Ühtne optiline süsteem sobib pikamaavõrkudele

 

Koherentsed optilised süsteemid võimaldavad andmeedastust üle 1000 kilomeetri, moduleerides valguse amplituudi, faasi ja polarisatsiooni. Need süsteemid kasutavad digitaalseid signaaliprotsessoreid, et kompenseerida kiu kahjustusi ja toetada edastuskiirusi 100 G kuni 1,6 Tbps lainepikkuse kohta.

 

Kuidas koherentsed optilised süsteemid töötavad

 

 

Traditsioonilised optilised süsteemid tuginevad intensiivsuse modulatsioonile, lülitades valguse sisse ja välja, et esitada binaarandmeid. See lähenemine piirab edastust umbes 10 gigabitini sekundis ja võitleb mitmesaja kilomeetri kaugusel. Koherentne optiline süsteem murrab neist piirangutest läbi, manipuleerides samaaegselt mitme valguslainete omadusega.

Tehnoloogia kodeerib teavet kolmes mõõtmes: amplituud (signaali tugevus), faas (laine asend) ja polarisatsioon (elektromagnetvälja orientatsioon). Kõiki kolme omadust muutes pakivad koherentsed süsteemid igale valgusimpulsile oluliselt rohkem andmeid. Üks lainepikkus, mis kasutab 16{5}}QAM-modulatsiooni, võib kodeerida 4 bitti sümboli kohta, võrreldes traditsioonilise sisse-välja võtmega 1 bitiga sümboli kohta.

Digitaalsed signaaliprotsessorid moodustavad nende süsteemide elektroonilise südame. DSP täidab mitmeid kriitilisi funktsioone: elektriliste ja optiliste signaalide teisendamine, kromaatilise ja polarisatsioonirežiimi hajumise kompenseerimine, edastusvigade parandamine veaparandusalgoritmide abil ja lingi jõudluse pidev jälgimine. Hiljutised DSP-rakendused, mis kasutavad 3-nanomeetrilist CMOS-tehnoloogiat, on võimaldanud 800G koherentseid ühendatavaid mooduleid, mis sobivad QSFP-DD vormiteguriga, tarbides samal ajal alla 25 vatti.

Koherentne tuvastamine vastuvõtjas kasutab kohalikku ostsillaatorlaserit, mis on häälestatud sissetuleva signaaliga samale sagedusele. See lokaalne ostsillaator seguneb vastuvõetud signaaliga optilises hübriidis, tekitades vahepealse sagedusega signaali, mis säilitab kogu kodeeritud teabe. Seejärel teisendavad fotodetektorid selle segatud signaali elektriliseks domeeniks, kus DSP rekonstrueerib algandmed keerukate algoritmide abil, mis muudavad kodeerimisprotsessi vastupidiseks ja kompenseerivad kogunenud moonutusi.

 

Miks pikamaavõrgud nõuavad sidusaid süsteeme?

 

Pikamaa{0}}võrgud seisavad silmitsi ainulaadsete väljakutsetega, mis muudavad sidusa tehnoloogia oluliseks. Need ühendused hõlmavad tavaliselt 1000–10 000 kilomeetrit, ühendades linnu, riike ja mandreid maapealsete kiuliinide ja merekaablite kaudu.

Signaali sumbumine suureneb lineaarselt kaugusega. Isegi tänapäevase üli-väikse-kaotusega kiu puhul, mis saavutab 0,18 dB kilomeetri kohta, kogub 2000-kilomeetrine ulatus 360 dB. Erbium{10}}legeeritud fiiberoptilised võimendid, mis paigutatakse iga 50-100 kilomeetri järel, suurendavad signaali, kuid iga võimendusaste lisab müra, mis halvendab signaali-ja{15}}müra suhet. Koherentne optiline süsteem saavutab 20 dB suurema vastuvõtja tundlikkuse võrreldes otsetuvastussüsteemidega, võimaldades signaalidel taluda rohkem kogunenud müra, enne kui on vaja kallist optilist-elektrilist-optilist regenereerimist.

Kromaatiline dispersioon põhjustab erineva lainepikkusega valguse liikumist veidi erineva kiirusega läbi kiudude. Pikkadel vahemaadel põhjustab see efekt impulsside levikut, mis hägustab külgnevaid bitte. Polarisatsioonirežiimi dispersioon tekitab sarnaseid probleeme, kui valguse kaks polarisatsiooni olekut liiguvad erineva kiirusega. Pärandsüsteemid nõudsid füüsilist hajuvuse kompenseerimise mooduleid iga paari aja tagant, lisades kulusid ja keerukust. Sidusad DSP-d käsitlevad mõlemat tüüpi dispersiooni puhtalt elektroonilises valdkonnas, välistades vajaduse nende optiliste komponentide järele ja võimaldades kasutuselevõttu varem kasutamiskõlbmatu kiu kaudu.

Majanduslik argument sidusa tehnoloogia kasuks muutub kaalukaks kaugemal kui 200 kilomeetrit. 400G ZR koherentne ühendatav moodul maksab rohkem kui samaväärne PAM4 moodul, kuid see välistab mitu võimendus- ja regenereerimissaiti, mida vajavad otsetuvastussüsteemid. Võrguoperaatorid teatavad, et sidusad süsteemid vähendavad kaugliinidel sisemiste regeneraatorite arvu 40{6}}60% võrra, kusjuures iga välditud regenereerimiskoht säästab 500 000–2 miljonit dollarit seadmete ja kinnisvarakuludelt.

Kaasaegsed pikamaa{0}}süsteemid töötavad samaaegselt mitmel lainepikkusel, kasutades tihedat lainepikkusjaotusega multipleksimist. Tüüpiline C-riba DWDM-süsteem kannab 80–96 kanalit, mis on üksteisest 50 GHz kaugusel. Koherentse tehnoloogia ülim spektraalne tõhusus võimaldab häireteta kanalite vahemaid. Paindlikku võrguarhitektuuri kasutavad võrgud suudavad eraldada täpselt sellise spektri laiuse, mida iga kanal vajab, pigistades kanaleid üksteisest kuni 37,5 GHz kaugusele ja suurendades kogu fiibervõimsust 25–30% võrreldes fikseeritud võrgusüsteemidega.

 

Koherentse optilise süsteemi tehniline arhitektuur

 

Täielik pikamaa{0}}koherentne link koosneb saatjast, kiudribadest, inline-võimenditest ja vastuvõtja komponentidest, mis töötavad koos.

Saatja algab häälestatava välise õõnsusega laseriga, mis toodab kitsa{0}}joonelaiusega koherentset valgust, tavaliselt 1550-nanomeetri C-ribas. Rea laius alla 100 kHz tagab faasi stabiilsuse edastuskaugusel. IQ-modulaator-tegelikult kaks pesastatud Mach-Zehnderi modulaatorit-juhivad eraldi optilise signaali faasi- ja kvadratuurkomponente. DSP juhib seda modulaatorit hoolikalt kujundatud elektriliste lainekujudega, mis kodeerivad andmeid, kasutades modulatsioonivorminguid nagu DP-QPSK, 16-QAM või 64-QAM, olenevalt lingi eelarvest.

Maapealsete võrkude kiudude vahekaugused on tavaliselt 80{5}}100 kilomeetrit võimendikohtade vahel, mida piiravad akumuleeritud kadu ja saadaolev võimendi võimendus. Allveelaevade süsteemid saavutavad pisut pikema, 100{6}}120 kilomeetri pikkuse vahemaa tänu paremale kontrollile kiu marsruutimise ja väiksemate pistikukadude üle. Kiud ise on märkimisväärselt arenenud, G.654.E spetsifikatsioonid määratlevad suure efektiivse pindalaga kiu, mis vähendab mittelineaarseid efekte ja ülimadala kaoga kiu, saavutades 0,16 dB kilomeetri kohta.

Sisseehitatud võimendid võimendavad signaali igal ajavahemikul, ilma et need muutuksid elektriliseks domeeniks. C-ribasüsteemides domineerivad erbium-legeeritud fiiberopimendid, mis pakuvad 20-30 dB võimendust. L-riba EDFA-d laiendavad võimsust 1565-1625 nanomeetri vahemikku, samal ajal kui hajutatud Ramani võimendus pumpab võimsust tagasi läbi ülekandekiu enda, et tagada võimendus madalama müratasemega. Täiustatud süsteemid kasutavad hübriidset EDFA{10}}Ramani konfiguratsiooni, et optimeerida signaali-müra suhet kogu lingi ulatuses.

Vastuvõtja peegeldab saatja keerukust. Integreeritud koherentne vastuvõtja sisaldab lokaalset ostsillaatorlaserit, 90-kraadist optilist hübriidi, tasakaalustatud fotodetektoreid ja transimpedantsi võimendeid. Kiir-analoog--digitaalmuundurid proovivad tuvastatud signaale kiirusega üle 100 gigasamplit sekundis. Seejärel teostab DSP kella taastamist, pimeda ekvalifitseerimist, et kompenseerida kromaatilise ja polarisatsioonirežiimi dispersiooni, kandefaasi taastamist ja edasisuunas veaparanduse dekodeerimist.

Edasine vigade parandamine on muutunud üha keerukamaks. Pehme -otsustus FEC-algoritmid, nagu tõenäosuslik konstellatsiooni kujundamine, saavutavad kodeerimise netovõimenduse üle 11 dB, võimaldades signaalidel töötada bitiveasagedusega alla 10^-15 isegi siis, kui FEC-eelne veamäär ületab 10^-2. Need täiustatud koodid maksavad täiendavaid üldkulusid, tavaliselt 20–27%, kuid jõudluse suurenemine õigustab seda võimsuse ohverdamist pikkadel marsruutidel.

 

Ühtse optilise süsteemi jõudluse spetsifikatsioonid

 

Kaasaegsed sidusad süsteemid saavutavad muljetavaldavad spetsifikatsioonid, mis paranevad iga tehnoloogia põlvkonnaga.

Edastusvõimsus on agressiivselt vähenenud. Turg läks 2010. aasta paiku üle 100G koherentsetelt süsteemidelt 200G-le 2015. aastaks ja 400G-le 2020. aastaks. Praegused kuuenda-põlvkonna koherentsed DSP-d toetavad 800G lainepikkuse kohta, juhtivad müüjad demonstreerivad 1,2 Tbps ja 1,6 Tbps 4 A4 DDM-süsteemiga 2015. aastaks 2020. aastal. 96 kanalit 400 G juures edastab 38,4 terabitti sekundis ühe kiupaari kaudu. 8 kiupaariga merekaablid saavutavad koguvõimsuse üle 300 Tbps.

Katvuse võimalused sõltuvad modulatsioonivormingust ja andmeedastuskiirusest. DP-16QAM-i kasutav 400G ZR moodul ulatub 120 kilomeetrini ilma sisemise võimenduseta, mis sobib suurlinna piirkondlike võrkude jaoks. 400G ZR+ spetsifikatsioon pikendab seda koos võimendusega 500 kilomeetrini. Kauge{10}}optimeeritud süsteemid, mis kasutavad DP-QPSK-d madalamal andmeedastuskiirusel, saavutavad regenereerimata vahemaad 2000–3000 kilomeetrit. Allveelaevade süsteemid ulatuvad tavaliselt maandumisjaamade vahel 6000–10 000 kilomeetri kaugusele, kusjuures pikimate kaablisüsteemide pikkus on üle 20 000 kilomeetri, sealhulgas mitu maandumispunkti.

Spektri efektiivsus mõõdab, kui palju andmeid iga spektriühik kannab. Varased koherentsed süsteemid saavutasid 2-3 bitti sekundis hertsi kohta. Kaasaegsed süsteemid, mis kasutavad täiustatud modulatsiooni, tõenäosuslikku kujundamist ja tihedat kanalivahet, jõuavad maapealsetel marsruutidel kiiruseni 5-7 bitti/s/Hz. See tõhususe parandamine tähendab, et võrgud saavad võimsust suurendada ilma täiendavat kiudopti paigaldamata, mis on kriitiline eelis, kui kiudoptiline paigaldamine maksab linnapiirkondades 50 000–150 000 dollarit kilomeetri kohta.

Energiatarve on dramaatiliselt vähenenud, isegi kui jõudlus on paranenud. Esimese-põlvkonna koherentsed liinikaardid tarbisid 300–500 vatti 100 G võimsuse kohta ehk 3–5 vatti gigabiti kohta. Praegused 400G ühendatavad moodulid tarbivad 15-20 vatti, saavutades 50-80 millivatti gigabiti kohta. See 50-kordne energiatõhususe paranemine vähendab tegevuskulusid ja jahutusvajadusi nii võrguseadmete ruumides kui ka allveelaevade repiiterites, kus elektrienergia on tõsiselt piiratud.

Latentsus koherentsete süsteemide kaudu lisab minimaalselt üldkulusid võrreldes valguse põhikiirusega kius. DSP-töötlus annab sõltuvalt rakendusest 50–200 mikrosekundi latentsusaega. 3000-kilomeetrisel lingil, kus põhiline levimisviivitus on 15 millisekundit, on see ainult 0,3–1,3% kuludest. Täiustatud juurutused saavutavad latentsusaja kõikumise alla 10 nanosekundi, mis on kriitiline finantskauplemise ja 5G esiühendusrakenduste jaoks.

 

Juurutamise stsenaariumid ja kasutusjuhtumid

 

Pikamaa{0}}sidusad süsteemid teenindavad mitut erinevat võrgusegmenti, millest igaühel on spetsiifilised nõuded.

Maapealsed tuumvõrgud moodustavad peamisi suurlinnapiirkondi ühendava selgroo. Teenusepakkujad, nagu AT&T, Verizon ja China Telecom, haldavad neid võrke, et koondada liiklust metroovõrkudest ja pakkuda üleriigilist ühenduvust. Marsruudid hõlmavad tavaliselt 1000{5}}2500 kilomeetrit suuremate linnade vahel, vahepealsete lisamis-kohtadega, mis kasutavad ümberkonfigureeritavaid optilisi liitmis- ja langusmultipleksereid. Nendel marsruutidel olev sidus optiline süsteem kasutab tavaliselt 400G lainepikkusi ja plaanitakse liikluse kasvades uuendada 800G-ni. Võrguoperaatorid hindavad koherentsete transiiverite programmeeritavust, mis võivad kohandada modulatsioonivormingut ja andmeedastuskiirust, et optimeerida võimsust ja ulatust vastavalt tegelikele kiutingimustele.

Veealused kaablisüsteemid esindavad kõige nõudlikumat sidusat kasutuselevõttu. Kaasaegsed ookeaniülesed kaablid saavutavad mitme maandumispunktiga 15 000–20 000 kilomeetrit kogupikkust. MAREA kaabel, mis ühendab Virginiat Hispaaniaga, ulatub 6600 kilomeetrit ja tagab 200 Tbps võimsuse, kasutades 100G sidusaid kanaleid. Uuemad süsteemid, mis võetakse kasutusele aastatel 2024–2025, kasutavad 500+ Tbps võimsuse saavutamiseks lainepikkusi 400G ja 800G. Need süsteemid nõuavad erakordset töökindlust, mille keskmine rikete vaheline aeg ületab 25 aastat, kuna merealused remonditööd maksavad 1–3 miljonit dollarit juhtumi kohta ja sügavas vees võib kuluda kuid. Iga 50–80 kilomeetri järel paiknevad repiiterid töötavad ilma hoolduseta aastakümneid.

Andmekeskuste vastastikused ühendused kasutavad üha enam sidusat tehnoloogiat, kuna hüperskaalajad ehitavad oma globaalseid rajatisi ühendavaid privaatvõrke. Meta, Google, Amazon ja Microsoft haldavad ühiselt tuhandeid kilomeetreid piki{1}}kiudvõrku, mis ühendab omavahel kümneid andmekeskuste ülikoolilinnakuid. Need võrgud eelistavad madalat latentsust ja suurt võimsust kuluefektiivsusele. 200{8}}500 kilomeetri pikkused piirkondlikud ühendused kasutavad 400G ZR+ pistikuid, mis on integreeritud otse ruuteritesse ja lülititesse, välistades eraldi transpondeririiulid. Pikemad magistraalmarsruudid kasutavad suurema jõudlusega manustatud sidusaid süsteeme lainepikkustega 800 G kuni 1,6 Tbps.

Teadus- ja haridusvõrgustikud on veel üks oluline kasutuselevõtu sektor. Sellised organisatsioonid nagu Internet2 Ameerika Ühendriikides ja GÉANT Euroopas kasutavad pikamaa{2}}võrke, mis toetavad ülikoolide ja teadusasutuste ühenduvust. Need võrgud olid teerajajaks paljude sidusate tehnoloogiate kasutuselevõtuks, pakkudes uute modulatsioonivormingute ja tarkvaraga{4}}määratletud võrguvõimaluste testimisaluseid. Teadusringkondade vajadus massiliste andmekogumite ülekandmise järele-osakeste füüsikakatsed toodavad petabaite päevas-ajendab pidevat võimsuse suurendamist.

 

 

Turu kasvu ja majanduse tõukejõud

 

Ühtne optiliste seadmete turg näitab tugevat kasvu, mida juhib rahuldamatu ribalaiuse nõudlus.

Turu suurus ulatus 2024. aastal 16,9-28,8 miljardi dollarini, olenevalt turu täpsest määratlusest, kusjuures prognoosid näitavad kasvu 29,7–51,4 miljardi dollarini aastaks 2032–2033. See tähendab 5,3–12,4% aastaseid liitkasvumäärasid, mis on suuremad kitsamalt määratletud segmentides, nagu sidusad pistikühendused. Hinnangute kõikumine peegeldab erinevaid metodoloogilisi lähenemisviise turupiiride määratlemisel, kuid kõik analüüsid nõustuvad tugeva kahekohalise kasvuga.

Interneti-liiklus jätkab eksponentsiaalset laienemist, kasvades Cisco analüüsi kohaselt 25-30% aastas. Video voogesitus moodustab üle 82% tarbijate Interneti-liiklusest, kusjuures 4K ja arenevad 8K-vormingud nõuavad 15–45 Mbps voo kohta. Pilvemängud, virtuaalreaalsus ja uued metaverse-rakendused nõuavad püsivat suurt ribalaiust ja madala latentsusaega. Kaugtööle üleminek aastatel 2020-2022 tõstis püsivalt ärivideokonverentside liiklust ja pilveteenuste kasutamist.

5G võrgu kasutuselevõtt loob tohutu ribalaiuse nõuded võrgu servades ja tagasiühenduse infrastruktuuris. Üks 5G kärjesait võib tippperioodidel tekitada 10–100 Gbps liiklust, mis nõuab sidusat optilist transporti, et koondada see liiklus põhivõrku. Ülemaailmsed 5G-ühendused ületasid 2024. aastal 1,5 miljardit ja jõuavad 2028. aastaks 5,9 miljardini, mis suurendab vastavat optilise transpordi läbilaskevõimet.

Andmekeskuse laiendamine suurendab sidusat nõudlust seadmete järele, kuna hüperskaalajad loovad tehisintellekti koolituse ja järelduste toetamiseks hajutatud andmetöötluse infrastruktuuri. Suurte keelemudelite väljaõpe nõuab paralleelset töötlemist kümnete tuhandete graafikaprotsessoritega, mis on omavahel ühendatud üli-suure{2}} ribalaiusega võrkudega. Andmekeskuste operaatorid investeerisid 2024. aastal kapitalikulutustesse üle 200 miljardi dollari, kusjuures optilised ühendused moodustasid 8–12% nendest kulutustest.

Pilveteenuste migratsioon ei näita aeglustumise märke. Ettevõtte töökoormuse migratsioon pilveplatvormidele kiirenes pandeemia ajal ja jätkub, kuna organisatsioonid kasutavad hübriid- ja mitme{1}}pilvearhitektuure. See struktuurne nihe koondab liikluse suurematesse pilveteenuse pakkuja võrkudesse, mis kõik sõltuvad suurel määral-kaugliinide sidusatest optilistest süsteemidest, et ühendada oma globaalselt hajutatud infrastruktuur.

Interneti-infrastruktuuri geograafiline laienemine soodustab ühtset kasutuselevõttu arengupiirkondades. Kagu-Aasia, Aafrika ja Ladina-Ameerika ehitavad piirkondliku ühenduvuse parandamiseks merealuseid kaablite maandumisjaamu ja maapealseid pikamaa{1}}võrke. Veealuste kaablite investeeringud nendes piirkondades ületavad 5 miljardit dollarit aastas, kusjuures enamik uusi süsteeme kasutab algusest peale sidusat tehnoloogiat, selle asemel et uuendada pärandsüsteeme.

 

Konkurentsivõimeline maastik ja peamised müüjad

 

Ühtsel optiliste seadmete turul on väljakujunenud telekommunikatsiooniseadmete müüjad ja spetsialiseerunud optiliste komponentide tarnijad.

Ciena oli 2008. aastal sidusa 40G tehnoloogia kasutuselevõtuga kaubanduslike sidusate süsteemide teerajaja ning on säilitanud tehnoloogia juhtpositsiooni läbi järjestikuste WaveLogici põlvkondade. 2024. aastal välja kuulutatud WaveLogic 6 platvorm saavutab kiiruse 1,6 Tbps lainepikkuse kohta ja toidab nii sisseehitatud liinikaarte kui ka ühendatavaid mooduleid. Cienal on sidusate optiliste transpordisüsteemide turuosa ligikaudu 18–22%.

Nokia Photonic Service Engine (PSE) platvorm teenindab nii maapealseid kui ka allveelaevaid rakendusi. Ettevõtte tugevus võrkude kujundamisel ja integreerimisel täiendab tema ühtset tehnoloogiaportfelli. Nokia domineerib eriti allveelaevasüsteemides, kuna on projekteerinud või tarninud optilised liiniterminalid enam kui 70% uutest aastatel 2022–2024 sõlmitud merekaabliprojektidest.

Huawei säilitab ülemaailmselt suurima turuosa 25-30%, kuigi selle positsioon on geopoliitiliste tegurite tõttu piirkonniti erinev. Ettevõtte integreeritud lähenemisviis võrgu infrastruktuurile ja optilistele süsteemidele meeldib operaatoritele, kes otsivad ühe müüja lahendusi. Huawei OptiXtrans platvorm toetab 400 G kuni 1,6 Tbps lainepikkusi metroo-, piirkondlike ja kaugliinide rakendustes.

Infinera keskendub eranditult optilisele võrgule ja on olnud optiliste komponentide vertikaalse integreerimise teerajaja. Ettevõte toodab ise fotoonilisi integraallülitusi, ühendades mitu optilist funktsiooni ühel kiibil, et vähendada kulusid ja parandada jõudlust. Infinera ICE6 sidustehnoloogia toetab 800G lainepikkusi ja on suunatud nii teenusepakkujate kui ka andmekeskuste turgudele.

Cisco sisenes sidusale turule 2021. aastal Acacia Communicationsi omandamisega, saavutades{1}}valdkonna juhtiva sidusa DSP-tehnoloogia. Acacia ränifotooniline lähenemine võimaldab koherentsete moodulite suurt-mahtu ja odavat{4}}tootmist. Cisco integreerib need moodulid oma marsruutimisplatvormidesse, luues tihedalt seotud IP-üle-DWDM-lahendused, mis on populaarsed veebi-skaala andmekeskuse operaatorite seas.

Ühendatav koherentne mooduli segment näitab erinevat konkurentsidünaamikat. Marvell tarnib DSP-kiipe, mida kasutatakse üle 40% sidusatest ühendatavatest moodulitest, toimides räni tarnijana mitmele moodulitootjale. Coherent Corp (endine II-VI), Lumentum ja Broadcom toodavad terviklikke mooduleid, kasutades erinevaid DSP ja ränifotoonika tarnijaid. NeoPhotonics, mille Broadcom omandas 2022. aastal, tõi kaasa tugevad häälestatavate laserite ja fotoonilise integreerimise võimalused.

Arenevad Hiina müüjad, sealhulgas HiSilicon, ZTE ja Fiberhome, suurendavad Hiina tehnoloogilise sõltumatuse poole püüdlemist Hiinas. Need müüjad saavad kasu olulisest valitsuse toetusest kohaliku optilise tehnoloogia arendamiseks ja eelisjuurdepääsust Hiina tohutule siseturule.

 

Tehnoloogia areng ja tulevikusuunad

 

Sidus optiline tehnoloogia jätkab kiiret arengut mitmes mõõtmes.

Modulatsioonivormingu täiustamine tõstab keerukuse juhtimisel spektraalset tõhusust. Tõenäosuslik tähtkuju kujundamine optimeerib edastatud sümbolite jaotust, et see vastaks täpsemalt kanali võimsusele, saavutades 0,5-1,5 dB parema jõudluse kui ühtsed tähtkuju vormingud. Geomeetriline kujundamine muudab tähtkuju punktide paigutust, mitte sümboli tõenäosust, pakkudes sarnaseid võimendusi väiksema rakendamise keerukusega. Uurimissüsteemid on näidanud 256-QAM-i ja kõrgemat järku vorminguid, kuigi praktilised juurutused ületavad müratundlikkuse tõttu harva 64-QAM-i.

Digitaalse alamkandja tehnoloogia jagab iga lainepikkuse mitmeks kitsamaks alamkandjaks, millest igaühel on sõltumatu modulatsioon ja kodeerimine. See lähenemine lihtsustab võrdsutamist, võimaldab peenemat läbilaskevõimet ja parandab kiudude mittelineaarsuse taluvust. Süsteemid, mis kasutavad 2–8 alamkandjat lainepikkuse kohta, on jõudnud kommertskasutusele ning uuringute demonstratsioonid näitavad kasu kuni 16 alamkandjale.

Ruumijaotusega multipleksimine on võimsuse skaleerimise järgmine piir. Mitmetuumaline kiud paigutab ühte kiudkatte sisse 4-12 eraldi südamikku, mis korrutab võimsuse proportsionaalselt. Eraldatud kiudribadel on sarnased eelised tavalise ühetuumalise-kiuga. Vähesed{10}}režiimikiud toetavad 3-6 ruumirežiimi südamiku kohta, kuigi režiimide sidumine tekitab võrdsustamisprobleeme. Kaubanduslik kasutuselevõtt piirdub erirakendustega, kuid pärast 2025. aastat kasutusele võetavad allveelaevasüsteemid võivad toote võimsuse ja vahemaa maksimeerimiseks kasutusele võtta mitmetuumalise kiu.

Spektrilaienemine väljaspool C-riba lisab olemasolevat kiudoptilist infrastruktuuri kasutades võimsust. C+L-ribasüsteemid töötavad 10-11 THz spektris alates 1530-1625 nanomeetrist, kahekordistades kanalite arvu võrreldes ainult C-riba{15}}süsteemidega. S-riba (1460–1530 nanomeetrit) pakub veel 7 THz spektrit, kuigi võimenditehnoloogia on endiselt vähem küps. Uuringud on näidanud edastust 16 THz kombineeritud S+C+L sagedusaladel, mis neljakordistab võimsust võrreldes ainult C-ribaga.

Tarkvara-määratletud võrgundus ja võrgu jaotamine kujundavad ümber seda, kuidas operaatorid ühtseid süsteeme juurutavad ja haldavad. Avatud liinisüsteemid eraldavad optilise liiniterminali riistvara haldustarkvarast, võimaldades mitme -müüja koostalitlusvõimet. Telecom Infra Projecti algatus OOPT (Open Optical Packet Transport) määratleb avatud API-d sidusate transiiverite juhtimiseks. Need arendused vähendavad tarnija lukustust-ja võimaldavad operaatoritel optimeerida võimsust-, jõuda tegelike liiklusmustrite põhjal dünaamiliselt kompromissidele.

Tehisintellekt ja masinõpe leiavad rakendusi sidusas süsteemi optimeerimises. AI-algoritmid suudavad ennustada optimaalseid modulatsioonivorminguid ja käivitusvõimsusi reaalajas -kiudude tingimuste põhjal, parandades võimsust 5-15% võrreldes staatiliste konfiguratsioonidega. Masinõppemudelid tuvastavad vastuvõetud signaali kvaliteedi peened halvenemismustrid, võimaldades prognoositavat hooldust, mis hoiab ära teenust{6}}mõjutavaid tõrkeid. Kogu võrku hõlmav optimeerimine, kasutades armeerimisõpet, maksimeerib võrgu kogu läbilaskevõimet, järgides samas üksikute linkide piiranguid.

Kvantsuhtlus ja post{0}}kvantkrüptograafia mõjutavad tulevikus ühtset süsteemikujundust. Kvantvõtmejaotussüsteemid võivad töötada kõrvuti klassikaliste koherentsete kanalitega samas kius, kuigi nende äärmiselt madal võimsus nõuab hoolikat ülekõnede haldamist. Post-kvantkrüptograafilised algoritmid vajavad suuremat arvutusvõimsust, mis võib tulevastes süsteemides vajada rohkem võimekamaid DSP-sid, et teostada krüptimist ja dekrüpteerimist reakiirusega.

 

Rakendamise väljakutsed ja lahendused

 

Pikamaa{0}}sidusate süsteemide juurutamine hõlmab mitmete tehniliste ja operatiivsete väljakutsete lahendamist.

Kiudtaimede varieeruvus tekitab süsteemi jõudluses ebakindlust. 1990. aastatel ja 2000. aastate alguses paigaldatud kiududel on tänapäevaste kiududega võrreldes suurem kadu, dispersioonikalde varieeruvus ja polarisatsioonist{3}}sõltuv kadu. Ettevõtjatel on harva kogu oma kiutehase täpne iseloomustus, mis muudab võimsuse planeerimise keeruliseks. Lahendused hõlmavad automatiseeritud testimissüsteeme, mis mõõdavad pidevalt kiu parameetreid, ja adaptiivseid transiivereid, mis kohandavad oma töörežiimi tegelike lingitingimuste alusel.

Võrguoperaatorid seisavad silmitsi keerukate uuendamisotsustega, mis tasakaalustavad võimsusvajadusi, tehnoloogia küpsust ja eelarvepiiranguid. 100G-lt 400G-le uuendamine tagab 4-kordse võimsuse, kuid nõuab investeeringuid uutesse lõppseadmetesse. Kiusatus oodata 800G tehnoloogiat tekitab planeerimishalvatuse, mis võib jätta võrgud ülekoormatuks. Pragmaatilised lähenemisviisid hõlmavad valikulist uuendamist ülekoormatud marsruutidel, säilitades samal ajal{7}}madalama võimsusega süsteemid vähekoormatud marsruutidel. Tarnijate valmisolek pakkuda võimsust -nõudmisel-litsentse,{11}}kui riistvara tarnitakse 400 G võimekusega, kuid algselt aktiveeritakse 100 G või 200 G{15}}, aitab riske maandada.

Tarnija seadmete koostalitlusvõime jääb standardimispüüdlustele vaatamata ebatäiuslikuks. OIF 400ZR ja 800ZR spetsifikatsioonid määratlevad koostalitlusvõimelised ühendatavad moodulid, kuid müüjad rakendavad valikulisi funktsioone erinevalt. Täiustatud funktsioonid, nagu võrgu ajastuse jaotus ja tulnukate lainepikkuste tugi, nõuavad hoolikat valideerimist. Arukad operaatorid kasutavad testimisrajatisi, mis kontrollivad koostalitlusvõimet enne tootmise juurutamist, ja paljud kasutavad lingi lõpp-punktides sobitatud hankijapaare isegi siis, kui kasutavad{5}}standarditele vastavaid liideseid.

Võrguseadmete toite- ja jahutuspiirangud piiravad suure võimsusega{0}}süsteemide kasutuselevõttu. Täielikult-varustatud tiheda lainepikkusega süsteem võib tarbida 10-20 kilovatti riiuli kohta, ületades paljude vanemate keskkontorite võimsuse. Väiksema võimsusega seadmetele mõeldud jahutussüsteemid ei talu soojuskoormust. Moodsate sidusate seadmete toetamiseks mõeldud rajatiste uuendamine maksab 500 000–2 miljonit dollarit saidi kohta, ületades mõnikord optiliste seadmete enda maksumust.

 

Korduma kippuvad küsimused

 

Kui suur on koherentsete optiliste süsteemide maksimaalne kaugus?

Maksimaalne regenereerimata kaugus sõltub modulatsioonivormingust ja liinikiirusest. DP-QPSK modulatsiooni kasutavad süsteemid võivad jõuda 2000-3000 kilomeetrini ilma optilise-elektrilise-optilise regenereerimiseta. Allveelaevade süsteemid töötavad optimeeritud DSP ja täiustatud FEC abil regenereerimispunktide vahel tavapäraselt üle 6000{15}}10 000 kilomeetri. Pikimad merekaablid ületavad 20 000 kilomeetrit otsast lõpuni, kuid sisaldavad vahepealseid regenereerimiskohti.

Kuidas on sidustehnoloogia võrreldav PAM4 modulatsiooniga?

PAM4 modulatsioon pakub madalamaid kulusid ja energiatarbimist alla 100-kilomeetrise vahemaa jaoks, muutes selle ideaalseks andmekeskuste ühendamiseks. Sidustehnoloogia maksab rohkem, kuid tagab suurepärase ulatuse ja spektraalse efektiivsuse üle 200 kilomeetri pikkustel vahemaadel. Üleminekupunkt sõltub konkreetsetest linginõuetest, kuid enamik pikamaa{5}}rakendusi, mis on kaugemal kui 500 kilomeetrit, nõuavad sidusat tehnoloogiat, et saavutada piisav signaali-/-müra suhe.

Milliseid modulatsiooniformaate kasutavad kaasaegsed koherentsed süsteemid?

Levinud vormingute hulka kuuluvad DP-QPSK (4 bitti sümboli kohta) maksimaalse katvuse tagamiseks, DP-16QAM (8 bitti sümboli kohta) tasakaalustatud jõudluse tagamiseks ja DP-64QAM (12 bitti sümboli kohta) lühematel vahemaadel maksimaalseks võimsuseks. Täiustatud süsteemid kasutavad sümbolite jaotuse optimeerimiseks tõenäosuslikku tähtkuju kujundamist. Optimaalne vorming sõltub lingi kaugusest, kiu kvaliteedist ja võimsusnõuetest, kusjuures paljud süsteemid suudavad vorminguid dünaamiliselt vahetada.

Kas sidusad süsteemid võivad olemasolevaid kiudtehaseid uuendada?

Sidustehnoloogia töötab 1990ndatel ja hiljem paigaldatud kiududega isegi siis, kui see kiud oli algselt mõeldud 2,5G või 10G süsteemide jaoks. DSP kompenseerib kromaatilist dispersiooni ja polarisatsiooniefekte elektrooniliselt, kõrvaldades pärandsüsteemide jaoks vajalikud dispersioonikompensatsiooni moodulid. Väga vanadel 1980. aastatest pärit kiududel võib olla liigne kadu või polarisatsioonist{6}}sõltuv kadu, mis piirab kasutatavat võimsust, kuid enamik alates 1995. aastast pärit kaubanduslikke kiude toetab kaasaegset koherentset ülekannet.

Võrgu läbilaskevõime kasvas aastatel 2020-2024 igal aastal 25–30%, mis on tingitud video voogesitusest, pilveteenustest ja kaugtööst. Teenusepakkujate projekt jätkas aastani 2028 20–25% aastase kasvuga, kusjuures tehisintellekti rakendused võivad seda veelgi kiirendada. Üleminek 100G sidustelt süsteemidelt 400G-le on suurematel marsruutidel suures osas lõpule viidud, 800G kasutuselevõtt algab aastatel 2024–2025.

Sidusad optilised süsteemid on viimase 15 aasta jooksul{0}}kaugmaavõrgu võimalusi põhjalikult muutnud. Tehnoloogia võime edastada kiirust 100 G kuni 1,6 Tbps tuhandete kilomeetrite jooksul koos väheneva bitihinnaga võimaldab ülemaailmset ühenduvust, mida tänapäevased rakendused nõuavad. Kuna ribalaiuse nõuded jätkavad oma lakkamatut kasvu, jääb ühtne optiline süsteem digitaalmajandust toetavaks oluliseks infrastruktuuriks.