OpenZR+ 400G數字相干光模塊——為多種長距離傳輸應用而生

  前言

  為了在控制好資本支出和運營成本的前提下同時支撐不斷增長的數據流量，網絡運營商面臨著持續的挑戰，光網絡器件也在不斷迭代，而這些迭代是以技術的進步為前提的。在光網絡中，這些進步有時以新技術的形式出現，例如密集波分復用(DWDM)或相干檢測。在其他情況下，這些進步是逐步的，從摩爾定律、集成光子學，到更高帶寬的組件技術。有時，技術的進步使得網絡運營商得以改進網絡的整體架構，這樣帶來的總收益比逐個提升網絡組件的方式要大。

  在過去的十年中，基于數字相干檢測的光傳輸技術通過提高傳輸容量而顯著提高了每比特成本。為了獲得更高的容量，供應商增加了組件的帶寬、利用高階調制，并改進了算法，例如前向糾錯(FEC)。同時，CMOS工藝和集成光子技術的進步使得更小的可插拔封裝和更低的功耗成為可能。

  隨著相干接口從笨重的分離式解決方案演進到可插拔方案，相比數據中心使用的客戶端光模塊，傳輸網絡中使用的光模塊通常存在密度不夠的問題。運營商試圖通過用更大的封裝尺寸來提供更高的數據速率以克服這一問題，但這種方式仍然需要定制用于光傳輸應用的硬件。長期以來，網絡運營商一直希望傳輸光模塊具有與客戶端光模塊相同的速率和封裝，就像10G網絡可以使用SFP+封裝實現一樣。

  傳輸光模塊采用與客戶端相同的封裝對網絡運營商來說是有益的，因為這樣可以部署更簡單的網絡架構來降低成本。結合近來開放線路系統的行業趨勢，這些傳輸光模塊可以直接插入路由器使用而無需外部傳輸系統。這樣可以簡化控制平臺，同時降低成本、功耗和占地面積。

  隨著一些超大規模網絡運營商開始規劃400G架構，他們發現了一個可以解決120km以內的數據中心互連(DCI)的機會。在這樣的背景下，光互聯網絡論壇(OIF)于2016年啟動了一個項目，旨在標準化可互操作的相干光器件接口，其功率預算可以支持QSFP-DD和OSFP之類的封裝，以期用于部署400G客戶端光模塊。OIF建議的這些封裝聚焦于可以犧牲性能的特定應用，因為其需要滿足15W模塊功率目標。

  OIF證明了相干的互操作標準是可能的，并且其提出的400ZR解決方案在業界得到了推動。同時，系統運營商證明，這些高密度封裝的熱性能還有提升的空間，允許DSP和模塊運營商讓采用這些封裝的光模塊支持附加功能和提供更高的性能。在OIF成功的基礎上，其他標準組織(例如Open ROADM)為包括附加功能和更高的性能的數據中心互連以外的應用定義了標準。Open ROADM專為需要支持其他協議來增加開銷位的比率的基于OTN的網絡而設計。

  針對基于以太網的光傳輸網絡，OpenZR+可以提供增強的功能和性能，同時降低了復雜性、功耗和實施成本。在OIF和Open ROADM的基礎上，OpenZR+讓網絡運營商在不犧牲模塊之間互操作性的情況下獲得這些好處。本文將討論一些可以從OpenZR+受益的特定案例。

  oFEC是符合OpenZR+ MSA的數字相干光學的關鍵技術。oFEC引擎是基于塊的編碼器和反復的軟決策(SD)解碼器。經過3次SD迭代，凈編碼增益在BER 1E-15(DP-QPSK)情況下為11.1dB，在BER 1E-15(DP-16QAM)情況下為11.6dB，pre-FEC BER閾值為2E-2。編碼器和解碼器的總延遲小于3μs。更高的增益FEC允許OpenZR+模塊實現更大的傳輸距離并克服鏈路障礙，例如狹窄的濾波或分散效應，而低延遲則在各種接入網和數據中心應用中都是有益的。

  相對于400ZR，400G OpenZR+ MSA規范的主要優點是：

  4×100GE多路復用模式

  長距離傳輸性能模式

  擴展了暗光纖應用的傳輸距離

  4x100GE多路復用

  在所有路由器尚未遷移到400GE的運營商網絡中，在OpenZR+光模塊中部署4x100GE多路復用非常有價值。這種4x100GE模式可以讓支持400GE功能的路由器和具有100GE功能的路由器互通。采用這種布局的例子如下所示。承載400G OpenZR+光模塊的4x100GE多路復用器可以將路由器上的400G OpenZR+接口分支連接到遠端路由器上的4個100GE QSFP28端口。

  適用于400G OpenZR+的4×100GE用例

  應用于長距離傳輸的OpenZR+

  隨著相干技術的發展使得400G DWDM可以通過QSFP-DD光模塊的封裝實現，我們需要提出如下關鍵問題：

  我們需要哪種類型的線路系統?

  我們真的可以將400G OpenZR+應用于長距離傳輸嗎?

  對于各種OpenZR+模式，我們可以獲得哪些類型的傳輸距離?

  OpenZR+的線路系統

  為了理解線路系統設計的含義，我們應該搞清楚我們部署的相干OpenZR+發射器和接收器有哪些要求。

  影響終端站點分插復用器的OpenZR+的關鍵發射器規格如下：

  400G OpenZR+模式的發射功率為-10dBm。這樣較低的發射功率需要在分插復用器的“插”路徑上添加放大器。

  波特率為60GBd/s。為實現該條件，分插復用器和終端必須支持至少75GHz的帶寬。在大多數基于耦合器或基于無熱陣列波導光柵(AAWG)的分插復用器和波長選擇開關(WSS)模塊中。

  帶外的光信噪比(OSNR)為23dB。低帶外OSNR的環境下難以使用耦合器，所以首選濾波片式的分插復用器。

  針對OpenZR+的影響終端站點分插復用器的關鍵的接收器規格如下：

  接收器噪聲限制的功率靈敏度為-12dBm。要實現該條件，在多路分插復用器的“分”的部分可能需要一個放大器。

  下圖總結了400G OpenZR+的典型線路系統布局。

  OpenZR+的分插和終端布局

  在長距離傳輸應用中，大多數線路系統都使用可重新配置的光分插復用器(Flex-grid ROADM)以Nx6.25GHz的增量實現信道規劃的靈活性，并采用EDFA和反向傳播拉曼放大器的混合配置來最大化鏈路的OSNR。

  為了在這樣的基礎架構上啟用400G OpenZR+，我們需要使用適當的分插結構。以下是存在的一些分插選項：

  插入損耗小于6dB的32通道150GHz間隔的AAWG

  插入損耗小于6dB的48通道100GHz間距的AAWG(發射和接收方向上配置EDFA)

  插入損耗小于6dB的64通道75GHz間距的AAWG(發射和接收方向上配置EDFA)

  插入損耗為10dB至12dB的6至10通道耦合器

  操作員需要做的是使用Mux或AAWG配置好終端，并使其OSNR大于32dB。

  長距離傳輸性能模擬

  在本節中，我們將回顧幾種不同樣本的線路系統的性能。

  常見的假設是80km的G652 SMF28區間和GN模型，以考慮線性和非線性光信噪比促成的作用。在此設計中考慮了商用9端口或20端口Flex-grid WSS，可變增益EDFA和1W的反向傳播拉曼放大器。放大器還嵌入了中級DGE，以管理拉曼放大器帶來的增益紋波。

  EDFA放大器在5.5dB的噪聲系數下工作，采用EDFA和拉曼放大器的鏈路的綜合噪聲系數為0.6dB。

  OpenZR+ MSA規范中描述了光模塊接收器的性能指標，其中需要考慮的關鍵方面如下：

  (1)背靠背終止OSNR容限——400G@24dB，300G@21dB，200G@16dB和100G@12.5dB;

  (2)OSNR損耗為0.5dB時的最大色散補償——400G為20,000ps/nm，300G為40,000ps/nm，200G為50,000ps/nm，100G為100,000ps/nm;

  (3)OSNR損耗為0.5dB時的最大偏振模色散(PMD)——400G為20 ps，300G和200G為25ps，100G為30ps;

  (4)OSNR損耗為1.3dB時最大的偏振相關損耗(PDL)為3.5dB;

  (5)100GHz信道間隔的濾波損耗和串擾損耗可忽略不計。

  僅采用EDFA放大器時，可以提高的OSNR損耗預算為1.5dB;同時采用EDFA和拉曼放大器時，可以提高的OSNR損耗預算為2dB。

  示例1：僅部署EDFA放大器的480km單模光纖網絡

  讓我們以采用康寧G.652 SMF28光纖和EDFA放大器實現包含0.22dB/km的6個80km跨度的總跨度在480km以上的光纖鏈路為例。所使用的分插結構是48通道100GHz AAWG濾波器。

  僅部署EDFA放大器的6x80km G.652 SMF28光纖鏈路

  通過發射端帶內OSNR、分插串擾、分插EDFA ASE噪聲、終端WSS濾波和功率型EDFA噪聲提供至少32dB的OSNR。

  整個鏈路的OSNR計算方式如下：

  注意：

  NF=放大器的噪聲系數(以dB為單位)

  引腳=放大器的輸入功率(單位為dBm)=放大器的發射功率(單位為dBm)–跨度損耗(單位為dB)

  eta=信道功率為1mW參考值時的非線性OSNR(單位為dB)。當OSNR以光功率的平方(使用dB單位時為2倍)縮放時，eta的每一個不同功率都會產生非線性噪聲。eta是根據光纖參數、波特率和使用的信道間隔來計算的。

  在最壞情況下(老化、溫度、頻率、大樣本量、接收功率為-12dBm)24dB的背靠背OSNR容限和1.5dB的傳輸損耗時，留有0.44dB的余量。

  示例2：部署EDFA和拉曼混合放大器的1040km單模光纖網絡

  讓我們以采用康寧G.652 SMF28光纖和EDFA放大器實現包含0.22dB/km的13個80km跨度的總跨度在1040km以上的光纖鏈路為例。所使用的分插結構是48通道100GHz AAWG濾波器。

  部署EDFA和拉曼放大器的13x80km G.652 SMF28光纖鏈路

  通過發射端帶內OSNR、分插串擾、分插EDFA ASE噪聲、終端WSS濾波和功率型EDFA噪聲提供至少32dB的OSNR。

  整個鏈路的OSNR計算方式如下：

  在最壞情況下(老化、溫度、頻率、大樣本量、接收功率為-12dBm)24dB的背靠背OSNR容限和2dB的傳輸損耗時，留有0.04dB的余量。

  小結

  下面總結了各種OpenZR+模式在SMF28光纖上的性能結果。

  結論

  OpenZR+ MSA提供了一個可以插入一系列路由、交換機或光傳輸主機平臺中的數字相干光模塊。通過400G、300G、200G和100G模式，也可以解決長距離傳輸應用。4x100GE多路復用模式允許通過DWDM鏈路連接支持400GE和100GE的設備。