Signalisiert ein Hoch

Oct 22, 2023

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Die nächste Generation optischer Netzwerke muss die Kapazität bereitstellen, die für den explosionsartigen Bandbreitenbedarf erforderlich ist, und zwar ohne Kompromisse bei Kosten oder Nachhaltigkeit. Keely Portway findet heraus, wie dieses heikle Gleichgewicht erreicht werden kann.

Bildnachweis: MyCreative/shutterstock.com

Die letzten drei Jahre haben zwar nichts Nützliches gebracht, aber sie haben zweifellos die optische Kommunikation in großem Maße ins Rampenlicht gerückt. Der Bedarf an stabilen, zuverlässigen Netzwerken mit hoher Bandbreite wurde durch die Notwendigkeit, zu Hause zu arbeiten und zu lernen, sich drinnen zu unterhalten und aus der Ferne Zeit mit Familie und Freunden zu verbringen, enorm betont. Doch obwohl das Leben nach der Pandemie endlich zu einem gewissen Grad an Normalität zurückgekehrt ist, hat der Bedarf an einem hohen Maß an Konnektivität nicht nachgelassen. Weit davon entfernt.

Der Bedarf an Bandbreite war tatsächlich schon vorhanden, lange bevor irgendjemand überhaupt von Covid gehört hatte, und eine beträchtliche Anzahl von Treibern trieb diese Nachfrage voran, die durch die Pandemie lediglich beschleunigt wurde. Tim Munks, Senior Principal Analyst für Hochgeschwindigkeitsoptik und optische Netzwerktechnologie beim Branchenanalystenunternehmen Omdia, sagte auf dem diesjährigen OFC Conference Market Watch-Panel: „Es ist keine Neuigkeit, aber die Treiber für die weitere Bandbreitenerweiterung in Netzwerken weltweit umfassen potenzielle Geschäfte.“ Modelle wie Telemedizin, DocuSign und Gaming, allesamt Beispiele für Wachstum, das Wachstum schafft.“

Munks ging auf die Pandemie ein und sagte: „Die Pandemie hat die Umstellung von Unternehmen auf die Cloud beschleunigt, und 5G, das einen langsamen Start hatte, hat jetzt richtig Fahrt aufgenommen. Darüber hinaus nehmen die Investitionen weiter zu, da die Regierungen viel Geld investieren.“ Breitbandausbau, bei dem Breitbandanbindung mittlerweile als ein Recht angesehen wird.“

Solche Investitionen in den Glasfaserausbau in FTTH-, Metro-, Unterwasser-, Rechenzentren- und Front- und Backhaul-Netzwerken waren unerlässlich, aber Investitionen in Forschung und Entwicklung für die optische Technologie im Kern dieser Netzwerke sind ebenso entscheidend, um sicherzustellen, dass sie zukunftsfähig sind -Geprüft für Anwendungen der nächsten Generation.

Kohärente Optiken zum Beispiel sind aufgrund ihrer Fähigkeit, die Amplitude und Phase des Lichts zu modulieren und über zwei Polarisationen hinweg zu übertragen, populär geworden, was bedeutet, dass mehr Informationen über ein Glasfaserkabel übertragen werden können.

Als ich zum ersten Mal in die Welt der optischen Kommunikation einstieg, war die OFC-Konferenz 2018 Gastgeber einer Reihe neuer kohärenter optischer Engines mit digitaler Signalverarbeitungstechnologie (DSP), die Schlagzeilen machten, weil sie eine Kapazität von bis zu 800 Gbit/s pro Wellenlänge übertragen konnten . Die Wiederholung der Veranstaltung im Jahr 2023 war der Startschuss für viele kohärente DSPs der nächsten Generation, die nun 1,2 und 1,6 Tbit/s erreichen können.

Die Umstellung auf Terabit stellt einen erheblichen Fortschritt bei den Datenübertragungsraten dar und ermöglicht es Netzwerken, beispiellose Datenmengen besser zu verarbeiten und eine schnellere und zuverlässigere Kommunikation über große Entfernungen zu ermöglichen. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf die Telekommunikation, aber auch auf Branchen und Anwendungen wie Cloud Computing, Rechenzentren und wissenschaftliche Forschung haben.

Kohärente optische Telekommunikationsnetze mit solch hohen Kapazitäten können ein nahtloses Streaming von hochauflösenden Videoinhalten, einen ultraschnellen Internetzugang und eine unterbrechungsfreie Sprachkommunikation ermöglichen und ermöglichen es Dienstanbietern, den ständig steigenden Anforderungen ihrer Kunden gerecht zu werden und ein erstklassiges Benutzererlebnis zu bieten mit minimaler Latenz und Netzwerküberlastung.

Für Rechenzentren und Cloud-Computing-Anbieter könnte der Übergang zu kohärenten optischen Terabit-Netzwerken bei richtiger Umsetzung neue Möglichkeiten für die effiziente Datenspeicherung, -verarbeitung und -verteilung eröffnen, insbesondere für den Zugang und den Edge. In der wissenschaftlichen Forschung erzeugen Bereiche wie Astronomie, Genomik und Teilchenphysik enorme Datenmengen, die eine schnelle und zuverlässige Übertragung erfordern. Kohärente optische Netzwerke mit Kapazitäten von 1,2 und 1,6 Tbit/s könnten Forschern die effizientere Übertragung und Zusammenarbeit großer Datensätze ermöglichen und so wissenschaftliche Durchbrüche beschleunigen.

Die Umstellung auf 1,2 und 1,6 Tbit/s kohärent bietet zwar Chancen wie die oben beschriebenen, kann aber auch einige technische Herausforderungen mit sich bringen. Bei diesen ultrahohen Datenraten ist die Gewährleistung der Signalintegrität und die Reduzierung von Rauschstörungen von entscheidender Bedeutung. Das Design und der Einsatz fortschrittlicher optischer Transceiver, Verstärker und Dispersionskompensationsmodule spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Qualität und Zuverlässigkeit der Datenübertragung. Für Netzwerkbetreiber besteht die Sorge, dass die Aufrüstung bestehender Netzwerkinfrastrukturen zur Unterstützung dieser höheren Datenraten erhebliche Investitionen sowohl in Hardware als auch in Netzwerkmanagementausrüstung erfordern würde.

In den letzten Jahren wurde viel Arbeit geleistet, um Lösungen bereitzustellen, die den Betreibern bei der Bewältigung dieser Herausforderungen helfen können, und die neuesten kohärenten Terabit-Lösungen wurden mit Blick auf die Betreiber entwickelt.

Eine frühe Ankündigung in diesem Bereich kam von Nokia mit seiner kohärenten photonischen Service-Engine der sechsten Generation, dem PSE-6s, der die nächste Generation des kohärenten Transports mit bis zu 1,2 Tbit/s antreiben und paarweise eingesetzt werden soll eine kohärente Transportlösung mit 2,4 Tbit/s. Es arbeitet mit mehr als 130 GBd und nutzt einen 5-nm-komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS) mit Silizium-Photonik für photonische integrierte Schaltkreise (PICs).

Die kohärente photonische Service-Engine der sechsten Generation von Nokia, die PSE-6s, ist darauf ausgelegt, die nächste Generation kohärenter Übertragung mit bis zu 1,2 Tbit/s voranzutreiben (Quelle: Nokia)

Von der nächsten Generation kohärenter Technologie hoffen wir, dass die Betreiber neben der zusätzlichen Kapazität auch weitere Vorteile erfahren. Serge Melle, Director Product Marketing bei Nokia, erklärte gegenüber Fiber Systems auf der OFC-Konferenz: „Für Betreiber sind Skalierbarkeit, Leistung und Nachhaltigkeit sehr wichtig. Sie können PSE6 1,2 Tb/s tatsächlich in einem einzigen 2,4 Tb/s-Kanal kombinieren, was bedeutet.“ dass Sie dann drei 800-GbE-Dienste in diesem einen Kanal übertragen können, was viel mehr Kapazität pro Glasfaser ermöglicht als einzelne 800-GbE-Dienste auf einzelnen Wellenlängen, was bei der Skalierung hilfreich ist.“

Auch der Leistungsaspekt sei berücksichtigt worden, fuhr Melle fort: „Der Leistungsaspekt besteht darin, 800 GbE nicht nur in der U-Bahn, sondern auch in regionalen Fernnetzen südlich von 2.000 km übertragen zu können. 800 GbE über ein einziges Netzwerk betreiben zu können.“ Wellenlänge kann den Betreibern eine Menge Kosten sparen, da sie diese 800 GbE nicht über zwei Wellenlängen mit niedrigerer Geschwindigkeit verteilen müssen, wodurch die Anzahl der Optiken reduziert wird. Wenn Sie die Anzahl der Optiken reduzieren und das neueste Silizium und das Mooresche Gesetz nutzen können „Sie können den Stromverbrauch pro Bit und den Gesamtstromverbrauch des Netzwerks reduzieren, was unter Kosten- und Nachhaltigkeitsaspekten wichtig ist.“

„Wir sehen immer mehr den Trend zu reduziertem Energieverbrauch“, stimmte Robert Maher, CTO bei Infinera, zu, der auch mit Fiber Systems bei OFC sprach. „Selbst als ich kürzlich an einer Unterwasserkonferenz teilnahm, wurde viel über nachhaltige Unterwassereinsätze gesprochen. Und wir haben einen Kunden, der unsere optische ICE4-Engine in einem Unterseekabel eingesetzt hat, und er wollte sie durch ICE6 ersetzen, und das war der Hauptgrund.“ war Macht.“

Nur wenige Tage vor der Eröffnung von OFC stellte Infinera seine eigene optische Engine der nächsten Generation mit 1,2 Tbit/s vor, die ICE7. ICE7 soll den Betreibern Vorteile bringen, indem es dazu beiträgt, Kosten, Platzbedarf und Leistung pro Bit zu senken und gleichzeitig Symbolraten von bis zu 148 GBd unterstützt. Es nutzt ein 5-nm-CMOS und Indiumsulfid-PICs (InP) aus der eigenen Fertigungsanlage und ermöglicht eine 800G-basierte Übertragung über bis zu 3.000 km. Es kann auch über nahezu jede Art von Netzwerk bereitgestellt werden. ICE7 und ein verbessertes optisches Multi-Haul-Leitungssystem wurden entwickelt, um die Leistung und Flexibilität der kompakten modularen Plattform der GX-Serie des Unternehmens zu erhöhen.

Infineras ICE7 nutzt einen 5-nm-CMOS und Indiumsulfid-PICs (InP) aus der eigenen Fertigungsanlage (Quelle: Infinera).

„Alles, was wir an der GX-Plattform im Allgemeinen und an den Motoren tun, ermöglicht es ihnen, im oberen Preissegment mehr Kapazität und niedrigere Gesamtbetriebskosten zu liefern“, fuhr Maher fort. „Das GX-Chassis selbst ermöglicht Betreibern einen schnelleren Zugriff auf die neuere Technologie, sodass sie die Vorteile einfacher nutzen können, ohne ein völlig neues System bereitstellen und zertifizieren zu müssen. Am Rande des Netzwerks besteht Bedarf, die Kapazität kosteneffektiv zu steigern.“ . Coherent ist ein so leistungsstarkes Tool, um dies zu erreichen, und wir müssen es den Betreibern ermöglichen, dieses Tool in mehr Anwendungen zu nutzen.“

„Und wenn wir die DSP-Verarbeitung und die Elektrooptik verbessern“, wiederholte Munks, „führt die Leistung dieser Systeme letztendlich zu einer größeren Reichweite und einem geringeren Stromverbrauch.“

Ein Beweis dafür ist die 1Finity Ultra Optical-Transportplattform von Fujitsu, die über den zusätzlichen Vorteil einer verbesserten Flüssigkeitskühlung verfügt. Die Plattform ist darauf ausgelegt, extreme Leistung und Skalierbarkeit mit Datenraten von 1,2 Tbit/s auf einer einzigen Wellenlänge zu bieten, und das Unternehmen plant bereits ein zukünftiges Upgrade auf 1,6 Tbit/s. Es verfügt über einen digitalen Signalprozessor (DSP), der die neuesten Halbleiterprozesse und Flüssigkeitskühlungstechnologie nutzt, die nach Angaben des Unternehmens die doppelte Kühlkapazität herkömmlicher Technologie bietet.

Im Gespräch mit Fiber Systems erklärte Paul Havala, Leiter Global Optical Planning bei Fujitsu Network Communications: „Das System profitiert von extremer Skalierbarkeit und Leistung. Es verfügt über ein C + L-Leitungssystem und einen 1,2 Tb/s-Transponder, der für Terabit-Netzwerke entwickelt wurde.“ , wodurch sichergestellt wird, dass Sie die maximale Kapazität für Kunden haben, die über eingeschränkte Glasfaserverbindungen verfügen oder deren Datenverkehr wirklich mit voller Kapazität unterstützt werden muss. Und dann gibt es auch Upgrade-Pfade, um diese Raten im Laufe der Zeit zu erweitern und zu erhöhen. Die Verbesserung der Kühlung ermöglicht eine Leistungsreduzierung um 40 bis 60 %, je nachdem, mit welcher Technologiereferenz Sie es vergleichen, was eine enorme Ersparnis darstellt. Es reduziert auch die Lüftergeräusche, sodass Sie die Lüfter mit einer niedrigeren Geschwindigkeit laufen lassen können, was dies ermöglicht System, um eine längere Lebensdauer zu haben. Daher glauben wir, dass es Vorteile gibt, die über die reine Nachhaltigkeit hinausgehen.“

Ciena ging mit seiner eigenen Markteinführung, dem WaveLogic 6 mit 200-GBd-Optik, direkt auf 1,6 Tbit/s über und wurde für die Unterstützung von bis zu 1,6 Tbit/s Einzelträgerwellenlängen für Metro-ROADM-Einsätze entwickelt; 800 Gbit/s über lange Verbindungen und energieeffiziente 800G-Steckverbindungen über 1.000 km Entfernung.

Helen Xenos, Senior Director of Optical Solutions Marketing, sagte gegenüber Fiber Systems: „Sowohl WaveLogic 6 Extreme (WL6e) als auch WaveLogic 6 Nano (WL6n) unterstützen bis zu 1,6 Tbit/s pro Wellenlänge. WL6e ist der erste, der 200-GBd-Optiken nutzt.“ Der WL6n kann mit Optiken zwischen 120 und 140 GBd für kohärente 400G-800G-Pluggables, 400G-Langstrecken- und 800G-Metro-/Regionalanwendungen sowie für interoperable 800ZR-Datencenter-Verbindungen (DCI) kombiniert werden. Wir haben die Kapazität des WL6e verdoppelt, aber haben die gleiche Hardware, sodass der Platzbedarf um 50 %, die Leistung pro Bit um 50 % und die spektrale Effizienz um 15 % erhöht sind.“

Die kohärente Lösung von Acacia (Teil von Cisco), CIM 8, wurde bereits für Netzwerk-Feldversuche an Tier-1-Carrier-Kunden ausgeliefert. CIM 8 unterstützt Datenraten von bis zu 1,2 Tbit/s und wird von Jannu angetrieben, dem DSP-ASIC der 8. Generation des Unternehmens, der auf einem 5-nm-CMOS mit Silizium-Photonik-Technologie basiert. Live-Netzwerkversuche wurden über Ultralangstrecken-, Langstrecken- und regionale Netzwerkentfernungen durchgeführt. Sie wurden in Zusammenarbeit mit Adtran und mit Netzbetreibern wie China Mobile und Windstream Wholesale durchgeführt.

Acacias (Teil von Cisco) CIM 8 unterstützt Datenraten von bis zu 1,2 Tbit/s, angetrieben von Jannu, dem DSP-ASIC der 8. Generation des Unternehmens (Quelle: Acacia (Teil von Cisco))

Nokia hat das PSE 6s in Zusammenarbeit mit dem europäischen Betreiber GlobalConnect auch in einem Live-Netzwerk getestet. Über Metrostrecken (118 km) wurde eine Geschwindigkeit von 1,2 Tbit/s und über Langstreckenstrecken (2.019 km) eine Geschwindigkeit von 800 Gbit/s erreicht, jeweils mit einer einzigen Wellenlänge.

Und es sind nicht nur kohärente DSPs, die in den Terabit-Bereich vordringen, OFC sah auch eine Reihe von Ankündigungen, die darauf hindeuteten, dass PAM4-basierte Lösungen auch Datenraten erreichen. Was die Optik betrifft, kündigte Marvell bei der Eröffnung von OFC die Einführung seiner ersten PAM4-Elektrooptikplattform mit 1,6 Tbit/s an, der Nova, für Cloud-, künstliche Intelligenz (KI), maschinelles Lernen (ML) und Rechenzentrumsnetzwerke .

Angetrieben von einem optischen DSP mit 200 Gbit/s ermöglicht Nova steckbare Module mit 1,6 Tbit/s zur Skalierung von KI-Clustern. Zu den Hauptmerkmalen gehören eine leitungsseitige Senderschnittstelle mit 200 Gbit/s pro Kanal zur Unterstützung einer Reihe von Hochgeschwindigkeitslasern; ein leitungsseitiger Empfänger mit 200 Gbit/s pro Kanal und begleitenden 112-GBd-Transimpedanzverstärkern (TIAs) von Marvell für Linearität und geringes Rauschen; integrierte Lasertreiber und latenzoptimierte Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) für 200 Gbit/s Datenverkehr.

In anderen Technologieankündigungen hat das Startup Nubis Communications kürzlich seine erste optische Engine, die XT1600, auf den Markt gebracht, die von Grund auf für maschinelles Lernen und Netzwerke mit künstlicher Intelligenz (ML/KI) optimiert ist. Das Unternehmen wurde 2020 gegründet und sammelte anschließend mehr als 40 Millionen US-Dollar, um die Entwicklung seines ersten Produkts zur Serienproduktion zu finanzieren. Muster stehen den Kunden bereits zur Verfügung. Der XT1600 verfügt über eine Gesamtkapazität von 1,6 Tbit/s optischer Übertragung und 1,6 Tbit/s Empfang, die über 16 Glasfaserpaare übertragen werden, was ein vollständiges Fan-Out und eine flexible Zuweisung als 16 unabhängige 100-Gbit/s-Vollduplexkanäle und vier separate 400-Gbit/s-Vollduplexkanäle ermöglicht -Duplex-Kanäle oder zwei 800-Gbit/s-Vollduplex-Kanäle. Es ist für den Direktantriebsbetrieb ohne Zeitverzögerung optimiert und verbindet sich direkt mit Host-ASIC-SerDes, die für Kupferverbindungen ausgelegt sind. Dieser Ansatz soll den Stromverbrauch, die Größe und die Kosten der Lösung senken. Die zugrunde liegende Technologie dahinter ist eine 16 x 112 Gbit/s (Vollduplex) Silizium-Photonik-Engine mit integrierten Modulatortreibern und Transimpedanzverstärkern.

Gründer Peter Winzer (ebenfalls ein Photonics100-Preisträger 2023) erklärte: „Unsere Lösung ist für die Arbeit mit modernen SerDes optimiert, indem sie nicht nur den Pitch an ihre Edge-I/O-Dichte anpasst, sondern auch mit ihren Fähigkeiten für einen energieeffizienten Direktantrieb verknüpft ist. Das Ergebnis ist.“ dass KI-Beschleuniger oder ähnlich große ASICs eine Konnektivität mit voller Bandbreite innerhalb des Rechenzentrums zu einem Bruchteil der Leistung im Vergleich zu herkömmlichen optischen Lösungen erreichen können. Darüber hinaus eignet sich unser Ansatz gut für neu entstehende Box-Architekturen sowie für native Chiplet-Implementierungen für noch engere Anforderungen Integration in die Zukunft.“

Da die meisten dieser Technologien dieses Jahr und Anfang 2024 kommerziell verfügbar sind, stellt sich die Frage, wie es mit optischen Netzwerken weitergeht. Laut Munks von Omdia: „Nach den 1,2 Tbit/s erwarten wir 1,6 Tbit/s auf einem einzigen Träger, und diese werden bis zu etwa 200 GBd erreichen. Diese sind für 2024 zur Bemusterung und wahrscheinlich 2025 für die kommerzielle Nutzung geplant. Wir erwarten.“ dass darauf 2,4 Tbit/s folgen werden und danach wahrscheinlich 3,2 Tbit/s. Wir gehen davon aus, dass all dies innerhalb dieses Jahrzehnts passieren wird.“