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 )應用

  以經(jīng)濟有效和操作簡(jiǎn)單的方式滿(mǎn)足帶寬需求

  摘要

  服務(wù)提供商的邊緣和接入網(wǎng)絡(luò )正在繼續發(fā)展。由于向消費者和企業(yè)客戶(hù)提供令人興奮的新應用，帶寬需求成倍增長(cháng)，他們基于舊的光傳輸技術(shù)的傳統網(wǎng)絡(luò )基礎設施，無(wú)法擴展到將來(lái)處理這些需求所需要的帶寬。需要新的技術(shù)和策略來(lái)升級目前支持10G鏈路的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的基礎設施，使其能夠支持100G及以上的光鏈路，同時(shí)還要適應現有的許多不同的光纖類(lèi)型，如點(diǎn)對點(diǎn)、DWDM和BiDi鏈接。本文討論了相干光技術(shù)的進(jìn)步如何為應對這些挑戰鋪平道路，為服務(wù)提供商提供他們所需的路徑，以滿(mǎn)足今天和未來(lái)不斷增長(cháng)的帶寬需求。

  服務(wù)提供商的邊緣和接入需求繼續增長(cháng)

  應用正在推動(dòng)離終端用戶(hù)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(hù)提供服務(wù)的新的和下一代應用是邊緣和接入帶寬需求增長(cháng)的主要原因。根據思科的年度互聯(lián)網(wǎng)報告[1]，預計到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)。預計到2023年，家庭自動(dòng)化、家庭安全和視頻監控等互聯(lián)家庭應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為147億)。此外，根據CableLabs [2]的數據，到2019年12月，有線(xiàn)電視千兆網(wǎng)已經(jīng)覆蓋有線(xiàn)電視寬帶供應商聯(lián)通的所有美國家庭的93%，可獲得的下載速度每年增長(cháng)約50%(CAGR)。

  根據《年度互聯(lián)網(wǎng)報告》，家庭以外的應用，如車(chē)輛導航/診斷/娛樂(lè )和車(chē)隊管理，預計將代表增長(cháng)最快的機器對機器領(lǐng)域，到2023年的年復合增長(cháng)率為30%。到2023年，用于多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備預計將占到全球所有聯(lián)網(wǎng)設備的50%(147億)。

  除了上述的帶寬增長(cháng)的驅動(dòng)力，其他應用，如游戲、遠程醫療和自動(dòng)駕駛汽車(chē)，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)，預計也將推動(dòng)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(hù)流量和企業(yè)業(yè)務(wù)服務(wù)而部署的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )基礎設施，正在推高帶寬容量，超過(guò)了基于傳統光傳輸技術(shù)的傳統基礎設施的能力。例如，預計5G無(wú)線(xiàn)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(cháng)的驅動(dòng)力都給傳統的光通訊服務(wù)提供商的邊緣和接入基礎設施帶來(lái)了挑戰，以支持這些流量。

  相干光技術(shù)面對廣泛的接入挑戰

  接入網(wǎng)絡(luò )架構的一個(gè)共同主題是，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)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(lái)滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的帶寬需求。為了實(shí)現這一目標，許多接入架構需要進(jìn)行擴容，它們可能至少包括以下一種鏈路設計，每一種都有其自身的挑戰。

  · 專(zhuān)用的點(diǎn)對點(diǎn)(P2P)光纖鏈路

  · 更高容量的密集波分復用(DWDM)鏈路

  · 需要單纖雙向(BiDi)P2P或DWDM鏈路的光纖受限路線(xiàn)

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(lèi)型的接入網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中增加帶寬的不同挑戰，并討論了相干光技術(shù)如何提供一個(gè)可擴展的解決方案來(lái)解決高帶寬需求，以及在將帶寬增加到100Gbps及以上時(shí)，這些網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)和可擴展性?xún)?yōu)勢。

  專(zhuān)用的點(diǎn)對點(diǎn)光纖鏈路

  不需要光放大或DWDM就能到達服務(wù)提供商邊緣/接入終端設備的光纖部署，依賴(lài)于經(jīng)濟優(yōu)化的專(zhuān)用P2P光纖鏈路，在城域核心和邊緣/接入匯聚終端設備或企業(yè)站點(diǎn)之間使用一對光纖。在此，我們使用專(zhuān)用P2P光纖這一術(shù)語(yǔ)來(lái)表示用于單一應用或客戶(hù)服務(wù)的光纖鏈路的端點(diǎn)之間的數據路徑。如本文后面所述，在一些光通訊實(shí)施方案中，光鏈路可以利用多個(gè)間隔較遠的波長(cháng)，構成專(zhuān)用P2P光纖鏈路的單一數據路徑。

圖2. 典型的專(zhuān)用點(diǎn)對點(diǎn)光纖鏈路。

  隨著(zhù)這些類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )的帶寬需求增加，遇到了一些限制，因為傳統的光傳輸技術(shù)在擴展到100Gbps及以上時(shí)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(gè)新的要求，把直接從傳統的10Gbps發(fā)展到100Gbps的光鏈接，作為增加帶寬的首選手段。一個(gè)有吸引力的解決方案是能夠在不需要改變網(wǎng)絡(luò )架構的情況下提供10倍的帶寬容量，從而最大限度地降低總擁有成本。

  更高的數據速率在沖擊傳統的專(zhuān)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直接探測光傳輸技術(shù)，在通過(guò)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(zhuān)用P2P光纖方面，為業(yè)界提供了良好的服務(wù)。然而，超過(guò)10Gbps后，使用的便利性變得更具挑戰性。使用直接探測技術(shù)將專(zhuān)用P2P光纖鏈路的帶寬從10Gbps提高到100Gbps，有賴(lài)于在100Gbps的子倍數的多個(gè)光通道上進(jìn)行傳輸(參見(jiàn)100Gbps邊緣/接入的直接探測和相干性比較)，如25Gbps的四個(gè)通道。使用相同的技術(shù)來(lái)解決超過(guò)10公里的邊緣/接入是具有挑戰性的。為了盡量減少光纖色散造成的損害，這四個(gè)波長(cháng)需要保持在1310納米范圍內。在這個(gè)波長(cháng)范圍內擴展到更遠的距離將需要額外的功率余量來(lái)克服光纖損耗。例如，與10公里相比，擴展到80公里的長(cháng)距離不僅需要額外的28dB*功率余量，而且還會(huì )有來(lái)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。多年來(lái)，在網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)部分部署了具有一系列損耗和色散特性的不同類(lèi)型的光纖，以?xún)?yōu)化不同年代傳輸技術(shù)的傳輸。這一系列的光纖類(lèi)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，所以每當有新的技術(shù)進(jìn)步時(shí)，就把光纖扯掉是沒(méi)有意義的。相反，可能需要對終端設備的光收發(fā)機/應答器進(jìn)行調整，以便在傳統的非優(yōu)化光纖上運行。

  如圖3所示，在邊緣/接入網(wǎng)的光纖線(xiàn)路上有多個(gè)隔板光纖連接器和熔接點(diǎn)是很常見(jiàn)的。這些的累積效應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量到可能避免需要卡車(chē)滾動(dòng)

來(lái) "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為是邊緣的路線(xiàn)。

  為了說(shuō)明取決于光纖工廠(chǎng)條件(光纖類(lèi)型、連接器反射和損耗)的眾多潛在損傷，在認證一條鏈路為可操作鏈路之前，可能需要卡車(chē)卷 (truck rolls) 對每條光纖線(xiàn)路(色散、PMD、光纖損耗和反射)進(jìn)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(lèi)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(huì )超過(guò)通常在室內溫控環(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(mǎn)足整體傳輸要求，包括較長(cháng)距離的鏈接，可能會(huì )使戶(hù)外溫度適應性成為一個(gè)挑戰。

  DWDM接入匯聚鏈路

  多條專(zhuān)用P2P光纖鏈路匯聚到一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)(如圖1所示)是很常見(jiàn)的，如服務(wù)提供者邊緣或接入匯聚站點(diǎn)，流量被組合成較大的多傳輸帶寬管道，通過(guò)DWDM鏈路傳輸到網(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(zhuān)用的P2P光纖鏈路更復雜，因為它們需要額外的光復用/解復用組件，還可能包括光放大器，以便在不沿光纖路徑進(jìn)行電氣再生的情況下延長(cháng)鏈路。

  每個(gè)單獨的DWDM波長(cháng)都經(jīng)歷著(zhù)與單波長(cháng)專(zhuān)用P2P光纖鏈路類(lèi)似的損傷。利用可調諧激光器的功能，一個(gè)普通的模塊可以用來(lái)覆蓋多個(gè)DWDM通道，從而降低了部署和節約成本。

  單纖雙向(BiDi)鏈路

  獲得路權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設施以解決帶寬需求持續增長(cháng)的主要障礙。這種困境導致了城市、郊區、農村和大都市等各種環(huán)境中的光纖受限情況。之前討論過(guò)的服務(wù)提供商邊緣和接入網(wǎng)絡(luò )中的專(zhuān)用P2P和DWDM鏈路通常都采用單模雙工光纖，從站點(diǎn)A到Z的數據傳輸在一根光纖上進(jìn)行，而從站點(diǎn)Z到A的數據傳輸則不同(圖2和4)。

  服務(wù)提供商依靠單股光纜在該基礎設施上提供服務(wù)的情況并不罕見(jiàn)，特別是當服務(wù)提供商與其他公司共享一個(gè)電纜束或管道空間時(shí)。在這些單光纖線(xiàn)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(xiàn)路中的不同光纖。一個(gè)復雜的挑戰是如何在單纖BiDi線(xiàn)路上對傳統的帶寬/距離有限的光直接檢測技術(shù)進(jìn)行升級，因為前面討論的光纖損傷也會(huì )影響B(tài)iDi線(xiàn)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(xiàn)路上增加帶寬的另一種方法是，升級在終端設備端點(diǎn)使用的BiDi傳輸技術(shù)。

  圖5a和5b說(shuō)明了單光纖鏈路和DWDM鏈路的BiDi部署的例子。圖5a說(shuō)明了一個(gè)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(cháng)上沿著(zhù)同一光纖路線(xiàn)雙向行駛。圖5b說(shuō)明了一個(gè)類(lèi)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(gè)數據傳輸流的發(fā)射波長(cháng)與接收波長(cháng)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(cháng)上發(fā)射和接收的能力，這一能力取決于模塊的設計。

  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

  光相干技術(shù)從早期的需要整條線(xiàn)路的電子和光學(xué)設備到現在已經(jīng)有了長(cháng)足的進(jìn)步。今天，這種技術(shù)可以裝在一個(gè)小型的、緊湊的可插拔模塊中，通過(guò)硅光電子學(xué)、光電子集成和低功耗的CMOS工藝節點(diǎn)的進(jìn)步，這種技術(shù)已經(jīng)成為可能。這些持續的創(chuàng )新使相干光通訊解決方案能夠進(jìn)入更短的應用范圍(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(zhù)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(lèi)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(gè)操作簡(jiǎn)單的解決方案，這在推動(dòng)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調制的無(wú)錯誤相干光傳輸實(shí)例，可容忍多種損傷(僅顯示一個(gè)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(xiàn)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不同的邊緣/接入光纖類(lèi)型和條件。它還能容忍來(lái)自多個(gè)光纖連接器/接頭接口的損耗和反向反射的不利影響。

  與強度調制的直接探測傳輸不同，在光纖線(xiàn)路上遇到的反射會(huì )在傳輸鏈路中產(chǎn)生噪聲，而相干光調制格式，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算。這使它們不僅能夠補償由于多個(gè)光纖連接器/接頭造成的損失，還能解決長(cháng)傳輸鏈路。

  圖8說(shuō)明了色散的影響和光纖路線(xiàn)上的損耗如何導致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(cháng)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(gè)極限，而相干光解決方案將在這個(gè)極限之外繼續運行。

  相干光通訊技術(shù)的其他一些主要好處包括以下幾點(diǎn)。

  監測、診斷和故障排除。 可插拔式相干光收發(fā)器內置了監測和診斷功能，以確保數據傳輸的穩定性。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(dòng)態(tài)范圍，這使得相干光鏈路能夠容納光環(huán)回，以進(jìn)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部光放大器，以關(guān)閉較長(cháng)的鏈接，導致直接光環(huán)回故障排除由于接收器過(guò)載而無(wú)法實(shí)現。

  可靠性。 在專(zhuān)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(lài)于將單次傳輸流量分割到四個(gè)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(cháng)距離鏈路。對于這些鏈路，可能還需要在接收端進(jìn)行有源光放大，以關(guān)閉該鏈路。因此，在確定這些類(lèi)型的模塊的可靠性時(shí)，必須考慮到總共八個(gè)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(gè)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(diǎn)導致了操作的簡(jiǎn)單性和更短的配置時(shí)間，這可以為服務(wù)提供商的邊緣/接入網(wǎng)絡(luò )節省操作費用。

  擴展到更高的數據率

  可插拔式相干光解決方案可在相同或更遠的距離上實(shí)現更高的數據速率。與今天的接入數據速率相比，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(mǎn)足服務(wù)提供商邊緣/接入帶寬增長(cháng)的需求提供了現成的途徑。超過(guò)100Gbps的相干光傳輸解決方案已經(jīng)相當成熟，因此，相干光通訊技術(shù)在近期內對服務(wù)提供商的邊緣和接入擴展到更高帶寬沒(méi)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用而設計的，有一系列的模塊來(lái)解決不同的網(wǎng)絡(luò )應用，如單次傳輸的P2P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(hù)端光學(xué)解決方案的四個(gè)小尺寸雙密度(QSFP-DD)的插件，是專(zhuān)門(mén)為服務(wù)提供商邊緣和接入應用中的優(yōu)化而設計的，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(yíng)商提供擴展到更高數據速率的能力，以滿(mǎn)足在一些最具挑戰性的光鏈路上不斷增長(cháng)的帶寬需求，同時(shí)還提供操作的簡(jiǎn)便性，可能導致整體網(wǎng)絡(luò )的節約。

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(yíng)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解決方案的區別的更多細節，請參閱相干光BiDi的設計優(yōu)化插頁(yè)，會(huì )詳細解釋如何在相干光收發(fā)器中實(shí)現這一功能。

  對于單光纖BiDi傳輸，需要一個(gè)分光器/合光器(對于BiDi點(diǎn)對點(diǎn))或一個(gè)波長(cháng)多路復用器/解復用器(對于BiDi DWDM)，以便從雙端口配置轉換為單端口連接器配置。該模塊同時(shí)支持以太網(wǎng)和OTN標準化客戶(hù)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A(yíng)cacia的硅光電子技術(shù)的成熟。圖10說(shuō)明了光/電元件整合的進(jìn)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(gè)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(gè)緊湊的封裝中成為可能，并減少了電氣互連的數量，同時(shí)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)和高量率的半導體制造工藝中進(jìn)行的。

圖10. 相干光模塊的尺寸隨時(shí)間的變化。

  結論

  5G、游戲、遠程醫療、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和云計算等應用正在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )邊緣的網(wǎng)絡(luò )流量增加，這給傳統服務(wù)提供商的邊緣和接入網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)巨大壓力。提供這些新服務(wù)和應用所需的帶寬量，預計將高于傳統基礎設施在傳統光傳輸技術(shù)基礎上所能支持的水平。這促使服務(wù)提供商不僅要尋找提供100Gbps光鏈路的方法，這也對傳統的直接探測解決方案構成了挑戰，而且還要確保這些新的解決方案能夠在現有的專(zhuān)用P2P光纖、DWDM和BiDi基礎設施上得到支持。

  基于最近在硅基光電子學(xué)、光電子集成和低功耗的CMOS工藝節點(diǎn)等方面的進(jìn)展，相干光技術(shù)已經(jīng)成為應對這一挑戰的有效途徑。這些進(jìn)展使Acacia能夠開(kāi)發(fā)并向市場(chǎng)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 )應用，如專(zhuān)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(yíng)商在未來(lái)擴展到更高的數據速率時(shí)，以一種經(jīng)濟有效和操作簡(jiǎn)單的方式克服他們目前面臨的許多挑戰。

  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