Progressi nella tecnologia dei moduli ottici coerenti e trend di standardizzazione

Con il continuo aumento della velocità di trasmissione a canale singolo, il panorama delle applicazioni della comunicazione ottica moderna ha visto una crescente adozione della tecnologia di trasmissione ottica coerente. Questo spostamento si estende oltre la tradizionale rete backbone (1000 km) per comprendere le aree metropolitane (100~1000 km) e persino le reti di accesso edge (100 km). Contemporaneamente, la tecnologia coerente è emersa come la soluzione prevalente per le applicazioni di interconnessione data center (DCI), che coprono distanze di 80~120 km nel campo della comunicazione dati. Queste applicazioni in evoluzione introducono nuove esigenze per i sistemi di transceiver ottici coerenti, indirizzando lo sviluppo delle unità di transceiver coerenti dalla loro integrazione iniziale con le schede di linea e i transceiver Multi-Source Agreement (MSA) verso transceiver pluggable indipendenti e transceiver ottici standardizzati .

Rivoluzionare le reti ottiche: I transceiver coerenti pluggable aprono la strada

A differenza dei transceiver ottici client utilizzati nelle reti metropolitane o nei data center, i transceiver ottici coerenti impiegati nelle reti di trasporto ottico sono tipicamente incorporati o integrati in configurazioni line-side. Queste configurazioni sono associate a svantaggi quali la bassa densità di porte, le grandi dimensioni fisiche, l'elevato consumo energetico e i progetti non standardizzati. Per un lungo periodo, gli operatori di rete hanno aspirato a ottenere un approccio di packaging per i transceiver ottici di trasmissione simile a quello visto per i transceiver ottici client, analogamente alla standardizzazione raggiunta con le reti 10G che utilizzano il package del transceiver ottico SFP+.

I recenti progressi nei chip per Digital Signal Processor (DSP) con processo CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) e nella tecnologia fotonica integrata hanno aperto la strada allo sviluppo di transceiver ottici coerenti collegabili più piccoli e a bassa potenza.

La progressione verso transceiver ottici standardizzati e collegabili è diventata una scelta inevitabile per la trasmissione dei servizi di linea nelle comunicazioni ottiche. La traiettoria di sviluppo dei transceiver ottici coerenti applicati alle reti metropolitane e alle dorsali presenta le seguenti caratteristiche chiave:

• Alta velocità: Evoluzione da 100G/200G a 400G e ulteriori progressi verso velocità di 800Gbps.

• Miniaturizzazione: Transizione dalla forma di pacchetto 100G Multi-Source Agreement (MSA) alla forma di pacchetto C Form-Factor Pluggable (CFP)/CFP2 Digital Coherent Detection (DCD)/Analog Coherent Optics (ACO). Sono stati proposti standard di pacchetti attuali, come il DCO OSFP 400G e il DCO QSFP-DD.

• Basso consumo energetico: Rispetto dei severi requisiti di consumo energetico complessivo del sistema. Ad esempio, il consumo di energia dei transceiver ottici coerenti nel pacchetto QSFP-DD non deve superare i 15W.

• Standardizzazione di interoperabilità: Abbandonando la pratica tradizionale in cui ogni produttore di apparecchiature utilizza schede di interfaccia proprietarie, impiegando metodi di modulazione di alto ordine e algoritmi di FEC (Forward Error Correction) privati. L'industria sta ora lavorando attivamente per raggiungere l'interoperabilità dei transceiver ottici coerenti.

Navigazione negli standard 400G e l'emergere di OpenZR+

Attualmente la tecnologia coerente commerciale è progredita al punto da raggiungere una trasmissione a singola lunghezza d'onda di 800G. Tuttavia, attualmente il settore non dispone di specifiche standardizzate per l'800G. Al contrario, la tecnologia coerente 400G è ben consolidata e aderisce a standard quali 400ZR, OpenROADM, e OpenZR+.

L'iniziativa 400ZR, avviata da OIF (Optical Internetworking Forum) nel 2016, mira a standardizzare interfacce di transceiver ottici coerenti interoperabili adatte a pacchetti a basso consumo energetico come QSFP-DD e OSFP. Specificamente pensato per le applicazioni DCI (Data Center Interconnect), il packaging OIF-400ZR si rivolge a scenari in cui le prestazioni di trasmissione possono essere in qualche modo compromesse per soddisfare la soglia di potenza del transceiver di 15W. Questa soluzione si concentra sulle applicazioni DCI edge, supportando velocità di 400 GbE sul lato cliente, con distanze di trasmissione comprese tra 80 e 120km e incorporando la correzione degli errori in avanti CFEC.

OpenROADM, guidato da carrier come AT&T, definisce lo standard OpenROADM MSA (Multi-Source Agreement) per supportare la trasmissione a lunga distanza nelle reti OTN. Destinato alle applicazioni delle reti ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) degli operatori di telecomunicazioni, OpenROADM MSA definisce le interfacce per velocità di 100G, 200G, 400GbE e OTN, con una distanza di trasmissione di 500km, utilizzando un algoritmo OFEC (Open Forward Error Correction).

Sebbene 400ZR e OpenROADM definiscano tipi di transceiver ottici coerenti collegabili per le reti di trasporto ottico DCI e di telecomunicazione, presentano delle limitazioni. Ad esempio, 400ZR supporta solo interfacce lato cliente da 400GbE e OpenROADM si rivolge principalmente a scenari per operatori di telecomunicazioni. Di conseguenza, alcuni fornitori leader del settore hanno unito i punti di forza degli standard OIF-400ZR e OpenROADM, introducendo un nuovo standard MSA chiamato OpenZR+.

OpenZR+ MSA estende le sue applicazioni agli scenari metro, backbone, DCI e agli operatori di telecomunicazioni. L'obiettivo è quello di fornire funzionalità avanzate e prestazioni migliori in forme collegabili, come QSFP-DD e OSFP, garantendo l'interoperabilità tra più fornitori. Pur mantenendo la semplice interfaccia host solo Ethernet del 400ZR, OpenZR+ introduce il supporto per interfacce di linea da 100G, 200G, 300G o 400G, che consentono di gestire Ethernet multi-rate e capacità di multiplexing. Sfruttando lo standard oFEC di OpenROADM MSA e CableLabs, OpenZR+ migliora la tolleranza alla dispersione e il guadagno di codifica.

Nel Settembre 2020, OpenZR+ ha rilasciato la versione pubblica iniziale del libro delle metriche. Un'analisi comparativa delle principali metriche di prestazione di OIF-400ZR, OpenROADM e OpenZR+ è presentata nella tabella seguente.

L'integrazione dei transceiver ottici lato linea nello stesso pacchetto del lato cliente comporta vantaggi economici per gli operatori di rete, semplificando le architetture di rete. In linea con la tendenza prevalente nel settore dei sistemi di linea aperti (OLS), questi transceiver ottici di trasporto possono essere inseriti direttamente nei router senza richiedere un sistema di trasporto esterno. Ciò semplifica la piattaforma di controllo, riducendo i costi, il consumo energetico e l'ingombro fisico. Nello scenario di rete illustrato, gli utenti hanno la possibilità di collegare un transceiver ottico coerente conforme a OpenZR+ direttamente a una porta di un router abilitato OLS o di collegarlo al router attraverso la porta lato cliente di un dispositivo di trasporto che implementa la conversione del protocollo del segnale.

Anticipare 800ZR: Progressi e sfide nella tecnologia coerente pluggable 800G di prossima generazione

Nell'ambito dell'evoluzione della standardizzazione, si prevede che la prossima generazione di prodotti coerenti pluggable super 400G abbraccerà velocità 800G a onda singola. Attualmente, l'Optical Internetworking Forum (OIF) sta deliberando lo sviluppo dello standard tecnologico coerente di prossima generazione 400ZR, provvisoriamente denominato 800ZR. Le considerazioni iniziali includono il supporto per collegamenti DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) da 80~120 km (amplificati), adatti a scenari di Data Center Interconnect (DCI), nonché collegamenti da 210 km senza amplificazione per scenari campus. L'interfaccia lato cliente è prevista per ospitare 2x400GE o 1x800GE, mentre il lato linea è impostato per supportare un'interfaccia di linea coerente a singola lunghezza d'onda 800G. Lo standard mira a definire le metriche della struttura del frame mappate dal lato cliente al lato linea e a stabilire le metriche del segnale sul lato linea per garantire l'interoperabilità. A livello di componenti, le discussioni all'interno dell'OIF sono incentrate anche sulla formulazione delle specifiche della prossima generazione di modulatori coerenti, denominata OIF-HB-CDM2.0, che supporterà velocità di modulazione più elevate.

Per quanto riguarda il progresso della tecnologia dei chip ottici ed elettrici, i prossimi prodotti transceiver ottici 800ZR potrebbero sfruttare chip di elaborazione del segnale digitale (DSP) a 5 nm o più avanzati, chip ottici integrati ibridi basati sul silicio, tecnologia Flip Chip e altre tecniche di confezionamento avanzate. Queste tecnologie sono essenziali per garantire che il transceiver ottico coerente possa supportare efficacemente segnali modulati di alto ordine di 96/128GBd e DP-64QAM/DP-16QAM. Quando il baud rate raggiunge i 128GBd, la larghezza di banda del chip ottico deve essere di almeno 70~80GHz. I modulatori ottici in silicio possono incontrare limitazioni nel supportare velocità così elevate, mentre i modulatori ottici tradizionali in materiali III-V, pur essendo teoricamente possibili, pongono problemi di implementazione. Di conseguenza, l'industria sta esplorando nuovi materiali e tecnologie di dispositivi, tra cui il niobato di litio a film sottile (TFLN). Sebbene il niobato di litio sia stato a lungo considerato il materiale preferito per i modulatori ottici, i modulatori tradizionali in materiale sfuso di niobato di litio incontrano limiti di dimensioni e di larghezza di banda. I recenti progressi nella tecnologia di lavorazione dei chip di niobato di litio a lamina sottile, tuttavia, hanno aperto la strada a modulatori di dimensioni ridotte con un'elevata larghezza di banda, rendendoli una potenziale via per la realizzazione di modulatori ottici da 100 GBd e oltre. Oltre al raggiungimento di un'elevata larghezza di banda a livello di dispositivo, permangono sfide nello sviluppo del chip di azionamento elettrico e della tecnologia di imballaggio.