Progrès de la Technologie des Modules Optiques Cohérents et Tendances de la Standardisation

Le taux de transmission à canal unique ne cessant d'augmenter, le panorama des applications des communications optiques modernes a vu l'adoption croissante de la technologie de transmission optique cohérente. Cette évolution s'étend au-delà du réseau dorsal traditionnel (>1000 km) pour englober les zones métropolitaines (100~1000 km) et même les réseaux d'accès périphériques (<100 km). Simultanément, la technologie cohérente s'est imposée comme la solution dominante pour les applications d'interconnexion de centres de données (DCI), couvrant des distances de 80 à 120 km dans le domaine de la communication de données. Ces applications en évolution introduisent de nouvelles exigences pour les systèmes d'émetteurs-récepteurs optiques cohérents, orientant le développement d'unités d'émetteurs-récepteurs cohérents de leur intégration initiale avec des cartes de ligne et des émetteurs-récepteurs MSA (Multi-Source Agreement) vers des émetteurs-récepteurs optiques enfichables indépendants et standardisés.

Révolutionner les Réseaux Optiques : Les Émetteurs-récepteurs Cohérents Enfichables Ouvrent la Voie

Contrairement aux émetteurs-récepteurs optiques clients déployés dans les réseaux métropolitains ou les centres de données, les émetteurs-récepteurs optiques cohérents utilisés dans les réseaux de transport optique sont généralement incorporés ou intégrés dans des configurations côté ligne. Ces configurations présentent des inconvénients tels qu'une faible densité de ports, une grande taille physique, une forte consommation d'énergie et des conceptions non normalisées. Depuis longtemps, les opérateurs de réseaux aspirent à une méthode de conditionnement des émetteurs-récepteurs optiques de transmission similaire à celle utilisée pour les émetteurs-récepteurs optiques clients, analogue à la normalisation réalisée pour les réseaux 10G à l'aide du boîtier des émetteurs-récepteurs optiques SFP+.

Les progrès récents dans le domaine des processeurs de signaux numériques (DSP) à semi-conducteurs métalliques complémentaires (CMOS) et de la technologie photonique intégrée ont ouvert la voie au développement d'émetteurs-récepteurs optiques cohérents enfichables, plus petits et moins gourmands en énergie.

La progression vers des émetteurs-récepteurs optiques standardisés et enfichables est devenue un choix inévitable pour la transmission de services côté ligne dans les communications optiques. La trajectoire de développement des émetteurs-récepteurs optiques cohérents utilisés dans les réseaux métropolitains et les réseaux de base présente les caractéristiques principales suivantes :

• - Haut Débit : Évolution de 100G/200G à 400G, et évolution ultérieure vers des taux de 800Gbps.

• - Miniaturisation : Transition du format MSA (Multi-Source Agreement) 100G vers le format C Form-Factor Pluggable (CFP)/CFP2 Digital Coherent Detection (DCD)/Analog Coherent Optics (ACO). Des normes de conditionnement actuelles, telles que le 400G OSFP DCO et le QSFP-DD DCO, ont été proposées.

• - Faible Consommation d'Énergie : Respect des exigences strictes en matière de consommation d'énergie globale du système. Par exemple, la consommation d'énergie des émetteurs-récepteurs optiques cohérents en boîtier QSFP-DD ne doit pas dépasser 15 W.

• - Standardisation de l'Interopérabilité : Contrairement à la pratique traditionnelle où chaque fabricant d'équipement utilise des cartes d'interface propriétaires, des méthodes de modulation de haut niveau et des algorithmes de correction d'erreur directe (FEC) privés, l'industrie travaille activement sur l'interopérabilité des émetteurs-récepteurs optiques cohérents.

Les Normes 400G et l'Émergence de l'OpenZR+

La technologie cohérente commerciale actuelle a progressé au point de permettre une transmission à longueur d'onde unique de 800G. Cependant, l'industrie manque actuellement de spécifications normalisées pour le 800G. En revanche, la technologie cohérente 400G est bien établie et adhère à des normes telles que 400ZR, OpenROADM et OpenZR+.

L'initiative 400ZR, lancée par l'Optical Internetworking Forum (OIF) en 2016, vise à normaliser les interfaces d'émetteurs-récepteurs optiques cohérents interopérables adaptées aux boîtiers à faible consommation d'énergie tels que QSFP-DD et OSFP. Spécialement conçu pour les applications d'interconnexion de centres de données (DCI), le boîtier OIF-400ZR cible les scénarios dans lesquels les performances de transmission peuvent être quelque peu compromises pour respecter le seuil de puissance de 15 W de l'émetteur-récepteur. Cette solution est centrée sur les applications DCI en périphérie, prenant en charge des débits de 400 GbE côté client, avec des distances de transmission allant de 80 km à 120 km, incorporant la correction d'erreur directe CFEC.

OpenROADM, mené par des opérateurs comme AT&T, définit la norme OpenROADM Multi-Source Agreement (MSA) pour prendre en charge la transmission sur de plus longues distances dans les réseaux OTN. Destinée aux applications de réseaux ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) des opérateurs de télécommunications, OpenROADM MSA définit des interfaces pour des débits de 100G, 200G, 400GbE et OTN, avec une distance de transmission de 500km, en utilisant un algorithme ouvert de correction d'erreur (OFEC).

Bien que 400ZR et OpenROADM définissent des types d'émetteurs-récepteurs optiques cohérents enfichables pour les réseaux de transport optique DCI et télécoms, ils présentent des limites. Par exemple, 400ZR ne prend en charge que les interfaces 400GbE côté client, et OpenROADM concerne principalement les scénarios des opérateurs de télécommunications. Par conséquent, certains fournisseurs leaders de l'industrie ont uni les éléments importants des normes OIF-400ZR et OpenROADM, en introduisant une nouvelle norme MSA nommée OpenZR+.

OpenZR+ MSA étend ses applications aux scénarios métropolitains, backbone, DCI et opérateurs de télécommunication. Il a pour objectif d'offrir des fonctionnalités et des performances améliorées sous des formes enfichables, telles que QSFP-DD et OSFP, afin de garantir l'interopérabilité entre plusieurs fournisseurs. Tout en conservant la simple interface hôte Ethernet du 400ZR, OpenZR+ prend en charge les interfaces de ligne 100G, 200G, 300G ou 400G, ce qui permet d'utiliser des capacités de multiplexage et d'Ethernet à taux multiples. S'appuyant sur la norme oFEC d'OpenROADM MSA et de CableLabs, OpenZR+ améliore la tolérance à la dispersion et le gain de codage.

En septembre 2020, OpenZR+ a publié sa première version publique de manuel de mesures. Une analyse comparative des principales mesures de performance de l'OIF-400ZR, d'OpenROADM et d'OpenZR+ est présentée dans le tableau ci-dessous.

L'intégration d'émetteurs-récepteurs optiques côté ligne dans le même boîtier que le côté client permet aux opérateurs de réseau de réaliser des économies en simplifiant les architectures de réseau. S'inscrivant dans la tendance dominante de l'industrie des systèmes de lignes ouvertes (OLS), ces émetteurs-récepteurs optiques de transmission peuvent être directement branchés sur les routeurs sans nécessiter de système de transport externe. Cela permet de simplifier la plateforme de contrôle, de réduire les coûts, la consommation d'énergie et l'encombrement physique. Dans le scénario de réseau illustré, les utilisateurs ont la possibilité de brancher un émetteur-récepteur optique cohérent conforme à OpenZR+ directement sur un port d'un routeur compatible OLS ou de le connecter au routeur via le port côté client d'un dispositif de transmission qui met en œuvre la conversion du protocole de signal.

En Prévision du 800ZR : Évolution et Défis de la Technologie Enfichable Cohérente 800G de la Prochaine Génération

Dans le domaine de l'évolution de la standardisation, la prochaine génération de produits super 400G cohérents et enfichables devrait permettre d'atteindre des taux de 800G à onde unique. Actuellement, l'Optical Internetworking Forum (OIF) est en cours de délibération concernant le développement de la norme technologique cohérente de la prochaine génération 400ZR, provisoirement appelée 800ZR. Les considérations initiales comprennent la prise en charge de liaisons DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) de 80~120 km (amplifiées) adaptées aux scénarios d'interconnexion de centres de données (DCI), ainsi que de liaisons de 210 km sans amplification pour les scénarios de campus. L'interface côté client est prévue pour accueillir 2x400GE ou 1x800GE, tandis que le côté ligne est prévu pour prendre en charge une interface de ligne cohérente 800G à longueur d'onde unique. La norme vise à définir les métriques de structure de trame mappées du côté client au côté ligne et à établir les métriques de signal du côté ligne pour assurer l'interopérabilité. Au niveau des composants, les discussions au sein de l'OIF sont également centrées sur la formulation de la prochaine génération de spécifications de modulateurs cohérents, désignée par OIF-HB-CDM2.0, qui prendra en charge des taux de modulation plus élevés.

En ce qui concerne les progrès de la technologie des puces optiques et électriques, les prochains émetteurs-récepteurs optiques 800ZR pourraient s'appuyer sur des puces de traitement du signal numérique (DSP) de 5 nm ou plus, des puces optiques intégrées hybrides à base de silicium, la technologie Flip Chip et d'autres techniques de packaging avancées. Ces technologies sont essentielles pour garantir que l'émetteur-récepteur optique cohérent peut effectivement prendre en charge des signaux modulés d'ordre élevé de 96/128GBd et DP-64QAM/DP-16QAM. Lorsque la vitesse de transmission atteint 128GBd, la largeur de bande de la puce optique doit être d'au moins 70~80GHz. Les modulateurs optiques en silicium peuvent être limités dans la prise en charge de ces débits élevés, tandis que les modulateurs optiques traditionnels en matériaux III-V, bien que théoriquement possibles, posent des problèmes de mise en œuvre. Par conséquent, l'industrie explore de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies de dispositifs, notamment le niobate de lithium en couche mince (TFLN). Bien que le niobate de lithium soit depuis longtemps considéré comme le matériau de prédilection pour les modulateurs optiques, les modulateurs traditionnels à base de niobate de lithium en vrac se heurtent à des limites de taille et à des contraintes de largeur de bande. Des développements récents dans la technologie de traitement des puces de niobate de lithium en couches minces ont toutefois ouvert la voie à des modulateurs de plus petite taille avec une largeur de bande élevée, ce qui en fait une voie potentielle pour réaliser des modulateurs optiques de 100GBd et plus. Outre l'obtention d'une largeur de bande élevée au niveau du dispositif, des défis persistent dans le développement de la puce de commande électrique et de la technologie du packaging.