Koherentni optični sistem je primeren za omrežja na dolge razdalje

 

Koherentni optični sistemi omogočajo prenos podatkov na razdalje, ki presegajo 1000 kilometrov, z modulacijo amplitude, faze in polarizacije svetlobe. Ti sistemi uporabljajo procesorje digitalnih signalov za kompenzacijo okvare vlaken in podpirajo prenosne hitrosti od 100G do 1,6 Tbps na valovno dolžino.

 

Kako delujejo koherentni optični sistemi

 

 

Tradicionalni optični sistemi se zanašajo na modulacijo intenzitete, prižiganje in izklapljanje svetlobe za predstavitev binarnih podatkov. Ta pristop omejuje prenos na približno 10 gigabitov na sekundo in se bori z razdaljami, ki presegajo nekaj sto kilometrov. Koherentni optični sistem prebije te omejitve tako, da hkratno manipulira z več lastnostmi svetlobnih valov.

Tehnologija kodira informacije v treh dimenzijah: amplituda (moč signala), faza (položaj valovanja) in polarizacija (usmerjenost elektromagnetnega polja). S spreminjanjem vseh treh lastnosti koherentni sistemi zapakirajo bistveno več podatkov na vsak svetlobni impulz. Ena valovna dolžina z uporabo 16-QAM modulacije lahko kodira 4 bite na simbol v primerjavi s samo 1 bitom na simbol pri tradicionalnem vklopno-izklopnem ključovanju.

Digitalni signalni procesorji tvorijo elektronsko srce teh sistemov. DSP opravlja številne kritične funkcije: pretvorbo med električnimi in optičnimi signali, kompenzacijo disperzije kromatskega in polarizacijskega načina, popravljanje napak pri prenosu z algoritmi za odpravljanje napak naprej in stalno spremljanje delovanja povezave. Nedavne izvedbe DSP z uporabo 3-nanometrske tehnologije CMOS so omogočile 800G koherentne vtične module, ki ustrezajo faktorju oblike QSFP-DD, medtem ko porabijo manj kot 25 vatov.

Koherentno zaznavanje na sprejemniku uporablja laser lokalnega oscilatorja, ki je nastavljen na enako frekvenco kot dohodni signal. Ta lokalni oscilator se meša s prejetim signalom v optičnem hibridu, pri čemer proizvede signal vmesne frekvence, ki ohrani vse kodirane informacije. Fotodetektorji nato ta mešani signal pretvorijo v električno domeno, kjer DSP rekonstruira izvirne podatke s pomočjo sofisticiranih algoritmov, ki obrnejo proces kodiranja in kompenzirajo nakopičena popačenja.

 

Zakaj omrežja na dolge razdalje zahtevajo koherentne sisteme

 

Omrežja za-dolge razdalje se soočajo z edinstvenimi izzivi, zaradi katerih je koherentna tehnologija bistvena. Te povezave običajno obsegajo od 1.000 do 10.000 kilometrov in povezujejo mesta, države in celine prek zemeljskih optičnih poti in podmorskih kablov.

Slabljenje signala narašča linearno z razdaljo. Tudi s sodobnimi vlakni z ultra-nizkimi{2}}izgubami, ki dosegajo 0,18 dB na kilometer, se pri razponu 2000- kilometrov nabere 360 ​​dB izgube. Ojačevalniki z vlakni-dopiranimi z erbijem, nameščeni vsakih 50-100 kilometrov, okrepijo signal, vendar vsaka ojačevalna stopnja doda šum, ki poslabša razmerje-in-šumom. Koherentni optični sistem doseže 20 dB višjo občutljivost sprejemnika v primerjavi s sistemi neposrednega zaznavanja, kar omogoča, da signali prenašajo več akumuliranega šuma, preden zahtevajo drago optično-električno-optično regeneracijo.

Kromatična disperzija povzroči, da različne valovne dolžine svetlobe potujejo z nekoliko različnimi hitrostmi skozi vlakna. Na dolge razdalje ta učinek povzroči širjenje impulza, ki zamegli sosednje bite. Disperzija polarizacijskega načina ustvarja podobne težave, ko dve polarizacijski stanji svetlobe potujeta z različnimi hitrostmi. Starejši sistemi so zahtevali module fizične kompenzacije disperzije vsakih nekaj razponov, kar je povečalo stroške in kompleksnost. Koherentni DSP-ji obravnavajo obe vrsti disperzije zgolj v elektronski domeni, s čimer odpravijo potrebo po teh optičnih komponentah in omogočijo namestitev prek vlaken, ki prej niso bila uporabna.

Ekonomski argument za skladno tehnologijo postane prepričljiv na razdaljah nad 200 kilometrov. Koherentni vtični modul 400G ZR stane več kot enakovreden modul PAM4, vendar odpravlja več mest za ojačanje in regeneracijo, ki jih zahtevajo sistemi neposrednega zaznavanja. Omrežni operaterji poročajo, da koherentni sistemi zmanjšajo število vgrajenih regeneratorjev za 40-60 % na dolgih poteh, pri čemer vsako izognjeno mesto regeneracije prihrani od 500.000 do 2 milijona $ pri stroških opreme in nepremičnin.

Sodobni-sistemi za dolge razdalje delujejo na več valovnih dolžinah hkrati z uporabo multipleksiranja z gosto delitvijo valovnih dolžin. Tipičen sistem DWDM v pasu C- prenaša 80–96 kanalov, ki so med seboj oddaljeni 50 GHz. Vrhunska spektralna učinkovitost tehnologije Coherent omogoča manjši razmik kanalov brez motenj. Omrežja, ki uporabljajo prilagodljivo omrežno arhitekturo, lahko dodelijo točno takšno širino spektra, kot jo potrebuje vsak kanal, tako da stisnejo kanale tako blizu 37,5 GHz narazen in povečajo skupno zmogljivost vlaken za 25-30 % v primerjavi s fiksnimi omrežnimi sistemi.

 

Tehnična arhitektura koherentnega optičnega sistema

 

Celotna koherentna povezava-na dolge razdalje vključuje oddajnik, razpon vlaken, vgrajene ojačevalnike in komponente sprejemnika, ki delujejo usklajeno.

Oddajnik se začne z nastavljivim laserjem z zunanjo votlino, ki proizvaja ozko{0}}koherentno svetlobo, običajno v 1550-nanometrskem C-pasu. Širina linije pod 100 kHz zagotavlja fazno stabilnost na razdalji prenosa. IQ modulator-pravzaprav dva ugnezdena Mach-Zehnder modulatorja-ločeno nadzorujeta-infazno in kvadraturno komponento optičnega signala. DSP poganja ta modulator s skrbno oblikovanimi električnimi valovnimi oblikami, ki kodirajo podatke z modulacijskimi formati, kot so DP-QPSK, 16-QAM ali 64-QAM, odvisno od proračuna povezave.

Razponi vlaken v prizemnih omrežjih običajno merijo 80-100 kilometrov med mesti ojačevalnika, omejeni z akumulirano izgubo in razpoložljivim ojačanjem ojačevalnika. Podmorski sistemi dosegajo nekoliko daljše razpone 100-120 kilometrov zaradi boljšega nadzora nad usmerjanjem vlaken in zmanjšanih izgub v konektorjih. Vlakna sama so se znatno razvila, saj specifikacije G.654.E določajo vlakna z veliko učinkovito površino, ki zmanjšujejo nelinearne učinke, in vlakna z ultra nizkimi izgubami, ki dosegajo 0,16 dB na kilometer.

Inline ojačevalniki povečajo signal na vsakem razponu brez pretvorbe v električno domeno. Ojačevalniki z vlakni, dopiranimi z erbijem-, prevladujejo v sistemih C-pasov in zagotavljajo 20-30 dB ojačanja. L-pasovni EDFA razširijo zmogljivost v obseg 1565-1625 nanometrov, medtem ko porazdeljeno Ramanovo ojačanje črpa moč nazaj skozi samo prenosno vlakno, da zagotovi dobiček z nižjimi vrednostmi šuma. Napredni sistemi uporabljajo hibridne konfiguracije EDFA-Raman za optimizacijo razmerja med signalom in šumom v celotni povezavi.

Sprejemnik zrcali kompleksnost oddajnika. Integrirani koherentni sprejemnik vključuje lokalni oscilatorski laser, 90-stopinjski optični hibrid, uravnotežene fotodetektorje in transimpedančne ojačevalnike. Visokohitrostni-analogno-digitalni pretvorniki vzorčijo zaznane signale s hitrostjo, ki presega 100 gigavzorcev na sekundo. DSP nato izvede obnovitev takta, slepo izravnavo za kompenzacijo disperzije kromatskega in polarizacijskega načina, obnovitev faze nosilca in dekodiranje vnaprejšnjega popravljanja napak.

Vnaprejšnje popravljanje napak je postalo vse bolj izpopolnjeno. Algoritmi FEC z mehko-odločitvijo, kot je verjetnostno oblikovanje konstelacije, dosegajo neto kodiranje, ki presega 11 dB, kar omogoča, da signali delujejo pri stopnjah bitnih napak pod 10^-15, tudi če stopnja napak pred FEC presega 10^-2. Te napredne kode imajo stroške dodatnih režijskih stroškov, običajno 20-27 %, vendar izboljšanje zmogljivosti upravičuje to žrtvovanje zmogljivosti na dolgih poteh.

 

Specifikacije zmogljivosti koherentnega optičnega sistema

 

Sodobni koherentni sistemi dosegajo impresivne specifikacije, ki se izboljšujejo z vsako generacijo tehnologije.

Zmogljivost prenosa se je močno povečala. Trg je okoli leta 2010 prešel s koherentnih sistemov 100G na 200G do leta 2015 in 400G do leta 2020. Trenutna šesta{7}}generacija koherentnih DSP-jev podpira 800G na valovno dolžino, pri čemer so vodilni prodajalci predstavili sisteme 1,2 Tbps in 1,6 Tbps v terenskih poskusih leta 2024. Popoln sistem DWDM s 96 kanalov pri 400G zagotavlja 38,4 terabitov na sekundo prek enega para vlaken. Podmorski kabli z 8 pari vlaken dosegajo skupne zmogljivosti preko 300 Tbps.

Zmogljivosti dosega so odvisne od oblike modulacije in hitrosti prenosa. Modul 400G ZR, ki uporablja DP-16QAM, doseže 120 kilometrov brez vgrajenega ojačanja, kar je primerno za metro regionalna omrežja. Specifikacija 400G ZR+ to razširi na 500 kilometrov z ojačanjem. Sistemi, optimizirani-za dolge razdalje, ki uporabljajo DP-QPSK pri nižjih hitrostih prenosa, dosegajo neregenerirane razdalje 2000–3000 kilometrov. Podmorski sistemi se med pristajalnimi postajami običajno raztezajo na 6.000–10.000 kilometrih, pri čemer najdaljši kabelski sistemi presegajo 20.000 kilometrov, vključno z več točkami pristajanja.

Spektralna učinkovitost meri, koliko podatkov prenaša vsaka enota spektra. Zgodnji koherentni sistemi so dosegali 2-3 bite na sekundo na Hertz. Sodobni sistemi, ki uporabljajo napredno modulacijo, verjetnostno oblikovanje in ozek razmik med kanali, dosežejo 5-7 bitov/sekundo/Hz na prizemnih poteh. To izboljšanje učinkovitosti pomeni, da lahko omrežja nadgradijo zmogljivost brez namestitve dodatnih optičnih vlaken, kar je ključna prednost, ko namestitev optičnih vlaken stane 50.000–150.000 USD na kilometer v mestnih območjih.

Poraba energije se je dramatično zmanjšala, čeprav se je zmogljivost izboljšala. Prva-generacija koherentnih linijskih kartic je porabila 300–500 vatov za 100G zmogljivosti ali 3–5 vatov na gigabit. Trenutni vtični moduli 400G porabijo 15-20 vatov in dosegajo 50-80 milivatov na gigabit. To 50-kratno izboljšanje energetske učinkovitosti zmanjša obratovalne stroške in zahteve po hlajenju tako v sobah z omrežno opremo kot v podmorskih repetitorjih, kjer je električna energija močno omejena.

Zakasnitev prek koherentnih sistemov doda minimalne stroške v primerjavi s temeljno hitrostjo svetlobe v vlaknu. Obdelava DSP prispeva 50–200 mikrosekund zakasnitve, odvisno od izvedbe. Na 3000-kilometrski povezavi, kjer je osnovna propagacijska zakasnitev 15 milisekund, to predstavlja le 0,3-1,3 % režijskih stroškov. Napredne izvedbe dosegajo variacijo zakasnitve pod 10 nanosekundami, kar je ključnega pomena za finančno trgovanje in aplikacije 5G fronthaul.

 

Scenariji uvajanja in primeri uporabe

 

Koherentni-sistemi za dolge razdalje služijo več različnim segmentom omrežja, od katerih ima vsak posebne zahteve.

Prizemna jedrna omrežja tvorijo hrbtenico, ki povezuje glavna metropolitanska območja. Ponudniki storitev, kot so AT&T, Verizon in China Telecom, upravljajo ta omrežja za zbiranje prometa iz metro omrežij in zagotavljanje povezljivosti po vsej državi. Poti se običajno raztezajo na 1.000-2.500 kilometrih med večjimi mesti, z vmesnimi doda-odstopnimi točkami, ki uporabljajo rekonfigurabilne optične add-drop multiplekserje. Koherenten optični sistem na teh poteh običajno uporablja valovne dolžine 400G z načrti za nadgradnjo na 800G, ko bo promet naraščal. Omrežni operaterji cenijo možnost programiranja koherentnih oddajnikov, ki lahko prilagodijo format modulacije in hitrost prenosa za optimizacijo zmogljivosti glede na doseg na podlagi dejanskih pogojev vlaken.

Podmorski kabelski sistemi predstavljajo najzahtevnejše koherentne postavitve. Sodobni čezoceanski kabli dosegajo skupno dolžino 15.000-20.000 kilometrov z več točkami pristajanja. Kabel MAREA, ki povezuje Virginijo s Španijo, se razteza na 6600 kilometrov in zagotavlja zmogljivost 200 Tbps z uporabo 100G koherentnih kanalov. Novejši sistemi, ki bodo uvedeni v letih 2024–2025, uporabljajo valovne dolžine 400G in 800G, da dosežejo zmogljivost 500+ Tbps. Ti sistemi zahtevajo izjemno zanesljivost s srednjim časom med okvarami, ki presega 25 let, saj podvodna popravila stanejo 1-3 milijone USD na incident in lahko traja več mesecev, da se dokončajo v globoki vodi. Repetitorji na vsakih 50-80 kilometrov delujejo brez vzdrževanja desetletja.

Medsebojne povezave podatkovnih centrov vedno bolj sprejemajo skladno tehnologijo, saj hiperskalerji gradijo zasebna omrežja, ki povezujejo njihove globalne objekte. Meta, Google, Amazon in Microsoft skupaj upravljajo na tisoče kilometrov dolgih-optičnih vlaken, ki povezujejo na desetine kampusov podatkovnih centrov. Ta omrežja dajejo prednost nizki zakasnitvi in ​​ogromni zmogljivosti pred stroškovno učinkovitostjo. Regionalne povezave dolžine 200-500 kilometrov uporabljajo vtičnice 400G ZR+, integrirane neposredno v usmerjevalnike in stikala, s čimer se odpravijo ločene police za transponderje. Daljše hrbtenične poti uporabljajo zmogljivejše vgrajene koherentne sisteme z valovno dolžino od 800G do 1,6 Tbps.

Raziskovalna in izobraževalna omrežja so še en pomemben sektor uvajanja. Organizacije, kot sta Internet2 v Združenih državah in GÉANT v Evropi, upravljajo omrežja-na dolge razdalje, ki podpirajo povezljivost univerz in raziskovalnih ustanov. Ta omrežja so bila pionirja pri mnogih koherentnih tehnologijah, ki so zagotovile preskusne površine za nove formate modulacije in programsko{4}}definirane omrežne zmogljivosti. Potreba znanstvene skupnosti po obsežnih prenosih naborov podatkov-eksperimenti fizike delcev ustvarjajo petabajte na dan-poganja nenehne nadgradnje zmogljivosti.

 

 

Rast trga in gospodarski dejavniki

 

Trg koherentne optične opreme kaže močno rast, ki jo poganja nenasitno povpraševanje po pasovni širini.

Velikost trga je leta 2024 dosegla 16,9-28,8 milijarde USD, odvisno od natančne definicije trga, s projekcijami, ki kažejo rast na 29,7–51,4 milijarde USD do leta 2032–2033. To predstavlja skupne letne stopnje rasti 5,3–12,4 %, z višjimi stopnjami rasti v bolj ozko opredeljenih segmentih, kot so koherentni vtičniki. Razlike v ocenah odražajo različne metodološke pristope k določanju tržnih meja, vendar se vse analize strinjajo glede močne dvomestne rasti.

Internetni promet se še naprej eksponentno širi in se po Ciscovih analizah povečuje za 25-30 % letno. Pretakanje videa predstavlja več kot 82 % potrošniškega internetnega prometa, pri čemer 4K in nastajajoči formati 8K zahtevajo 15–45 Mbps na tok. Igranje iger v oblaku, virtualna resničnost in nastajajoče aplikacije metaverse zahtevajo trajno visoko pasovno širino z nizko zakasnitvijo. Prehod na delo na daljavo v letih 2020–2022 je trajno povečal promet poslovnih videokonferenc in uporabo storitev v oblaku.

Uvedba omrežja 5G ustvarja velike zahteve glede pasovne širine na robovih omrežja in v zaledni infrastrukturi. Posamezno celično mesto 5G lahko ustvari 10–100 Gbps prometa v obdobjih največje obremenitve, kar zahteva koherenten optični transport za združevanje tega prometa proti jedrnemu omrežju. Globalne povezave 5G so leta 2024 presegle 1,5 milijarde in bodo do leta 2028 dosegle 5,9 milijarde, kar bo povzročilo ustrezno rast optičnih transportnih zmogljivosti.

Širitev podatkovnega centra spodbuja koherentno povpraševanje po opremi, saj hiperskalerji gradijo porazdeljeno računalniško infrastrukturo za podporo usposabljanju in sklepanju umetne inteligence. Usposabljanje velikih jezikovnih modelov zahteva vzporedno obdelavo v več deset tisočih grafičnih procesorjih, ki so medsebojno povezani z omrežji ultra-visoke-pasovne širine. Operaterji podatkovnih centrov so v letu 2024 investirali več kot 200 milijard USD v kapitalske izdatke, pri čemer so optične povezave predstavljale 8–12 % te porabe.

Migracija storitev v oblaku ne kaže znakov upočasnitve. Migracija delovne obremenitve podjetij na platforme v oblaku se je med pandemijo pospešila in se nadaljuje, ko organizacije sprejemajo hibridne in multi{1}}arhitekture oblakov. Ta strukturni premik koncentrira promet v glavnih omrežjih ponudnikov oblakov, ki se vsa močno zanašajo na-koherentne optične sisteme na dolge razdalje za medsebojno povezovanje svoje globalno porazdeljene infrastrukture.

Geografska širitev internetne infrastrukture spodbuja skladno uvajanje v regijah v razvoju. Jugovzhodna Azija, Afrika in Latinska Amerika gradijo postaje za pristajanje podmorskih kablov in kopenska omrežja za-dolge razdalje, da bi izboljšale regionalno povezljivost. Naložbe v podmorske kable v teh regijah presegajo 5 milijard dolarjev letno, pri čemer večina novih sistemov uporablja skladno tehnologijo že od samega začetka, namesto da bi jih nadgrajevali s podedovanimi sistemi.

 

Konkurenčno okolje in ključni prodajalci

 

Na koherentnem trgu optične opreme je mešanica uveljavljenih prodajalcev telekomunikacijske opreme in specializiranih dobaviteljev optičnih komponent.

Ciena je bila pionir v komercialnih koherentnih sistemih z uvedbo koherentne tehnologije 40G leta 2008 in je obdržala tehnološko vodilno vlogo skozi zaporedne generacije WaveLogic. Platforma WaveLogic 6, objavljena leta 2024, dosega 1,6 Tbps na valovno dolžino in napaja tako vgrajene linijske kartice kot vtične module. Ciena ima približno 18-22-odstotni tržni delež na področju koherentnih optičnih transportnih sistemov.

Nokiina platforma Photonic Service Engine (PSE) služi tako kopenskim kot podmorskim aplikacijam. Moč podjetja pri načrtovanju in integraciji omrežja dopolnjuje njegov skladen tehnološki portfelj. Nokia še posebej prevladuje pri podmorskih sistemih, saj je zasnovala ali dobavila optične linijske terminale za več kot 70 % novih projektov podmorskih kablov, ki so bili oddani v obdobju 2022–2024.

Huawei ohranja največji skupni tržni delež pri 25-30 % po vsem svetu, čeprav se njegov položaj glede na regijo močno razlikuje zaradi geopolitičnih dejavnikov. Integrirani pristop podjetja k omrežni infrastrukturi in optičnim sistemom je privlačen za operaterje, ki iščejo rešitve enega-prodajalca. Huaweijeva platforma OptiXtrans podpira valovne dolžine od 400G do 1,6 Tbps v aplikacijah za metro, regionalne in dolge razdalje.

Infinera se osredotoča izključno na optično mreženje in je pionir v vertikalni integraciji optičnih komponent. Podjetje izdeluje lastna fotonska integrirana vezja, ki združujejo več optičnih funkcij na enem čipu, da zmanjšajo stroške in izboljšajo zmogljivost. Infinerina koherentna tehnologija ICE6 podpira valovne dolžine 800G in je namenjena ponudnikom storitev in trgom podatkovnih centrov.

Cisco je leta 2021 vstopil na koherentni trg s prevzemom družbe Acacia Communications, s čimer je pridobil-vodilno koherentno tehnologijo DSP v industriji. Acaciin pristop silicijeve fotonike omogoča-veliko{3}}količinsko in nizko{4}}cenovno proizvodnjo koherentnih modulov. Cisco integrira te module v svoje usmerjevalne platforme in ustvarja tesno povezane rešitve IP-preko-DWDM, ki so priljubljene pri operaterjih spletnih-podatkovnih centrov.

Segment vtičnih koherentnih modulov kaže drugačno konkurenčno dinamiko. Marvell dobavlja čipe DSP, ki se uporabljajo v več kot 40 % koherentnih vtičnih modulov, in deluje kot trgovski ponudnik silicija za več proizvajalcev modulov. Coherent Corp (prej II-VI), Lumentum in Broadcom izdelujejo celotne module z uporabo različnih dobaviteljev DSP in silicijeve fotonike. Podjetje NeoPhotonics, ki ga je Broadcom kupil leta 2022, je prineslo močne zmogljivosti na področju nastavljivih laserjev in fotonske integracije.

Nastajajoči kitajski prodajalci, vključno s HiSilicon, ZTE in Fiberhome, pridobivajo delež pri domačih kitajskih uvedbah, medtem ko si država prizadeva za tehnološko neodvisnost. Ti prodajalci imajo koristi od znatne državne podpore za razvoj domače optične tehnologije in prednostnega dostopa do ogromnega domačega kitajskega trga.

 

Tehnološki razvoj in prihodnje smeri

 

Koherentna optična tehnologija se še naprej hitro razvija v več dimenzijah.

Napredek formata modulacije dvigne spektralno učinkovitost višje, hkrati pa obvladuje kompleksnost. Probabilistično oblikovanje konstelacije optimizira porazdelitev oddanih simbolov, da se bolje ujema z zmogljivostjo kanala, s čimer doseže 0,5-1,5 dB boljšo zmogljivost kot enotni formati konstelacije. Geometrijsko oblikovanje spremeni postavitev konstelacijske točke namesto verjetnosti simbola, kar ponuja podobne dobičke z nižjo kompleksnostjo implementacije. Raziskovalni sistemi so pokazali 256-QAM in formate višjega reda, čeprav praktične uvedbe redko presegajo 64-QAM zaradi občutljivosti na hrup.

Digitalna tehnologija podnosilcev razdeli vsako valovno dolžino na več ožjih podnosilcev, od katerih ima vsak neodvisno modulacijo in kodiranje. Ta pristop poenostavlja izravnavo, omogoča boljšo zrnatost zmogljivosti in izboljša toleranco na nelinearnost vlaken. Sistemi, ki uporabljajo 2-8 podnosilcev na valovno dolžino, so začeli komercialno uvajati, z raziskavami, ki so pokazale prednosti do 16 podnosilcev.

Prostorsko razdeljeno multipleksiranje predstavlja naslednjo mejo za povečanje zmogljivosti. Večjedrna vlakna postavijo 4-12 ločenih jeder znotraj ene same vlaknene ovojnice, pri čemer se zmogljivost sorazmerno poveča. Trakovi iz ločenih vlaken dosegajo podobne prednosti kot običajna eno-jedrna vlakna. Nekaj-načinovnih vlaken podpira 3-6 prostorskih načinov na jedro, čeprav povezovanje načinov ustvarja izzive pri izenačevanju. Komercialne uvedbe ostajajo omejene na specializirane aplikacije, toda podmorski sistemi, ki bodo uvedeni po letu 2025, bodo morda sprejeli večjedrna vlakna, da bodo povečali izdelek zmogljivosti in razdalje.

Spektralna širitev izven C-pasu dodaja zmogljivost z uporabo obstoječe optične infrastrukture. Sistemi s pasom C+L delujejo v spektru 10-11 THz od 1530-1625 nanometrov, kar podvoji število kanalov v primerjavi s sistemi samo s pasom-C-. S-pas (1460–1530 nanometrov) ponuja dodatnih 7 THz spektra, čeprav tehnologija ojačevalnika ostaja manj zrela. Raziskave so pokazale prenos prek 16 THz kombiniranih pasov S+C+L, kar je štirikrat povečalo zmogljivost v primerjavi s samim pasom C.

Programsko{0}}definirano omrežje in razčlenitev omrežja preoblikujejo način, kako operaterji uvajajo in upravljajo skladne sisteme. Odprti linijski sistemi ločujejo strojno opremo optičnega linijskega terminala od programske opreme za upravljanje, kar omogoča interoperabilnost več-prodajalcev. Pobuda OOPT (odprt optični paketni transport) projekta Telecom Infra definira odprte API-je za nadzor koherentnih oddajnikov. Ta razvoj zmanjša-zavezanost prodajalca in omogoča operaterjem, da optimizirajo zmogljivost-dinamično doseganje kompromisov na podlagi dejanskih vzorcev prometa.

Umetna inteligenca in strojno učenje najdeta aplikacije v koherentni optimizaciji sistemov. Algoritmi umetne inteligence lahko predvidijo optimalne formate modulacije in zagonske moči na podlagi-pogojev vlaken v realnem času, s čimer izboljšajo zmogljivost za 5-15 % v primerjavi s statičnimi konfiguracijami. Modeli strojnega učenja zaznajo subtilne vzorce poslabšanja kakovosti prejetega signala, kar omogoča predvideno vzdrževanje, ki preprečuje napake,-ki vplivajo na storitve. Optimizacija celotnega omrežja z uporabo učenja z ojačitvijo poveča skupno prepustnost omrežja ob upoštevanju omejitev posameznih povezav.

Kvantna komunikacija in post{0}}kvantna kriptografija bosta vplivali na prihodnjo skladno zasnovo sistema. Sistemi kvantne distribucije ključev lahko delujejo skupaj s klasičnimi koherentnimi kanali na istem vlaknu, čeprav njihove izjemno nizke ravni moči zahtevajo skrbno upravljanje presluha. Post-kvantni kriptografski algoritmi potrebujejo večjo računsko moč, kar bi lahko zahtevalo zmogljivejše DSP-je v prihodnjih sistemih za izvajanje šifriranja in dešifriranja s hitrostjo črt.

 

Izzivi in ​​rešitve pri implementaciji

 

Uvajanje koherentnih-sistemov na dolge razdalje vključuje obvladovanje številnih tehničnih in operativnih izzivov.

Variabilnost rastlin vlaken ustvarja negotovost v delovanju sistema. Vlakna, nameščena v 1990-ih in zgodnjih 2000-ih, kažejo večje izgube, spremembe naklona disperzije in izgube,-odvisne od polarizacije, v primerjavi s sodobnimi vlakni. Operaterji imajo redko natančno karakterizacijo celotne tovarne vlaken, zaradi česar je načrtovanje zmogljivosti težko. Rešitve vključujejo avtomatizirane sisteme testiranja, ki nenehno merijo parametre vlaken, in prilagodljive oddajno-sprejemne enote, ki prilagodijo svoj način delovanja glede na dejanske pogoje povezave.

Omrežni operaterji se soočajo z zahtevnimi odločitvami o nadgradnji, ki usklajujejo potrebe po zmogljivosti, zrelost tehnologije in proračunske omejitve. Nadgradnja s sistemov 100G na 400G zagotavlja 4× zmogljivost, vendar zahteva naložbo v novo terminalsko opremo. Skušnjava, da bi čakali na tehnologijo 800G, povzroči paralizo načrtovanja, zaradi katere so lahko omrežja preobremenjena. Pragmatični pristopi vključujejo selektivne nadgradnje na preobremenjenih poteh, hkrati pa ohranjajo manj{7}}zmogljive sisteme na malo obremenjenih poteh. Pripravljenost prodajalcev, da ponudijo zmogljivost-na-licenciranje na zahtevo-kjer je strojna oprema dobavljena z zmogljivostjo 400G, vendar je na začetku aktivirana pri 100G ali 200G-pomaga pri obvladovanju tveganja.

Interoperabilnost med opremo proizvajalcev je kljub prizadevanjem za standardizacijo nepopolna. Specifikacije OIF 400ZR in 800ZR opredeljujejo interoperabilne vtične module, vendar prodajalci izbirne funkcije izvajajo drugače. Napredne funkcije, kot sta omrežna časovna porazdelitev in podpora za tuje valovne dolžine, zahtevajo natančno preverjanje. Preudarni operaterji vzdržujejo preskusne zmogljivosti, ki preverjajo interoperabilnost pred uvedbo proizvodnje, in mnogi uporabljajo ujemajoče se pare prodajalcev na končnih točkah povezave, tudi če uporabljajo vmesnike,-skladne s standardi.

Omejitve glede napajanja in hlajenja v omrežnih napravah omejujejo uvajanje sistemov z veliko{0}}zmogljivostjo. Popolnoma-opremljen sistem z gosto valovno dolžino lahko porabi 10-20 kilovatov na omarico, kar presega zmogljivost dostave energije mnogih starejših centralnih pisarn. Hladilni sistemi, zasnovani za opremo z manjšo močjo, ne prenesejo toplotne obremenitve. Posodobitve objektov za podporo sodobne koherentne opreme stanejo od 500.000 do 2 milijona dolarjev na mesto, kar včasih presega stroške same optične opreme.

 

Pogosto zastavljena vprašanja

 

Kakšna je največja razdalja za koherentne optične sisteme?

Največja neregenerirana razdalja je odvisna od formata modulacije in hitrosti linije. Sistemi, ki uporabljajo modulacijo DP-QPSK, lahko dosežejo 2000-3000 kilometrov brez optične-električne-optične regeneracije. Podmorniški sistemi redno delujejo več kot 6.000{15}}10.000 kilometrov med točkami regeneracije z uporabo optimiziranega DSP in naprednega FEC. Najdaljši podmorski kabli presegajo 20.000 kilometrov od konca do konca, vendar vključujejo vmesna mesta regeneracije.

Kako se koherentna tehnologija primerja z modulacijo PAM4?

Modulacija PAM4 ponuja nižje stroške in porabo energije za razdalje pod 100 kilometrov, zaradi česar je idealna za medsebojne povezave podatkovnih centrov. Koherentna tehnologija stane več, vendar zagotavlja vrhunski doseg in spektralno učinkovitost za razdalje, ki presegajo 200 kilometrov. Točka prehoda je odvisna od specifičnih zahtev povezave, vendar večina-aplikacij na dolge razdalje, ki presegajo 500 kilometrov, zahteva koherentno tehnologijo za doseganje ustreznega razmerja-in-šumom.

Katere oblike modulacije uporabljajo sodobni koherentni sistemi?

Pogosti formati vključujejo DP-QPSK (4 bitov na simbol) za največji doseg, DP-16QAM (8 bitov na simbol) za uravnoteženo zmogljivost in DP-64QAM (12 bitov na simbol) za največjo zmogljivost na krajših razdaljah. Napredni sistemi uporabljajo verjetnostno oblikovanje konstelacije za optimizacijo porazdelitve simbolov. Optimalni format je odvisen od razdalje povezave, kakovosti vlaken in zahtev glede zmogljivosti, pri čemer lahko številni sistemi dinamično preklapljajo med formati.

Ali lahko koherentni sistemi nadgradijo obstoječe tovarne vlaken?

Koherentna tehnologija deluje z optičnimi vlakni, nameščenimi v devetdesetih letih prejšnjega stoletja in pozneje, tudi ko so bila ta vlakna prvotno zasnovana za sisteme 2,5G ali 10G. DSP elektronsko kompenzira učinke kromatične disperzije in polarizacije, s čimer odpravi module za kompenzacijo disperzije, ki jih zahtevajo stari sistemi. Zelo stara vlakna iz osemdesetih let prejšnjega stoletja imajo morda čezmerne izgube ali izgube,-odvisne od polarizacije, kar omejuje uporabno zmogljivost, vendar večina komercialnih vlaken od leta 1995 naprej podpira sodoben koherentni prenos.

Zmogljivost omrežja se je od leta 2020 do 2024 povečala za 25–30 % letno, zaradi pretakanja videa, storitev v oblaku in dela na daljavo. Ponudniki storitev načrtujejo nadaljevanje 20- do 25-odstotne letne rasti do leta 2028, pri čemer bi aplikacije AI to potencialno še pospešile. Prehod s koherentnih sistemov 100G na 400G je na glavnih poteh večinoma končan, uvedbe 800G pa se bodo začele v letih 2024–2025.

Koherentni optični sistemi so v zadnjih 15 letih temeljito preoblikovali-zmogljivosti omrežij na dolge razdalje. Zmožnost tehnologije za prenos 100G do 1,6 Tbps na tisoče kilometrov z nižjo ceno na bit omogoča globalno povezljivost, ki jo zahtevajo sodobne aplikacije. Ker se zahteve glede pasovne širine še naprej neusmiljeno povečujejo, bo koherentni optični sistem ostal bistvena infrastruktura za podporo digitalnemu gospodarstvu.