Fortschritte in der Technologie kohärenter optischer Module und Trends in der Normung

Da die Einkanal-Übertragungsrate immer weiter ansteigt, werden in der modernen optischen Kommunikation zunehmend kohärente optische Übertragungstechnologien eingesetzt. Dieser Wandel geht über das herkömmliche Backbone-Netz (>1000 km) hinaus und umfasst auch Metrobereiche (100~1000 km) und sogar Edge-Access-Netze (<100 km). Gleichzeitig hat sich die kohärente Technologie als die vorherrschende Lösung für DCI-Anwendungen (Data Center Interconnection) herauskristallisiert, die im Bereich der Datenkommunikation Entfernungen von 80 bis 120 km abdecken. Diese sich entwickelnden Anwendungen stellen neue Anforderungen an kohärente optische Transceiver-Systeme und lenken die Entwicklung kohärenter Transceiver-Einheiten von ihrer anfänglichen Integration in Line-Cards und Multi-Source-Agreement (MSA)-Transceiver hin zu unabhängigen, standardisierten steckbaren optischen Transceivern.

Revolutionierung optischer Netze: Steckbare kohärente Transceiver sind wegweisend

Im Gegensatz zu optischen Client-Transceivern, die in Metronetzen oder Rechenzentren eingesetzt werden, sind kohärente optische Transceiver in optischen Transportnetzen in der Regel eingebettet oder in leitungsseitige Konfigurationen integriert. Diese Konfigurationen sind mit Nachteilen verbunden, wie z. B. einer geringen Portdichte, großen Abmessungen, hohem Stromverbrauch und nicht standardisierten Designs. Über einen längeren Zeitraum hinweg haben Netzbetreiber einen ähnlichen Gehäuseansatz für optische Übertragungstransceiver angestrebt, wie er bei optischen Client-Transceivern zu sehen ist, ähnlich der Standardisierung, die bei 10G-Netzen mit dem optischen SFP+-Transceiver-Gehäuse erfolgt ist.

Jüngste Fortschritte bei CMOS-Chips (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) und integrierter Photonentechnologie haben den Weg für die Entwicklung kleinerer, steckbarer kohärenter optischer Transceiver mit geringerem Stromverbrauch geebnet.

Die Entwicklung hin zu standardisierten, steckbaren optischen Transceivern ist für die leitungsgebundene Dienstübertragung in der optischen Kommunikation unumgänglich geworden. Die Entwicklung kohärenter optischer Transceiver, die in Metro- und Backbone-Netzen eingesetzt werden, weist die folgenden Hauptmerkmale auf:

• Hochgeschwindigkeit: Evolution von 100G/200G zu 400G und weitere Fortschritte zu Raten von 800 Gbps.

• Miniaturisierung: Übergang von der 100G Multi-Source Agreement (MSA) Gehäuseform zu C Formfactor Pluggable (CFP)/CFP2 Digital Coherent Detection (DCD)/Analog Coherent Optics (ACO) Gehäuseform. Aktuelle Gehäusestandards, wie 400G OSFP DCO und QSFP-DD DCO, wurden vorgeschlagen.

• Geringer Stromverbrauch: Einhaltung der strengen Anforderungen an den Gesamtsystemstromverbrauch. Beispielsweise sollte die Leistungsaufnahme von kohärenten optischen Transceiver-Produkten im QSFP-DD-Gehäuse 15 W nicht überschreiten.

• Standardisierung der Interoperabilität: Unterschied zu der herkömmlichen Vorgehensweise, bei der jeder Gerätehersteller proprietäre Schnittstellenkarten einsetzt, die eigene Modulationsverfahren höherer Ordnung und FEC-Algorithmen (Forward Error Correction) verwenden. Die Industrie arbeitet nun aktiv an der Interoperabilität kohärenter optischer Transceiver.

400G-Standards und Aufkommen von OpenZR+

Die derzeitige kommerzielle kohärente Technologie ist so weit fortgeschritten, dass eine 800G-Übertragung mit nur einer Wellenlänge möglich ist. Allerdings gibt es in der Branche derzeit keine standardisierten Spezifikationen für 800G. Im Gegensatz dazu ist die kohärente 400G-Technologie gut etabliert und unterliegt Standards wie 400ZR, OpenROADM, und OpenZR+.

Die 400ZR-Initiative, die 2016 vom Optical Internetworking Forum (OIF) ins Leben gerufen wurde, zielt darauf ab, interoperable kohärente optische Transceiver-Schnittstellen zu standardisieren, die für energieeffiziente Gehäuse wie QSFP-DD und OSFP geeignet sind. Das OIF-400ZR-Gehäuse ist speziell auf DCI-Anwendungen (Data Center Interconnect) zugeschnitten und zielt auf Szenarien ab, in denen die Übertragungsleistung etwas beeinträchtigt werden kann, um die Leistungsgrenze von 15 W für Transceiver zu erreichen. Diese Lösung konzentriert sich auf DCI-Edge-Anwendungen und unterstützt 400 GbE-Raten auf der Kundenseite mit Übertragungsdistanzen von 80 bis 120 km, einschließlich CFEC-Vorwärtsfehlerkorrektur.

OpenROADM, angeführt von Netzbetreibern wie AT&T, definiert den OpenROADM-Multi-Source-Agreement-Standard (MSA) zur Unterstützung von Übertragungen über längere Strecken in OTN Networks. OpenROADM MSA richtet sich an Betreiber von rekonfigurierbaren optischen Add-Drop-Multiplexer (ROADM)-Netzwerken und bietet Schnittstellen für Raten von 100G, 200G, 400GbE und OTN mit einer Übertragungsdistanz von 500km, unter Verwendung eines OFEC-Algorithmus (Open Forward Error Correction).

400ZR und OpenROADM definieren zwar steckbare kohärente optische Transceiver-Typen für optische DCI- und Telekommunikations-Transportnetze, weisen jedoch Einschränkungen auf. So unterstützt 400ZR beispielsweise nur 400-GbE-Schnittstellen auf der Kundenseite, und OpenROADM ist hauptsächlich auf Szenarien für Telekommunikationsbetreiber ausgerichtet. Daher haben einige branchenführende Anbieter die Stärken der Standards OIF-400ZR und OpenROADM zusammengeführt und einen neuen MSA-Standard namens OpenZR+ eingeführt.

OpenZR+ MSA erweitert seine Anwendungen auf Metro-, Backbone-, DCI- und Telekommunikationsbetreiberszenarien. Es zielt darauf ab, erweiterte Funktionalität und verbesserte Leistung in steckbaren Formen, wie QSFP-DD und OSFP, zu liefern, um die Interoperabilität mit mehreren Anbietern zu gewährleisten. Während die einfache Ethernet-Host-Schnittstelle von 400ZR beibehalten wird, bietet OpenZR+ Unterstützung für 100G-, 200G-, 300G- oder 400G-Leitungsschnittstellen, die Multi-Rate-Ethernet und Multiplexing-Funktionen unterstützen. Durch die Nutzung des oFEC-Standards von OpenROADM MSA und CableLabs verbessert OpenZR+ die Dispersionstoleranz und den Codegewinn.

Im September 2020 veröffentlichte OpenZR+ seine erste öffentliche Version des Metrikbuchs. Eine vergleichende Analyse der wichtigsten Leistungskennzahlen von OIF-400ZR, OpenROADM und OpenZR+ ist in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Die Integration leitungsseitiger optischer Transceiver in dasselbe Gehäuse wie auf der Kundenseite bringt Netzbetreibern Kostenvorteile durch Vereinfachung der Netzarchitekturen. Im Einklang mit dem vorherrschenden Branchentrend der Open Line Systems (OLS) können diese optischen Transport-Transceiver direkt in Router eingesteckt werden, ohne dass ein externes Transportsystem erforderlich ist. Dadurch wird die Steuerungsplattform rationalisiert, was Kosten, Stromverbrauch und Platzbedarf reduziert. In dem dargestellten Netzwerkszenario haben die Benutzer die Möglichkeit, einen OpenZR+-konformen kohärenten optischen Transceiver direkt an einen Port eines OLS-fähigen Routers anzuschließen oder ihn über den kundenseitigen Port eines Transportgeräts, das die Signalprotokollkonvertierung durchführt, mit dem Router zu verbinden.

Vorausschauend auf 800ZR: Fortschritte und Herausforderungen bei der kohärenten, steckbaren 800G-Technologie der nächsten Generation

Im Bereich der Standardisierungsentwicklung wird erwartet, dass die nächste Generation von kohärenten Super-400G-Steckverbindungen auch 800G-Einzelwellenraten umfassen wird. Derzeit berät das Optical Internetworking Forum (OIF) über die Entwicklung des kohärenten 400ZR-Standards der nächsten Generation mit der vorläufigen Bezeichnung 800ZR. Zu den ersten Überlegungen gehört die Unterstützung von 80–120km langen (verstärkten) DWDM-Verbindungen (Dense Wavelength Division Multiplexing), die auf DCI-Szenarien (Data Center Interconnect) zugeschnitten sind, sowie von 210 km langen Verbindungen ohne Verstärkung für Campus-Szenarien. Die kundenseitige Schnittstelle ist für 2x400GE oder 1x800GE vorgesehen, während die Leitungsseite eine kohärente 800G-Leitungsschnittstelle mit einer einzelnen Wellenlänge unterstützen soll. Die Norm zielt darauf ab, die Metriken der Rahmenstruktur zu definieren, die von der Kundenseite auf die Leitungsseite abgebildet werden, und Signalmetriken auf der Leitungsseite festzulegen, um die Interoperabilität zu gewährleisten. Auf der Komponentenebene konzentrieren sich die Diskussionen innerhalb der OIF auch auf die Formulierung der nächsten Generation von Spezifikationen für kohärente Modulatoren, die als OIF-HB-CDM2.0 bezeichnet werden und höhere Modulationsraten unterstützen werden.

Was den Fortschritt in der optischen und elektrischen Chiptechnologie betrifft, so können die kommenden optischen 800ZR-Transceiver-Produkte 5-nm- oder noch fortschrittlichere DSP-Chips (Digital Signal Processing), siliziumbasierte hybride integrierte optische Chips, Flip-Chip-Technologie und andere fortschrittliche Technologien nutzen. Diese Technologien sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass der kohärente optische Transceiver hochgradig modulierte Signale von 96/128GBd und DP-64QAM/DP-16QAM effektiv unterstützen kann. Wenn die Baudrate 128 GBd erreicht, sollte die Bandbreite des optischen Chips mindestens 70 bis 80 GHz betragen. Optische Modulatoren aus Silizium können bei der Unterstützung solch hoher Raten an ihre Grenzen stoßen, während herkömmliche optische Modulatoren aus III-V-Materialien zwar theoretisch möglich sind, aber Probleme bei der Implementierung bereiten. Daher erforscht die Industrie neue Materialien und Bauteiltechnologien, darunter Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN). Obwohl Lithium-Niobat seit langem als bevorzugtes Material für optische Modulatoren gilt, stoßen herkömmliche Lithium-Niobat-Modulatoren aus Massenmaterial auf Größen- und Bandbreitenbeschränkungen. Neueste Durchbrüche in der Dünnfilm-Lithiumniobat-Chiptechnologie haben jedoch den Weg für kleinere Modulatoren mit hoher Bandbreite geebnet, was einen potenziellen Weg zur Umsetzung optischer Modulatoren mit 100 GBd und mehr darstellt. Neben der Erzielung hoher Bandbreiten auf der Bauelementeebene gibt es noch weitere Herausforderungen bei der Entwicklung des elektrischen Antriebschips und der Verpackungstechnologie.