相干光通訊技術(shù)面向服務(wù)提供商邊緣和接入的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

  以經(jīng)濟有效和操作簡單的方式滿足帶寬需求

  摘要

  服務(wù)提供商的邊緣和接入網(wǎng)絡(luò)正在繼續(xù)發(fā)展。由于向消費者和企業(yè)客戶提供令人興奮的新應(yīng)用，帶寬需求成倍增長，他們基于舊的光傳輸技術(shù)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，無法擴展到將來處理這些需求所需要的帶寬。需要新的技術(shù)和策略來升級目前支持10G鏈路的有線和無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，使其能夠支持100G及以上的光鏈路，同時還要適應(yīng)現(xiàn)有的許多不同的光纖類型，如點對點、DWDM和BiDi鏈接。本文討論了相干光技術(shù)的進步如何為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)鋪平道路，為服務(wù)提供商提供他們所需的路徑，以滿足今天和未來不斷增長的帶寬需求。

  服務(wù)提供商的邊緣和接入需求繼續(xù)增長

  應(yīng)用正在推動離終端用戶更近的網(wǎng)絡(luò)邊緣對帶寬的需求增加。為消費者和企業(yè)客戶提供服務(wù)的新的和下一代應(yīng)用是邊緣和接入帶寬需求增長的主要原因。根據(jù)思科的年度互聯(lián)網(wǎng)報告[1]，預(yù)計到2023年，全球超高清互聯(lián)網(wǎng)連接的4K電視將占平板電視的66%(8.91億)。預(yù)計到2023年，家庭自動化、家庭安全和視頻監(jiān)控等互聯(lián)家庭應(yīng)用將占所有機器對機器連接的近一半(估計機器對機器連接總數(shù)為147億)。此外，根據(jù)CableLabs [2]的數(shù)據(jù)，到2019年12月，有線電視千兆網(wǎng)已經(jīng)覆蓋有線電視寬帶供應(yīng)商聯(lián)通的所有美國家庭的93%，可獲得的下載速度每年增長約50%(CAGR)。

  根據(jù)《年度互聯(lián)網(wǎng)報告》，家庭以外的應(yīng)用，如車輛導(dǎo)航/診斷/娛樂和車隊管理，預(yù)計將代表增長最快的機器對機器領(lǐng)域，到2023年的年復(fù)合增長率為30%。到2023年，用于多個行業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備預(yù)計將占到全球所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的50%(147億)。

  除了上述的帶寬增長的驅(qū)動力，其他應(yīng)用，如游戲、遠程醫(yī)療和自動駕駛汽車，以及用于混合云連接到集中云網(wǎng)絡(luò)的高容量企業(yè)服務(wù)，預(yù)計也將推動服務(wù)提供商邊緣和接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求上升。

  為支持聚合住宅客戶流量和企業(yè)業(yè)務(wù)服務(wù)而部署的有線和無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，正在推高帶寬容量，超過了基于傳統(tǒng)光傳輸技術(shù)的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的能力。例如，預(yù)計5G無線連接產(chǎn)生的流量將是4G連接的3倍左右。所有這些帶寬增長的驅(qū)動力都給傳統(tǒng)的光通訊服務(wù)提供商的邊緣和接入基礎(chǔ)設(shè)施帶來了挑戰(zhàn)，以支持這些流量。

  相干光技術(shù)面對廣泛的接入挑戰(zhàn)

  接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一個共同主題是，網(wǎng)絡(luò)運營商希望在確保有足夠的網(wǎng)絡(luò)容量方面保持領(lǐng)先優(yōu)勢，來滿足不斷增長的帶寬需求。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，許多接入架構(gòu)需要進行擴容，它們可能至少包括以下一種鏈路設(shè)計，每一種都有其自身的挑戰(zhàn)。

  · 專用的點對點(P2P)光纖鏈路

  · 更高容量的密集波分復(fù)用(DWDM)鏈路

  · 需要單纖雙向(BiDi)P2P或DWDM鏈路的光纖受限路線

圖1. 服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)邊緣/接入部分的不同連接解決方案的例子。

  本文研究了在這些不同類型的接入網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中增加帶寬的不同挑戰(zhàn)，并討論了相干光技術(shù)如何提供一個可擴展的解決方案來解決高帶寬需求，以及在將帶寬增加到100Gbps及以上時，這些網(wǎng)絡(luò)的運營和可擴展性優(yōu)勢。

  專用的點對點光纖鏈路

  不需要光放大或DWDM就能到達服務(wù)提供商邊緣/接入終端設(shè)備的光纖部署，依賴于經(jīng)濟優(yōu)化的專用P2P光纖鏈路，在城域核心和邊緣/接入?yún)R聚終端設(shè)備或企業(yè)站點之間使用一對光纖。在此，我們使用專用P2P光纖這一術(shù)語來表示用于單一應(yīng)用或客戶服務(wù)的光纖鏈路的端點之間的數(shù)據(jù)路徑。如本文后面所述，在一些光通訊實施方案中，光鏈路可以利用多個間隔較遠的波長，構(gòu)成專用P2P光纖鏈路的單一數(shù)據(jù)路徑。

圖2. 典型的專用點對點光纖鏈路。

  隨著這些類型的網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求增加，遇到了一些限制，因為傳統(tǒng)的光傳輸技術(shù)在擴展到100Gbps及以上時有距離限制。對于服務(wù)提供商的邊緣和接入網(wǎng)絡(luò)，有一個新的要求，把直接從傳統(tǒng)的10Gbps發(fā)展到100Gbps的光鏈接，作為增加帶寬的首選手段。一個有吸引力的解決方案是能夠在不需要改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的情況下提供10倍的帶寬容量，從而最大限度地降低總擁有成本。

  更高的數(shù)據(jù)速率在沖擊傳統(tǒng)的專用P2P光纖解決方案的極限

  在單模光纖上的可插拔式光收發(fā)模塊解決方案中使用的傳統(tǒng)直接探測光傳輸技術(shù)，在通過服務(wù)提供商的邊緣/接入網(wǎng)絡(luò)以10Gbps的速度提供可靠的專用P2P光纖方面，為業(yè)界提供了良好的服務(wù)。然而，超過10Gbps后，使用的便利性變得更具挑戰(zhàn)性。使用直接探測技術(shù)將專用P2P光纖鏈路的帶寬從10Gbps提高到100Gbps，有賴于在100Gbps的子倍數(shù)的多個光通道上進行傳輸(參見100Gbps邊緣/接入的直接探測和相干性比較)，如25Gbps的四個通道。使用相同的技術(shù)來解決超過10公里的邊緣/接入是具有挑戰(zhàn)性的。為了盡量減少光纖色散造成的損害，這四個波長需要保持在1310納米范圍內(nèi)。在這個波長范圍內(nèi)擴展到更遠的距離將需要額外的功率余量來克服光纖損耗。例如，與10公里相比，擴展到80公里的長距離不僅需要額外的28dB*功率余量，而且還會有來自光傳輸損傷的額外損失，如色散和偏振模色散(PMD)。

  邊緣/接入的獨特要求

  除了可插拔式直接檢測解決方案在擴展到更高帶寬和覆蓋范圍方面的技術(shù)限制外，服務(wù)提供商邊緣/接入網(wǎng)絡(luò)的情況也提供了其自身的獨特挑戰(zhàn)。多年來，在網(wǎng)絡(luò)的各個部分部署了具有一系列損耗和色散特性的不同類型的光纖，以優(yōu)化不同年代傳輸技術(shù)的傳輸。這一系列的光纖類型包括ITU-T G.652A/B/C/D、G.653、G.654、G.655、G.656和G.657。因為安裝光纖需要大量的資本投資，所以每當(dāng)有新的技術(shù)進步時，就把光纖扯掉是沒有意義的。相反，可能需要對終端設(shè)備的光收發(fā)機/應(yīng)答器進行調(diào)整，以便在傳統(tǒng)的非優(yōu)化光纖上運行。

  如圖3所示，在邊緣/接入網(wǎng)的光纖線路上有多個隔板光纖連接器和熔接點是很常見的。這些的累積效應(yīng)是損耗和反向反射的累積(因不干凈的連接器而加劇)，這對直接探測鏈路的光傳輸性能是有害的。

*假設(shè)衰減量為0.4分貝/公里。

圖3. 接入鏈路中的額外余量將為部署提供操作上的靈活性，從增加可尋址到達的數(shù)量到可能避免需要卡車滾動

來 "拍攝光纖"(OTDR測量)的需要，特別是對于使用直接探測傳輸被認(rèn)為是邊緣的路線。

  為了說明取決于光纖工廠條件(光纖類型、連接器反射和損耗)的眾多潛在損傷，在認(rèn)證一條鏈路為可操作鏈路之前，可能需要卡車卷 (truck rolls) 對每條光纖線路(色散、PMD、光纖損耗和反射)進行表征，以確保在鏈路余量不確定的情況下可以關(guān)閉一條光路。

  除了光纖類型和連接器/接頭引起的損傷外，還必須考慮服務(wù)提供商邊緣/接入網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境條件。邊緣/接入設(shè)備終端可能位于不受控制的室外機柜中，要求光模塊承受的溫度范圍會超過通常在室內(nèi)溫控環(huán)境中的溫度。要管理多激光器直接探測解決方案的性能以滿足整體傳輸要求，包括較長距離的鏈接，可能會使戶外溫度適應(yīng)性成為一個挑戰(zhàn)。

  DWDM接入?yún)R聚鏈路

  多條專用P2P光纖鏈路匯聚到一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(如圖1所示)是很常見的，如服務(wù)提供者邊緣或接入?yún)R聚站點，流量被組合成較大的多傳輸帶寬管道，通過DWDM鏈路傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的核心。這些DWDM鏈路可以是放大的或未放大的(圖4)。

  圖4. 典型的DWDM鏈路，可能被放大或不被放大。

  這些鏈路比專用的P2P光纖鏈路更復(fù)雜，因為它們需要額外的光復(fù)用/解復(fù)用組件，還可能包括光放大器，以便在不沿光纖路徑進行電氣再生的情況下延長鏈路。

  每個單獨的DWDM波長都經(jīng)歷著與單波長專用P2P光纖鏈路類似的損傷。利用可調(diào)諧激光器的功能，一個普通的模塊可以用來覆蓋多個DWDM通道，從而降低了部署和節(jié)約成本。

  單纖雙向(BiDi)鏈路

  獲得路權(quán)和挖掘街道以安裝光纜是部署服務(wù)提供商邊緣和接入光基礎(chǔ)設(shè)施以解決帶寬需求持續(xù)增長的主要障礙。這種困境導(dǎo)致了城市、郊區(qū)、農(nóng)村和大都市等各種環(huán)境中的光纖受限情況。之前討論過的服務(wù)提供商邊緣和接入網(wǎng)絡(luò)中的專用P2P和DWDM鏈路通常都采用單模雙工光纖，從站點A到Z的數(shù)據(jù)傳輸在一根光纖上進行，而從站點Z到A的數(shù)據(jù)傳輸則不同(圖2和4)。

  服務(wù)提供商依靠單股光纜在該基礎(chǔ)設(shè)施上提供服務(wù)的情況并不罕見，特別是當(dāng)服務(wù)提供商與其他公司共享一個電纜束或管道空間時。在這些單光纖線路中，光傳輸是在同一根光纖上雙向傳輸和接收的，而不是在更典型的雙工光纖線路中的不同光纖。一個復(fù)雜的挑戰(zhàn)是如何在單纖BiDi線路上對傳統(tǒng)的帶寬/距離有限的光直接檢測技術(shù)進行升級，因為前面討論的光纖損傷也會影響B(tài)iDi線路。

  與其挖掘街道，不如在服務(wù)提供商的邊緣/接入單光纖線路上增加帶寬的另一種方法是，升級在終端設(shè)備端點使用的BiDi傳輸技術(shù)。

  圖5a和5b說明了單光纖鏈路和DWDM鏈路的BiDi部署的例子。圖5a說明了一個可用的單光纖路徑的例子，其中A到Z的傳輸和Z到A的傳輸在不同的波長上沿著同一光纖路線雙向行駛。圖5b說明了一個類似的A到Z的情況，只是使用了DWDM傳輸。

(a)

(b)

  圖5. 服務(wù)提供商邊緣/接入網(wǎng)絡(luò)中的光傳輸(a)單光纖BiDi鏈路和(b)DWDM單光纖BiDi鏈路-- 在這兩種情況下，每個數(shù)據(jù)傳輸流的發(fā)射波長與接收波長不同。

  如圖5所示，用于單纖BiDi部署的光收發(fā)模塊必須具有在獨立波長上發(fā)射和接收的能力，這一能力取決于模塊的設(shè)計。

  相干光通訊技術(shù)解決了服務(wù)提供商邊緣和接入方面的挑戰(zhàn)

  光相干技術(shù)從早期的需要整條線路的電子和光學(xué)設(shè)備到現(xiàn)在已經(jīng)有了長足的進步。今天，這種技術(shù)可以裝在一個小型的、緊湊的可插拔模塊中，通過硅光電子學(xué)、光電子集成和低功耗的CMOS工藝節(jié)點的進步，這種技術(shù)已經(jīng)成為可能。這些持續(xù)的創(chuàng)新使相干光通訊解決方案能夠進入更短的應(yīng)用范圍(圖6)，如服務(wù)提供商的邊緣和接入網(wǎng)絡(luò)。

圖6. 相干光通訊解決方案正朝著更短的范圍發(fā)展。

  與用于服務(wù)提供商邊緣和接入鏈路的帶寬/距離有限的直接檢測解決方案不同，相干光通訊技術(shù)可以在任何部署的光纖類型上輕松地縮小與更高帶寬和更遠距離的差距。相干光通訊技術(shù)還提供了一個操作簡單的解決方案，這在推動其在更遠距離環(huán)境中的采用方面發(fā)揮了重要作用。讓我們更詳細地探討這些優(yōu)勢中的一些。

圖7. 100Gbps QPSK調(diào)制的無錯誤相干光傳輸實例，可容忍多種損傷(僅顯示一個傳輸方向)。

  相干光傳輸能夠容忍各種服務(wù)提供商的邊緣/接入線路損傷

  相干光通訊解決方案有能力以電子方式克服色度和PMD傳輸損傷，這使得傳輸能夠以即插即用的方式適應(yīng)不同的邊緣/接入光纖類型和條件。它還能容忍來自多個光纖連接器/接頭接口的損耗和反向反射的不利影響。

  與強度調(diào)制的直接探測傳輸不同，在光纖線路上遇到的反射會在傳輸鏈路中產(chǎn)生噪聲，而相干光調(diào)制格式，如QPSK，對光學(xué)反射的容忍度要高得多。由于單激光相干發(fā)射器在單模光纖中最低損耗的1550納米窗口中工作，而相干光接收器由于其相干檢測技術(shù)而具有極高的靈敏度，相干光可插拔模塊具有充足的功率預(yù)算。這使它們不僅能夠補償由于多個光纖連接器/接頭造成的損失，還能解決長傳輸鏈路。

  圖8說明了色散的影響和光纖路線上的損耗如何導(dǎo)致100Gbps直接檢測解決方案的覆蓋范圍受到限制。相比之下，相干光解決方案對損傷有更高的容忍度，以額外的余量和更長的到達能力的形式提供更好的性能。

圖8. 直接探測解決方案在一定距離上達到了一個極限，而相干光解決方案將在這個極限之外繼續(xù)運行。

  相干光通訊技術(shù)的其他一些主要好處包括以下幾點。

  監(jiān)測、診斷和故障排除。 可插拔式相干光收發(fā)器內(nèi)置了監(jiān)測和診斷功能，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。如前所述，與同等的直接探測鏈路相比，相干光的100Gbps解決方案具有非常寬的接收器動態(tài)范圍，這使得相干光鏈路能夠容納光環(huán)回，以進行故障診斷。相比之下，一些直接檢測解決方案在接收器處包括內(nèi)部光放大器，以關(guān)閉較長的鏈接，導(dǎo)致直接光環(huán)回故障排除由于接收器過載而無法實現(xiàn)。

  可靠性。 在專用P2P光纖鏈路的情況下，可插拔的直接檢測100Gbps解決方案依賴于將單次傳輸流量分割到四個發(fā)射器激光器上，這可能需要在其發(fā)射器光功率范圍的高端運行，特別是對于邊緣/接入網(wǎng)的長距離鏈路。對于這些鏈路，可能還需要在接收端進行有源光放大，以關(guān)閉該鏈路。因此，在確定這些類型的模塊的可靠性時，必須考慮到總共八個有源元件。相比之下，用于雙工操作的可插拔式相干光100Gbps解決方案只利用了一個有源光學(xué)元件，即傳輸激光器，這使得它比直接檢測解決方案更可靠。所有這些優(yōu)點導(dǎo)致了操作的簡單性和更短的配置時間，這可以為服務(wù)提供商的邊緣/接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)省操作費用。

  擴展到更高的數(shù)據(jù)率

  可插拔式相干光解決方案可在相同或更遠的距離上實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。與今天的接入數(shù)據(jù)速率相比，更高速率的相干光選項已經(jīng)可以在小尺寸的可插拔模塊中使用，為滿足服務(wù)提供商邊緣/接入帶寬增長的需求提供了現(xiàn)成的途徑。超過100Gbps的相干光傳輸解決方案已經(jīng)相當(dāng)成熟，因此，相干光通訊技術(shù)在近期內(nèi)對服務(wù)提供商的邊緣和接入擴展到更高帶寬沒有根本性的障礙。

  Acacia的解決方案

  Acacia的服務(wù)提供商邊緣和接入相干光可插拔解決方案，是為服務(wù)提供商的邊緣和接入應(yīng)用而設(shè)計的，有一系列的模塊來解決不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如單次傳輸?shù)腜2P鏈路、DWDM鏈路和單光纖BiDi鏈路。Acacia的100Gbps相干光插件，這種已近廣泛用于客戶端光學(xué)解決方案的四個小尺寸雙密度(QSFP-DD)的插件，是專門為服務(wù)提供商邊緣和接入應(yīng)用中的優(yōu)化而設(shè)計的，包括80公里及以上的非放大鏈路，以及放大或未放大的DWDM鏈路。它們旨在為網(wǎng)絡(luò)運營商提供擴展到更高數(shù)據(jù)速率的能力，以滿足在一些最具挑戰(zhàn)性的光鏈路上不斷增長的帶寬需求，同時還提供操作的簡便性，可能導(dǎo)致整體網(wǎng)絡(luò)的節(jié)約。

圖9. 在硅片中的集成為相干光收發(fā)器提供了一條路徑， 可以為服務(wù)提供商邊緣/接入網(wǎng)提供緊湊的可插拔QSFP-DD和CFP2模塊。

  Acacia的相干光BiDi CFP2模塊為網(wǎng)絡(luò)運營商提供了一種高效和經(jīng)濟的方式，可以將單光纖以及不同的發(fā)送/接收網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的容量提高到100Gbps甚至更高。關(guān)于相干光BiDi解決方案與雙工光纖P2P或DWDM解決方案的區(qū)別的更多細節(jié)，請參閱相干光BiDi的設(shè)計優(yōu)化插頁，會詳細解釋如何在相干光收發(fā)器中實現(xiàn)這一功能。

  對于單光纖BiDi傳輸，需要一個分光器/合光器(對于BiDi點對點)或一個波長多路復(fù)用器/解復(fù)用器(對于BiDi DWDM)，以便從雙端口配置轉(zhuǎn)換為單端口連接器配置。該模塊同時支持以太網(wǎng)和OTN標(biāo)準(zhǔn)化客戶協(xié)議。

  Acacia的100Gbps P2P和DWDM QSFP-DD模塊以及相干光BiDi CFP2模塊都具有Acacia的3D硅集成化技術(shù)，它利用大批量的制造工藝，并受益于Acacia的硅光電子技術(shù)的成熟。圖10說明了光/電元件整合的進展是如何讓相干光模塊尺寸縮小的。利用硅光電子技術(shù)替代離散的笨重光學(xué)元件，并將其功能整合到基于CMOS的硅芯片中，這是減少模塊尺寸的一個關(guān)鍵因素。

  三維硅集成將遵循電子世界的例子，將三維堆疊等集成技術(shù)應(yīng)用于電子和硅基光電子集成電路(PIC)共封裝。這種方法使關(guān)鍵部件集成到一個緊湊的封裝中成為可能，并減少了電氣互連的數(shù)量，同時保持了強大的信號完整性。涉及硅基光電子的集成，是在已經(jīng)批量生產(chǎn)和高量率的半導(dǎo)體制造工藝中進行的。

圖10. 相干光模塊的尺寸隨時間的變化。

  結(jié)論

  5G、游戲、遠程醫(yī)療、自動駕駛汽車和云計算等應(yīng)用正在推動網(wǎng)絡(luò)邊緣的網(wǎng)絡(luò)流量增加，這給傳統(tǒng)服務(wù)提供商的邊緣和接入網(wǎng)絡(luò)帶來巨大壓力。提供這些新服務(wù)和應(yīng)用所需的帶寬量，預(yù)計將高于傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施在傳統(tǒng)光傳輸技術(shù)基礎(chǔ)上所能支持的水平。這促使服務(wù)提供商不僅要尋找提供100Gbps光鏈路的方法，這也對傳統(tǒng)的直接探測解決方案構(gòu)成了挑戰(zhàn)，而且還要確保這些新的解決方案能夠在現(xiàn)有的專用P2P光纖、DWDM和BiDi基礎(chǔ)設(shè)施上得到支持。

  基于最近在硅基光電子學(xué)、光電子集成和低功耗的CMOS工藝節(jié)點等方面的進展，相干光技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的有效途徑。這些進展使Acacia能夠開發(fā)并向市場推出一整套邊緣和接入的相干光可插拔模塊，旨在解決不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如專用P2P光纖鏈路、DWDM鏈路和單光纖BiDi鏈路。利用這些解決方案，可以使網(wǎng)絡(luò)運營商在未來擴展到更高的數(shù)據(jù)速率時，以一種經(jīng)濟有效和操作簡單的方式克服他們目前面臨的許多挑戰(zhàn)。

  參考文獻:

  1 Cisco網(wǎng)站：https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/executive-perspectives/annual-internet-report/white-paper-c11-741490.html。

  2 CableLabs網(wǎng)站：https://www.cablelabs.com/gigabit-internet-speed

  逍遙科技 | 編譯自 ACACIA Communications.Inc