تتطلب أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة تكنولوجيا متقدمة

 

تقوم أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة بتشفير البيانات باستخدام تعديل السعة والطور والاستقطاب، الأمر الذي يتطلب معالجات إشارات رقمية متطورة وتكاملًا ضوئيًا. تحقق هذه الأجهزة معدلات بيانات تتراوح من 100G إلى 1.6T مع الحفاظ على سلامة الإشارة عبر مئات الكيلومترات.

تجمع هذه التقنية بين ثلاثة ابتكارات أساسية: شرائح DSP المتخصصة المبنية على عقد معالجة 7 نانومتر والتي تستهلك حوالي 50% من طاقة جهاز الإرسال والاستقبال، وأنظمة التعديل المتقدمة مثل 16-QAM و64-QAM التي تشفر وحدات بت متعددة لكل رمز، ومنصات الضوئيات السيليكونية التي تدمج المكونات البصرية على نطاق متوافق مع CMOS.

 

 

لماذا تحدد معالجة الإشارات الرقمية الأداء المتماسك

 

تعمل شريحة DSP باعتبارها النواة الإلكترونية لأنظمة النقل المتماسكة. في هندسة المعالجة 7 نانومتر، تتعامل هذه المعالجات مع التحويل التناظري-إلى-الرقمي، وتعويض التشتت اللوني الذي يتجاوز 50000 ps/nm، وتخفيف التشتت في وضع الاستقطاب، وتصحيح الأخطاء للأمام-كل ذلك مع الحفاظ على تبديد الطاقة أقل من 10 وات لعوامل الشكل القابلة للتوصيل.

تطبق معالجات الإشارة الرقمية الحديثة تشكيل الكوكبة الاحتمالية، وهي تقنية تعمل على تحسين توزيع الطاقة عبر رموز التعديل. بدلاً من استخدام جميع النقاط الـ 16 في مجموعة -QAM الـ 16 بالتساوي، تفضل PCS نقاط الكوكبة الداخلية منخفضة الطاقة بشكل متكرر. يعمل هذا الأسلوب على توسيع نطاق الإرسال بنسبة 20-30% دون زيادة معدل الرمز أو الحاجة إلى تضخيم إضافي.

تشرح الكثافة الحسابية سبب دفع تقدم DSP إلى التطور المتماسك. أدى الانتقال من عقد المعالجة ذات دقة تصنيع 16 نانومتر إلى 7 نانومتر إلى تقليل استهلاك الطاقة بنسبة تزيد عن 75% مع تمكين معدلات باود أعلى. حققت شركات مثل Marvell ذلك من خلال بنية Canopus الخاصة بها، وأخذ العينات في أواخر عام 2019 وتمكين أول وحدات تجارية 400G ZR. تدعم الشريحة التشغيل بمعدلات متعددة-بسرعات 100 جيجا، و200 جيجا، و300 جيجا، و400 جيجا، مع أوضاع يمكن تحديدها بواسطة البرنامج-لمتطلبات الوصول المختلفة.

إن بنية المعالجة مهمة بقدر أهمية حجم العقدة. يحتوي DSP على كتل مميزة: دوائر إلغاء التسلسل - التسلسلية التي تحول البيانات المتوازية إلى أربع قنوات متماسكة، ووحدة معالجة الإشارات الفعلية التي تقوم بتشفير المعلومات وفك تشفيرها إلى خصائص ضوئية، ومحركات الإطارات لبروتوكولات Ethernet وOTN، والمعادلات التكيفية التي تعوض ضعف الألياف في الوقت الفعلي-. تتطلب كل كتلة ملكية فكرية متخصصة، ولهذا السبب يحتفظ البائعون المتكاملون رأسيًا مثل Nokia وInfinera وCisco بقدرات تصميم DSP داخليًا.

وتظل كفاءة الطاقة هي العائق الحاسم. مع استهلاك معالجات الإشارة الرقمية لنصف إجمالي طاقة جهاز الإرسال والاستقبال تقريبًا، تصبح الإدارة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية في عوامل الشكل المضغوط مثل QSFP-DD وOSFP. تترك ميزانية الطاقة البالغة 15 وات لهذه الوحدات 5-7 وات فقط لتشغيل معالج الإشارة الرقمية (DSP) بعد حساب المكونات البصرية وبرامج التشغيل. دفع هذا القيد الصناعة نحو عقد معالجة 5 نانومتر لتطبيقات 800G، حيث يستهدف Marvell's Orion DSP طاقة أقل لكل بت.

 

تتيح مخططات التعديل المتقدمة الكفاءة الطيفية

 

تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة على الاستفادة من تعديل السعة التربيعية لتشفير كثافة المعلومات. في تنسيق 16-QAM، يمثل كل رمز أربع بتات من خلال مجموعات من حالات السعة والطور. يؤدي تنفيذ الاستقطاب المزدوج إلى مضاعفة هذه السعة بشكل فعال، حيث ينقل ثمانية بتات لكل رمز عبر أوضاع الاستقطاب المتعامد مفصولة بـ 90 درجة.

يتم تبديل ترتيب التعديل مباشرة بين معدل البيانات ومتطلبات نسبة الإشارة الضوئية -إلى-نسبة الضوضاء. ويتحمل تعديل QPSK، الذي يشفر بتتين لكل رمز، OSNR منخفضًا يصل إلى 12-14 ديسيبل ويتيح مسافات إرسال تتجاوز 4000 كيلومتر بمعدلات 100G. يؤدي الانتقال إلى 16-QAM إلى زيادة الإنتاجية أربع مرات إلى 400G ولكنه يتطلب OSNR أعلى من 22 ديسيبل، مما يحد من الوصول إلى ما يقرب من 1000-1500 كم اعتمادًا على جودة الألياف. الطلبات الأعلى مثل 64-QAM تدفع معدلات البيانات إلى 600G ضمن طول موجي واحد، لكن النطاق الفعال ينخفض ​​إلى أقل من 200 كم بسبب متطلبات OSNR التي تتجاوز 28 ديسيبل.

هذه العلاقة بين تعقيد التعديل والوصول تشكل استراتيجيات نشر الشبكة. تمتد الوصلات البينية لمراكز البيانات على مسافة 80-120 كم وتستخدم بشكل شائع 16-QAM لتطبيقات 400G بموجب معيار 400ZR. قد تختار شبكات المترو التي تمتد لمسافة 300-500 كيلومتر 8-QAM لتحقيق التوازن بين السعة والمسافة. عادةً ما تعود الكابلات البحرية طويلة المدى التي تعبر المحيطات إلى QPSK للحصول على أقصى قدر من المرونة، وقبول سعة أقل لكل طول موجي في مقابل امتدادات تمتد لآلاف الكيلومترات.

يعمل تعدد إرسال الاستقطاب على مضاعفة عرض النطاق الترددي الفعال من خلال معالجة الاستقطابات الأفقية والرأسية كقنوات بيانات مستقلة. يجب على DSP الخاص بالمستقبِل إزالة تعدد هذه الاستقطابات والتعويض عن تشتت وضع الاستقطاب الذي يسبب تأخيرات نشر مختلفة. يضيف هذا تعقيدًا حسابيًا ولكنه يظل ضروريًا لتحقيق معدلات البيانات التجارية-بدون الاستقطاب المزدوج، سيتطلب جهاز الإرسال والاستقبال 400 جيجا مضاعفة معدل الرموز أو الانتقال إلى أوامر تعديل عالية بشكل محظور.

تستكشف الأبحاث الحديثة التنسيقات ذات الترتيب الأعلى. حققت العروض التوضيحية لـ 256-QAM نقلًا صافيًا بمعدل 1 تيرابت في الثانية لمسافة تزيد عن 80 كيلومترًا باستخدام التشكيل الاحتمالي لإدارة ضوضاء الطور الصادرة عن أجهزة الليزر منخفضة التكلفة. على الرغم من أن هذه التنسيقات تظل تجريبية لنشر الإنتاج، إلا أنها تشير إلى مسارات التوسع المستقبلية مع تحسن قوة معالجة DSP ودقة المكونات البصرية.

 

تكامل الضوئيات السيليكون يقلل من الحجم والتكلفة

 

تتيح الضوئيات السيليكونية التكامل المتجانس للوظائف البصرية باستخدام عمليات تصنيع CMOS. تجمع مجموعة فرعية بصرية متماسكة نموذجية- بين أدوات التعديل، والكاشفات الضوئية، ومقسمات شعاع الاستقطاب، والخلاطات المتماسكة على شريحة سيليكون واحدة تبلغ مساحتها بضعة ملليمترات مربعة. كان هذا التكامل يتطلب في السابق تجميع مكونات منفصلة باستخدام محاذاة دقيقة للألياف-وهي عملية غير متوافقة مع التصنيع ذو الحجم الكبير-وعوامل الشكل القابلة للتوصيل.

وتستفيد هذه التكنولوجيا من قدرات مسبك أشباه الموصلات الناضجة. تعمل عملية PH18 الخاصة بشركة Tower Semiconductor، والتي تستخدمها شركة Coherent لمنتجات أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بها، على دمج أجهزة الكشف الضوئية والأدلة الموجية والمعدلات باستخدام السيليكون -على-رقائق العازل. تعمل هذه المسابك بالفعل على نطاق واسع للرقائق الإلكترونية، مما يتيح إنتاج كميات كبيرة من الضوئيات والتي قد تكون مستحيلة مع خطوط التصنيع الضوئية المتخصصة.

تمثل فجوة النطاق غير المباشرة للسيليكون قيدًا أساسيًا-لا يمكنها إصدار الضوء أو اكتشافه بكفاءة عند أطوال موجات الاتصال. تتضمن الحلول التكامل غير المتجانس مع مواد III-V مثل فوسفيد الإنديوم لمصادر الليزر وأجهزة الكشف الضوئي للجرمانيوم. تستخدم بعض التطبيقات اقتران الحافة - لفصل مجموعات الليزر عن PIC السيليكوني، بينما تتبع تطبيقات أخرى ربط الرقاقة المباشر بـ III-V على السيليكون. يقوم كل نهج بمقايضة كثافة التكامل مقابل تعقيد التصنيع والتكلفة.

تقود كفاءة التعديل الكثير من خارطة الطريق لتطوير ضوئيات السيليكون. توفر وحدات تعديل التشتت-البلازما القياسية المستندة إلى حقن الناقل أداءً مناسبًا للعديد من التطبيقات ولكنها تعاني من السرعة العالية-، والتشغيل منخفض الجهد-اللازم للجيل-التالي بمعدلات 800 جيجا و1.6 تي. أدى هذا القيد إلى إجراء تحقيقات حول مواد تأثير Pockels-. يوفر نيوبات الليثيوم- الرقيق المرتبط بركائز السيليكون جهدًا أقل للمحرك وعرض نطاق ترددي أعلى من السيليكون وحده، على الرغم من زيادة تعقيد العملية.

تصبح الحالة الاقتصادية مقنعة من حيث الحجم. تكلف مجموعات الأقنعة الضوئية الأولية ملايين الدولارات، وتمتد دورات التصميم من 12 إلى 18 شهرًا. ومع ذلك، تظل تكاليف معالجة الرقائق قابلة للمقارنة بالرقائق الإلكترونية بمجرد استهلاكها عبر عمليات إنتاج تتجاوز 100000 وحدة سنويًا. بالنسبة لأجهزة الإرسال والاستقبال في مراكز البيانات التي يتم شحنها بملايين الوحدات، توفر الضوئيات السيليكونية خفضًا في التكلفة بمقدار 2-3 مرات مقارنةً بأساليب التجميع المنفصلة.

يمثل استقرار درجة الحرارة ميزة أخرى. تُظهر مُعدِّلات السيليكون تحولات في الطول الموجي تبلغ حوالي 0.08 نانومتر لكل درجة مئوية، ويمكن التحكم فيها من خلال ضبط الطول الموجي في ليزر المذبذب المحلي. أدى هذا إلى إلغاء متطلبات المبردات الكهروحرارية في العديد من التصميمات، مما أدى إلى تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير. تحقق الآن أجهزة الإرسال والاستقبال المُصنفة لنطاقات درجات الحرارة الصناعية (-40 درجة إلى 85 درجة) هذه المواصفات باستخدام ضوئيات السيليكون دون التبريد النشط.

 

 

معدل الباود وتعقيد معالجة الرموز

 

يحدد معدل الرمز سرعة الساعة الأساسية لنظام النقل المتماسك. تعمل الوحدات المتماسكة الحالية 400 جيجا بسرعة 64 جيجا بود، مما يعني أن معالج الإشارة الرقمي يعالج 64 مليار رمز في الثانية. بالاقتران مع تشفير 16-QAM (4 بتات لكل رمز) والاستقطاب المزدوج (2x)، ينتج عن ذلك معدل بيانات إجمالي 400 جيجا بايت: 64 جيجا بايت × 4 بت × 2 استقطاب=512 سعة أولية جيجابت في الثانية، تم تخفيضها إلى 400 جيجابت في الثانية بعد تصحيح الخطأ الأمامي.

تؤدي زيادة معدل الباود إلى زيادة الإنتاجية بشكل مباشر ولكنها تواجه حدودًا مادية. عند 90 جيجا بايت، كما هو موضح من خلال بنية PSE-V من Nokia، يوفر نفس تنسيق 16-QAM سعة 600 جيجا بايت. ومع ذلك، تواجه التوصيلات الكهربائية بين معالج الإشارة الرقمية (DSP) والمكونات البصرية قيودًا على النطاق الترددي. تتدهور سلامة الإشارة حيث تؤدي أطوال التتبع وتحريضات أسلاك السندات إلى فقدان وتشتت عند هذه الترددات. أدى هذا إلى دفع الصناعة نحو أساليب التكامل ثلاثي الأبعاد حيث يتم تكديس DSP ومكبرات الصوت ومحرك السيليكون الضوئي عموديًا مع الحد الأدنى من مسافة التوصيل البيني.

العلاقة بين الواجهات الكهربائية والبصرية تخلق قيودًا على التصميم. يقدم جهاز الإرسال والاستقبال 400G-ZR واجهة كهربائية قياسية 400GbE للنظام المضيف -ثمانية ممرات 50G باستخدام إشارات PAM-4. داخليًا، يقوم معالج الإشارة الرقمي (DSP) بتحويل هذا إلى أربع قنوات ضوئية بقدرة 64-جيجابايت في اليوم. يتطلب عدم تطابق المعدل هذا وظيفة "علبة التروس"، التي يتم تنفيذها تقليديًا في البرامج الثابتة لـ DSP. يقدم التحويل زمن استجابة، عادةً 200-500 نانو ثانية، وهو مقبول لمعظم التطبيقات ولكنه يمثل مشكلة لأنظمة التداول ذات زمن الاستجابة المنخفض للغاية أو حلقات التحكم في الوقت الفعلي.

تتطلب معدلات الرموز الأعلى أيضًا جودة ألياف أفضل. عند 64 جيجا بايت في اليوم، تعرض الألياف ذات الوضع الفردي القياسي-تشتتًا لونيًا يمكن التحكم فيه بحوالي 17 ps/nm/km. تؤدي الزيادة إلى 90 جيجابايت في اليوم إلى زيادة التشتت الناتج عن توسيع الإشارة، مما يتطلب إما معادلة DSP أكثر قوة أو فترات إرسال أقصر. وهذا يخلق سقفًا عمليًا يبلغ حوالي 100 جيجا بايت في اليوم مع البنية التحتية الحالية للألياف، على الرغم من أن أنواع الألياف المحسنة ومزودي خدمات الإشارة الأكثر قوة قد يدفعون هذا الحد.

يضيف تصحيح الأخطاء الأمامي مقدارًا إضافيًا من الحمل يتدرج مع تعقيد الرمز. قد يؤدي اتخاذ القرار الصعب البسيط- FEC إلى إضافة 7% من النفقات العامة، في حين أن خوارزميات القرار الناعم- المتقدمة التي توفر مكاسب أكبر في الترميز تستهلك 20-25% من النفقات العامة. بالنسبة لنظام 64-Gbd، 16-QAM الذي يولد 512 جيجابت في الثانية الخام، فإن الحمل الزائد FEC بنسبة 20% ينتج عنه سعة صافية تبلغ 410 جيجابت في الثانية - قريبة من هدف 400 جيجا بايت. يجب على معالج الإشارة الرقمية معالجة هذا التصحيح في الوقت الفعلي بزمن انتقال أقل من 1 ميكروثانية، مما يضع متطلبات هائلة على بنية المعالجة.

 

تعويض التشتت اللوني والاستقطاب

 

تعمل الألياف الضوئية بطبيعتها على تشتيت أطوال موجية مختلفة بسرعات مختلفة، وهو تأثير يسمى التشتت اللوني ويقاس بالبيكو ثانية لكل نانومتر لكل كيلومتر. على مسافة أكثر من 100 كيلومتر من الألياف ذات الوضع الفردي القياسي-، تتراكم الإشارة التي يبلغ طولها 1550 نانومتر ما يقرب من 1700 ps/nm من التشتت. بدون تعويض، يؤدي انتشار النبض إلى تدمير سلامة الإشارة لمعدلات البيانات التي تزيد عن 10 جيجابت في الثانية.

عالجت أنظمة DWDM القديمة هذه المشكلة باستخدام وحدات تعويض التشتت-مكبات من الألياف الخاصة ذات خصائص التشتت السلبية. أضافت هذه الأجهزة السلبية فقدان الإدخال، وتطلبت هندسة دقيقة لكل امتداد رابط، واحتلت مساحة كبيرة على الحامل. ألغت DSPs المتماسكة هذا المطلب عن طريق حساب وظيفة نقل التشتت العكسي وتطبيق التصفية الرقمية على الإشارات المستقبلة. تقوم الخوارزمية ببساطة بعكس دوران الطور الذي ينقله التشتت اللوني عبر عرض نطاق الإشارة.

تعوض معالجات الإشارة الرقمية المتماسكة الحديثة التشتت اللوني الذي يتجاوز 100000 ps/nm، أي ما يعادل 600 كيلومتر من الألياف القياسية بهامش. تتضمن العملية الحسابية تصفية مجال التردد-، وهي فعالة حسابيًا من خلال خوارزميات تحويل فورييه السريعة. ومع ذلك، فإن طول المرشح ومعدل التحديث يستهلكان موارد DSP، ولهذا السبب كانت الأنظمة المتماسكة المبكرة تعمل بمعدلات باود أقل من الأجهزة الحالية. مع نمو قوة معالجة DSP مع تقدم قانون مور، توسع نطاق التعويض بينما انخفض استهلاك الطاقة.

ينشأ تشتت وضع الاستقطاب من انكسار ثنائي طفيف في الألياف-ينتقل وضع الاستقطاب الأفقي والرأسي بسرعات مجهرية مختلفة. يختلف PMD بشكل عشوائي على طول الألياف ويتغير مع درجة الحرارة والضغط، مما يجعل من المستحيل التعويض باستخدام المرشحات الثابتة. يبلغ حجم PMD عادةً 0.1-0.5 ps/√km، ويتراكم إلى 3-15 ps على مدى 1000 كيلومتر.

يعالج DSP PMD من خلال المعادلة التكيفية باستخدام خوارزمية المعامل الثابت أو الأساليب المماثلة. تقوم هذه الخوارزميات بتتبع دوران الاستقطاب وتأخير المجموعة التفاضلية في الوقت الفعلي-، وتحديث معاملات التعادل كل بضعة ميكروثانية لمتابعة التغيرات البيئية. تتطلب المعادلة ضرب المصفوفة لكل عينة، مما يستهلك حوالي 20% من قدرة معالجة DSP. تحدد أجهزة الإرسال والاستقبال الحد الأقصى المسموح به من PMD، عادةً 50 ps لوحدات 400G، مما يحد من النشر في مصانع الألياف القديمة جدًا أو المجهدة.

تمثل التأثيرات غير الخطية تحديًا ثالثًا. عند القدرات الضوئية العالية، يصبح مؤشر انكسار الألياف معتمدًا على الكثافة-، مما يتسبب في تعديل الطور الذاتي- وتعديل الطور المتقاطع- بين قنوات WDM. وتنمو هذه التأثيرات مع طول الألياف والطاقة الضوئية، مما يحد في النهاية من قوة الإطلاق التي يمكن استخدامها. في حين أن معالجات الإشارة الرقمية يمكنها تعويض العيوب الخطية مثل التشتت اللوني، فإن التعويض غير الخطي يتطلب خوارزميات أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ تتنبأ بتشوه الإشارة استنادًا إلى أشكال الموجات المرسلة. تطبق بعض التطبيقات المتقدمة تعويضًا مسبقًا على اللاخطية - على جهاز الإرسال، مما يؤدي إلى تشويه الإشارة المرسلة عمدًا بحيث تعيدها اللاخطية الليفية إلى الشكل الصحيح عند جهاز الاستقبال.

 

تطور عامل الشكل وقيود القوة

 

بدأت أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة كتطبيقات لبطاقات الخط-التي تستهلك مئات الواط عبر فتحات الهيكل المتعددة. حقق عامل الشكل CFP، الذي تم تقديمه في عام 2010 تقريبًا، طاقة تبلغ 100 واط تقريبًا في وحدة كبيرة قابلة للتوصيل. خفضت وحدات CFP2 هذا إلى 40-60 واط بحلول عام 2014، مما يتيح واجهات متماسكة ذات فتحة واحدة. يتطلب الاختراق في تنسيقات QSFP-DD (15W) وOSFP (20-25W) التغييرات الهيكلية الموضحة أعلاه: معالجات الإشارة الرقمية 7 نانومتر، وتكامل ضوئيات السيليكون، وتحسين الطاقة القوي.

ينقسم غلاف الطاقة QSFP- DD بقدرة 15 واط تقريبًا: 6-7 واط لـ DSP، و2-3 واط للمحرك الضوئي السيليكوني بما في ذلك المغيرات وأجهزة الاستقبال، و3-4 واط لمضخمات التشغيل ومضخمات المعاوقة العابرة، و1-2 واط لليزر القابل للضبط. تفرض هذه الميزانية الضيقة العديد من التنازلات في التصميم. تضيف ميزات مثل التشغيل ثنائي المعدل أو خوارزميات FEC المحسنة حمل معالجة قد لا يتناسب مع حدود الطاقة. تصبح الإدارة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية - حيث يتطلب تبديد 15 وات من وحدة صغيرة تصميمًا دقيقًا للمبدد الحراري وتدفق هواء النظام المضيف.

يتيح الحجم الأكبر لـ OSFP وميزانية الطاقة البالغة 20-25 واط تنفيذ عمليات تنفيذ أكثر قدرة. تعمل مواصفات OpenZR+ التي تستهدف شبكات المترو بتنسيق OSFP، مما يدعم طاقة الإخراج الأعلى من خلال التضخيم البصري المتكامل، وخوارزميات DSP الأكثر تطورًا، ونطاقات درجات الحرارة الممتدة. تعمل القدرة الإضافية 5-10 وات على تمكين ميزات مثل التشكيل الاحتمالي وكسب أعلى FEC الذي يعمل على تحسين الوصول من 120 كم إلى 500+ كم مقارنة بتطبيقات 400ZR الأساسية.

تمثل البصريات المجمعة-حدود التكامل التالية. بدلاً من الوحدات القابلة للتوصيل، يضع CPO القوالب الضوئية بجوار سيليكون التبديل مباشرةً، مما يؤدي إلى التخلص من أجهزة إلغاء التسلسل -الكهربائية واستهلاك الطاقة المرتبط بها. في بنيات CPO، قد يبدد المحرك البصري المتماسك 5 وات لسعة 400 جيجا، مقارنة بـ 15 وات في عامل الشكل القابل للتوصيل. يأتي تخفيض الطاقة 3x هذا من مسارات كهربائية أقصر وإزالة المراحل الزائدة من تكييف الإشارة. ومع ذلك، فإن CPO يضحي بإمكانية الاستبدال الميداني، مما يعقد التصنيع والخدمات اللوجستية.

تعمل هيئات المعايير على تحقيق التوازن بين قابلية التشغيل البيني والابتكار. تحدد اتفاقية تنفيذ OIF 400ZR مجموعة فرعية محددة من الإمكانات المتماسكة-معدل رمز يبلغ 64 جيجابايت في اليوم، وتعديل DP-16QAM، وخوارزمية FEC محددة تضمن إمكانية التشغيل البيني متعدد البائعين لتطبيقات الاتصال البيني لمركز البيانات. يقوم OpenZR+ بتوسيع هذا إلى مسافات المترو بمعلمات أكثر مرونة. تعمل التطبيقات الخاصة مثل WaveLogic من Ciena أو منصات ICE من Infinera على دفع الأداء إلى مستوى أعلى ولكنها تتطلب معدات مطابقة على طرفي الارتباط.

 

 

أداء-أداء طويل المدى وميزانيات الطاقة الضوئية

 

يعتمد مدى وصول الإرسال بشكل أساسي على ميزانية الطاقة الضوئية-الفرق بين الطاقة المنطلقة وحساسية جهاز الاستقبال. تحقق وحدة 400G-ZR عادةً طاقة إطلاق تبلغ 0 ديسيبل ميلي واط من خلال مضخمات بصرية متكاملة لأشباه الموصلات وتُظهر حساسية جهاز الاستقبال -20 ديسيبل ميلي واط، مما ينتج عنه ميزانية طاقة تبلغ 20 ديسيبل. وبعد حساب خسارة الموصل بمقدار 3-4 ديسيبل، وتوهين الألياف بمقدار 0.2 ديسيبل/كم، والهامش المطلوب، يتيح ذلك الوصول إلى مسافة 80 كم تقريبًا.

تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال المحسنة من Metro- على توسيع نطاق الوصول من خلال قوة تشغيل أعلى وحساسية جهاز الاستقبال المحسنة. تحقق تطبيقات OpenZR+ إطلاق +4 ديسيبل ميلي واط من خلال مكبرات صوت مدمجة أكثر قدرة وحساسية تبلغ - ديسيبل ميلي واط من خلال خوارزميات DSP المحسنة وكاشفات ضوئية منخفضة الضوضاء. تتيح الميزانية المحسنة البالغة 28 ديسيبل إمكانية الامتداد لمسافة 400 كيلومتر مع التضخيم البصري، أو 1,000+ كيلومتر مع مضخمات ألياف مشبعة بالإربيوم كل 80-100 كيلومتر.

تعمل أنظمة الغواصات ذات المسافات الطويلة-بشكل مختلف. بدلاً من أجهزة الإرسال والاستقبال القابلة للتوصيل، تستخدم هذه الأجهزة تطبيقات بطاقة الخط- مع مضخمات خارجية عالية القدرة-تولد طاقة إطلاق تبلغ +10 إلى +15 ديسيبل ميلي واط. يحافظ تباعد مكبرات الصوت الضوئية كل 50-80 كيلومترًا على قوة الإشارة عبر المسافات عبر المحيطات. يصبح المقياس الرئيسي هو الكفاءة الطيفية-كم عدد البتات في الثانية لكل هرتز من عرض النطاق البصري. تحقق التطبيقات المتقدمة 8-10 بت/ثانية/هرتز من خلال PCS، وQAM عالي الترتيب عندما يسمح OSNR، وFEC المتطور الذي يوفر مكاسب تشفير تبلغ 11-12 ديسيبل.

يقوم تعدد إرسال DWDM بتجميع قنوات متعددة الطول الموجي على ألياف مفردة. تدعم الأنظمة الحديثة 96 قناة بتباعد 50 جيجا هرتز عبر النطاق C-، أو 192 قناة بتباعد 25 جيجا هرتز مع ترشيح أكثر إحكامًا. قد يحمل نظام النطاق C+L المحمل بالكامل 200+ أطوال موجية، كل منها عند 400 جيجا، مما ينتج عنه سعة إجمالية تبلغ 80 تيرابايت في الثانية على زوج من الألياف. يجب أن تتعايش أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة مع القنوات المجاورة مع الحد الأدنى من الحديث المتبادل، مما يتطلب تصفية بصرية حادة واستقرارًا دقيقًا للطول الموجي.

تعمل أجهزة إرسال الإضافة الضوئية القابلة لإعادة التكوين- على تمكين توجيه الطول الموجي المرن دون التحويل البصري-الكهربائي-البصري. تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة مع ROADMs من خلال التحكم الدقيق في الطول الموجي وقوة الإطلاق الكافية للتغلب على فقدان إدخال ROADM، والذي يتراوح عادةً بين 10-15 ديسيبل للشبكات المتداخلة المعقدة. تدعم أجهزة الليزر القابلة للضبط في الوحدات المتماسكة إعادة تشكيل الطول الموجي في دقائق بدلاً من الحاجة إلى تغييرات مادية في الوحدة، وهو عامل تمكين رئيسي للشبكات التكيفية.

 

تحديات التنفيذ ومقايضات التصميم-.

 

يمثل تكامل المكونات تحديات مستمرة. تتطلب الضوئيات السيليكونية تحكمًا دقيقًا في سماكة طبقات الدليل الموجي-اختلافات قدرها 1-2 نانومتر تؤدي إلى تغيير الأطوال الموجية الرنانة وتقليل الأداء. يتطلب التكامل غير المتجانس لأشعة الليزر III-V على ركائز السيليكون محاذاة أقل من - ميكرون واقتران بصري منخفض الخسارة. يظل إنتاج التصنيع حساسًا لتغيرات العملية، على الرغم من تحسنه مع تجربة المسبك.

تعمل الإدارة الحرارية على تعقيد عوامل الشكل المضغوط. يؤدي تبديد الطاقة المركزة بقدرة 15 وات في وحدة QSFP-DD إلى إنشاء نقاط اتصال تتجاوز 80 درجة عند تقاطعات المكونات. يؤدي ارتفاع درجة الحرارة هذا إلى تغيير أطوال موجات الليزر، وتغيير أطوال المسار البصري في أدلة موجات السيليكون، وتسريع شيخوخة المكونات. يؤدي انتشار الحرارة عبر المبددات الحرارية المعدنية والتصميم الحراري الدقيق لثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى تخفيف هذه التأثيرات، لكن القيود الحرارية كثيرًا ما تحد من الأداء الأقصى.

يعمل الاختبار والتأهيل على تمديد الجداول الزمنية للتطوير. يجب أن تُظهر أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة معدلات خطأ في البتات أقل من 10^-15 عبر نطاقات درجات الحرارة وشبكات الطول الموجي وأنواع الألياف. يتحقق اختبار الامتثال للبروتوكول من تأطير Ethernet وتغليف OTN وواجهات الإدارة. يتطلب التحقق من إمكانية التشغيل البيني إجراء اختبار مع بائعي معدات متعددين. تستغرق هذه العملية عادةً ما بين 18 إلى 24 شهرًا من أول سيليكون إلى إصدار الإنتاج.

يختلف هيكل التكلفة عن بصريات الاكتشاف المباشر-. يؤدي معالج الإشارة الرقمية المتخصص، والتكامل الضوئي، ومكونات الليزر القابلة للضبط إلى إنشاء تكاليف أساسية أعلى، يقابلها التخلص من تعويض التشتت الخارجي ودعم الوصول الأطول. تؤدي أحجام التصنيع إلى زيادة تكاليف الوحدة-بواقع 100000 وحدة سنويًا، وتحقق ضوئيات السيليكون تكافؤ التكلفة من خلال التجميع المنفصل؛ عند ملايين الوحدات، يوفر السيليكون تخفيضًا في التكلفة بنسبة 50-60%.

تجزئة المعايير يعقد النشر. في حين حقق 400ZR اعتمادًا واسع النطاق، فإن الامتدادات مثل OpenZR+ والتنسيقات الخاصة تعمل على تجزئة السوق. تؤدي المعدات التي تتطلب تطبيقات مرسلة ومستقبلة متطابقة إلى إنشاء قفل البائع-وتعقيد شبكات-الموردين المتعددة. تعمل اتحادات الصناعة على تحقيق قدر أكبر من التوحيد القياسي، ولكن التمايز في الأداء يشجع على توسيع الملكية.

يؤدي توسيع نطاق الطاقة إلى 800G و1.6T إلى دفع جميع الحدود في وقت واحد. تتطلب مضاعفة معدل البيانات مع الحفاظ على ميزانيات الطاقة معالجات رقمية بدقة 5 نانومتر أو 3 نانومتر، وتنسيقات تعديل محسنة، وتكامل ضوئي أفضل. إن مجرد توسيع نطاق معماريات 400G خطيًا من شأنه أن يتجاوز مظاريف الطاقة والحدود الحرارية. تهدف التقنيات الجديدة مثل معالجة الإشارات التناظرية، ومعادلة المجال البصري، وبنيات الشرائح غير المتجانسة إلى كسر هذه القيود.

 

ديناميات السوق وقطاعات التطبيق

 

أدت تطبيقات التوصيل البيني لمراكز البيانات إلى اعتماد مبدئي متماسك قابل للتوصيل. ينشر موفرو السحابة الذين يربطون المرافق التي تبعد عن بعضها مسافة 40-120 كيلومترًا وحدات 400ZR بملايين الوحدات سنويًا، مع استبدال معدات النقل المخصصة باتصالات مباشرة بين جهاز التوجيه-وجهاز التوجيه. أدت بنية "IP over DWDM" هذه إلى تبسيط الشبكات وتقليل استهلاك الطاقة وتحسين الاقتصاد من خلال عدد أقل من أنواع المعدات والنماذج التشغيلية.

تحتفظ شركات الاتصالات بمتطلبات مختلفة. تحتاج شبكات المترو والشبكات الإقليمية التي تمتد لمسافة 200-2000 كيلومتر إلى أداء أعلى مما تقدمه وحدات DCI المحسنة. تتضمن ميزات فئة Telco- المراقبة المحسنة، وضبط الطول الموجي بدون إصابات، ومعايير الموثوقية من فئة الناقل. تعمل تقنية OpenZR+ والتطبيقات المتماسكة الخاصة على تلبية هذه الاحتياجات من خلال معالجات إشارة رقمية أكثر قدرة وأداء بصري أفضل ودعم عمليات واسع النطاق.

تمثل أنظمة الكابلات البحرية قمة الأداء. تتطلب الروابط عبر المحيطات أقصى سعة لكل ألياف وأعلى موثوقية نظرًا لمواقع النشر التي يتعذر الوصول إليها. تستخدم هذه الأنظمة تطبيقات متماسكة مخصصة تم تحسينها للارتباط المحدد-الاختيار الدقيق للتعديل استنادًا إلى خصائص الألياف المُقاسة والحد الأقصى لكسب التشفير FEC الذي يتحمل فترات تجديد أطول وتكرارًا واسع النطاق. يتطلب عمر الكابل الذي يبلغ 25+ سنة تأهيلًا للمكونات يتجاوز المعايير التجارية النموذجية.

يخلق النقل 5G طلبًا ناشئًا على البصريات المتماسكة. يؤدي تكثيف شبكة الهاتف المحمول ونمو عرض النطاق الترددي إلى زيادة متطلبات الألياف لوصلات التوصيل والوصلات المتوسطة لموقع الخلية. تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة التي تدعم نطاقات درجات الحرارة الصناعية على تمكين عمليات النشر الخارجية في الخزانات البعيدة أو في الشوارع. تستهدف تطبيقات 100G المتماسكة في الحزم المدمجة والموفرة للطاقة-والصديقة للبيئة هذا القطاع، حيث توفر الحد الأقصى من الأداء مقابل التكلفة والمتانة.

استخدمت شبكات المؤسسات تاريخيًا بصريات الاكتشاف المباشر- نظرًا للمسافات الأقصر ومتطلبات النطاق الترددي الأقل. ومع ذلك، فإن البنية الأساسية للحرم الجامعي 400 جيجا بايت والاتصالات-بين المباني تبرر بشكل متزايد وجود اقتصاديات متماسكة. يعمل النشر المبسط من خلال عوامل الشكل القابلة للتوصيل وانخفاض التكاليف على توسيع السوق القابلة للتوجيه إلى ما هو أبعد من شبكات الناقل التقليدية.

 

خارطة طريق التكنولوجيا والاتجاهات المستقبلية

 

دخلت أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة 800 جيجا الإنتاج في عام 2024، حيث تستخدم معالجات رقمية بدقة 5 نانومتر وأنظمة تعديل محسنة. بمعدل رمز يبلغ 90-100 جيجا بايت في الثانية مع تعديل 16-QAM أو 8-QAM، تضاعف هذه الأجهزة سعة 400 جيجا بايت في عوامل الشكل المشابهة. زاد استهلاك الطاقة إلى 18-22 واط لتطبيقات OSFP، على حافة إمكانيات الإدارة الحرارية. تظل الحالة الاقتصادية مقنعة بالنسبة للوصلات عالية السعة حيث تؤدي مضاعفة القدرة على البنية التحتية الحالية للألياف إلى تأجيل توسيع مصانع الألياف المكلفة.

يمثل 1.6T المتماسك حدود التطوير الحالية. حققت العروض التوضيحية هذا المعدل من خلال تشغيل بسرعة 140 جيجابايت مع تعديل 8-QAM، على الرغم من أن النشر التجاري ينتظر توفر معالج الإشارة الرقمية بدقة 3 نانومتر والمزيد من تحسينات التكامل الضوئي. وبدلاً من ذلك، يقوم-تطبيقات الناقل المزدوج 800G بمضاعفة قناتين 800G في وحدة واحدة. ويعتمد المسار الأمثل على كفاءة الطاقة، وأهداف التكلفة، واعتبارات وقت الوصول إلى السوق-.

بالإضافة إلى معالجات الإشارات الرقمية الكهربائية، توفر معالجة الإشارات الضوئية توفيرًا محتملاً في الطاقة. يمكن أن يؤدي إجراء بعض المعادلات أو تعويض التشتت أو استعادة الطور في المجال البصري باستخدام الدوائر الضوئية إلى تقليل الحمل الحسابي لمعالج الإشارة الرقمية. ومع ذلك، تفتقر المعالجة الضوئية إلى مرونة الخوارزميات الرقمية وقابليتها للتكيف، مما يحد من قابلية التطبيق على إعاقات محددة ومحددة بشكل جيد.

يستكشف الاتصال الكمومي التكنولوجيا المتماسكة لتوزيع المفاتيح الكمومية. يعمل التحكم الدقيق في الطور والاستقطاب المطلوب للحالات الكمومية على تعزيز قدرات جهاز الإرسال والاستقبال المتماسكة. على الرغم من كونها متخصصة اليوم، قد تعتمد الشبكات الكمومية أجهزة متماسكة كأساس، مما يخلق تآزرًا بين الاتصالات البصرية الكلاسيكية والكمية.

تطبيقات الذكاء الاصطناعي تدفع متطلبات النطاق الترددي إلى أعلى. يؤدي تدريب النماذج اللغوية الكبيرة إلى توزيع العمليات الحسابية عبر الآلاف من وحدات معالجة الرسومات، مما يؤدي إلى توليد حركة مرور لمركز البيانات الشرقي-الغربي يتم قياسها بالإكسابايت شهريًا. تستخدم حركة المرور هذه عناصر بصرية متماسكة بشكل متزايد لمنتج المسافة ذي السعة الفائقة-، حتى داخل المباني الفردية. مع نمو أعباء عمل الذكاء الاصطناعي، فقد تصبح المحرك المهيمن لحجم جهاز الإرسال والاستقبال المتماسك.

 

خاتمة

 

تنبع متطلبات التكنولوجيا المتقدمة لأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة من القيود الفيزيائية الأساسية وأهداف الأداء. يتطلب التعامل مع الطور البصري والاستقطاب التحكم بمقياس نانومتري للهياكل الضوئية. تتطلب معالجة الجيجابت لكل رمز بمعدلات تبلغ عدة جيجاهيرتز -معالجات إشارات رقمية متطورة. يؤدي دمج هذه الإمكانات في حزم مدمجة وفعالة -في استهلاك الطاقة إلى دفع تقنيات أشباه الموصلات والضوئيات والتعبئة والتغليف إلى أقصى حدودها.

ويستمر التقدم من خلال التقدم المنسق عبر تخصصات متعددة. يقوم مصممو DSP بتقليص عقد العملية وتحسين الخوارزميات. يقوم مهندسو الضوئيات بتطوير مُعدِّلات أفضل وتكامل خسارة أقل-. يوازن مهندسو النظام بين تنسيقات التعديل ومعدلات الرموز والحمل الزائد FEC للتطبيقات المستهدفة. والنتيجة هي التحسن المستمر في السعة ومدى الوصول وفعالية التكلفة- مما يتيح توسيع إمكانات الشبكة.

إن فهم السبب الذي يجعل أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة تتطلب مثل هذه التكنولوجيا المتقدمة يسلط الضوء على المفاضلات الهندسية -التي تشكل الشبكات الضوئية. يتضمن كل خيار تصميم-7 نانومتر مقابل 5 نانومتر DSP، ومُعدِّل السيليكون مقابل مُعدِّل نيوبات الليثيوم، و16-QAM مقابل 8-QAM، تحليلًا دقيقًا للأداء، والطاقة، والآثار المترتبة على التكلفة. تستمر التكنولوجيا في التطور بسرعة، مدفوعة بالطلب غير المشبع على النطاق الترددي وتمكينها من التقدم في صناعة أشباه الموصلات.