Koherenta optika apstrādā lielas jaudas pārraidi

 

 

Koherentā optika nodrošina augstas{0} jaudas pārraidi, modulējot gaismas viļņu amplitūdu, fāzi un polarizāciju, ļaujot šķiedru tīkliem pārraidīt ievērojami vairāk datu nekā tradicionālās intensitātes{1}} metodes. Šī tehnoloģija izmanto digitālo signālu apstrādi gan raidītāja, gan uztvērēja galos, lai kodētu dažādu izmēru optiskos signālus, panākot pārraides ātrumu no 100G līdz 1,6T uz viļņa garumu attālumos, kas pārsniedz 1000 kilometrus.

 

 

Jaudas reizināšanas efekts

 

Koherentās optikas galvenā priekšrocība ir tā, kā tā izmanto gaismas fizikālās īpašības. Tradicionālās ieslēgšanas -izslēgtās atslēgas sistēmas pārslēdz gaismas intensitāti, lai attēlotu bināros datus, ierobežojot jaudu līdz aptuveni 10 Gb/s uz viļņa garumu. Koherentās sistēmas vienlaikus modulē trīs neatkarīgas īpašības: amplitūdas izmaiņas, fāzes nobīdes un polarizācijas stāvokļus divās ortogonālās plaknēs.

Šī daudzdimensiju kodēšana rada to, ko inženieri sauc par spektrālās efektivitātes pieaugumu. Saskanīga sistēma, kurā tiek izmantota dubultā-polarizācijas kvadratūras fāzes nobīdes atslēga, katram simbolam pārraida četrus informācijas bitus, salīdzinot ar vienu bitu tradicionālajās sistēmās. Apvienojot tos ar uzlabotām modulācijas shēmām, piemēram, 64-QAM (kvadratūras amplitūdas modulācija), koherentie raiduztvērēji virza spektrālo efektivitāti uz teorētiskajām Šenona robežām.

Jaudas palielinājums ir būtisks-saskaņotā optika nodrošina līdz pat 80 reizēm lielāku pārraides jaudu, salīdzinot ar parastajām ieslēgšanas -izslēgšanās metodēm. Šis pavairošanas efekts notiek, neinstalējot papildu šķiedru, padarot saskaņotu tehnoloģiju ekonomiski pievilcīgu tīkla operatoriem, kuri saskaras ar joslas platuma ierobežojumiem.

Ciparu signālu procesori koherentās sistēmās apstrādā simbolu ātrumu, kas pārsniedz 100 Gbaud pašreizējās implementācijās. Katrs simbols satur vairākus bitus, precīzi kontrolējot fāzes leņķus un amplitūdas līmeņus. Piemēram, 64 QAM sistēma attēlo 64 atšķirīgus signāla stāvokļus, apvienojot sešus bitus uz simbolu, lai gan tam ir jāsaglabā precīza signāla kvalitāte visos pārraides attālumos.

 

Kā digitālā signālu apstrāde nodrošina lielas{0}}attāluma pārraidi

 

Attāluma iespēja atdala koherento optiku no alternatīvām. DSP mikroshēmas, kas iegultas koherentos raiduztvērējos, veic reāllaika{1}}matemātisko kompensāciju par šķiedru traucējumiem, kas pretējā gadījumā pasliktinātu signālus.

Hromatiskā izkliede izraisa dažādu gaismas viļņu garumu pārvietošanos ar nedaudz atšķirīgu ātrumu caur šķiedru, izplatot optiskos impulsus. 10G sistēmās tam bija nepieciešami fiziskās izkliedes kompensācijas moduļi ik pēc 60-80 kilometriem. Saskaņotie DSP izmanto apgrieztas matemātiskas transformācijas, lai digitāli rekonstruētu sākotnējo signālu, novēršot apjomīgo aparatūru.

Polarizācijas režīma dispersija ir vēl viens izaicinājums. Optiskajām šķiedrām ir mikroskopiskas nepilnības, kas sadala gaismu divos polarizācijas komponentos, kas pārvietojas ar dažādu ātrumu. Saskaņotie procesori ātri izseko polarizācijas stāvokli, lai izvairītos no bitu kļūdām, vienlaikus uzlabojot pielaides polarizācijas{2}}atkarīgajiem zudumiem. DSP atjaunina šīs korekcijas tūkstošiem reižu sekundē, pielāgojoties mainīgajiem šķiedras apstākļiem.

DSP integrētie pārsūtīšanas kļūdu labošanas algoritmi pievieno liekus datu modeļus, kas ļauj uztvērējiem atklāt un labot pārraides kļūdas bez atkārtotas pārraides. Augsta-pastiprinājuma mīkstā-lēmuma FEC ļauj signāliem šķērsot lielākus attālumus, vienlaikus prasot mazāk reģeneratora punktu, nodrošinot lielāku rezervi lielāka bitu- ātruma signāliem, lai šķērsotu tālākus attālumus.

Šī digitālo kompensācijas metožu kombinācija izskaidro, kāpēc saskaņotas sistēmas parasti nodrošina pārraidi bez kļūdām, nobraucot vairāk nekā 2000 kilometrus, bet dažām konfigurācijām pārsniedzot 10 000 kilometrus. DSP būtībā pārvieto optiskās inženierijas izaicinājumus no fiziskā slāņa uz programmatūras algoritmiem.

 

Tirgus trajektorija un izvēršanas skala

 

Saskaņotais optisko iekārtu tirgus parāda tehnoloģijas komerciālo impulsu. Globālā saskaņotā optiskā aprīkojuma tirgus vērtība 2024. gadā tika novērtēta 16,91 miljarda ASV dolāru apmērā, un tiek prognozēts, ka līdz 2033. gadam tas sasniegs 33,24 miljardus ASV dolāru, atspoguļojot salikto gada pieauguma tempu par 7,8%. Šī izaugsme izriet no vairākām nozarēm, kurās vienlaikus tiek izmantota saskaņota tehnoloģija.

Datu centru starpsavienojumi patērē vislielāko saskaņoto moduļu apjomu. Datu centru lietojumprogrammas veido 58% no digitālās koherentās optikas raiduztvērēju pieprasījuma, ko veicina hipermēroga operatori, kas savieno iekārtas dažādos metro un reģionālajos attālumos. Mākoņpakalpojumu sniedzējiem ir jāsinhronizē dati starp ģeogrāfiski sadalītiem centriem, radot pastāvīgu pieprasījumu pēc lielas -jaudas saitēm.

Tehnoloģiju spektrs aptver vairākas paaudzes. 100G koherentie raiduztvērēji veido 32% no tirgus daļas un joprojām ir ļoti svarīgi esošajiem tīkla jauninājumiem, un 40% mobilo sakaru operatoru Ziemeļamerikā un Eiropā paļaujas uz 100G tehnoloģiju. Tikmēr 400G sistēmas ir pašreizējā izvietošanas vieta, līdzsvarojot nobriedušās tehnoloģijas ar lielu jaudu.

Jaunākās paaudzes sāk ražot. 800G koherentos moduļus, kas tika laisti klajā 2024. gadā un pieaug 2025. gadā, savukārt 1,6 T koherentās tehnoloģijas masveida ražošanā atsevišķās lietojumprogrammās tika ieviestas 2025. gadā. Nozares ceļvedis attiecas uz 3,2 T sistēmām, lai gan tās joprojām ir izpētes fāzēs.

Pieslēdzamie saskaņotie moduļi īpaši veicina pieņemšanas paātrinājumu. Šajos ātri maināmajos-uztvērējos ir integrēts DSP, lāzers, modulators un uztvērējs tādos formas veidos kā QSFP-DD, ļaujot ievietot tieši maršrutētājos un slēdžos. Vairāk nekā 70% no 2024. gadā izvietotā saskaņotā joslas platuma bija pievienojamos moduļos, kas iezīmē pāreju no patentētām līniju kartēm uz standartizētiem komponentiem.

 

Arhitektūras varianti dažādiem lietošanas gadījumiem

 

Tīkla operatori izvēlas saskaņotu tehnoloģiju, pamatojoties uz attāluma un jaudas prasībām, radot atšķirīgus izvietošanas modeļus.

Metro un reģionālie tīkli (80–500 km)

400ZR standarts dominē īsākos metro attālumos. Šie moduļi nodrošina 400 G jaudu līdz 120 kilometriem, izmantojot fiksētus modulācijas formātus, kas optimizēti datu centru starpsavienojumiem. ZR+ ​​paplašinājums atbalsta attālumus, kas tuvojas 500 kilometriem, izmantojot varbūtības konstelācijas veidošanu, kas dinamiski pielāgo modulāciju, pamatojoties uz saites apstākļiem.

800G ZR/ZR+ moduļi, kas tika laisti klajā 2025. gadā, paplašina šo modeli, atbalstot pārraidi, kas aptver vairāk nekā 500 kilometrus ZR režīmā un vairāk nekā 1000 kilometrus augstas veiktspējas -ZR+ režīmos. Tīkla operatori tos izmanto datu centru savienošanai lielpilsētu reģionos un starp tuvējām pilsētām.

Tālbraucienu tīkli (500–2000 km)

Liela{0}}tāluma pārraidei nepieciešama sarežģītāka modulācija un lielāka pārraides jauda. Šīs sistēmas izmanto QPSK vai 16-QAM modulāciju ar spēcīgākiem uz priekšu kļūdu labošanas kodiem. Samazinātā spektrālā efektivitāte salīdzinājumā ar metro sistēmām maina sasniedzamību, bet operatori to kompensē, izvietojot blīvu viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanu.

Tipiska tālsatiksmes{0}}sistēma multipleksē 80-96 viļņu garumus vienā šķiedru pāros. Pie 400 G uz viļņa garumu kopējā šķiedras jauda sasniedz 32-38 terabitus sekundē. Pārkonfigurējami optiskie pievienošanas{8}}multiplekseri nodrošina dinamisku viļņu garuma maršrutēšanu starpmezglos bez optiskās pārveidošanas par elektrisko.

Zemūdens un īpaši tāls

Zemūdens kabeļos, kas savieno kontinentus, tiek izmantota vismodernākā saskaņotā tehnoloģija . 99% no globālās datu plūsmas caur zemūdens savienojumiem, kur liela-kapacitāte, liels attālums un uzticamība, kas iegūta, izmantojot saskaņotu optisko tehnoloģiju, ir ļoti svarīga.

Zemūdens sistēmās tiek izmantota varbūtības noteikšana, kas pielāgo konstelācijas punktus, pamatojoties uz signāla -pret-trokšņu attiecību, iegūstot maksimālo jaudu no katra viļņa garuma, vienlaikus saglabājot pārraidi bez kļūdām. Šajās sistēmās tiek izmantota ārēja pastiprināšana ar 50–80 kilometru intervālu, bet lielā mērā ir atkarīgas no DSP iespējām, lai kompensētu uzkrāto šķiedru nelinearitāti.

 

Tehniskas problēmas, braucot ar lielāku ātrumu

 

Saskaņotu sistēmu mērogošana līdz 800 G, 1,6 T un vairāk rada inženiertehniskus ierobežojumus, kas nebija būtiski 100 G.

Signāla-/-trokšņu attiecības pasliktināšanās

Augstākas-kārtības modulācijas shēmas iepako vairāk bitu uz vienu simbolu, bet samazina atstarpi starp konstelācijas punktiem. 64-QAM sistēmai ar 64 signāla stāvokļiem ir daudz mazāki Eiklīda attālumi starp punktiem, salīdzinot ar četriem QPSK stāvokļiem. Jebkurš troksnis vai kropļojumi padara simbolus grūtāk atšķiramus, palielinot bitu kļūdu līmeni.

Risinājums ietver jaudīgākus kļūdu labošanas algoritmus, bet FEC pievieno skaitļošanas izmaksas. Spēcīgs FEC, kas integrēts DSP, var palielināt elektroenerģijas un siltuma budžetu, radot siltuma pārvaldības problēmas blīvi-iepakotās iekārtās. Pārdevēji līdzsvaro FEC spēku pret enerģijas patēriņu un latentumu.

Analogo komponentu joslas platuma ierobežojumi

Tā kā simbolu ātrums palielinās no 32 Gbaud līdz 100 Gbaud un vairāk, analogajiem komponentiem ir jāapstrādā plašāki frekvenču diapazoni. Signāla kropļojumi, ko rada analogie komponenti raidītājā un uztvērējā, kļūst par galveno problēmu, jo palielinās simbolu ātrums un modulācijas līmenis.

Modulatoriem ir nepieciešams plašāks elektriskais joslas platums, lai precīzi kodētu ātrdarbīgus{0}}signālus. Fotodetektoriem un transimpedances pastiprinātājiem ir jāpārveido optiskie signāli elektriskajā domēnā, neieviešot frekvences{2}}atkarīgu vājinājumu. Analogo{4}}uz-digitālajiem pārveidotājiem ir nepieciešams lielāks paraugu ņemšanas ātrums un izšķirtspēja, kas palielina enerģijas patēriņu un izmaksas.

Nelineārie šķiedru efekti

Optiskā šķiedra uzrāda nelineāru izturēšanos pie lieliem jaudas līmeņiem. Kerra efekts izraisa refrakcijas indeksa izmaiņas atkarībā no optiskās intensitātes, radot paš-fāzes modulāciju un šķērs-fāžu modulāciju starp viļņu garumiem DWDM sistēmās. Četru-viļņu sajaukšana ģenerē viltus signālus jaunās frekvencēs, nozogot enerģiju no datiem,{5}}kas pārnēsā viļņu garumus.

DSP izmanto nelineārus kompensācijas algoritmus, taču tiem ir nepieciešami ievērojami skaitļošanas resursi. Matemātika ietver nelineāru Šrēdingera vienādojumu atrisināšanu, kas apraksta gaismas izplatīšanos caur šķiedru. Apstrādes sarežģītība ir vāji mērogota atkarībā no attāluma un viļņu garumu skaita, liekot{2}}atkāpties starp kompensācijas precizitāti un DSP jaudas budžetu.

 

 

Sadarbspējas evolūcija

 

Agrīnās saskaņotās sistēmas cieta no piegādātāja bloķēšanas-. Katrs ražotājs savos DSP ieviesa patentētas modulācijas shēmas un FEC algoritmus, pieprasot saskaņotus raiduztvērējus abos saites galos. Tas radīja iepirkuma ierobežojumus un ierobežoja tīkla dizaina elastību.

Saskaņotie optiskie moduļi vēsturiski cieta no savietojamības trūkuma, tāpēc modulācijas un kodēšanas atšķirību dēļ abos savienojuma galos bija nepieciešama viena un tā paša uzņēmuma optika. Optiskā tīkla darba forums to risināja, izmantojot īstenošanas līgumus, kas standartizē modulācijas formātus, FEC kodus un pārvaldības saskarnes.

400ZR specifikācija, kas pabeigta 2020. gadā, definēja fiksētu QPSK modulācijas shēmu ar konkrētiem FEC parametriem. Tas pirmo reizi nodrošināja vairāku-pārdevēju savietojamību saskaņotajā optikā. Tīkla operatori varēja iegādāties moduļus no dažādiem piegādātājiem un izveidot darba saites bez saderības pārbaudes.

OpenZR+ paplašina savietojamību līdz lielākam sasniegumam, standartizējot varbūtības veidošanu un vairākus modulācijas formātus. Saites inicializācijas laikā raiduztvērēji pārrunā darbības režīmus, izvēloties optimālos parametrus pašreizējiem šķiedras apstākļiem. Šī elastība palīdz operatoriem maksimāli palielināt esošo šķiedru ražotņu jaudu.

2024. gadā OIF sāka darbu pie 1,6 T saskaņotu optisko starpsavienojumu risinājumiem un virzās uz sadarbspējīgiem 1600ZR un 1600ZR+ ieviešanas nolīgumiem. Katrai paaudzei ir nepieciešams jauns standartizācijas darbs, lai līdzsvarotu veiktspējas optimizāciju ar savietojamības ierobežojumiem.

 

Energoefektivitātes apsvērumi

 

Saskaņotas sistēmas patērē vairāk enerģijas uz vienu pārraidīto bitu, salīdzinot ar tiešās{0}}atklāšanas alternatīvām, radot jautājumus par ilgtspējību, jo datu trafika pieaug eksponenciāli.

400 G koherents pievienojams modulis parasti patērē 15-20 vatus, bet DSP — 8-12 vati. Salīdzinājumam, 400G tiešās noteikšanas modulis kopā patērē 10–12 vatus. Atstarpe palielinās pie plaukta mēroga — maršrutētājs ar 36 saskaņotiem portiem patērē 550–700 vatus tikai optikai.

Tomēr sistēmas{0}}līmeņa efektivitāte stāsta citu stāstu. Infrastruktūras nodrošinātājs Colt Technology Services ziņoja par 97% enerģijas ietaupījumu, izmantojot maršrutētāju-pastāvīgu koherento optiku, savukārt cits operators sasniedza 64% kapitālizdevumu samazinājumu. Šie ietaupījumi rodas, likvidējot atsevišķu optisko transportēšanas aprīkojumu, samazinot statīva vietu, dzesēšanas prasības un vadības izmaksas.

Efektivitātes aprēķins ir atkarīgs no arhitektūras izvēles. Tradicionālajos tīklos tiek izmantoti maršrutētāji pārslēgšanai un atsevišķas DWDM sistēmas tālsatiksmes-pārvadīšanai, un katrā robežā ir nepieciešama optiskā-uz-elektriskā-uz{5}}optiskā pārveidošana. Saskanīgi pievienojamie savienojumi nodrošina IP-pa-DWDM, kur maršrutētāji tieši ģenerē DWDM viļņu garumus, novēršot transponderu slāņus.

DSP enerģijas patēriņš uzlabojas ar katru paaudzi, izmantojot mazākus CMOS procesa mezglus{0}}nm DSP ražošanas procesos, salīdzinot ar iepriekšējām paaudzēm, ir ievērojami samazināts enerģijas patēriņš, un 5 nm un 3 nm procesi nodrošina papildu ieguvumus. Uzlabotas iepakošanas metodes, piemēram, silīcija fotonikas integrācija, arī samazina jaudu, saīsinot elektriskos starpsavienojumus.

 

Izmaksu dinamika un ekonomiskie sliekšņi

 

Saskaņota optika vēsturiski noteica augstākās kvalitātes cenu, ierobežojot izvietošanu tālsatiksmes{0}}tīklos, kur alternatīvas nevarēja konkurēt sasniedzamības ziņā. Tirgus dinamika maina šīs ekonomiskās robežas.

Komponentu integrācija samazina izmaksas. Silīcija fotoniskais iepakojums un 7 nm DSP izstrāde ļāva izgatavot moduļus, kas ietver DSP, lāzeru, pastiprinātāju, foto-detektoru un RF integrālās shēmas uz monolīta substrāta. Šī integrācija samazina ražošanas sarežģītību un uzlabo ražu.

Pieslēdzamie formas faktori paātrina ieviešanu, sadalot izstrādes izmaksas lielākiem apjomiem. Viens QSFP-DD dizains apkalpo vairākus piegādātājus un lietojumprogrammas, atšķirībā no patentētām līniju kartēm ar ierobežotu ražošanas ciklu. 2024. gadā tika piegādāti vairāk nekā 20 miljoni 400 G un 800 G datu komunikācijas optisko moduļu, radot apjomradītus ietaupījumus, kas nebija iespējams ar iepriekšējām paaudzēm.

Izmaksu krustošanas punkts tuvojas tīkla malām. Pirms pieciem gadiem saskaņotai tehnoloģijai bija jēga tikai tālāk par 500 kilometriem. Mūsdienās 400ZR moduļi ekonomiski konkurē no 80 līdz 120 kilometriem, īpaši, ja ņem vērā darbības izdevumu ietaupījumus no vienkāršotas arhitektūras. Daži operatori izvieto saskaņotas sistēmas 40 kilometru metro savienojumiem, kur kopējās īpašumtiesību izmaksas attaisno sākotnējā kapitāla izdevumus.

Cenu erozija turpinās, pastiprinoties konkurencei. Datu centru starpsavienojumu lietojumprogrammas 2024. gadā patērēja rekordlielu skaitu pievienojamo koherento moduļu, un Marvell, Acacia un Ciena bija galvenie piegādātāji. Vairāki pārdevēji, kas piedāvā konkurējošus produktus, virza cenas uz preču līmeni, lai gan tehnoloģiju līderpozīcijas jaunākajās paaudzēs joprojām rada prēmijas.

 

Integrācija ar viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanu

 

Saskanīgā optika nodrošina maksimālu efektu, ja to apvieno ar DWDM, reizinot -šķiedras kapacitāti terabitu diapazonos.

DWDM var uzņemt līdz 96 kanāliem, un katra krāsa pārraida atsevišķu signālu. Kad katrs viļņa garums caur koherentu modulāciju nes 400G, kopējā jauda sasniedz 38,4 terabitus uz šķiedru pāri. Šis reizināšanas efekts izskaidro, kāpēc viena šķiedra var aizstāt simtiem paralēlu savienojumu.

Saskaņotas sistēmas vienkāršo DWDM izvietošanu salīdzinājumā ar tiešās{0}}atklāšanas pieejām. Saskaņota optiskās šķiedras komunikācija novērš nepieciešamību pēc dispersijas kompensācijas moduļiem DWDM sistēmās, jo šo funkciju pabeidz DSP. Iepriekšējās DWDM paaudzes prasīja rūpīgi izstrādātas dispersijas kartes, ievietojot DCM noteiktos intervālos, lai kompensētu hromatiskās dispersijas palielināšanos.

Elastīgas režģa arhitektūras atbloķē papildu jaudu. Tradicionālajā DWDM tiek izmantota fiksēta 50 GHz vai 100 GHz kanālu atstarpe. Spektrālā veidošana ļauj nesējus saspiest ciešāk kopā, lai palielinātu jaudu elastīgās režģa sistēmās. 400 G koherents kanāls var aizņemt 75 GHz spektra ar atbilstošu filtrēšanu, savukārt 100 G kanālam ir nepieciešams tikai 37,5 GHz, ļaujot operatoriem esošajai šķiedrai pievienot vairāk viļņu garumu.

Nyquist impulsu veidošana sašaurina pārraidīto signālu spektrālo platumu, izmantojot precīzu filtrēšanu DSP. Tas samazina aizsargjoslas starp blakus esošajiem DWDM kanāliem, palielinot kopējo sistēmas jaudu par 10-20%, salīdzinot ar nefiltrētajiem signāliem. Šī metode prasa rūpīgu koordināciju starp raidītāja un uztvērēja DSP, lai izvairītos no signāla pasliktināšanās.

 

Veiktspējas optimizācija, izmantojot varbūtību

 

Uzlabotās saskaņotās sistēmas izmanto varbūtības konstelācijas veidošanu, lai iegūtu papildu jaudu no šķiedru saitēm. Šis paņēmiens pielāgo, cik bieži pārraidītajā signālā parādās dažādas simbolu amplitūdas.

Tradicionālās QAM sistēmas vienmērīgi sadala konstelācijas punktus amplitūdas un fāzes telpā. Varbūtiskā formēšana apzināti pārraida zemas-amplitūdas simbolus biežāk nekā augstas-amplitūdas simbolus, saskaņojot pārraidītā signāla sadalījumu ar raksturlielumiem, kas Šenona teorijā palielina kanāla kapacitāti.

Priekšrocības rada signāla{0}}pret-trokšņu attiecības atšķirības šķiedru diapazonos. Augstas-amplitūdas simboliem ir nepieciešama lielāka pārraides jauda, ​​un tie ir jutīgāki pret troksni. Samazinot to rašanās biežumu, sistēma saglabā zemāku vidējo jaudu, vienlaikus panākot lielāku informācijas ātrumu ierobežotos SNR apstākļos.

800G ZR+ moduļi nodrošina pārraidi vairāk nekā 1000{4}}kilometru attālumā augstas veiktspējas režīmos ar varbūtību un vairāk nekā 2000 kilometrus ar mazāku datu pārraides ātrumu. Operatori konfigurē moduļus, lai tirgotu jaudu par attālumu, pamatojoties uz šķiedru kvalitāti un pastiprinātāju atstatumu noteiktos maršrutos.

Šī metode prasa sarežģītus DSP algoritmus un palielina skaitļošanas sarežģītību. Raidītājiem ir jākodē dati nevienādos simbolu sadalījumos, savukārt uztvērēji šos modeļus atkodē precīzi. Pašreizējās implementācijas ir vērstas uz Gausa-formas sadalījumiem, kas nodrošina gandrīz-optimālu veiktspēju ar pārvaldāmu sarežģītību.

 

Pielietojums zemūdens kabeļu sistēmās

 

Zemūdens šķiedru tīkli ir visprasīgākais pielietojums saskaņotai tehnoloģijai, kur uzticamība un jauda tieši ietekmē globālo sakaru infrastruktūru.

Zemūdens kabeļi stiepjas tūkstošiem kilometru bez starppiekļuves punktiem apkopei vai jauninājumiem. Koherenta optika samazina zemūdens tīklu sākotnējās izmaksas un enerģijas patēriņu, vienlaikus uzlabojot to drošību un signāla integritāti. Tehnoloģijas spēja uzturēt-bez kļūdām pārraidi ārkārtējos attālumos padara to par būtisku šīm instalācijām.

Mūsdienu zemūdens sistēmas izvieto 16-24 šķiedru pārus uz vienu kabeli, un katra šķiedra pārnēsā 80–120 viļņu garumus 200–400 G vienā viļņa garumā. Kopējā kabeļa jauda sasniedz vairākus petabitus sekundē. Saskanīgās tehnoloģijas nodrošinātā katras šķiedras jauda samazina nepieciešamo šķiedru pāru skaitu, samazinot kabeļa izmaksas un fizisko izmēru.

Zemūdens sistēmas izmanto specializētus DSP algoritmus, lai risinātu unikālas problēmas. Temperatūras svārstības atkarībā no okeāna dziļuma ietekmē šķiedru īpašības. Jūras straumes izraisa mikrosaliekšanos, kas maina polarizācijas stāvokļus. DSP nepārtraukti pielāgojas šiem vides faktoriem zemūdens kabeļu 25 gadu projektēšanas laikā.

Remonta scenāriji gūst labumu no saskaņotas elastības. Ja kabelim ir bojājumi, kas prasa savienošanu, operatori var pielāgot modulācijas formātus un FEC stiprumu ietekmētajos viļņu garumos, lai saglabātu pakalpojumu, vienlaikus pielāgojot palielinātus savienojumus. Šī pielāgošanās spēja samazina remonta sarežģītību salīdzinājumā ar fiksētajām sistēmām.

 

Viena{0}}šķiedras divvirzienu pārraide

 

Jaunākie jauninājumi nodrošina saskaņotu pārraidi pa atsevišķām šķiedrām, nevis šķiedru pāriem, dubultojot efektīvo infrastruktūras jaudu.

Tradicionālā optiskā pārraide pa vienu šķiedru izmanto divus viļņu garumus, lai pārsūtītu informāciju pretējos virzienos, izmantojot diplekserus vai cirkulācijas sūkņus. Šī pieeja darbojas zema ātruma sistēmām, taču viļņa garuma pārvaldības prasību dēļ tā kļūst sarežģīta saskaņotā ātrumā.

XR optikas arhitektūra izmanto digitālo signālu apstrādi, lai sadalītu viena lāzera pārraidi un uztveršanu mazākos-frekvences apakškanālos, ko sauc par digitālajiem apakšnesējiem, nodrošinot līdz 200 Gb/s divvirzienu trafiku vienā šķiedrā. Izvietojot 64 viļņu garumos, viena virziena jauda sasniedz 12,8 Tb/s.

Tehnika prasa rūpīgu spektra pārvaldību. Digitālie apakšnesēji aizņem dažādus frekvenču slotus viena viļņa garuma joslas platumā ar raidīšanas un saņemšanas virzieniem, izmantojot spektrālos apgabalus, kas nepārklājas-. DSP veic filtrēšanu, lai atdalītu šos komponentus, saglabājot atbilstošu izolāciju starp virzieniem.

Aire Networks ieviesa vienas-šķiedras koherentu pārraidi, izmantojot viedo koherento pievienojamo optiku, lai palielinātu ieguldījumu atdevi esošajā infrastruktūrā un izvairītos no ievērojamiem kapitāla izdevumiem un laika, kas nepieciešams jaunu šķiedru uzstādīšanai. Šis izvietošanas modelis palīdz operatoriem saskarties ar šķiedru trūkumu cauruļvados vai kanālu telpā.

 

Nākotnes jaudas mērogošanas ceļi

 

Saskaņotais optikas ceļvedis pārsniedz pašreizējās 800G un 1,6T sistēmas, lai gan fiziskie ierobežojumi katrā paaudzē kļūst arvien grūtāki.

Microsoft un citi hipermēroga mākoņdatošanas pakalpojumu sniedzēji 2025. gadā aktīvi padziļināja pētījumus par optiskajiem starpsavienojumiem un datu centru raiduztvērēju mērogošanu, nozares plāniem plašā mērogā ieviest 1.6T un citus progresīvus saskaņotus optiskos uztvērējus. Šīs norises liecina par nepārtrauktu jaudas palielināšanos, ko veicina AI darba slodze un hipermēroga darbības.

Simbolu ātruma palielināšana nodrošina vienu mērogošanas ceļu. Pašreizējās 100 Gbaud sistēmas varētu attīstīties līdz 140 Gbaud vai lielākai, lai gan tam ir nepieciešams proporcionāls joslas platuma palielinājums visos analogajos komponentos. Materiāla fizika ierobežo to, cik ātri elektronika var pārslēgties un cik lielu joslas platumu var apstrādāt fotodetektori.

Augstākas pakāpes-modulācija piedāvā citu ceļu. Pārejot no 64-QAM uz 256-QAM vai pat 1024-QAM, palielinās bitu skaits uz simbolu, bet zvaigznāju punkti kļūst ārkārtīgi tuvu viens otram. Šī pieeja darbojas tikai ļoti augstas kvalitātes, neliela attāluma saitēs vai prasa ievērojami jaudīgākus FEC kodus.

Telpiskā multipleksēšana, izmantojot daudz{0}}kodolu vai vairāku{1}}režīmu šķiedras, ir ilgāka-termiņa iespēja. Šīs šķiedras satur vairākus neatkarīgus telpiskus kanālus vienā pavedienā. Tehnoloģija joprojām ir izpētes fāzēs, un, lai apstrādātu telpisko kanālu šķērsrunu, ir nepieciešami jauna veida pastiprinātāji, multipleksori un DSP algoritmi.

Kopā-iepakotā optika var iespējot nākamās-paaudzes sistēmas, novietojot saskaņotus DSP tieši blakus slēdža silīcijam, samazinot elektrisko ceļu garumus un enerģijas patēriņu. 1.6Saskaņotajos moduļos tiek izmantota kop-iepakotā optika un silīcija fotonika, lai panāktu integrāciju un veiktspēju jaunā līmenī. Šī pieeja saskaras ar ražošanas problēmām saistībā ar ražu un siltuma pārvaldību.

 

Bieži uzdotie jautājumi

 

Kādu jaudu atbalsta koherentā optika salīdzinājumā ar tradicionālajām šķiedru sistēmām?

Koherentas optiskās sistēmas nodrošina 80 reižu lielāku kapacitāti nekā parastās ieslēgšanas-izslēgšanas metodes, vienlaikus modulējot amplitūdu, fāzi un polarizāciju. Pašreizējās ražošanas sistēmas svārstās no 100 G līdz 800 G uz viļņa garumu, un 1,6 T tiks ieviesti 2025. gadā. Apvienojumā ar DWDM multipleksēšanu līdz 96 viļņu garumiem vienas -šķiedras jauda pārsniedz 38 terabitus sekundē.

Cik tālu koherentā optika var pārraidīt bez signāla reģenerācijas?

Pārraides attālums ir atkarīgs no modulācijas formāta un šķiedras kvalitātes. Metro 400ZR sistēmas sasniedz 120 kilometrus, savukārt ZR+ sniedzas līdz 500 kilometriem. Tāls{6}}pārbrauciena konfigurācijas ar QPSK modulāciju un spēcīgu kļūdu labošanu uz priekšu sasniedz 2000 kilometrus. Zemūdens kabeļu sistēmas, kurās izmanto varbūtības veidošanu un specializētus DSP algoritmus, pārsniedz 10 000 kilometrus starp reģenerācijas punktiem.

Kādēļ saskaņoti DSP ir nepieciešami lielas{0}}jaudas pārraidei?

Ciparu signālu procesori veic trīs svarīgas funkcijas, kas nodrošina lielas{0}}attāluma{1}}saites. Tie matemātiski kompensē hromatisko dispersiju un polarizācijas režīma izkliedi, novēršot fiziskās kompensācijas moduļus. Tie ievieš priekšu kļūdu labošanas algoritmus, kas atklāj un novērš pārraides kļūdas. Tie veic saskaņotu noteikšanu, apstrādājot gan -fāzes, gan kvadratūras signāla komponentus, atgūstot fāzes informāciju, kas satur papildu datus.

Kāpēc saskaņota tehnoloģija ir dārgāka nekā tiešās{0}}atklāšanas alternatīvas?

Koherentiem raiduztvērējiem ir nepieciešamas sarežģītas DSP mikroshēmas, kas izgatavotas uz progresīviem procesa mezgliem, noskaņojami lāzeri ar precīzu frekvences vadību un sarežģītas modulatoru struktūras, lai kodētu fāzes informāciju. DSP vien veido 40-50% no moduļa izmaksām. Tomēr sistēmas līmeņa ekonomika dod priekšroku saskaņotām tehnoloģijām attālumiem, kas pārsniedz 80–120 kilometrus, ja ņem vērā likvidētās iekārtas un darbības ietaupījumus no vienkāršotas arhitektūras.

---

Avoti

VIAVI risinājumi - Kas ir koherentā optika (https://www.viavisolutions.com)

NTT R&D - Digitālās koherentās optiskās pārraides tehnoloģijas turpmākā attīstība

Ciena - Kas ir koherentā optika (https://www.ciena.com)

Straits Research - Saskaņota optisko iekārtu tirgus lielums 2024.–2033.

Global Growth Insights - Digitālās saskaņotās optikas raiduztvērēju tirgus 2025.–2034.

Acacia Communications - Coherent Optics Outlook 2025 (https://acacia-inc.com)

Cignal AI - 800GbE Optikas tirgus 2025. gada ziņojums

Coherent Corp{0}}G ZR/ZR+ 2025. gada paziņojums par produktu

Infinera - vienas-šķiedras koherentās optiskās pārraides gadījuma pētījums 2024

FiberMall - Koherentās optiskās komunikācijas tehnoloģija 2025