלטים, 3-4W עבור מגברי דרייבר ומגברים טרנס-עכבות, ו-1-2W עבור הלייזר הניתן לכוונון. התקציב המצומצם הזה מאלץ פשרות עיצוב רבות. תכונות כמו פעולה בקצב כפול או אלגוריתמים משופרים של FEC מוסיפות עומס עיבוד שאולי לא יתאים למגבלות ההספק. ניהול תרמי הופך קריטי - 15W מתפזר ממודול קטן דורש תכנון קפדני של גוף קירור וזרימת אוויר של מערכת המארחת.

הגודל הגדול יותר של OSFP ותקציב הספק של 20-25W ​​מאפשרים יישומים בעלי יכולת גבוהה יותר. מפרט OpenZR+ המכוון לרשתות מטרו פועל בפורמט OSFP, תומך בהספק פלט גבוה יותר באמצעות הגברה אופטית משולבת, אלגוריתמים DSP מתוחכמים יותר וטווחי טמפרטורה מורחבים. ה-5-10W הנוספים מאפשרים תכונות כמו עיצוב הסתברותי ו-FEC בעל רווח גבוה יותר המשפרים טווח הגעה מ-120 ק"מ ל-500+ ק"מ בהשוואה למימושים בסיסיים של 400ZR.

אופטיקה ארוזה-ת מייצגת את גבול האינטגרציה הבא. במקום מודולים הניתנים לחיבור, CPO ממקמת קוביות פוטוניות בסמוך ישירות לסיליקון המתג, ומבטלת את מכשירי הסרייה החשמליים-וצריכת החשמל הקשורה אליהם. בארכיטקטורות CPO, המנוע האופטי הקוהרנטי עשוי לפזר 5W עבור קיבולת של 400G, בהשוואה ל-15W במקדם הצורה הניתן לחיבור. הפחתת הספק פי 3 מגיעה ממסלולים חשמליים קצרים יותר וביטול שלבים מיותרים של מיזוג אותות. עם זאת, CPO מקריב את ההחלפה בשטח, מה שמסבך את הלוגיסטיקה של הייצור והשירות.

גופי התקנים פועלים כדי לאזן בין יכולת פעולה הדדית לחדשנות. הסכם ההטמעה של OIF 400ZR מגדיר תת-קבוצה ספציפית של יכולות קוהרנטיות-קצב סמלים של 64 GBd, אפנון DP-16QAM, אלגוריתם FEC שצוין המבטיח יכולת פעולה הדדית מרובה ספקים עבור יישומי חיבור מרכזי נתונים. OpenZR+ מרחיב את זה למרחקי מטרו עם פרמטרים גמישים יותר. יישומים קנייניים כמו WaveLogic של Ciena או פלטפורמות ICE של Infinera דוחפים את הביצועים עוד יותר אך דורשים ציוד התאמה בשני קצוות הקישור.

 

 

תקציבי ביצועים-ארוכים וכוח אופטי

 

טווח השידור תלוי בעיקרו בתקציב ההספק האופטי-ההבדל בין הספק שהושק לבין רגישות המקלט. מודול 400G-ZR משיג בדרך כלל עוצמת השקה של 0 dBm באמצעות מגברים אופטיים מוליכים למחצה משולבים ומפגין רגישות למקלט של -20 dBm, ומניב תקציב כוח של 20 dBm. לאחר שחשבו על אובדן מחברים של 3-4 dB, הנחתת סיבים של 0.2 dB/km ומרווחים נדרשים, הדבר מאפשר טווח הגעה של כ-80 ק"מ.

מקלטי משדר-מותאמים למטרו מרחיבים את טווח ההגעה באמצעות עוצמת שיגור גבוהה יותר ורגישות מקלט משופרת. יישומי OpenZR+ משיגים השקה של +4 dBm באמצעות מגברים משולבים בעלי יכולת גבוהה יותר ו-רגישות של 24 dBm באמצעות אלגוריתמים משופרים של DSP ומגלאי צילום רעש נמוך יותר. התקציב המשופר של 28 dB מאפשר טווחים של 400 ק"מ עם הגברה אופטית, או 1,000+ ק"מ עם מגברי סיבים מסוממים בארביום כל 80-100 ק"מ.

מערכות צוללות לטווח ארוך- פועלות אחרת. במקום מקלטי משדר ניתנים לחיבור, אלה משתמשים ביישומי כרטיסי קו-עם מגברי הספק חיצוניים גבוהים- המפיקים כוח השקה של +10 עד +15 dBm. ריווח מגברים אופטיים כל 50-80 ק"מ שומר על עוצמת האות על פני מרחקים טרנס-אוקייניים. מדד המפתח הופך ליעילות ספקטרלית-כמה סיביות לשנייה לכל הרץ של רוחב פס אופטי. יישומים מתקדמים משיגים 8-10 סיביות/שניות/הרץ דרך PCS, QAM מסדר גבוה כאשר OSNR מאפשר, ו-FEC מתוחכם המספק רווח קידוד של 11-12 dB.

ריבוי DWDM מצרף מספר תעלות אורכי גל על ​​גבי סיבים בודדים. מערכות מודרניות תומכות ב-96 ערוצים במרווחים של 50 גיגה-הרץ על פני פס C-, או 192 ערוצים במרווח של 25 גיגה-הרץ עם סינון הדוק יותר. מערכת פס C+L עמוסה במלואה עשויה לשאת אורכי גל של 200+, כל אחד ב-400G, ומניב קיבולת מצטברת של 80 Tbps על זוג סיבים. מקלטי משדר קוהרנטיים חייבים להתקיים יחד עם ערוצים סמוכים עם דיבור מינימלי, הדורש סינון אופטי חד ויציבות אורך גל מדויקת.

מרבבי הוספה אופטיים הניתנים להגדרה מחדש-מאפשרים ניתוב אורך גל גמיש ללא המרה אופטית-חשמלית-אופטית. מקלטי משדר קוהרנטיים עובדים עם ROADMs באמצעות בקרת אורך גל זהירה וכוח שיגור נאות כדי להתגבר על אובדן הכנסת ROADM, בדרך כלל 10-15 dB עבור רשתות רשת מורכבות. הלייזרים הניתנים לכוונון במודולים קוהרנטיים תומכים בקונפיגורציה מחדש של אורך גל תוך דקות במקום לדרוש שינויי מודולים פיזיים, גורם מפתח לרשתות אדפטיביות.

 

אתגרי יישום והחלפות עיצוב-

 

שילוב רכיבים מציג אתגרים מתמשכים. פוטוניקת סיליקון דורשת בקרת עובי מדויקת של שכבות מוליך גל-בשינויים של 1-2 ננומטר משמרת אורכי גל תהודה ופוגעת בביצועים. שילוב הטרוגני של לייזרים III-V על גבי מצעי סיליקון דורש יישור תת--מיקרוני וצימוד אופטי בהפסד נמוך. תפוקת הייצור נשארת רגישה לווריאציות בתהליך, אם כי משתפרת עם ניסיון היציקה.

ניהול תרמי מסבך גורמי צורה קומפקטיים. פיזור ההספק המרוכז של 15W במודול QSFP-DD יוצר נקודות חמות העולה על 80 מעלות בצמתים של רכיבים. עליית טמפרטורה זו משנה את אורכי גל הלייזר, משתנה אורכי נתיב אופטי במובילי גל סיליקון ומאיצה את הזדקנות הרכיבים. התפשטות חום באמצעות גופי קירור מתכתיים ותכנון תרמי קפדני של PCB מפחיתים את ההשפעות הללו, אך מגבלות תרמיות מגבילות לעתים קרובות את הביצועים המרביים.

בדיקות והסמכה מאריכות את לוחות הזמנים של הפיתוח. מקלטי משדר קוהרנטיים חייבים להדגים שיעורי שגיאות סיביות מתחת ל-10^-15 על פני טווחי טמפרטורה, רשתות אורכי גל וסוגי סיבים. בדיקת תאימות לפרוטוקול מאמתת מסגור Ethernet, אנקפסולציה של OTN וממשקי ניהול. אימות יכולת פעולה הדדית מחייב בדיקה מול ספקי ציוד מרובים. תהליך זה לוקח בדרך כלל 18-24 חודשים מהסיליקון הראשון ועד לשחרור הייצור.

מבנה העלויות שונה מאופטיקה של זיהוי ישיר-. רכיבי ה-DSP המיוחדים, האינטגרציה הפוטונית ורכיבי הלייזר הניתנים לכוונון יוצרים עלויות בסיס גבוהות יותר, מקוזז על ידי ביטול פיצוי פיזור חיצוני ותמיכה בטווחים ארוכים יותר. נפחי ייצור מניבים את עלויות יחידות-ב-100,000 יחידות בשנה, פוטוניקת סיליקון משיגה שוויון עלות עם הרכבה בדידה; במיליוני יחידות, סיליקון מספק הפחתת עלויות של 50-60%.

פיצול תקנים מסבך את הפריסה. בעוד ש-400ZR השיג אימוץ רחב, הרחבות כמו OpenZR+ ופורמטים קנייניים מפרקים את השוק. ציוד הדורש יישומי משדר תואמים יוצר נעילת-ספקים ומסבך רשתות מרובות-ספקים. קונסורציונים תעשייתיים פועלים לקראת סטנדרטיזציה גדולה יותר, אך בידול ביצועים מעודד הרחבות קנייניות.

קנה מידה של כוח ל-800G ו-1.6T דוחף את כל הגבולות בו זמנית. הכפלת קצב הנתונים תוך שמירה על תקציבי הספק דורשת DSPs של 5nm או 3nm, פורמטים משופרים של אפנון ושילוב פוטוניים טוב יותר. קנה מידה של ארכיטקטורות 400G באופן ליניארי יחרוג ממעטפות הספק ומגבלות תרמיות. טכניקות חדשות כמו עיבוד אותות אנלוגיים, השוואת תחום אופטי וארכיטקטורות שבבים הטרוגניות שואפות לשבור את האילוצים הללו.

 

דינמיקת שוק ופלחי יישומים

 

יישומי קישור בין מרכזי נתונים הניעו את האימוץ הראשוני הניתן לחיבור קוהרנטי. ספקי ענן שחיברו בין מתקנים במרחק של 40-120 ק"מ זה מזה, פרסו מודולים של 400ZR במיליוני יחידות מדי שנה, והחליפו ציוד הובלה ייעודי בחיבורי נתב-ישירים לנתב. ארכיטקטורת "IP over DWDM" זו פשטה רשתות, הפחיתה את צריכת החשמל ושיפרה את הכלכלה באמצעות פחות סוגי ציוד ומודלים תפעוליים.

ספקי תקשורת מקיימים דרישות שונות. רשתות מטרו ואזוריות המשתרעות על פני 200-2,000 ק"מ זקוקות לביצועים גבוהים יותר מאשר מספקים מודולים אופטימליים של DCI. תכונות בדרגת טלקו-כוללות ניטור משופר, כוונון אורך גל ללא פגע ותקני אמינות ברמת הספק. OpenZR+ והטמעות קוהרנטיות קנייניות נותנות מענה לצרכים אלה עם DSPs בעלי יכולת גבוהה יותר, ביצועים אופטיים טובים יותר ותמיכה נרחבת בתפעול.

מערכות כבלים תת ימיות מייצגות את פסגת הביצועים. קישורים טרנס-אוקייניים דורשים קיבולת מקסימלית לכל סיב ואמינות גבוהה ביותר בהינתן מיקומי פריסה בלתי נגישים. מערכות אלו משתמשות ביישומים קוהרנטיים מותאמים אישית המותאמים לקישור הספציפי-בחירת אפנון קפדנית בהתבסס על מאפייני סיבים נמדדים, רווח קידוד מרבי FEC הסובל טווחי התחדשות ארוכים יותר ויתירות נרחבת. משך חיים של כבלים של 25+ שנים דורש הסמכה של רכיבים החורגים מהסטנדרטים המסחריים האופייניים.

תחבורה 5G יוצרת ביקוש מתעורר לאופטיקה קוהרנטית. צפיפות רשת סלולרית וצמיחת רוחב פס מניעות את דרישות הסיבים עבור חיבורי אתרים סלולריים וחיבורי midhaul. מקלטי משדר קוהרנטיים התומכים בטווחי טמפרטורות תעשייתיים מאפשרים פריסה חיצונית בארונות מרוחקים או ברחוב. ההטמעות הקוהרנטיות של 100G בחבילות קומפקטיות,-יעילות וחזקות לסביבה מכוונות לפלח זה, ומחליפות ביצועים מרביים תמורת עלות וקשיחות.

רשתות ארגוניות בשימוש היסטורי{0}}איתור ישיר באופטיקה בהינתן מרחקים קצרים יותר ודרישות רוחב פס נמוכות יותר. עם זאת, עמודי שדרה של קמפוס 400G וחיבורים בין-בניינים מצדיקים יותר ויותר כלכלה קוהרנטית. פריסה פשוטה באמצעות גורמי צורה ניתנים לחיבור וירידה בעלויות מרחיבות את השוק הניתן לטיפול מעבר לרשתות ספקים מסורתיות.

 

מפת דרכים טכנולוגית וכיוונים עתידיים

 

מקלטי משדר קוהרנטיים של 800G נכנסו לייצור בשנת 2024, תוך שימוש ב-DSP של 5nm ותכניות אפנון משופרות. בקצב סמלים של 90-100 GBd עם אפנון 16-QAM או 8-QAM, מכשירים אלה מכפילים את קיבולת 400G בגורמי צורה דומים. צריכת החשמל עלתה ל-18-22W עבור יישומי OSFP, בקצה של יכולות ניהול תרמי. המקרה הכלכלי נותר משכנע עבור קישורים בעלי קיבולת גבוהה כאשר הכפלת הקיבולת בתשתית הסיבים הקיימת דוחה הרחבת מפעלי סיבים יקרים.

1.6T קוהרנטי מייצג את גבול הפיתוח הנוכחי. הדגמות השיגו קצב זה באמצעות פעולה של 140 GBd עם אפנון 8-QAM, אם כי פריסה מסחרית ממתינה לזמינות 3nm DSP ושיפורי אינטגרציה פוטוניים נוספים. לחלופין, יישומי 800G כפולים{10} מרבבים שני ערוצי 800G במודול יחיד. הנתיב האופטימלי תלוי ביעילות צריכת החשמל, יעדי עלות ושיקולי זמן{11}}לשוק.

מעבר ל-DSP חשמליים, עיבוד אותות אופטי מציע חיסכון פוטנציאלי בחשמל. ביצוע איזשהו איזון, פיצוי פיזור או שחזור פאזה בתחום האופטי באמצעות מעגלים פוטוניים עשוי להפחית עומס חישובי DSP. עם זאת, לעיבוד אופטי אין את הגמישות והסתגלות של אלגוריתמים דיגיטליים, מה שמגביל את הישימות לליקויים ספציפיים,-מאופיינים היטב.

תקשורת קוונטית חוקרת טכנולוגיה קוהרנטית להפצת מפתח קוונטי. בקרת הפאזה והקיטוב המדויקת הנדרשת למצבים קוונטיים ממנפת יכולות מקלט משדר קוהרנטיות. בעוד שהרשתות הקוונטיות הן נישות כיום, עשויות לאמץ חומרה קוהרנטית כבסיס, וליצור סינרגיות בין תקשורת אופטית קלאסית וקוונטית.

יישומי בינה מלאכותית דוחפים את דרישות רוחב הפס גבוה יותר. אימון מודלים של שפות גדולות מפיץ חישוב על פני אלפי GPUs, מייצר תעבורת מרכז נתונים מזרח-מערב הנמדדת באקס-בייט מדי חודש. תעבורה זו משתמשת יותר ויותר באופטיקה קוהרנטית עבור מוצר המרחק- הקיבולת המעולה שלה, אפילו בתוך בניינים בודדים. ככל שעומסי העבודה של AI גדלים, הם עשויים להפוך למניע הדומיננטי של נפח קוהרנטי של מקלט משדר.

 

מַסְקָנָה

 

דרישות הטכנולוגיה המתקדמות של מקלטי משדר קוהרנטיים נובעות ממגבלות פיזיקה בסיסיות ומיעדי ביצועים. מניפולציה של פאזה אופטית וקיטוב דורשת שליטה ננומטרית בקנה מידה- של מבנים פוטוניים. עיבוד גיגה-ביט לסמל בקצבי multigigahertz דורש מעבדי אותות דיגיטליים חדישים-. שילוב היכולות הללו בחבילות-קומפקטיות ויעילות דוחף את טכנולוגיות מוליכים למחצה, פוטוניקה ואריזה לגבולותיהן.

ההתקדמות נמשכת באמצעות התקדמות מתואמת על פני דיסציפלינות מרובות. מעצבי DSP מכווצים את צמתי התהליך ומייעלים אלגוריתמים. מהנדסי פוטוניקה מפתחים מאפננים טובים יותר ושילוב-אובדן נמוך יותר. אדריכלי מערכת מאזנים בין פורמטי אפנון, קצבי סמלים ותקורה של FEC עבור יישומי יעד. התוצאה היא שיפור מתמיד בקיבולת, בטווח הגעה ובעלות-יעילות המאפשרת הרחבת יכולות הרשת.

ההבנה מדוע מקלטי משדר קוהרנטיים דורשים טכנולוגיה מתקדמת כל כך מאירה את ההשפעות ההנדסיות-המעצבות רשתות אופטיות. כל בחירת עיצוב-7nm לעומת 5nm DSP, מאפנן סיליקון מול ליתיום ניובאט, אפנון 16-QAM לעומת 8-QAM - כרוכה בניתוח קפדני של ביצועים, הספק ועלויות. הטכנולוגיה ממשיכה להתפתח במהירות, מונעת על ידי ביקוש בלתי מספק לרוחב פס ומתאפשרת על ידי התקדמות תעשיית המוליכים למחצה.