Avances en la tecnología de módulos ópticos coherentes y tendencias de estandarización

A medida que la velocidad de transmisión de un solo canal continúa aumentando, el panorama de las aplicaciones en la comunicación óptica moderna ha presenciado una creciente adopción de la tecnología de transmisión óptica coherente. Este cambio se extiende más allá de la red troncal tradicional (>1000km) para abarcar áreas metropolitanas (100-1000km) e incluso redes de acceso en el borde (<100km). Al mismo tiempo, la tecnología coherente ha surgido como la solución predominante para las aplicaciones de interconexión de centros de datos (DCI), cubriendo distancias de 80 a 120km en el campo de la comunicación de datos. Estas aplicaciones en evolución introducen nuevas demandas para los sistemas de transceptores ópticos coherentes, impulsando el desarrollo de unidades de transceptores coherentes desde su integración inicial con tarjetas de línea y transceptores de acuerdo de fuentes múltiples (MSA) hacia transceptores ópticos enchufables independientes y estandarizados.

Revolucionando las redes ópticas: transceptores coherentes enchufables lideran el camino

En contraste con los transceptores ópticos de cliente desplegados dentro de redes metropolitanas o centros de datos, los transceptores ópticos coherentes empleados en redes de transporte óptico suelen estar integrados o integrados en configuraciones del lado de la línea. Estas configuraciones están asociadas con inconvenientes como baja densidad de puertos, gran tamaño físico, alto consumo de energía y diseños no estandarizados. Durante un período prolongado, los operadores de redes han aspirado a lograr un enfoque de empaquetado similar para los transceptores ópticos de transmisión como se ve con los transceptores ópticos de cliente, análogo a la estandarización lograda con redes de 10G utilizando el paquete de transceptor óptico SFP+.

Los avances recientes en chips de procesador de señales digitales (DSP) de proceso de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) y tecnología fotónica integrada han allanado el camino para el desarrollo de transceptores ópticos coherentes enchufables más pequeños y de menor consumo de energía.

La evolución hacia transceptores ópticos estandarizados y enchufables se ha convertido en una elección inevitable para la transmisión de servicios del lado de la línea en comunicaciones ópticas. La trayectoria de desarrollo de los transceptores ópticos coherentes aplicados en redes metropolitanas y troncales exhibe las siguientes características clave:

• Alta velocidad: Evolución desde velocidades de 100G/200G a 400G, y avances adicionales a velocidades de 800Gbps.

• Miniaturización: Transición desde la forma del paquete de acuerdo de fuentes múltiples (MSA) de 100G al formato de paquete de factor de forma conectable (CFP)/CFP2 de detección coherente digital (DCD)/óptica coherente analógica (ACO). Se han propuesto estándares de paquetes actuales, como 400G OSFP DCO y QSFP-DD DCO.

• Bajo consumo de energía: Cumplimiento de estrictos requisitos de consumo de energía del sistema en general. Por ejemplo, el consumo de energía de productos de transceptores ópticos coherentes en el paquete QSFP-DD no debe exceder 15W.

• Estandarización de interoperabilidad: Alejándose de la práctica tradicional donde cada fabricante de equipos utiliza placas de interfaz propietarias, empleando métodos privados de modulación de alto orden y algoritmos de corrección de errores hacia adelante (FEC). La industria ahora está trabajando activamente para lograr la interoperabilidad de los transceptores ópticos coherentes.

Navegando por los estándares 400G y la emergencia de OpenZR+

La tecnología coherente comercial actual ha progresado hasta alcanzar la transmisión de 800G en una sola longitud de onda. Sin embargo, la industria actualmente carece de especificaciones estandarizadas para 800G. En contraste, la tecnología coherente de 400G está bien establecida y se adhiere a estándares como 400ZR, OpenROADM, y OpenZR+.

La iniciativa 400ZR, lanzada por el Foro de Interconexión de Redes Ópticas (OIF) en 2016, tiene como objetivo estandarizar interfaces interoperables de transceptores ópticos coherentes adecuados para paquetes de bajo consumo de energía como QSFP-DD y OSFP. Específicamente diseñada para aplicaciones de interconexión de centros de datos (DCI), el empaquetado OIF-400ZR se enfoca en escenarios donde el rendimiento de la transmisión puede ser algo comprometido para cumplir con un umbral de potencia de transceptor de 15W. Esta solución está centrada en aplicaciones de DCI en el borde, soportando velocidades de 400GbE en el lado del cliente, con distancias de transmisión que abarcan de 80km a 120km, e incorpora corrección de errores hacia adelante CFEC.

OpenROADM, liderado por operadores como AT&T, define el estándar del acuerdo de fuentes múltiples (MSA) de OpenROADM para soportar transmisiones a mayores distancias en redes OTN. Orientado a las aplicaciones de redes de multiplexor óptico de adición y extracción reconfigurable (ROADM) de operadores de telecomunicaciones, el MSA de OpenROADM describe interfaces para tasas de 100G, 200G, 400GbE y OTN, con una distancia de transmisión de 500km, utilizando un algoritmo de corrección de errores hacia adelante (FEC) abierto.

Si bien 400ZR y OpenROADM definen tipos de transceptores ópticos coherentes enchufables para DCI y redes de transporte óptico de telecomunicaciones, presentan limitaciones. Por ejemplo, 400ZR solo admite interfaces del lado del cliente de 400GbE, y OpenROADM se enfoca principalmente en escenarios para operadores de telecomunicaciones. En consecuencia, algunos proveedores líderes de la industria han combinado las fortalezas de los estándares OIF-400ZR y OpenROADM, presentando un nuevo estándar MSA llamado OpenZR+.

El MSA de OpenZR+ extiende sus aplicaciones a través de escenarios metropolitanos, troncales, DCI y operadores de telecomunicaciones. El objetivo es ofrecer funcionalidad mejorada y un rendimiento mejorado en formas enchufables, como QSFP-DD y OSFP, asegurando la interoperabilidad entre múltiples proveedores. Mientras mantiene la interfaz de host Ethernet simple de solo 400ZR, OpenZR+ introduce soporte para interfaces de línea de 100G, 200G, 300G o 400G, que permiten capacidades de Ethernet multi-tasa y multiplexación. Aprovechando el estándar oFEC de OpenROADM MSA y CableLabs, OpenZR+ mejora la tolerancia a la dispersión y la ganancia de codificación.

En septiembre de 2020, OpenZR+ lanzó su versión pública inicial del libro de métricas. Se presenta un análisis comparativo de las principales métricas de rendimiento de OIF-400ZR, OpenROADM y OpenZR+ en la tabla a continuación.

La integración de transceptores ópticos del lado de la línea en el mismo paquete que el lado del cliente aporta beneficios económicos a los operadores de redes al simplificar las arquitecturas de red. Alineado con la tendencia predominante de la industria de sistema de línea abierto (OLS), estos transceptores ópticos de transporte pueden conectarse directamente a enrutadores sin necesidad de un sistema de transporte externo. Esto simplifica la plataforma de control, reduciendo costos, consumo de energía y huella física. En el escenario de red ilustrado, los usuarios tienen la flexibilidad de conectar un transceptor óptico coherente compatible con OpenZR+ directamente a un puerto en un enrutador habilitado para OLS o conectarlo al enrutador a través del puerto del lado del cliente de un dispositivo de transporte que implementa la conversión del protocolo de señal.

Anticipando el 800ZR: avances y desafíos en la tecnología enchufable coherente 800G de próxima generación

En el ámbito de la evolución de la estandarización, se anticipa que la próxima generación de productos enchufables coherentes superiores a 400G abrazará tasas de 800G en una sola onda. Actualmente, el Foro de Interconexión de Redes Ópticas (OIF) está en deliberaciones sobre el desarrollo del estándar de tecnología coherente de próxima generación 400ZR, provisionalmente llamado 800ZR. Las consideraciones iniciales incluyen su soporte para enlaces de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) de 80 a 120km (amplificados) adaptados para escenarios de interconexión de centros de datos (DCI), así como enlaces de 210km sin amplificación para escenarios de campus. Se prevé que la interfaz del lado del cliente pueda acomodar 2x400GE o 1x800GE, mientras que el lado de la línea está diseñado para admitir una interfaz coherente de línea de una sola onda de 800G. El estándar tiene como objetivo definir las métricas de la estructura del marco mapeadas desde el lado del cliente hacia el lado de la línea y establecer métricas de señal en el lado de la línea para garantizar la interoperabilidad. A nivel de componente, las discusiones dentro del OIF también se centran en formular la próxima generación de especificaciones de modulador coherente, denominadas OIF-HB-CDM2.0, que admitirán tasas de modulación más altas.

En relación con el avance de la tecnología de chips ópticos y eléctricos, los próximos productos transceptores ópticos 800ZR podrían aprovechar chips de procesador de señales digitales (DSP) de 5nm o más avanzados, chips ópticos híbridos integrados basados en silicio, tecnología flip chip y otras técnicas avanzadas de empaquetado. Estas tecnologías son esenciales para garantizar que el transceptor óptico coherente pueda soportar eficazmente señales moduladas de alto orden de 96/128GBd y DP-64QAM/DP-16QAM. Cuando la tasa de baudios alcanza los 128GBd, el ancho de banda del chip óptico debe ser de al menos 70-80GHz. Los moduladores ópticos de silicio pueden enfrentar limitaciones para soportar tales tasas altas, mientras que los moduladores ópticos de materiales tradicionales III-V, aunque teóricamente posibles, presentan desafíos de implementación. En consecuencia, la industria está explorando materiales y tecnologías de dispositivos novedosos, incluido el niobato de litio de película delgada (TFLN). Aunque el niobato de litio ha sido durante mucho tiempo el material preferido para los moduladores ópticos, los moduladores tradicionales de niobato de litio a granel enfrentan limitaciones de tamaño y restricciones de ancho de banda. Sin embargo, los avances recientes en la tecnología de procesamiento de chips de niobato de litio de película delgada han allanado el camino para moduladores de tamaño más pequeño con alto ancho de banda, lo que lo convierte en un posible enfoque para realizar moduladores ópticos con 100GBd y más. Además de lograr un alto ancho de banda a nivel de dispositivo, persisten desafíos en el desarrollo del chip de control eléctrico y la tecnología de empaquetado.