ตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูง

 

ตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันเข้ารหัสข้อมูลโดยใช้การปรับแอมพลิจูด เฟส และโพลาไรเซชัน ซึ่งต้องใช้ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่ซับซ้อนและการรวมโฟโตนิก อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับอัตราข้อมูลตั้งแต่ 100G ถึง 1.6T ในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณในระยะทางหลายร้อยกิโลเมตร

เทคโนโลยีนี้รวมนวัตกรรมพื้นฐานสามประการเข้าด้วยกัน: ชิป DSP เฉพาะทางที่สร้างขึ้นบนโหนดกระบวนการ 7 นาโนเมตรที่ใช้พลังงานประมาณ 50% ของตัวรับส่งสัญญาณ รูปแบบการมอดูเลชั่นขั้นสูง เช่น 16-QAM และ 64-QAM ที่เข้ารหัสหลายบิตต่อสัญลักษณ์ และแพลตฟอร์มซิลิคอนโฟโตนิกส์ที่รวมส่วนประกอบทางแสงในระดับที่เข้ากันได้กับ CMOS

 

 

เหตุใดการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลจึงกำหนดประสิทธิภาพที่สอดคล้องกัน

 

ชิป DSP ทำหน้าที่เป็นแกนอิเล็กทรอนิกส์ของระบบส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกัน ที่รูปทรงเรขาคณิตของกระบวนการ 7 นาโนเมตร โปรเซสเซอร์เหล่านี้จัดการการแปลงแอนะล็อก-เป็น-ดิจิทัล การชดเชยการกระจายของสีที่มากกว่า 50,000 ps/nm การลดการกระจายของโหมดโพลาไรเซชัน และการแก้ไขข้อผิดพลาดในการส่งต่อ- ทั้งหมดนี้ในขณะที่ยังคงรักษาการกระจายพลังงานให้ต่ำกว่า 10W สำหรับฟอร์มแฟคเตอร์ที่เสียบได้

DSP สมัยใหม่ใช้การสร้างรูปแบบกลุ่มดาวที่น่าจะเป็น ซึ่งเป็นเทคนิคที่ปรับการกระจายพลังงานให้เหมาะสมผ่านสัญลักษณ์การปรับ แทนที่จะใช้จุดทั้งหมด 16 จุดในกลุ่มดาว 16-QAM เท่าๆ กัน PCS ให้ความสำคัญกับจุดกลุ่มดาวภายในที่ใช้พลังงานต่ำบ่อยกว่า วิธีการนี้ขยายขอบเขตการส่งสัญญาณได้ 20-30% โดยไม่ต้องเพิ่มอัตราสัญลักษณ์หรือต้องการการขยายเพิ่มเติม

ความเข้มข้นของการคำนวณอธิบายว่าทำไมความก้าวหน้าของ DSP จึงขับเคลื่อนวิวัฒนาการที่สอดคล้องกัน การย้ายจากโหนดกระบวนการ 16 นาโนเมตรไปเป็น 7 นาโนเมตรช่วยลดการใช้พลังงานลงมากกว่า 75% ในขณะที่ทำให้อัตราการรับส่งข้อมูลสูงขึ้น บริษัทอย่าง Marvell บรรลุเป้าหมายนี้ด้วยสถาปัตยกรรม Canopus โดยสุ่มตัวอย่างในช่วงปลายปี 2019 และเปิดใช้งานโมดูล 400G ZR สำหรับผู้ค้ารายแรก ชิปรองรับการทำงานหลาย-อัตราที่ 100G, 200G, 300G และ 400G พร้อมด้วยโหมดที่สามารถเลือกซอฟต์แวร์ได้-สำหรับความต้องการการเข้าถึงที่แตกต่างกัน

สถาปัตยกรรมการประมวลผลมีความสำคัญพอๆ กับขนาดโหนด DSP มีบล็อกที่แตกต่างกัน ได้แก่ วงจรซีเรียลไลเซอร์-ที่แปลงข้อมูลคู่ขนานเป็นสี่ช่องสัญญาณที่เชื่อมโยงกัน หน่วยประมวลผลสัญญาณจริงที่เข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูลเป็นคุณสมบัติของแสง กลไกการกำหนดเฟรมสำหรับโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตและ OTN และอีควอไลเซอร์แบบปรับตัวที่ชดเชยความบกพร่องของไฟเบอร์ในแบบเรียลไทม์- แต่ละบล็อกต้องใช้ทรัพย์สินทางปัญญาเฉพาะทาง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมผู้จำหน่ายที่บูรณาการในแนวดิ่ง เช่น Nokia, Infinera และ Cisco จึงรักษาความสามารถในการออกแบบ DSP ไว้ภายใน

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานยังคงเป็นข้อจำกัดที่สำคัญ เนื่องจาก DSP ใช้พลังงานประมาณครึ่งหนึ่งของกำลังรับส่งสัญญาณทั้งหมด การจัดการระบายความร้อนจึงกลายเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดในรูปแบบขนาดกะทัดรัด เช่น QSFP-DD และ OSFP งบประมาณด้านพลังงาน 15W สำหรับโมดูลเหล่านี้เหลือเพียง 5-7W สำหรับการทำงานของ DSP หลังจากพิจารณาส่วนประกอบออปติคัลและไดรเวอร์แล้ว ข้อจำกัดนี้ผลักดันอุตสาหกรรมไปสู่โหนดกระบวนการ 5 นาโนเมตรสำหรับแอปพลิเคชัน 800G โดยที่ Orion DSP ของ Marvell ตั้งเป้าไปที่พลังงานต่อบิตที่ต่ำกว่า

 

แผนการมอดูเลตขั้นสูงช่วยให้เกิดประสิทธิภาพสเปกตรัม

 

ตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันใช้ประโยชน์จากการปรับความกว้างของพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสเพื่อเข้ารหัสความหนาแน่นของข้อมูล ในรูปแบบ 16-QAM แต่ละสัญลักษณ์แทนสี่บิตผ่านการรวมกันของแอมพลิจูดและสถานะเฟส การใช้งานโพลาไรเซชันแบบคู่ช่วยเพิ่มความจุนี้เป็นสองเท่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยส่งแปดบิตต่อสัญลักษณ์ข้ามโหมดโพลาไรเซชันแบบตั้งฉากโดยแยกจากกัน 90 องศา

ลำดับการมอดูเลตจะแลกเปลี่ยนโดยตรงระหว่างอัตราข้อมูลและสัญญาณออปติคัล-ถึง-ข้อกำหนดอัตราส่วนสัญญาณรบกวน การมอดูเลต QPSK ซึ่งเข้ารหัสสองบิตต่อสัญลักษณ์ ทน OSNR ได้ต่ำถึง 12-14 dB และช่วยให้สามารถส่งสัญญาณได้ไกลเกิน 4,000 กม. ที่อัตรา 100G การก้าวไปสู่ ​​16-QAM จะเพิ่มปริมาณงานเป็น 4 เท่าเป็น 400G แต่ต้องใช้ OSNR ที่สูงกว่า 22 dB ซึ่งจำกัดการเข้าถึงไว้ที่ประมาณ 1,000-1,500 กม. ขึ้นอยู่กับคุณภาพของไฟเบอร์ คำสั่งที่สูงขึ้น เช่น 64-QAM ดันอัตราข้อมูลเป็น 600G ภายในความยาวคลื่นเดียว แต่ช่วงที่มีประสิทธิภาพลดลงต่ำกว่า 200 กม. เนื่องจากข้อกำหนด OSNR เกิน 28 dB

ความสัมพันธ์ระหว่างความซับซ้อนของการมอดูเลตและการเข้าถึงกำหนดกลยุทธ์การปรับใช้เครือข่าย การเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลซึ่งครอบคลุมระยะทาง 80-120 กม. โดยทั่วไปจะใช้ 16-QAM สำหรับแอปพลิเคชัน 400G ภายใต้มาตรฐาน 400ZR เครือข่ายรถไฟใต้ดินที่ขยายออกไป 300-500 กม. อาจเลือก 8-QAM เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความจุและระยะทาง โดยทั่วไปแล้วสายเคเบิลใต้น้ำระยะไกลที่ข้ามมหาสมุทรจะเปลี่ยนกลับไปเป็น QPSK เพื่อความยืดหยุ่นสูงสุด โดยยอมรับความจุต่อความยาวคลื่นที่ต่ำกว่าเพื่อแลกกับช่วงหลายพันกิโลเมตร

โพลาไรเซชันมัลติเพล็กซ์จะเพิ่มแบนด์วิธที่มีประสิทธิภาพเป็นสองเท่าโดยถือว่าโพลาไรเซชันแนวนอนและแนวตั้งเป็นช่องข้อมูลที่เป็นอิสระ DSP ของเครื่องรับจะต้องแยกโพลาไรเซชันเหล่านี้ออกและชดเชยการกระจายของโหมดโพลาไรเซชันที่ทำให้เกิดความล่าช้าในการแพร่กระจายที่แตกต่างกัน สิ่งนี้เพิ่มความซับซ้อนในการคำนวณแต่ยังคงจำเป็นสำหรับการบรรลุอัตราข้อมูลเชิงพาณิชย์-หากไม่มีโพลาไรเซชันแบบคู่ ตัวรับส่งสัญญาณ 400G จะต้องมีอัตราสัญลักษณ์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า หรือย้ายไปที่คำสั่งมอดูเลชั่นที่สูงจนน่าตกใจ

การวิจัยล่าสุดสำรวจรูปแบบการสั่งซื้อที่สูงขึ้น- การสาธิต 256-QAM สามารถส่งข้อมูลสุทธิ 1 Tbps ในระยะทางกว่า 80 กม. โดยใช้การปรับรูปร่างความน่าจะเป็นเพื่อจัดการสัญญาณรบกวนเฟสจากเลเซอร์ราคาประหยัด แม้ว่ารูปแบบดังกล่าวจะยังคงอยู่ในช่วงทดลองสำหรับการใช้งานจริง แต่ก็ระบุเส้นทางการปรับขนาดในอนาคตเมื่อพลังการประมวลผล DSP และความแม่นยำของส่วนประกอบออปติคัลดีขึ้น

 

การบูรณาการซิลิคอนโฟโตนิกส์ช่วยลดขนาดและต้นทุน

 

ซิลิคอนโฟโตนิกส์ช่วยให้สามารถบูรณาการฟังก์ชันออปติคัลแบบเสาหินได้โดยใช้กระบวนการผลิต CMOS ส่วนประกอบย่อยเชิงแสง-ที่สอดคล้องกันทั่วไปจะรวมเอาโมดูเลเตอร์ เครื่องตรวจจับแสง ตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชัน และตัวผสมที่สอดคล้องกันเข้าด้วยกันบนชิปซิลิคอนตัวเดียวที่มีขนาดไม่กี่ตารางมิลลิเมตร การบูรณาการนี้ก่อนหน้านี้จำเป็นต้องมีส่วนประกอบแยกที่ประกอบขึ้นด้วยการจัดตำแหน่งเส้นใยที่แม่นยำ- กระบวนการที่ไม่เข้ากันกับ-การผลิตปริมาณสูงและฟอร์มแฟคเตอร์ที่เสียบได้

เทคโนโลยีนี้ใช้ประโยชน์จากความสามารถในการหล่อเซมิคอนดักเตอร์ที่เติบโตเต็มที่ กระบวนการ PH18 ของ Tower Semiconductor ซึ่ง Coherent ใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ตัวรับส่งสัญญาณของตน ได้รวมเครื่องตรวจจับแสง ท่อนำคลื่น และตัวปรับกำลังเข้าด้วยกันโดยใช้ซิลิคอน-บน-เวเฟอร์ที่เป็นฉนวน โรงหล่อเหล่านี้ดำเนินการในขนาดสำหรับชิปอิเล็กทรอนิกส์อยู่แล้ว ทำให้มีปริมาณการผลิตโฟโตนิกที่ไม่สามารถทำได้ด้วยสายการผลิตออปติกแบบพิเศษ

แถบความถี่ทางอ้อมของซิลิคอนทำให้เกิดข้อจำกัดพื้นฐาน-ซึ่งไม่สามารถเปล่งหรือตรวจจับแสงที่ความยาวคลื่นการสื่อสารได้อย่างมีประสิทธิภาพ วิธีแก้ปัญหาเกี่ยวข้องกับการบูรณาการแบบต่างกันกับวัสดุ III-V เช่น อินเดียมฟอสไฟด์สำหรับแหล่งกำเนิดเลเซอร์และเครื่องตรวจจับแสงเจอร์เมเนียม การใช้งานบางอย่างใช้การเชื่อมต่อขอบ-เพื่อแยกส่วนประกอบเลเซอร์ออกจากซิลิคอน PIC ในขณะที่วิธีอื่นๆ ใช้การเชื่อมเวเฟอร์โดยตรงของ III-V ที่ตายบนซิลิคอน แต่ละแนวทางจะแลกเปลี่ยนความหนาแน่นของการบูรณาการกับความซับซ้อนและต้นทุนการผลิต

ประสิทธิภาพการมอดูเลตเป็นตัวขับเคลื่อนแผนงานการพัฒนาโฟโตนิกส์ของซิลิคอน โมดูเลเตอร์การกระจายพลาสมามาตรฐาน-ที่อิงตามการฉีดพาหะให้ประสิทธิภาพที่เพียงพอสำหรับแอปพลิเคชันจำนวนมาก แต่ต้องดิ้นรนกับการทำงาน-ความเร็วสูง แรงดันไฟฟ้าต่ำ- ซึ่งจำเป็นสำหรับ-อัตรา 800G และ 1.6T รุ่นถัดไป ข้อจำกัดนี้กระตุ้นให้เกิดการตรวจสอบวัสดุเอฟเฟกต์ของ Pockels- ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง-ที่ยึดติดกับซับสเตรตซิลิกอนให้แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ที่ต่ำกว่าและแบนด์วิธที่สูงกว่าซิลิคอนเพียงอย่างเดียว แม้ว่าจะมีความซับซ้อนของกระบวนการเพิ่มขึ้นก็ตาม

กรณีทางเศรษฐกิจมีความน่าสนใจในปริมาณมาก ชุดมาสก์โฟโตนิกเริ่มต้นมีราคาหลายล้านดอลลาร์ และรอบการออกแบบมีระยะเวลา 12-18 เดือน อย่างไรก็ตาม ต้นทุนการประมวลผลแผ่นเวเฟอร์ยังคงเทียบเคียงได้กับชิปอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อตัดจำหน่ายตลอดการผลิตเกิน 100,000 หน่วยต่อปี สำหรับตัวรับส่งสัญญาณศูนย์ข้อมูลที่จัดส่งเป็นล้านหน่วย ซิลิคอนโฟโตนิกส์ช่วยลดต้นทุนได้ 2-3 เท่า เมื่อเทียบกับวิธีการประกอบแบบแยกส่วน

ความคงตัวของอุณหภูมิถือเป็นข้อดีอีกประการหนึ่ง โมดูเลเตอร์ซิลิคอนแสดงการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นประมาณ 0.08 นาโนเมตรต่อองศาเซลเซียส ซึ่งจัดการได้ผ่านการปรับความยาวคลื่นในเลเซอร์ออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ สิ่งนี้ได้ขจัดข้อกำหนดสำหรับเครื่องทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กทริกในการออกแบบหลายๆ แบบ ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก ตัวรับส่งสัญญาณที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับช่วงอุณหภูมิอุตสาหกรรม (-40 องศาถึง 85 องศา) ขณะนี้บรรลุข้อกำหนดนี้โดยใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์โดยไม่ต้องระบายความร้อน

 

 

อัตรารับส่งข้อมูลและความซับซ้อนในการประมวลผลสัญลักษณ์

 

อัตราสัญลักษณ์กำหนดความเร็วสัญญาณนาฬิกาพื้นฐานของระบบส่งกำลังแบบต่อเนื่อง โมดูลที่สอดคล้องกันในปัจจุบัน 400G ทำงานที่ 64 กิกะบาวด์ ซึ่งหมายความว่า DSP ประมวลผล 64 พันล้านสัญลักษณ์ต่อวินาที เมื่อรวมกับการเข้ารหัส 16-QAM (4 บิตต่อสัญลักษณ์) และโพลาไรซ์คู่ (2x) ทำให้ได้อัตราข้อมูลรวม 400G: 64 GBd × 4 บิต × 2 โพลาไรซ์=512 Gbps ความจุดิบ ลดลงเหลือ 400 Gbps หลังจากโอเวอร์เฮดการแก้ไขข้อผิดพลาดไปข้างหน้า

การเพิ่มอัตรารับส่งข้อมูลจะปรับขนาดปริมาณงานโดยตรง แต่ต้องเผชิญกับขีดจำกัดทางกายภาพ ที่ 90 gigabaud ซึ่งแสดงให้เห็นโดยสถาปัตยกรรม PSE-V ของ Nokia รูปแบบ 16-QAM แบบเดียวกันนี้ให้ความจุ 600G อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่าง DSP และส่วนประกอบออปติคอลต้องเผชิญกับข้อจำกัดแบนด์วิธ ความสมบูรณ์ของสัญญาณจะลดลงเมื่อความยาวร่องรอยและความเหนี่ยวนำของลวดบอนด์ทำให้เกิดการสูญเสียและการกระจายตัวที่ความถี่เหล่านี้ สิ่งนี้ผลักดันอุตสาหกรรมไปสู่แนวทางบูรณาการ 3 มิติ โดยที่ DSP, แอมพลิฟายเออร์ไดรเวอร์ และเครื่องยนต์ซิลิคอนโฟโตนิกซ้อนกันในแนวตั้งโดยมีระยะห่างระหว่างการเชื่อมต่อน้อยที่สุด

ความสัมพันธ์ระหว่างอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าและออปติคัลทำให้เกิดข้อจำกัดในการออกแบบ ตัวรับส่งสัญญาณ 400G-ZR นำเสนออินเทอร์เฟซไฟฟ้า 400GbE มาตรฐานให้กับระบบโฮสต์-เลน 50G แปดเลนโดยใช้การส่งสัญญาณ PAM-4 ภายใน DSP จะแปลงช่องสัญญาณออปติคัล 64-GBd สี่ช่อง อัตราที่ไม่ตรงกันนี้ต้องใช้ฟังก์ชัน "กระปุกเกียร์" ซึ่งใช้แบบดั้งเดิมในเฟิร์มแวร์ DSP การแปลงทำให้เกิดเวลาแฝง โดยทั่วไปคือ 200-500 นาโนวินาที ซึ่งเป็นที่ยอมรับสำหรับแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ แต่เป็นปัญหาสำหรับระบบการซื้อขายที่มีเวลาแฝงต่ำมากหรือลูปการควบคุมแบบเรียลไทม์

อัตราสัญลักษณ์ที่สูงขึ้นยังต้องการคุณภาพไฟเบอร์ที่ดีขึ้นด้วย ที่ 64 GBd ไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-มาตรฐานแสดงการกระจายตัวของสีที่สามารถจัดการได้ประมาณ 17 พิโคเซคอน/นาโนเมตร/กม. การเพิ่มเป็น 90 GBd ทำให้เกิดการกระจายตัว-ทำให้เกิดการขยายสัญญาณ โดยต้องใช้การปรับสมดุล DSP ที่เข้มข้นมากขึ้นหรือช่วงการส่งข้อมูลที่สั้นลง สิ่งนี้จะสร้างขีดจำกัดในทางปฏิบัติประมาณ 100 GBd ด้วยโครงสร้างพื้นฐานไฟเบอร์ในปัจจุบัน แม้ว่าประเภทไฟเบอร์ที่ได้รับการปรับปรุงและ DSP ที่ทรงพลังยิ่งขึ้นอาจผลักดันขอบเขตนี้

การแก้ไขข้อผิดพลาดไปข้างหน้าจะเพิ่มค่าใช้จ่ายที่ปรับขนาดตามความซับซ้อนของสัญลักษณ์ การตัดสินใจยากอย่างง่าย- FEC อาจเพิ่มค่าใช้จ่าย 7% ในขณะที่อัลกอริธึมการตัดสินใจแบบนุ่มนวล-ขั้นสูงที่ให้การเข้ารหัสที่มากขึ้นจะใช้ค่าใช้จ่าย 20-25% สำหรับระบบ 16-QAM ขนาด 64-GBd ที่สร้างข้อมูลดิบ 512 Gbps ค่าใช้จ่าย FEC 20% ให้ความจุสุทธิ 410 Gbps ซึ่งใกล้เคียงกับเป้าหมาย 400G DSP จะต้องประมวลผลการแก้ไขนี้แบบเรียลไทม์โดยมีเวลาแฝงต่ำกว่า 1 ไมโครวินาที ทำให้มีความต้องการมหาศาลสำหรับสถาปัตยกรรมการประมวลผล

 

การชดเชยการกระจายตัวของสีและโพลาไรซ์

 

ใยแก้วนำแสงจะกระจายความยาวคลื่นที่แตกต่างกันออกไปด้วยความเร็วที่ต่างกัน ซึ่งเรียกว่าการกระจายตัวของสีซึ่งมีหน่วยเป็นพิโควินาทีต่อนาโนเมตรต่อกิโลเมตร ไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-มาตรฐานยาวกว่า 100 กม. สัญญาณ 1550 นาโนเมตรสะสมการกระจายประมาณ 1,700 พิโคเซคอน/นาโนเมตร โดยไม่มีการชดเชย การกระจายพัลส์นี้จะทำลายความสมบูรณ์ของสัญญาณสำหรับอัตราข้อมูลที่สูงกว่า 10 Gbps

ระบบ DWDM แบบเดิมแก้ไขปัญหานี้โดยใช้โมดูลการชดเชยการกระจาย-แกนเส้นใยพิเศษที่มีลักษณะการกระจายตัวเป็นลบ อุปกรณ์แบบพาสซีฟเหล่านี้เพิ่มการสูญเสียการแทรก จำเป็นต้องมีวิศวกรรมที่แม่นยำสำหรับแต่ละช่วงลิงก์ และใช้พื้นที่แร็คจำนวนมาก Coherent DSP ขจัดข้อกำหนดนี้โดยการคำนวณฟังก์ชันการถ่ายโอนแบบผกผันและใช้การกรองแบบดิจิทัลกับสัญญาณที่ได้รับ อัลกอริธึมจะกลับการหมุนเฟสที่การกระจายของสีส่งผ่านแบนด์วิดท์สัญญาณ

DSP ที่สอดคล้องกันสมัยใหม่จะชดเชยการกระจายของสีที่เกิน 100,000 ps/nm เทียบเท่ากับไฟเบอร์มาตรฐาน 600 กม. โดยมีระยะขอบ การคำนวณเกี่ยวข้องกับการกรองโดเมนความถี่- ซึ่งมีประสิทธิภาพในการคำนวณผ่านอัลกอริธึมการแปลงฟูริเยร์ที่รวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ความยาวตัวกรองและอัตราการอัปเดตใช้ทรัพยากร DSP ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมระบบที่เชื่อมโยงกันในยุคแรกๆ จึงทำงานที่อัตรารับส่งข้อมูลต่ำกว่าอุปกรณ์ปัจจุบัน เมื่อพลังการประมวลผล DSP เพิ่มขึ้นตามความก้าวหน้าของ Moore's Law ช่วงการชดเชยก็ขยายออกไปในขณะที่การใช้พลังงานลดลง

การกระจายตัวของโหมดโพลาไรเซชันเกิดขึ้นจากการรีฟริงก์เล็กน้อยในโหมดโพลาไรเซชันของไฟเบอร์-ทั้งแนวนอนและแนวตั้งเดินทางด้วยความเร็วที่ต่างกันด้วยกล้องจุลทรรศน์ PMD จะแปรผันแบบสุ่มตามความยาวของเส้นใย และการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิและความเค้น ทำให้ไม่สามารถชดเชยด้วยตัวกรองแบบคงที่ได้ โดยทั่วไปขนาด PMD จะวัดได้ 0.1-0.5 ps/√km สะสมอยู่ที่ 3-15 ps ในระยะทาง 1,000 กม.

DSP จัดการกับ PMD ผ่านการปรับอีควอไลเซอร์โดยใช้อัลกอริธึมโมดูลัสคงที่หรือแนวทางที่คล้ายกัน อัลกอริธึมเหล่านี้จะติดตามการหมุนของโพลาไรเซชันและการหน่วงเวลาของกลุ่มดิฟเฟอเรนเชียลแบบเรียลไทม์- โดยอัปเดตค่าสัมประสิทธิ์ของอีควอไลเซอร์ทุกๆ สองสามไมโครวินาทีเพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อม การปรับสมดุลต้องใช้การคูณเมทริกซ์สำหรับแต่ละตัวอย่าง ซึ่งใช้ประมาณ 20% ของความสามารถในการประมวลผล DSP ตัวรับส่งสัญญาณระบุ PMD ที่ยอมรับได้สูงสุด โดยทั่วไปคือ 50 ps สำหรับโมดูล 400G ซึ่งจำกัดการใช้งานบนโรงงานไฟเบอร์ที่เก่ามากหรือมีความเครียด

ผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นถือเป็นความท้าทายประการที่สาม เมื่อมีกำลังแสงสูง ดัชนีการหักเหของแสงของไฟเบอร์จะกลายเป็นความเข้ม-ขึ้นอยู่กับ ทำให้เกิด-การปรับเฟสด้วยตนเองและการปรับเฟสข้าม-ระหว่างช่อง WDM เอฟเฟกต์เหล่านี้เติบโตตามความยาวของไฟเบอร์และพลังงานแสง ซึ่งท้ายที่สุดแล้วก็จะจำกัดพลังการยิงที่สามารถใช้ได้ แม้ว่า DSP สามารถชดเชยความบกพร่องเชิงเส้น เช่น การกระจายตัวของสีได้ แต่การชดเชยความไม่เชิงเส้นต้องใช้อัลกอริธึมที่ซับซ้อนมากขึ้นอย่างมาก ซึ่งคาดการณ์การบิดเบือนของสัญญาณตามรูปคลื่นที่ส่ง การใช้งานขั้นสูงบางอย่างใช้การชดเชยความไม่เชิงเส้นล่วงหน้า-ที่เครื่องส่ง โดยจงใจบิดเบือนสัญญาณที่ส่ง เพื่อให้ความไม่เป็นเชิงเส้นของไฟเบอร์ทำให้สัญญาณกลับมามีรูปทรงที่ถูกต้องที่เครื่องรับ

 

วิวัฒนาการของฟอร์มแฟคเตอร์และข้อจำกัดด้านพลังงาน

 

ตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันเริ่มต้นจากการใช้การ์ดไลน์-ซึ่งใช้กำลังหลายร้อยวัตต์ในช่องแชสซีหลายช่อง ฟอร์มแฟคเตอร์ CFP ซึ่งเปิดตัวประมาณปี 2010 ได้รับพลังงานประมาณ 100W ในโมดูลแบบเสียบปลั๊กขนาดใหญ่ โมดูล CFP2 ลดจำนวนลงเหลือ 40-60W ภายในปี 2014 ทำให้สามารถใช้งานอินเทอร์เฟซที่เชื่อมโยงกันของสล็อตเดี่ยวได้ ความก้าวหน้าของรูปแบบ QSFP-DD (15W) และ OSFP (20-25W) จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงทางสถาปัตยกรรมที่อธิบายไว้ข้างต้น: 7nm DSPs, การรวมโฟโตนิกของซิลิคอน และการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานเชิงรุก

ซองกำลัง 15W QSFP-DD แยกย่อยโดยประมาณ: 6-7W สำหรับ DSP, 2-3W สำหรับซิลิคอนโฟโตนิกเอ็นจิ้นซึ่งรวมถึงโมดูเลเตอร์และตัวรับ, 3-4W สำหรับแอมพลิฟายเออร์ไดรเวอร์และแอมพลิฟายเออร์ทรานส์อิมพีแดนซ์ และ 1-2W สำหรับเลเซอร์ที่ปรับค่าได้ งบประมาณที่จำกัดนี้ส่งผลให้การออกแบบต้องประนีประนอมมากมาย คุณลักษณะต่างๆ เช่น การดำเนินการแบบอัตราคู่หรืออัลกอริธึม FEC ที่ได้รับการปรับปรุงจะเพิ่มภาระการประมวลผลที่อาจไม่พอดีกับขีดจำกัดพลังงาน การจัดการระบายความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยกระจายไปจากโมดูลขนาดเล็ก 15 วัตต์ จำเป็นต้องมีการออกแบบฮีทซิงค์อย่างระมัดระวังและการไหลเวียนของอากาศของระบบโฮสต์

ขนาดที่ใหญ่ขึ้นของ OSFP และงบประมาณด้านพลังงาน 20-25W ​​ทำให้มีการใช้งานที่มีความสามารถมากขึ้น เครือข่ายเมโทรที่กำหนดเป้าหมายตามข้อกำหนด OpenZR+ ทำงานในรูปแบบ OSFP ซึ่งรองรับกำลังเอาต์พุตที่สูงขึ้นผ่านการขยายสัญญาณออปติคอลในตัว อัลกอริธึม DSP ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น และช่วงอุณหภูมิที่ขยาย 5-10W เพิ่มเติมช่วยให้สามารถใช้คุณลักษณะต่างๆ เช่น การสร้างรูปร่างความน่าจะเป็นและ FEC ที่ได้รับสูงกว่า ซึ่งปรับปรุงการเข้าถึงจาก 120 กม. เป็น 500+ กม. เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้งาน 400ZR พื้นฐาน

Co-แพ็คเกจออปติกเป็นตัวแทนของขอบเขตการบูรณาการขั้นต่อไป แทนที่จะเป็นโมดูลที่เสียบปลั๊กได้ CPO จะวางโฟโตนิกดายไว้ติดกับสวิตช์ซิลิคอนโดยตรง ซึ่งช่วยลดการใช้ซีเรียลไลเซอร์ทางไฟฟ้า-และการใช้พลังงานที่เกี่ยวข้อง ในสถาปัตยกรรม CPO ออปติคอลเอ็นจิ้นที่สอดคล้องกันอาจกระจาย 5W สำหรับความจุ 400G เทียบกับ 15W ในรูปแบบปลั๊กเสียบได้ การลดกำลัง 3 เท่านี้มาจากเส้นทางไฟฟ้าที่สั้นลง และการกำจัดขั้นตอนการปรับสภาพสัญญาณที่ซ้ำซ้อน อย่างไรก็ตาม CPO เสียสละความสามารถในการทดแทนภาคสนาม ทำให้การผลิตและโลจิสติกส์การบริการมีความซับซ้อน

หน่วยงานมาตรฐานทำงานเพื่อสร้างสมดุลระหว่างการทำงานร่วมกันกับนวัตกรรม ข้อตกลงการใช้งาน OIF 400ZR กำหนดชุดย่อยเฉพาะของความสามารถที่สอดคล้องกัน-อัตราสัญลักษณ์ 64 GBd, การปรับ DP-16QAM, อัลกอริธึม FEC ที่ระบุ เพื่อให้มั่นใจว่าผู้จำหน่ายหลายรายสามารถทำงานร่วมกันได้สำหรับแอปพลิเคชันที่เชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูล OpenZR+ ขยายขอบเขตนี้ไปสู่ระยะทางในเมืองใหญ่ด้วยพารามิเตอร์ที่ยืดหยุ่นมากขึ้น การใช้งานที่เป็นกรรมสิทธิ์เช่นแพลตฟอร์ม WaveLogic ของ Ciena หรือแพลตฟอร์ม ICE ของ Infinera จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้ดียิ่งขึ้น แต่ต้องใช้อุปกรณ์ที่ตรงกันที่ปลายทั้งสองด้านของลิงก์

 

 

ประสิทธิภาพการลากระยะไกล-และงบประมาณด้านพลังงานแสง

 

การเข้าถึงการส่งข้อมูลขึ้นอยู่กับงบประมาณพลังงานแสงโดยพื้นฐาน-ความแตกต่างระหว่างกำลังที่ส่งและความไวของตัวรับ โดยทั่วไปแล้ว โมดูล 400G-ZR จะได้รับกำลังส่ง 0 dBm ผ่านเครื่องขยายสัญญาณแบบออปติคัลแบบเซมิคอนดักเตอร์ในตัว และแสดงความไวของตัวรับ -20 dBm ทำให้มีงบประมาณด้านพลังงานอยู่ที่ 20 dB หลังจากคำนึงถึงการสูญเสียตัวเชื่อมต่อ 3-4 dB การลดทอนของไฟเบอร์ 0.2 dB/km และระยะขอบที่ต้องการ ซึ่งช่วยให้เข้าถึงได้ประมาณ 80 กม.

ตัวรับส่งสัญญาณที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพ Metro- ขยายขอบเขตการเข้าถึงด้วยกำลังการยิงที่สูงขึ้นและความไวของตัวรับที่ดีขึ้น การใช้งาน OpenZR+ ทำให้เกิดการเปิดตัว +4 dBm ผ่านแอมพลิฟายเออร์ในตัวที่มีความสามารถมากขึ้นและความไว - 24 dBm ผ่านอัลกอริธึม DSP ที่ได้รับการปรับปรุงและตัวตรวจจับแสงที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ งบประมาณที่ได้รับการปรับปรุง 28 dB ช่วยให้สามารถขยายระยะทางได้ 400 กม. ด้วยการขยายสัญญาณแบบออปติคอล หรือ 1,000+ กม. ด้วยเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียมทุกๆ 80-100 กม.

ระบบเรือดำน้ำระยะไกล-มีการทำงานแตกต่างออกไป แทนที่จะใช้ตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบได้ การใช้การ์ดไลน์-เหล่านี้กับเครื่องขยายสัญญาณกำลังสูง-ภายนอกที่สร้างกำลังส่ง +10 ถึง +15 dBm ระยะห่างของตัวขยายสัญญาณแบบออปติคอลทุกๆ 50-80 กม. จะรักษาความแรงของสัญญาณตลอดระยะทางข้ามมหาสมุทร เมตริกหลักจะกลายเป็นประสิทธิภาพสเปกตรัม-จำนวนบิตต่อวินาทีต่อเฮิร์ตซ์ของแบนด์วิดท์แบบออปติคอล การใช้งานขั้นสูงบรรลุผล 8-10 บิต/วินาที/เฮิร์ตซ์ผ่านทาง PCS, QAM ที่มีลำดับสูงเมื่อ OSNR อนุญาต และ FEC ที่ซับซ้อนซึ่งให้อัตราขยายการเข้ารหัส 11-12 dB

DWDM มัลติเพล็กซ์จะรวมช่องสัญญาณความยาวคลื่นหลายช่องไว้บนเส้นใยเดี่ยว ระบบสมัยใหม่สนับสนุน 96 ช่องสัญญาณบนย่านความถี่ 50 GHz ข้ามแถบความถี่ C- หรือ 192 ช่องสัญญาณที่ระยะห่าง 25 GHz พร้อมการกรองที่เข้มงวดยิ่งขึ้น ระบบแบนด์ C+L ที่โหลดเต็มที่อาจมีความยาวคลื่น 200+ ความยาวคลื่นแต่ละตัวที่ 400G ซึ่งให้ความจุรวม 80 Tbps บนคู่ไฟเบอร์ ตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันจะต้องอยู่ร่วมกับช่องสัญญาณที่อยู่ติดกันโดยมีครอสทอล์คน้อยที่สุด ซึ่งต้องใช้การกรองแสงที่คมชัดและความเสถียรของความยาวคลื่นที่แม่นยำ

ออพติคอลแอด-ดร็อปมัลติเพล็กเซอร์ที่กำหนดค่าใหม่ได้ช่วยให้กำหนดเส้นทางความยาวคลื่นได้อย่างยืดหยุ่น โดยไม่ต้องแปลงออปติคอล-ทางไฟฟ้า- ตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงทำงานร่วมกับ ROADM ผ่านการควบคุมความยาวคลื่นอย่างระมัดระวังและกำลังส่งที่เพียงพอเพื่อเอาชนะการสูญเสียการแทรก ROADM โดยทั่วไปคือ 10-15 dB สำหรับเครือข่ายตาข่ายที่ซับซ้อน เลเซอร์แบบปรับได้ในโมดูลที่สอดคล้องกันรองรับการกำหนดค่าความยาวคลื่นใหม่ในไม่กี่นาที แทนที่จะต้องเปลี่ยนโมดูลทางกายภาพ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับเครือข่ายแบบปรับเปลี่ยนได้

 

ความท้าทายในการนำไปปฏิบัติและการแลกเปลี่ยน-การออกแบบ

 

การบูรณาการส่วนประกอบทำให้เกิดความท้าทายอย่างต่อเนื่อง ซิลิคอนโฟโตนิกส์ต้องการการควบคุมความหนาที่แม่นยำของชั้นท่อนำคลื่น-ความแปรผันของ 1-2 นาโนเมตรจะเปลี่ยนความยาวคลื่นเรโซแนนซ์และลดประสิทธิภาพลง การบูรณาการที่แตกต่างกันของเลเซอร์ III-V บนพื้นผิวซิลิกอนต้องการการจัดตำแหน่งที่ต่ำกว่า-ไมครอนและการมีเพศสัมพันธ์ทางแสงที่สูญเสียต่ำ ผลผลิตจากการผลิตยังคงอ่อนไหวต่อความผันแปรของกระบวนการ แม้ว่าจะดีขึ้นด้วยประสบการณ์ในการหล่อโลหะก็ตาม

การจัดการระบายความร้อนทำให้ฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดกะทัดรัดมีความซับซ้อน การกระจายพลังงานแบบรวมศูนย์ที่ 15W ในโมดูล QSFP-DD จะสร้างฮอตสปอตเกิน 80 องศาที่จุดเชื่อมต่อส่วนประกอบ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้จะเปลี่ยนความยาวคลื่นเลเซอร์ เปลี่ยนความยาวเส้นทางแสงในท่อนำคลื่นซิลิคอน และเร่งการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบ การแพร่กระจายความร้อนผ่านฮีทซิงค์โลหะและการออกแบบการระบายความร้อน PCB อย่างระมัดระวังช่วยลดผลกระทบเหล่านี้ แต่ข้อจำกัดด้านความร้อนมักจำกัดประสิทธิภาพสูงสุด

การทดสอบและคุณสมบัติจะขยายระยะเวลาการพัฒนา ตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันจะต้องแสดงอัตราข้อผิดพลาดบิตที่ต่ำกว่า 10^-15 ตลอดช่วงอุณหภูมิ ตารางความยาวคลื่น และประเภทไฟเบอร์ การทดสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดของโปรโตคอลจะตรวจสอบเฟรมอีเทอร์เน็ต การห่อหุ้ม OTN และอินเทอร์เฟซการจัดการ การตรวจสอบความสามารถในการทำงานร่วมกันจำเป็นต้องมีการทดสอบกับผู้จำหน่ายอุปกรณ์หลายราย โดยทั่วไปกระบวนการนี้จะใช้เวลา 18-24 เดือนตั้งแต่ซิลิคอนตัวแรกจนถึงการเปิดตัวการผลิต

โครงสร้างต้นทุนแตกต่างจาก-ออปติกตรวจจับโดยตรง DSP แบบพิเศษ การรวมโฟโตนิก และส่วนประกอบเลเซอร์ที่ปรับแต่งได้ทำให้เกิดต้นทุนพื้นฐานที่สูงขึ้น ชดเชยโดยลดการชดเชยการกระจายตัวภายนอก และรองรับระยะที่ยาวขึ้น ปริมาณการผลิตผลักดันต้นทุนต่อหน่วย-ที่ 100,000 หน่วยต่อปี ซิลิคอนโฟโตนิกส์มีความเท่าเทียมด้านต้นทุนด้วยการประกอบแบบแยกส่วน เมื่อนับล้านหน่วย ซิลิคอนจะช่วยลดต้นทุนได้ 50-60%

การกระจายตัวของมาตรฐานทำให้การใช้งานยุ่งยาก แม้ว่า 400ZR จะประสบความสำเร็จในการนำไปใช้ในวงกว้าง แต่ส่วนขยาย เช่น OpenZR+ และรูปแบบที่เป็นกรรมสิทธิ์ก็กระจัดกระจายในตลาด อุปกรณ์ที่ต้องการการใช้งานตัวรับส่งสัญญาณที่ตรงกันจะสร้างการล็อคอินของผู้จำหน่าย- และทำให้เครือข่าย-ผู้จำหน่ายหลายรายซับซ้อน กลุ่มอุตสาหกรรมทำงานเพื่อสร้างมาตรฐานที่มากขึ้น แต่การสร้างความแตกต่างด้านประสิทธิภาพกลับกระตุ้นให้เกิดการขยายเวลาที่เป็นกรรมสิทธิ์

การขยายกำลังเป็น 800G และ 1.6T ก้าวข้ามขีดจำกัดทั้งหมดไปพร้อมๆ กัน อัตราข้อมูลที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในขณะที่ยังคงรักษางบประมาณด้านพลังงานไว้นั้นต้องใช้ DSP ขนาด 5 นาโนเมตรหรือ 3 นาโนเมตร รูปแบบการปรับที่ได้รับการปรับปรุง และการรวมโฟโตนิกที่ดีขึ้น เพียงปรับขนาดสถาปัตยกรรม 400G เชิงเส้นจะเกินขีดจำกัดพลังงานและขีดจำกัดความร้อน เทคนิคใหม่ๆ เช่น การประมวลผลสัญญาณแอนะล็อก การปรับโดเมนออปติคอล และสถาปัตยกรรมชิปเล็ตที่ต่างกัน มีเป้าหมายที่จะทำลายข้อจำกัดเหล่านี้

 

พลวัตของตลาดและกลุ่มแอปพลิเคชัน

 

แอปพลิเคชันการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลกระตุ้นให้เกิดการนำระบบเสียบปลั๊กที่สอดคล้องกันตั้งแต่แรกเริ่ม ผู้ให้บริการระบบคลาวด์ที่เชื่อมต่อสิ่งอำนวยความสะดวกที่อยู่ห่างกัน 40-120 กม. ได้ปรับใช้โมดูล 400ZR ในล้านหน่วยต่อปี โดยแทนที่อุปกรณ์การขนส่งเฉพาะด้วยการเชื่อมต่อเราเตอร์โดยตรง-กับเราเตอร์ สถาปัตยกรรม "IP over DWDM" นี้ทำให้เครือข่ายง่ายขึ้น ลดการใช้พลังงาน และปรับปรุงความประหยัดด้วยอุปกรณ์ประเภทและโมเดลการดำเนินงานที่น้อยลง

ผู้ให้บริการโทรคมนาคมมีข้อกำหนดที่แตกต่างกัน เครือข่ายเมืองใหญ่และเครือข่ายภูมิภาคที่ทอดยาว 200-2,000 กม. ต้องการประสิทธิภาพที่สูงกว่าโมดูลที่ได้รับการปรับแต่ง DCI คุณลักษณะระดับ Telco- ประกอบด้วยการตรวจสอบที่ได้รับการปรับปรุง การปรับความยาวคลื่นแบบ Hitless และมาตรฐานความน่าเชื่อถือระดับผู้ให้บริการ การใช้งาน OpenZR+ และกรรมสิทธิ์ที่สอดคล้องกันตอบสนองความต้องการเหล่านี้ด้วย DSP ที่มีความสามารถมากขึ้น ประสิทธิภาพด้านออปติคัลที่ดีขึ้น และการสนับสนุนการดำเนินงานที่ครอบคลุม

ระบบเคเบิลใต้น้ำแสดงถึงจุดสุดยอดด้านประสิทธิภาพ ลิงค์ข้ามมหาสมุทรต้องการความจุสูงสุดต่อไฟเบอร์และความน่าเชื่อถือสูงสุดเนื่องจากสถานที่ใช้งานที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ ระบบเหล่านี้ใช้การใช้งานที่สอดคล้องกันแบบกำหนดเองที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับลิงก์เฉพาะ-การเลือกการมอดูเลตอย่างระมัดระวังโดยอิงตามคุณลักษณะของไฟเบอร์ที่วัดได้ การเข้ารหัสสูงสุดได้รับ FEC ซึ่งทนทานต่อช่วงการสร้างใหม่ที่ยาวนานขึ้น และความซ้ำซ้อนที่กว้างขวาง อายุการใช้งานของสายเคเบิล 25+ ปีต้องมีคุณสมบัติส่วนประกอบที่เกินมาตรฐานเชิงพาณิชย์ทั่วไป

การขนส่ง 5G สร้างความต้องการที่เกิดขึ้นใหม่สำหรับเลนส์ที่สอดคล้องกัน ความหนาแน่นของเครือข่ายมือถือและการเติบโตของแบนด์วิธทำให้ความต้องการไฟเบอร์ขับเคลื่อนสำหรับการเชื่อมต่อแบ็คฮอลไซต์เซลล์และการเชื่อมต่อมิดฮอล ตัวรับส่งสัญญาณที่สอดคล้องกันซึ่งรองรับช่วงอุณหภูมิอุตสาหกรรมช่วยให้สามารถติดตั้งกลางแจ้งในตู้ระยะไกลหรือตู้ข้างถนนได้ การใช้งาน 100G ที่สอดคล้องกันในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัด ประหยัดพลังงาน- และทนทานต่อสิ่งแวดล้อมกำหนดเป้าหมายไปที่กลุ่มนี้ โดยแลกประสิทธิภาพสูงสุดกับต้นทุนและความทนทาน

ในอดีตเครือข่ายองค์กรใช้ออปติกตรวจจับโดยตรง- เมื่อพิจารณาจากระยะทางที่สั้นกว่าและความต้องการแบนด์วิดท์ที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม โครงสร้างหลักของวิทยาเขต 400G และ-การเชื่อมต่อระหว่างกันทำให้เกิดความสมเหตุสมผลทางเศรษฐกิจที่สอดคล้องกันมากขึ้น การปรับใช้ที่ง่ายขึ้นผ่านฟอร์มแฟคเตอร์ที่เสียบได้และต้นทุนที่ลดลงจะขยายตลาดที่อยู่ได้นอกเหนือจากเครือข่ายผู้ให้บริการแบบเดิม

 

แผนงานเทคโนโลยีและทิศทางในอนาคต

 

ตัวรับส่งสัญญาณที่สอดคล้องกัน 800G เริ่มการผลิตในปี 2024 โดยใช้ DSP ขนาด 5 นาโนเมตรและแผนการมอดูเลตที่ได้รับการปรับปรุง ที่อัตราสัญลักษณ์ 90-100 GBd พร้อมการปรับ 16-QAM หรือ 8-QAM อุปกรณ์เหล่านี้มีความจุ 400G เป็นสองเท่าในรูปแบบแฟคเตอร์ที่คล้ายคลึงกัน การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นเป็น 18-22W สำหรับการใช้งาน OSFP ที่ขอบของความสามารถในการจัดการระบายความร้อน กรณีทางเศรษฐกิจยังคงน่าสนใจสำหรับการเชื่อมโยงที่มีความจุสูง โดยที่ความจุที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในโครงสร้างพื้นฐานไฟเบอร์ที่มีอยู่ช่วยชะลอการขยายโรงงานไฟเบอร์ที่มีค่าใช้จ่ายสูง

การเชื่อมโยงกัน 1.6T แสดงถึงขอบเขตการพัฒนาในปัจจุบัน การสาธิตบรรลุอัตรานี้ผ่านการดำเนินการ 140 GBd พร้อมการปรับ 8-QAM แม้ว่าการใช้งานเชิงพาณิชย์จะรอความพร้อมใช้งานของ DSP ขนาด 3 นาโนเมตร และการปรับปรุงการรวมโฟโตนิกเพิ่มเติม อีกทางหนึ่ง การใช้งาน-ผู้ให้บริการ 800G แบบคู่จะมัลติเพล็กซ์ 800G สองช่องในโมดูลเดียว เส้นทางที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน เป้าหมายด้านต้นทุน และ{11}}การพิจารณาเวลาในการนำออกสู่ตลาด

นอกเหนือจาก DSP แบบไฟฟ้าแล้ว การประมวลผลสัญญาณออปติคอลยังช่วยประหยัดพลังงานอีกด้วย การทำการปรับสมดุล การชดเชยการกระจาย หรือการกู้คืนเฟสในโดเมนออปติคอลโดยใช้วงจรโฟโตนิกสามารถลดภาระการคำนวณ DSP ได้ อย่างไรก็ตาม การประมวลผลเชิงแสงขาดความยืดหยุ่นและความสามารถในการปรับตัวของอัลกอริธึมดิจิทัล ซึ่งจำกัดความสามารถในการบังคับใช้กับความบกพร่องเฉพาะเจาะจง{2}}

การสื่อสารควอนตัมสำรวจเทคโนโลยีที่สอดคล้องกันสำหรับการกระจายคีย์ควอนตัม การควบคุมเฟสและโพลาไรเซชันที่แม่นยำซึ่งจำเป็นสำหรับสถานะควอนตัมใช้ประโยชน์จากความสามารถของตัวรับส่งสัญญาณที่สอดคล้องกัน ในขณะที่เครือข่ายเฉพาะในปัจจุบัน เครือข่ายควอนตัมอาจใช้ฮาร์ดแวร์ที่เชื่อมโยงกันเป็นรากฐาน ทำให้เกิดการทำงานร่วมกันระหว่างการสื่อสารออปติกแบบคลาสสิกและควอนตัม

แอปพลิเคชันปัญญาประดิษฐ์ผลักดันความต้องการแบนด์วิธให้สูงขึ้น การฝึกอบรมโมเดลภาษาขนาดใหญ่จะกระจายการคำนวณไปยัง GPU หลายพันตัว ทำให้เกิดการรับส่งข้อมูลศูนย์ข้อมูลตะวันออก-ตะวันตกโดยวัดเป็นหน่วยเอกซาไบต์ทุกเดือน การจราจรนี้ใช้ระบบนำแสงที่สอดคล้องกันมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อความจุที่เหนือกว่า-ผลิตภัณฑ์ระยะทาง แม้จะอยู่ภายในอาคารเดี่ยวก็ตาม เมื่อปริมาณงานของ AI เติบโตขึ้น สิ่งเหล่านี้อาจกลายเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของปริมาณตัวรับส่งสัญญาณที่สอดคล้องกัน

 

บทสรุป

 

ข้อกำหนดด้านเทคโนโลยีขั้นสูงของตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันนั้นเกิดจากข้อจำกัดทางฟิสิกส์พื้นฐานและเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ การจัดการเฟสแสงและโพลาไรซ์ต้องใช้การควบคุมระดับนาโนเมตร-ของโครงสร้างโฟโตนิก การประมวลผลกิกะบิตต่อสัญลักษณ์ที่อัตราหลายกิกะเฮิรตซ์ต้องใช้-ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่ล้ำสมัย การรวมความสามารถเหล่านี้ไว้ในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัด-ที่ประหยัดพลังงานช่วยผลักดันเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ โฟโตนิกส์ และบรรจุภัณฑ์ให้ถึงขีดจำกัด

ความก้าวหน้าดำเนินต่อไปผ่านการประสานงานล่วงหน้าในหลายสาขาวิชา ผู้ออกแบบ DSP ลดขนาดโหนดกระบวนการและเพิ่มประสิทธิภาพอัลกอริธึม วิศวกรโฟโตนิกส์พัฒนาโมดูเลเตอร์ที่ดีขึ้นและลด-การบูรณาการการสูญเสีย สถาปนิกระบบจะปรับสมดุลรูปแบบการปรับ อัตราสัญลักษณ์ และค่าใช้จ่าย FEC สำหรับแอปพลิเคชันเป้าหมาย ผลลัพธ์คือการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในด้านความจุ การเข้าถึง และความคุ้มทุน-ซึ่งช่วยให้สามารถขยายขีดความสามารถของเครือข่ายได้

การทำความเข้าใจว่าเหตุใดตัวรับส่งสัญญาณที่เชื่อมโยงกันจึงต้องการเทคโนโลยีขั้นสูงดังกล่าวช่วยให้กระจ่างถึงข้อดีข้อเสียทางวิศวกรรม-ในการกำหนดรูปแบบเครือข่ายแบบออปติก ทุกตัวเลือกการออกแบบ-DSP 7nm เทียบกับ 5nm, โมดูเลเตอร์ซิลิคอนเทียบกับลิเธียมไนโอเบต, โมดูเลเตอร์ 16-QAM กับ 8-QAM เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ประสิทธิภาพ พลังงาน และผลกระทบด้านต้นทุนอย่างรอบคอบ เทคโนโลยีนี้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องอย่างรวดเร็ว โดยได้แรงหนุนจากความต้องการแบนด์วิธที่ไม่เพียงพอ และขับเคลื่อนด้วยความก้าวหน้าของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์