コヒーレントトランシーバーには高度な技術が必要です

 

コヒーレント トランシーバーは、振幅、位相、偏波変調を使用してデータをエンコードします。これには、高度なデジタル信号プロセッサとフォトニック統合が必要です。これらのデバイスは、数百キロメートルにわたって信号の整合性を維持しながら、100G から 1.6T のデータ レートを実現します。

この技術は、トランシーバ電力の約 50% を消費する 7nm プロセス ノード上に構築された特殊な DSP チップ、シンボルごとに複数のビットをエンコードする 16-QAM や 64-QAM などの高度な変調方式、CMOS 互換スケールで光コンポーネントを統合するシリコン フォトニクス プラットフォームという 3 つの基本的な革新を組み合わせたものです。

 

 

デジタル信号処理がコヒーレントなパフォーマンスを定義する理由

 

DSP チップは、コヒーレント伝送システムの電子コアとして機能します。 7nm プロセス ジオメトリで、これらのプロセッサは、プラグ可能なフォーム ファクタで消費電力を 10 W 未満に維持しながら、アナログ-から-デジタル変換、50,000 ps/nm を超える波長分散補償、偏波モード分散の軽減、前方誤り訂正-を処理します。

最新の DSP は、変調シンボル全体の電力配分を最適化する技術である確率的コンスタレーション シェーピングを実装しています。 PCS は、16- コンスタレーション内の 16 ポイントすべてを均等に使用するのではなく、低電力の内部コンスタレーション ポイントをより頻繁に優先します。このアプローチにより、シンボル レートを増加したり、追加の増幅を必要としたりすることなく、送信到達距離が 20 ～ 30% 延長されます。

DSP の進歩が一貫した進化を促進する理由は、計算量の多さによって説明されます。 16nm から 7nm プロセス ノードへの移行により、より高いボーレートが可能になりながら、消費電力が 75% 以上削減されました。 Marvell のような企業は、Canopus アーキテクチャでこれを達成し、2019 年後半にサンプリングを行い、最初の商用 400G ZR モジュールを有効にしました。このチップは、100G、200G、300G、400G でのマルチレート動作をサポートしており、さまざまな到達要件に合わせてソフトウェアで選択可能なモードを備えています。-

処理アーキテクチャはノード サイズと同じくらい重要です。 DSP には、並列データを 4 つのコヒーレント チャネルに変換するシリアライザー-デシリアライザー回路、情報を光の特性にエンコードおよびデコードする実際の信号処理ユニット、イーサネットおよび OTN プロトコル用のフレーミング エンジン、およびファイバー障害をリアルタイムで補償する適応イコライザーなどの個別のブロックが含まれています。-各ブロックには特殊な知的財産が必要であるため、Nokia、Infinera、Cisco などの垂直統合ベンダーは内部で DSP 設計機能を維持しています。

電力効率は依然として重要な制約です。 DSP は総トランシーバ電力の約半分を消費するため、QSFP-DD や OSFP のようなコンパクトなフォームファクタでは熱管理が最も重要になります。これらのモジュールの 15 W の電力バジェットは、光学コンポーネントとドライバーを考慮すると、DSP 動作にわずか 5 ～ 7 W しか残りません。この制約により、業界は 800G アプリケーション向けの 5nm プロセス ノードに向けて推進され、マーベルの Orion DSP はビットあたりの電力をさらに低くすることを目標としています。

 

高度な変調方式によりスペクトル効率が向上

 

コヒーレント トランシーバーは、直交振幅変調を利用して情報密度をエンコードします。 16-QAM フォーマットでは、各シンボルは振幅状態と位相状態の組み合わせによって 4 ビットを表します。二重偏波の実装では、この容量が効果的に 2 倍になり、90 度で分離された直交偏波モード全体でシンボルごとに 8 ビットが送信されます。

変調次数は、データ レートと光信号対雑音比の要件の間で直接トレードオフになります。{0}}-シンボルあたり 2 ビットをエンコードする QPSK 変調は、12 ～ 14 dB という低い OSNR を許容し、100G レートで 4,000 km を超える伝送距離を可能にします。 16-QAM にステップアップすると、スループットは 400G まで 4 倍になりますが、22 dB 以上の OSNR が必要となり、ファイバーの品質に応じて到達距離が約 1,000 ～ 1,500 km に制限されます。 64-QAM などの高次では、単一波長内でデータ レートが 600G に引き上げられますが、OSNR 要件が 28 dB を超えるため、有効範囲は 200 km 未満になります。

変調の複雑さと到達範囲の関係により、ネットワーク展開戦略が決まります。 80-120 km にわたるデータセンターの相互接続では、一般に 400ZR 規格に基づく 400G アプリケーション用の 16-QAM が使用されます。 300{11}}500 km に及ぶメトロ ネットワークでは、容量と距離のバランスをとるために 8{12}}QAM を選択する場合があります。海洋を横断する長距離海底ケーブルは通常、最大の復元力を得るために QPSK に戻り、数千キロメートルのスパンと引き換えに波長あたりの容量の低下を受け入れます。

偏波多重化は、水平偏波と垂直偏波を独立したデータ チャネルとして扱うことにより、実効帯域幅を 2 ​​倍にします。受信機の DSP は、これらの偏波を逆多重化し、さまざまな伝播遅延を引き起こす偏波モード分散を補償する必要があります。これにより計算は複雑になりますが、商用データ レートを達成するには引き続き不可欠です。-二重偏波を使用しない場合、400G トランシーバーではシンボル レートを 2 倍にするか、法外に高い変調次数に移行する必要があります。

最近の研究では、さらに高次のフォーマットが研究されています。{0} 256-QAM のデモンストレーションでは、低コストのレーザーからの位相ノイズを管理する確率的整形を使用して、80 km にわたって正味 1 Tbps の伝送を達成しました。このようなフォーマットは実稼働展開に向けてまだ実験段階にありますが、DSP の処理能力と光学コンポーネントの精度が向上するにつれて、将来の拡張パスを示しています。

 

シリコンフォトニクスの統合によりサイズとコストを削減

 

シリコンフォトニクスは、CMOS製造プロセスを使用した光学機能のモノリシック統合を可能にします。一般的なコヒーレント光サブアセンブリは、数平方ミリメートルの単一シリコン チップ上に変調器、光検出器、偏光ビーム スプリッタ、コヒーレント ミキサを組み合わせています。{1}}この統合には以前は、正確なファイバー位置合わせを行って組み立てられたディスクリート コンポーネントが必要でした。-このプロセスは、大量生産やプラグイン可能なフォーム ファクタとは互換性がありません。-

このテクノロジーは、成熟した半導体ファウンドリの能力を活用しています。コヒレント社がトランシーバ製品に使用しているタワーセミコンダクタの PH18 プロセスは、シリコン オン インシュレータ ウェーハを使用して光検出器、導波路、変調器を統合しています。--これらのファウンドリはすでに電子チップの大規模な操業を行っており、専用の光製造ラインでは不可能な量のフォトニック生産を可能にしています。

シリコンの間接バンドギャップには根本的な制限があります。{0}通信波長で光を効率的に発光または検出することができません。ソリューションには、レーザー光源やゲルマニウム光検出器用のリン化インジウムなどの III-V 材料との異種統合が含まれます。実装によっては、シリコン PIC からレーザー アセンブリを分離するためにエッジ-結合を使用するものもありますが、シリコン上への III-V ダイの直接ウェーハ ボンディングを追求する実装もあります。各アプローチは、製造の複雑さとコストに対して集積密度をトレードオフします。

変調効率はシリコンフォトニクス開発ロードマップの多くを推進します。キャリア注入に基づく標準的なプラズマ分散変調器は、多くのアプリケーションに十分な性能を提供しますが、次世代の 800G および 1.6T レートに必要な高速、低電圧動作では困難です。--この制限により、ポッケルス効果材料の研究が促進されました。-シリコン基板に結合された薄膜ニオブ酸リチウムは、シリコン単体よりも低い駆動電圧と高い帯域幅を提供しますが、プロセスは複雑になります。-

経済的なケースは、量が増えると説得力があります。初期のフォトニック マスク セットの費用は数百万ドルかかり、設計サイクルは 12 ～ 18 か月かかります。ただし、年間 100,000 ユニットを超える生産工程で償却すると、ウェハ処理コストは依然として電子チップに匹敵します。数百万ユニットで出荷されるデータセンター トランシーバの場合、シリコン フォトニクスは個別のアセンブリ アプローチと比較して 2 ～ 3 倍のコスト削減を実現します。

温度安定性も別の利点です。シリコン変調器は摂氏 1 度あたり約 0.08 nm の波長シフトを示し、局部発振器レーザーの波長調整によって管理できます。これにより、多くの設計で熱電冷却器の要件がなくなり、消費電力が大幅に削減されました。工業用温度範囲 (-40 度から 85 度) 向けに定格されたトランシーバーは、アクティブ冷却なしでシリコン フォトニクスを使用してこの仕様を達成できるようになりました。

 

 

ボーレートとシンボル処理の複雑さ

 

シンボル レートは、コヒーレント伝送システムの基本クロック速度を決定します。現在の 400G コヒーレント モジュールは 64 ギガボーで動作します。これは、DSP が 1 秒あたり 640 億シンボルを処理することを意味します。 16-QAM エンコード (シンボルあたり 4 ビット) およびデュアル偏波 (2x) と組み合わせると、400G の総データ レートが得られます。64 GBd × 4 ビット × 2 偏波=512 Gbps の生の容量、前方誤り訂正オーバーヘッドの後は 400 Gbps に減少します。

ボー レートを上げるとスループットが直接拡大されますが、物理的な制限に遭遇します。 Nokia の PSE-V アーキテクチャで実証されている 90 ギガボーでは、同じ 16-QAM フォーマットが 600G の容量を実現します。ただし、DSP と光学コンポーネントの間の電気的相互接続は帯域幅の制限に直面します。これらの周波数では、配線の長さやボンドワイヤのインダクタンスによって損失や分散が生じるため、信号の完全性が低下します。これにより、業界は DSP、ドライバー アンプ、シリコン フォトニック エンジンを最小限の相互接続距離で垂直にスタックする 3D 統合アプローチに向けて推進されました。

電気インターフェイスと光インターフェイスの関係により、設計上の制約が生じます。 400G-ZR トランシーバーは、PAM-4 シグナリングを使用して、ホスト システムに標準の 400GbE 電気インターフェースを提供します-8 つの 50G レーン。内部的に、DSP はこれを 4 つの 64- GBd 光チャネルに変換します。このレートの不一致には、従来 DSP ファームウェアに実装されていた「ギアボックス」機能が必要です。変換により、通常 200-500 ナノ秒のレイテンシが発生します。これは、ほとんどのアプリケーションでは許容可能ですが、超低レイテンシの取引システムやリアルタイム制御ループでは問題になります。

シンボル レートが高くなると、より優れたファイバー品質も必要になります。 64 GBd では、標準的なシングルモード ファイバは、約 17 ps/nm/km の管理可能な波長分散を示します。- 90 GBd に増加すると、分散による信号の広がりが増加し、より積極的な DSP イコライゼーションか、より短い伝送スパンが必要になります。{6}}これにより、現在のファイバー インフラストラクチャでは実質的に 100 GBd 程度の上限が生じますが、改良されたファイバー タイプとより強力な DSP によってこの境界が押し広げられる可能性があります。

前方誤り訂正により、シンボルの複雑さに応じてオーバーヘッドが追加されます。単純な硬判定 FEC では 7% のオーバーヘッドが追加される可能性がありますが、より大きなコーディング ゲインを提供する高度な軟判定アルゴリズムでは 20{11}}25% のオーバーヘッドが消費されます。 512 Gbps raw を生成する 64- GBd、16-QAM システムの場合、20% の FEC オーバーヘッドにより 410 Gbps の正味容量が得られ、これは 400G 目標に近い値​​になります。 DSP はこの補正を 1 マイクロ秒未満の遅延でリアルタイムに処理する必要があり、処理アーキテクチャに多大な要求が課せられます。

 

波長分散および偏波分散補償

 

光ファイバーは本質的に、異なる速度で異なる波長を分散します。この効果は波長分散と呼ばれ、ピコ秒/ナノメートル/キロメートルで測定されます。標準シングルモード ファイバの 100 km を超えると、1550 nm 信号は約 1,700 ps/nm の分散を蓄積します。-補償を行わないと、このパルス拡散により、10 Gbps を超えるデータ レートの信号の完全性が破壊されます。

従来の DWDM システムは、負の分散特性を持つ特殊なファイバのスプールである分散補償モジュールを使用してこの問題に対処していました。{0}これらの受動デバイスは挿入損失を増加させ、リンク スパンごとに正確なエンジニアリングを必要とし、かなりのラック スペースを占有しました。コヒーレント DSP は、逆分散伝達関数を計算し、受信信号にデジタル フィルタリングを適用することで、この要件を排除しました。このアルゴリズムは、波長分散が信号帯域幅全体に与える位相回転を単純に逆転させます。

最新のコヒーレント DSP は、標準ファイバーの 600 km に相当する 100,000 ps/nm を超える波長分散を補償します。計算には周波数-領域のフィルタリングが含まれ、高速フーリエ変換アルゴリズムによって計算効率が向上します。ただし、フィルタの長さと更新レートは DSP リソースを消費するため、初期のコヒーレント システムは現在のデバイスよりも低いボー レートで動作します。ムーアの法則の進展に伴って DSP の処理能力が向上するにつれて、消費電力は減少する一方で補償範囲は拡大しました。

偏波モード分散は、ファイバのわずかな複屈折によって発生します。{0}水平偏波モードと垂直偏波モードは、顕微鏡的に異なる速度で伝播します。 PMD はファイバの長さに沿ってランダムに変化し、温度や応力によって変化するため、静的フィルタで補償することは不可能です。 PMD の大きさは通常 0.1 ～ 0.5 ps/√km であり、1,000 km のスパンにわたって累積すると 3 ～ 15 ps になります。

DSP は、定係数アルゴリズムまたは同様のアプローチを使用した適応イコライゼーションを通じて PMD に対処します。これらのアルゴリズムは、偏波回転と微分群遅延をリアルタイムで追跡し、環境の変化に応じて数マイクロ秒ごとにイコライザー係数を更新します。-イコライゼーションにはサンプルごとに行列の乗算が必要であり、DSP 処理能力の約 20% を消費します。トランシーバは最大許容 PMD を指定しており、通常 400G モジュールでは 50 ps であり、非常に古いまたはストレスのかかるファイバ プラントでの展開が制限されます。

非線形効果は 3 番目の課題をもたらします。光パワーが高い場合、ファイバの屈折率は強度-に依存し、WDM チャネル間で自己位相変調や相互位相変調が発生します。-。これらの影響はファイバの長さと光パワーに応じて増大し、最終的には使用できる発射パワーが制限されます。 DSP は波長分散などの線形障害を補償できますが、非線形性の補償には、送信された波形に基づいて信号の歪みを予測する非常に複雑なアルゴリズムが必要です。一部の高度な実装では、送信機で非線形性の事前補償を適用し、送信信号を意図的に歪ませて、ファイバーの非線形性によって受信機で信号を正しい形状に戻します。-

 

フォームファクターの進化と電力制約

 

コヒーレント トランシーバーは、複数のシャーシ スロットで数百ワットを消費するラインカードの実装として始まりました。{0} 2010 年頃に導入された CFP フォーム ファクターは、大型のプラグイン可能なモジュールで約 100 W の電力を達成しました。 CFP2 モジュールは、2014 年までにこれを 40{8}}60W に削減し、単一スロットのコヒーレント インターフェースを可能にしました。- QSFP-DD (15W) および OSFP (20-25W) フォーマットへのブレークスルーには、上記のアーキテクチャ変更、つまり 7nm DSP、シリコン フォトニクスの統合、および積極的な電力の最適化が必要でした。

15W QSFP-DD の電力エンベロープの内訳は、DSP で 6-7W、変調器や受信機を含むシリコン フォトニック エンジンで 2-3W、ドライバー アンプとトランス インピーダンス アンプで 3～4W、波長可変レーザーで 1～2W です。この厳しい予算により、多くの設計上の妥協が余儀なくされます。デュアルレート動作や強化された FEC アルゴリズムなどの機能により、電力制限内に収まらない可能性のある処理負荷が追加されます。熱管理が重要になります。小型モジュールから 15W が放散されるには、慎重なヒートシンク設計とホスト システムのエアフローが必要です。

OSFP のより大きなサイズと 20- 25W の電力バジェットにより、より高性能な実装が可能になります。メトロ ネットワークを対象とした OpenZR+ 仕様は OSFP 形式で動作し、統合された光増幅、より洗練された DSP アルゴリズム、および拡張された温度範囲による高出力をサポートします。追加の 5 ～ 10 W により、確率的シェーピングや高ゲイン FEC などの機能が有効になり、基本的な 400ZR 実装と比較して到達距離が 120 km から 500+ km に向上します。

同時パッケージ化された光学部品は、次の統合フロンティアを表します。{0} CPO は、プラグ可能なモジュールではなく、スイッチ シリコンに直接隣接してフォトニック ダイを配置し、電気シリアライザ-とそれに関連する電力消費を排除します。 CPO アーキテクチャでは、コヒーレント光エンジンは 400G 容量で 5W を消費する可能性がありますが、プラグイン可能なフォーム ファクタでは 15W です。この 3 倍の電力削減は、電気経路の短縮と信号調整の冗長ステージの排除によって実現されます。ただし、CPO では現場での交換可能性が犠牲になり、製造とサービスの物流が複雑になります。

標準化団体は、相互運用性とイノベーションのバランスをとるために取り組んでいます。 OIF 400ZR 実装契約では、コヒーレント機能の特定のサブセットを定義しています。-64 GBd シンボル レート、DP-、指定された FEC アルゴリズムにより、データセンター相互接続アプリケーションのマルチベンダー相互運用性が保証されます。 OpenZR+ は、より柔軟なパラメーターを使用してこれを大都市圏の距離まで拡張します。 Ciena の WaveLogic や Infinera の ICE プラットフォームなどの独自の実装はパフォーマンスをさらに向上させますが、リンクの両端に適合する機器が必要です。

 

 

長距離のパフォーマンスと光パワー バジェット

 

送信到達距離は基本的に、光パワー バジェット-発射パワーと受信感度の差に依存します。 400G-ZR モジュールは通常、統合された半導体光増幅器を通じて 0 dBm の起動パワーを達成し、-20 dBm の受信感度を示し、20 dB のパワー バジェットを生み出します。 3 ～ 4 dB のコネクタ損失、0.2 dB/km のファイバ減衰、および必要なマージンを考慮すると、これにより約 80 km の到達距離が可能になります。

メトロ-に最適化されたトランシーバーは、より高い起動出力と改善された受信感度によって到達範囲を拡大します。 OpenZR+ 実装は、より高性能な統合アンプにより +4 dBm の起動を実現し、強化された DSP アルゴリズムと低ノイズ光検出器により - 24 dBm の感度を実現します。改善された 28 dB バジェットにより、光増幅では 400 km のスパンが可能になり、エルビウムドープファイバ増幅器では 80 ～ 100 km ごとに 1,{9}} km のスパンが可能になります。

長距離の海底システムは異なる動作をします。-これらは、プラグ可能なトランシーバではなく、+10 ～ +15 dBm の起動電力を生成する外部高出力アンプを備えたラインカード実装を使用しています。-光増幅器を 50-80 km ごとに配置すると、大洋横断距離全体で信号強度が維持されます。重要な指標は、スペクトル効率-光帯域幅の 1 Hz あたりのビット数です。高度な実装では、PCS、OSNR が許可する場合の高次 QAM、および 11 ～ 12 dB のコーディング ゲインを提供する高度な FEC を通じて 8 ～ 10 bit/s/Hz を達成します。

DWDM 多重化は、複数の波長チャネルを単一のファイバーに集約します。最新のシステムは、C- バンド全体で 50 GHz 間隔で 96 チャネル、またはより厳密なフィルタリングを使用した 25 GHz 間隔で 192 チャネルをサポートします。フルロードされた C+L 帯域システムは、それぞれ 400G の 200+ 波長を伝送し、ファイバー ペアで合計 80 Tbps の容量を生成します。コヒーレント トランシーバーは、クロストークを最小限に抑えながら隣接するチャネルと共存する必要があり、鮮明な光フィルタリングと正確な波長安定性が必要です。

再構成可能な光アド-ドロップ マルチプレクサにより、光-電気-光変換を行わずに柔軟な波長ルーティングが可能になります。コヒーレント トランシーバは、慎重な波長制御と適切な起動パワーを通じて ROADM と連携して、ROADM 挿入損失 (複雑なメッシュ ネットワークでは通常 10 ～ 15 dB) を克服します。コヒーレント モジュールの調整可能なレーザーは、物理モジュールの変更を必要とせずに、数分で波長の再構成をサポートします。これは、適応型ネットワークの重要な実現要因です。

 

実装の課題と設計上のトレードオフ-

 

コンポーネントの統合には永続的な課題が存在します。シリコン フォトニクスには導波路層の正確な厚さ制御が必要です-1-2ナノメートルの変動により共振波長が変化し、性能が低下します。シリコン基板上への III-V レーザーの異種集積には、サブ-ミクロンの位置合わせと低損失の光結合が必要です。製造歩留まりは依然としてプロセス変動の影響を受けやすいものの、鋳造工場の経験により改善されています。

熱管理はコンパクトなフォームファクターを複雑にします。 QSFP-DD モジュールの 15W の集中電力損失により、コンポーネントの接合部に 80 度を超えるホットスポットが発生します。この温度上昇により、レーザー波長が変化し、シリコン導波路内の光路長が変化し、コンポーネントの劣化が促進されます。金属ヒートシンクによる熱拡散と慎重な PCB 熱設計によりこれらの影響は軽減されますが、熱的制約により最大パフォーマンスが制限されることがよくあります。

テストと認定により、開発スケジュールが延長されます。コヒーレント トランシーバーは、温度範囲、波長グリッド、およびファイバーの種類全体にわたって 10^-15 未満のビット エラー レートを実証する必要があります。プロトコル準拠テストでは、イーサネット フレーミング、OTN カプセル化、および管理インターフェイスを検証します。相互運用性の検証には、複数の機器ベンダーによるテストが必要です。このプロセスでは通常、最初のシリコンから製品リリースまでに 18 ～ 24 か月かかります。

コスト構造は直接検出光学系とは異なります。{0}特殊な DSP、フォトニック統合、および調整可能なレーザー コンポーネントにより基本コストが高くなりますが、外部分散補償を排除し、より長い到達距離をサポートすることで相殺されます。大量生産によりユニットコストが上昇します-年間 100,000 ユニットで、シリコン フォトニクスはディスクリート アセンブリと同等のコストを達成します。数百万個のユニットにおいて、シリコンは 50 ～ 60% のコスト削減を実現します。

標準の断片化により導入が複雑になります。 400ZR は広く採用されましたが、OpenZR+ などの拡張機能や独自のフォーマットにより市場が細分化されています。適合するトランシーバー実装を必要とする機器はベンダー ロックインを引き起こし、マルチベンダー ネットワークを複雑化します。-業界コンソーシアムはさらなる標準化に向けて取り組んでいますが、パフォーマンスの差別化が独自の拡張を奨励します。

800G および 1.6T までの電力スケーリングにより、すべての限界が同時に押し上げられます。電力バジェットを維持しながらデータ レートを 2 倍にするには、5nm または 3nm DSP、改良された変調フォーマット、およびより優れたフォトニック統合が必要です。 400G アーキテクチャを単純に直線的に拡張すると、電力エンベロープと熱制限を超えてしまいます。アナログ信号処理、光ドメイン等化、ヘテロジニアス チップレット アーキテクチャなどの新しい技術は、これらの制約を打破することを目的としています。

 

市場動向とアプリケーションセグメント

 

データセンターの相互接続アプリケーションは、最初の一貫したプラガブルの導入を推進しました。 40{3}}120 km 離れた施設を接続するクラウド プロバイダは、年間数百万台の 400ZR モジュールを導入し、専用の伝送機器をルーター間の直接接続に置き換えました。-この「IP over DWDM」アーキテクチャにより、ネットワークが簡素化され、消費電力が削減され、機器の種類と運用モデルが減り経済性が向上しました。

電気通信事業者はさまざまな要件を維持しています。 200-2,000 km にわたるメトロおよび地域ネットワークには、DCI 最適化モジュールが提供する以上のパフォーマンスが必要です。通信会社-グレードの機能には、強化されたモニタリング、ヒットレス波長調整、キャリアクラスの信頼性基準が含まれます。 OpenZR+ と独自のコヒーレント実装は、より高性能な DSP、優れた光学パフォーマンス、および広範な操作サポートによってこれらのニーズに対応します。

海底ケーブル システムは最高のパフォーマンスを発揮します。大洋横断リンクでは、アクセスできない展開場所を考慮した場合、ファイバーあたりの最大容量と最高の信頼性が求められます。これらのシステムは、特定のリンクに最適化されたカスタム コヒーレント実装を使用します。-測定されたファイバ特性に基づいた慎重な変調選択、より長い再生スパンを許容する最大コーディング ゲイン FEC、および広範な冗長性を備えています。 25+ 年のケーブル寿命には、一般的な商用基準を超えるコンポーネントの認定が必要です。

5G トランスポートは、コヒーレント光に対する新たな需要を生み出します。モバイル ネットワークの高密度化と帯域幅の拡大により、セル サイトのバックホール接続とミッドホール接続のファイバー要件が高まります。工業用温度範囲をサポートするコヒーレント トランシーバーにより、遠隔地または街頭キャビネットへの屋外展開が可能になります。コンパクトで電力効率が高く、環境に配慮したパッケージでの 100G コヒーレント実装は、このセグメントをターゲットにしており、コストと堅牢性を犠牲にして最大のパフォーマンスを実現します。-

エンタープライズ ネットワークはこれまで、距離が短く、帯域幅要件が低いため、直接検出光学系を使用していました。{0}ただし、400G キャンパス バックボーンと建物間の接続により、一貫した経済性がますます正当化されています。{3}プラグ可能なフォームファクターによる導入の簡素化とコストの低下により、従来の通信事業者ネットワークを超えて対応可能な市場が拡大します。

 

技術ロードマップと今後の方向性

 

800G コヒーレント トランシーバーは、5nm DSP と強化された変調方式を採用し、2024 年に量産開始されました。 16-QAM または 8-QAM 変調を備えた 90-100 GBd シンボル レートのこれらのデバイスは、同様のフォーム ファクタで 400G 容量を 2 倍にします。 OSFP 実装では、熱管理機能の限界で消費電力が 18 ～ 22 W に増加しました。既存のファイバ インフラストラクチャの容量を 2 倍にすることで、コストのかかるファイバ プラントの拡張を遅らせることができる、大容量リンクにとって経済的な理由は依然として説得力があります。

1.6T コヒーレントは現在の開発の最前線を表します。デモでは 8-QAM 変調を使用した 140 GBd の動作を通じてこの速度を達成しましたが、商用展開には 3nm DSP の利用可能性とさらなるフォトニック統合の改善が待たれます。あるいは、デュアル キャリア 800G 実装では、2 つの 800G チャネルを 1 つのモジュールで多重化します。{10}最適なパスは、電力効率、コスト目標、市場投入までの時間の考慮事項によって異なります。{11}}

電気 DSP を超えて、光信号処理により電力節約の可能性がもたらされます。フォトニック回路を使用して光学領域で等化、分散補償、または位相回復を実行すると、DSP の計算負荷が軽減される可能性があります。ただし、光学処理にはデジタル アルゴリズムのような柔軟性と適応性が欠けているため、特定のよく特徴付けられた障害への適用が制限されます。-

量子通信では、量子鍵配布のためのコヒーレント技術を研究します。量子状態に必要な正確な位相と偏光制御は、コヒーレント トランシーバー機能を活用します。現在ではニッチですが、量子ネットワークは基盤としてコヒーレントなハードウェアを採用し、古典光通信と量子光通信の間に相乗効果を生み出す可能性があります。

人工知能アプリケーションにより、帯域幅の要件がさらに高まります。大規模な言語モデルをトレーニングすると、計算が数千の GPU に分散され、東西データセンターのトラフィックが毎月エクサバイト単位で発生します。-このトラフィックでは、単一の建物内であっても、優れた容量距離積を実現するためにコヒーレント光を使用することが増えています。{3} AI ワークロードが増大するにつれて、AI ワークロードがコヒーレント トランシーバー量の主要な推進要因となる可能性があります。

 

結論

 

コヒーレント トランシーバーの高度な技術要件は、基本的な物理的制約と性能目標から生じます。光の位相と偏光を操作するには、フォトニック構造をナノメートル-スケールで制御する必要があります。マルチギガヘルツのレートでシンボルあたりギガビットを処理するには、最先端のデジタル信号プロセッサが必要です。-これらの機能をコンパクトで電力効率の高いパッケージに統合することで、半導体、フォトニクス、パッケージング技術を限界まで押し上げます。-

複数の分野にわたる調整された進歩を通じて進歩が続きます。 DSP 設計者はプロセス ノードを縮小し、アルゴリズムを最適化します。フォトニクス エンジニアは、より優れた変調器と低損失の統合を開発します。-システム設計者は、ターゲット アプリケーションの変調形式、シンボル レート、FEC オーバーヘッドのバランスをとります。その結果、容量、到達範囲、費用対効果が着実に向上し、ネットワーク機能の拡張が可能になります。-

コヒーレント トランシーバーにこのような高度なテクノロジーが必要な理由を理解すると、光ネットワークを形成するエンジニアリングのトレードオフが明らかになります。{0} 7nm と 5nm DSP、シリコンとニオブ酸リチウム変調器、16-QAM と 8-QAM 変調など、すべての設計選択には、パフォーマンス、電力、コストへの影響を注意深く分析する必要があります。このテクノロジーは、飽くなき帯域幅需要と半導体産業の進歩によって可能となり、急速に進化し続けています。