코히런트 트랜시버에는 고급 기술이 필요합니다.

 

코히런트 트랜시버는 정교한 디지털 신호 프로세서와 광자 통합이 필요한 진폭, 위상 및 편파 변조를 사용하여 데이터를 인코딩합니다. 이 장치는 수백 킬로미터에 걸쳐 신호 무결성을 유지하면서 100G에서 1.6T까지의 데이터 속도를 달성합니다.

이 기술은 세 가지 근본적인 혁신을 결합합니다. 즉, 트랜시버 전력의 약 50%를 소비하는 7nm 프로세스 노드에 구축된 특수 DSP 칩, 기호당 여러 비트를 인코딩하는 16-QAM 및 64-QAM과 같은 고급 변조 방식, CMOS 호환 규모로 광학 구성 요소를 통합하는 실리콘 포토닉스 플랫폼입니다.

 

 

디지털 신호 처리가 일관된 성능을 정의하는 이유

 

DSP 칩은 일관된 전송 시스템의 전자 코어 역할을 합니다. 7nm 프로세스 구조에서 이 프로세서는 아날로그{2}}디지털 변환, 50,000ps/nm를 초과하는 색 분산 보상, 편광 모드 분산 완화 및 순방향 오류 수정-을 모두 처리하는 동시에 플러그형 폼 팩터에 대해 전력 소비를 10W 미만으로 유지합니다.

최신 DSP는 변조 기호 전반에 걸쳐 전력 분배를 최적화하는 기술인 확률적 성상 형성을 구현합니다. PCS는 16-QAM 성상에서 16개 포인트를 모두 동일하게 사용하는 대신 저전력 내부 성상 포인트를 더 자주 선호합니다. 이 접근 방식은 기호 속도를 높이거나 추가 증폭을 요구하지 않고 전송 도달 범위를 20-30% 확장합니다.

계산 강도는 DSP 발전이 일관된 진화를 주도하는 이유를 설명합니다. 16nm에서 7nm 프로세스 노드로 이동하여 전력 소비를 75% 이상 줄이면서 더 높은 전송 속도를 가능하게 했습니다. Marvell과 같은 회사는 Canopus 아키텍처를 통해 이를 달성했으며, 2019년 말에 샘플링하고 최초의 상용 400G ZR 모듈을 활성화했습니다. 이 칩은 다양한 도달 요구 사항에 맞게 소프트웨어로 선택 가능한 모드를 사용하여 100G, 200G, 300G, 400G에서 다중 속도 작동을-지원합니다.

처리 아키텍처는 노드 크기만큼 중요합니다. DSP에는 병렬 데이터를 4개의 일관된 채널로 변환하는 직렬 변환기-직렬 변환기 회로, 정보를 조명 속성으로 인코딩 및 디코딩하는 실제 신호 처리 장치, 이더넷 및 OTN 프로토콜용 프레이밍 엔진, 실시간으로 광케이블 손상을 보상하는 적응형 이퀄라이저 등의 개별 블록이 포함되어 있습니다.- 각 블록에는 특수한 지적 재산이 필요합니다. 이것이 바로 Nokia, Infinera, Cisco와 같은 수직 통합 공급업체가 내부적으로 DSP 설계 기능을 유지하는 이유입니다.

전력 효율성은 여전히 ​​중요한 제약 사항입니다. DSP가 총 트랜시버 전력의 약 절반을 소비하므로 열 관리는 QSFP-DD 및 OSFP와 같은 소형 폼 팩터에서 가장 중요합니다. 이 모듈의 15W 전력 예산은 광학 부품 및 드라이버를 고려한 후 DSP 작동에 5~7W만 남깁니다. 이러한 제약으로 인해 업계는 800G 애플리케이션을 위한 5nm 프로세스 노드로 이동하게 되었으며, Marvell의 Orion DSP는 비트당 더 낮은 전력을 목표로 합니다.

 

고급 변조 방식으로 스펙트럼 효율성 활성화

 

코히어런트 트랜시버는 직교 진폭 변조를 활용하여 정보 밀도를 인코딩합니다. 16-QAM 형식에서 각 기호는 진폭과 위상 상태의 조합을 통해 4비트를 나타냅니다. 이중 편파 구현은 이 용량을 효과적으로 두 배로 늘려 90도로 분리된 직교 편파 모드에서 기호당 8비트를 전송합니다.

변조 순서는 데이터 속도와 광 신호-대-잡음 비율 요구 사항 간에 직접적인 균형을 이룹니다. 기호당 2비트를 인코딩하는 QPSK 변조는 OSNR을 12~14dB까지 허용하고 100G 속도에서 4,000km를 초과하는 전송 거리를 가능하게 합니다. 16-QAM으로 단계적으로 진행하면 처리량은 400G로 4배 증가하지만 OSNR은 22dB 이상이어야 하며, 광섬유 품질에 따라 도달 범위가 약 1,000~1,500km로 제한됩니다. 64-QAM과 같은 더 높은 주문은 단일 파장 내에서 데이터 속도를 600G로 푸시하지만 유효 범위는 28dB를 초과하는 OSNR 요구 사항으로 인해 200km 미만으로 떨어집니다.

변조 복잡성과 도달 범위 간의 이러한 관계는 네트워크 배포 전략을 형성합니다. 80-120km에 걸쳐 있는 데이터 센터 상호 연결은 일반적으로 400ZR 표준에 따라 400G 애플리케이션에 16{10}}QAM을 사용합니다. 300-500km 확장되는 지하철 네트워크는 용량과 거리의 균형을 맞추기 위해 8-QAM을 선택할 수 있습니다. 바다를 횡단하는 장거리 해저 케이블은 일반적으로 최대 복원력을 위해 QPSK로 되돌아가며, 수천 킬로미터 범위에 대한 대가로 더 낮은 파장당 용량을 수용합니다.

편파 다중화는 수평 및 수직 편파를 독립적인 데이터 채널로 처리하여 유효 대역폭을 두 배로 늘립니다. 수신기의 DSP는 이러한 편파를 역다중화하고 다양한 전파 지연을 유발하는 편파 모드 분산을 보상해야 합니다. 이로 인해 계산이 복잡해지지만 이중 편파 없이 상용 데이터 속도를 달성하는 데 여전히 필수적입니다.{2}}400G 트랜시버는 기호 속도를 두 배로 늘리거나 엄청나게 높은 변조 차수로 이동해야 합니다.

최근 연구에서는 훨씬 더 높은-주문 형식을 탐구합니다. 256-QAM 시연에서는 저가형 레이저의 위상 잡음을 관리하기 위한 확률적 성형을 사용하여 80km에 걸쳐 순 1Tbps 전송을 달성했습니다. 이러한 형식은 생산 배포를 위해 실험적으로 남아 있지만 DSP 처리 능력 및 광학 부품 정밀도가 향상됨에 따라 향후 확장 경로를 나타냅니다.

 

Silicon Photonics 통합으로 크기 및 비용 절감

 

실리콘 포토닉스는 CMOS 제조 공정을 사용하여 광학 기능의 모놀리식 통합을 가능하게 합니다. 일반적인 코히어런트 광학 서브-어셈블리는 변조기, 광검출기, 편광 빔 분할기 및 코히어런트 믹서를 몇 평방 밀리미터 크기의 단일 실리콘 칩에 결합합니다. 이전에는 이러한 통합을 위해서는 대량 제조 및 플러그형 폼 팩터와 호환되지 않는 정밀한 광섬유 정렬-프로세스로 조립된 개별 구성요소가 필요했습니다.-

이 기술은 성숙한 반도체 파운드리 역량을 활용합니다. Coherent가 트랜시버 제품에 사용하는 Tower Semiconductor의 PH18 프로세스는 실리콘-온-절연체 웨이퍼를 사용하여 광 검출기, 도파관 및 변조기를 통합합니다. 이들 파운드리는 이미 전자 칩을 위한 규모로 운영되고 있어 특수 광학 제조 라인에서는 불가능한 광자 생산량을 가능하게 합니다.

실리콘의 간접 밴드갭은 근본적인 한계를 제시합니다.{0}}통신 파장에서 빛을 효율적으로 방출하거나 감지할 수 없습니다. 솔루션에는 레이저 소스 및 게르마늄 광검출기용 인듐 인화물과 같은 III-V 재료와의 이종 통합이 포함됩니다. 일부 구현에서는 에지-결합을 사용하여 실리콘 PIC에서 레이저 어셈블리를 분리하는 반면, 다른 구현에서는 III{5}}V 다이를 실리콘에 직접 웨이퍼 본딩하는 방법을 추구합니다. 각 접근 방식은 통합 밀도와 제조 복잡성 및 비용을 절충합니다.

변조 효율성은 실리콘 포토닉스 개발 로드맵의 상당 부분을 주도합니다. 캐리어 주입을 기반으로 하는 표준 플라즈마-분산 변조기는 많은 애플리케이션에 적합한 성능을 제공하지만 차세대 800G 및 1.6T 속도에 필요한 고속, 저-전압 작동에 어려움을 겪고 있습니다.- 이러한 제한으로 인해 Pockels-효과 재료에 대한 조사가 촉발되었습니다. 실리콘 기판에 결합된 얇은 필름 리튬 니오베이트는 실리콘 단독보다 구동 전압이 낮고 대역폭은 높지만 공정이 복잡해집니다.

경제적 사례는 대량으로 설득력을 갖게 됩니다. 초기 광마스크 세트 비용은 수백만 달러이며 설계 주기는 12~18개월입니다. 그러나 웨이퍼 처리 비용은 연간 100,000개를 초과하는 생산 실행에 걸쳐 상각되면 전자 칩과 비슷합니다. 수백만 개 단위로 배송되는 데이터 센터 트랜시버의 경우 실리콘 포토닉스는 개별 조립 방식에 비해 2~3배의 비용 절감 효과를 제공합니다.

온도 안정성은 또 다른 장점을 나타냅니다. 실리콘 변조기는 국부 발진기 레이저의 파장 조정을 통해 관리할 수 있는 섭씨 온도당 약 0.08nm의 파장 이동을 나타냅니다. 이로 인해 많은 설계에서 열전 냉각기에 대한 요구 사항이 제거되어 전력 소비가 크게 감소되었습니다. 산업 온도 범위(-40도 ~ 85도) 등급의 트랜시버는 이제 능동 냉각 없이 실리콘 포토닉스를 사용하여 이 사양을 달성합니다.

 

 

전송 속도 및 기호 처리 복잡성

 

기호 속도는 일관된 전송 시스템의 기본 클록 속도를 결정합니다. 현재 400G 코히어런트 모듈은 64기가바우드에서 작동합니다. 이는 DSP가 초당 640억 개의 기호를 처리한다는 의미입니다. 16-QAM 인코딩(심볼당 4비트) 및 이중 편파(2x)를 결합하면 400G 총 데이터 속도가 생성됩니다. 즉, 64GBd × 4비트 × 2편파=512 Gbps 원시 용량은 순방향 오류 수정 오버헤드 후 400Gbps로 감소됩니다.

전송 속도를 높이면 처리량은 직접적으로 증가하지만 물리적인 한계에 직면하게 됩니다. Nokia의 PSE{2}}V 아키텍처에서 입증된 바와 같이 90기가바우드에서는 동일한 16-QAM 형식이 600G 용량을 제공합니다. 그러나 DSP와 광학 부품 간의 전기적 상호 연결은 대역폭 제한에 직면해 있습니다. 트레이스 길이와 본드 와이어 인덕턴스가 이러한 주파수에서 손실과 분산을 유발하므로 신호 무결성이 저하됩니다. 이로 인해 업계는 상호 연결 거리를 최소화하면서 DSP, 드라이버 증폭기 및 실리콘 포토닉 엔진이 수직으로 쌓이는 3D 통합 접근 방식을 지향하게 되었습니다.

전기 인터페이스와 광학 인터페이스 간의 관계로 인해 설계 제약이 발생합니다. 400G-ZR 트랜시버는 호스트 시스템-PAM-4 신호를 사용하는 8개의 50G 레인에 대한 표준 400GbE 전기 인터페이스를 제공합니다. 내부적으로 DSP는 이를 4개의 64{13}}GBd 광 채널로 변환합니다. 이 속도 불일치에는 전통적으로 DSP 펌웨어에 구현된 "기어박스" 기능이 필요합니다. 변환으로 인해 일반적으로 200-500나노초의 지연 시간이 발생합니다. 이는 대부분의 애플리케이션에서 허용되지만 지연 시간이 매우 짧은 거래 시스템이나 실시간 제어 루프에서는 문제가 됩니다.

기호율이 높을수록 더 나은 광케이블 품질이 요구됩니다. 64GBd에서 표준 단일{2}}모드 광섬유는 약 17ps/nm/km의 관리 가능한 색분산을 나타냅니다. 90GBd로 늘리면 분산-으로 인한 신호 확장이 증가하므로 더 공격적인 DSP 균등화 ​​또는 더 짧은 전송 범위가 필요합니다. 이로 인해 현재 파이버 인프라에서 약 100GBd의 실질적인 상한선이 생성되지만, 향상된 파이버 유형과 더욱 강력한 DSP가 이 경계를 확장할 수 있습니다.

순방향 오류 수정은 기호 복잡성에 따라 확장되는 오버헤드를 추가합니다. 단순{1}}단순 결정 FEC는 7%의 오버헤드를 추가할 수 있는 반면, 더 큰 코딩 이득을 제공하는 고급 연판정 알고리즘은 20-25%의 오버헤드를 소비합니다. 512Gbps 원시를 생성하는 64-GBd, 16-QAM 시스템의 경우 20% FEC 오버헤드는 400G 목표에 가까운 410Gbps 순 용량을 생성합니다. DSP는 1마이크로초 미만의 지연 시간으로 이러한 수정 사항을 실시간으로 처리해야 하므로 처리 아키텍처에 대한 수요가 엄청납니다.

 

색수차 및 편광 분산 보상

 

광섬유는 본질적으로 서로 다른 속도로 서로 다른 파장을 분산시킵니다. 이 효과는 킬로미터당 나노미터당 피코초로 측정되는 색분산이라고 합니다. 100km가 넘는 표준 단일{2}모드 광섬유에서 1550nm 신호는 약 1,700ps/nm의 분산을 축적합니다. 보상 없이 이 펄스 확산은 10Gbps 이상의 데이터 속도에 대한 신호 무결성을 파괴합니다.

기존 DWDM 시스템은 분산 보상 모듈{0}}음의 분산 특성을 지닌 특수 광케이블 스풀을 사용하여 이 문제를 해결했습니다. 이러한 수동 장치는 삽입 손실을 추가하고 각 링크 범위에 대한 정밀한 엔지니어링이 필요하며 상당한 랙 공간을 차지합니다. 코히어런트 DSP는 역분산 전달 함수를 계산하고 수신된 신호에 디지털 필터링을 적용하여 이러한 요구 사항을 제거했습니다. 이 알고리즘은 색분산이 신호 대역폭에 걸쳐 전달하는 위상 회전을 간단히 반전시킵니다.

최신 코히어런트 DSP는 100,000ps/nm를 초과하는 색분산을 보상하며, 이는 마진이 있는 표준 광섬유의 600km에 해당합니다. 계산에는 주파수{4}}영역 필터링이 포함되며, 고속 푸리에 변환 알고리즘을 통해 계산 효율성이 향상됩니다. 그러나 필터 길이와 업데이트 속도는 DSP 리소스를 소비하므로 초기 코히어런트 시스템은 현재 장치보다 낮은 전송 속도로 작동했습니다. 무어의 법칙이 진행되면서 DSP 처리 능력이 커짐에 따라 보상 범위는 확대되고 전력 소비는 감소했습니다.

편광 모드 분산은 광섬유-수평 및 수직 편광 모드가 미시적으로 서로 다른 속도로 이동하는 경우 약간의 복굴절로 인해 발생합니다. PMD는 섬유 길이에 따라 무작위로 변하고 온도와 응력에 따라 변하므로 정적 필터로 보상하는 것이 불가능합니다. PMD 규모는 일반적으로 0.1~0.5ps/√km로 측정되며, 1,000km 범위에 걸쳐 누적되면 3~15ps에 이릅니다.

DSP는 일정한 모듈러스 알고리즘이나 유사한 접근 방식을 사용하는 적응형 등화를 통해 PMD를 해결합니다. 이러한 알고리즘은 실시간으로 편파 회전 및 차등 그룹 지연을 추적하여{1}}환경 변화에 따라 몇 마이크로초마다 이퀄라이저 계수를 업데이트합니다. 균등화에는 각 샘플에 대한 행렬 곱셈이 필요하며 이는 DSP 처리 용량의 약 20%를 소비합니다. 트랜시버는 최대 허용 PMD(400G 모듈의 경우 일반적으로 50ps)를 지정하여 매우 오래되었거나 스트레스를 받는 광섬유 플랜트에 대한 배포를 제한합니다.

비선형 효과는 세 번째 과제를 제시합니다. 광 출력이 높으면 광섬유의 굴절률이 강도-의존적이 되어 WDM 채널 간에 자체-위상 변조와 교차-위상 변조가 발생합니다. 이러한 효과는 광섬유 길이와 광 출력에 따라 증가하여 궁극적으로 사용할 수 있는 발사 출력을 제한합니다. DSP는 색분산과 같은 선형 손상을 보상할 수 있지만 비선형성 보상에는 전송된 파형을 기반으로 신호 왜곡을 예측하는 훨씬 더 복잡한 알고리즘이 필요합니다. 일부 고급 구현에서는 송신기에서 비선형성 사전 보상을 적용하여-송신된 신호를 의도적으로 왜곡하여 광섬유 비선형성이 수신기에서 신호를 올바른 모양으로 되돌립니다.

 

폼 팩터 발전과 전력 제약

 

코히어런트 트랜시버는 여러 섀시 슬롯에서 수백 와트를 소비하는 라인{0}}카드 구현으로 시작되었습니다. 2010년경에 도입된 CFP 폼 팩터는 대형 플러그형 모듈에서 약 100W의 전력을 달성했습니다. CFP2 모듈은 2014년까지 이를 40-60W로 줄여 단일 슬롯 일관성 인터페이스를 구현했습니다. QSFP-DD(15W) 및 OSFP(20-25W) 형식으로의 획기적인 발전을 위해서는 위에 설명된 7nm DSP, 실리콘 포토닉스 통합 및 공격적인 전력 최적화 등의 아키텍처 변경이 필요했습니다.

15W QSFP-DD 전력 포락선은 대략 DSP의 경우 6-7W, 변조기와 수신기를 포함한 실리콘 광자 엔진의 경우 2-3W, 드라이버 증폭기 및 트랜스 임피던스 증폭기의 경우 3~4W, 조정 가능한 레이저의 경우 1~2W로 나뉩니다. 이러한 빡빡한 예산으로 인해 수많은 디자인 타협이 불가피해졌습니다. 이중 속도 작동 또는 향상된 FEC 알고리즘과 같은 기능은 전력 제한 내에 맞지 않을 수 있는 처리 부하를 추가합니다. 열 관리가 중요해졌습니다. 소형 모듈에서 15W가 소산되려면 신중한 방열판 설계와 호스트 시스템 공기 흐름이 필요합니다.

OSFP의 더 큰 크기와 20-25W ​​전력 예산으로 더 많은 기능을 구현할 수 있습니다. 메트로 네트워크를 대상으로 하는 OpenZR+ 사양은 OSFP 형식으로 작동하며 통합 광 증폭, 보다 정교한 DSP 알고리즘 및 확장된 온도 범위를 통해 더 높은 출력 전력을 지원합니다. 추가 5~10W는 기본 400ZR 구현에 비해 도달 거리를 120km에서 500+km로 향상시키는 확률적 성형 및 고이득 FEC와 같은 기능을 지원합니다.

공동 패키지 광학 제품은{0}}차세대 통합 개척지를 대표합니다. 플러그형 모듈 대신 CPO는 스위치 실리콘 바로 옆에 포토닉 다이를 배치하여 전기 직렬 변환기-직렬 변환기 및 관련 전력 소비를 제거합니다. CPO 아키텍처에서 일관된 광학 엔진은 플러그형 폼 팩터의 15W와 비교하여 400G 용량의 경우 5W를 소비할 수 있습니다. 이러한 3배의 전력 절감은 더 짧은 전기 경로와 중복된 신호 조절 단계 제거를 통해 이루어집니다. 그러나 CPO는 현장 교체 가능성을 희생하여 제조 및 서비스 물류를 복잡하게 만듭니다.

표준 기관은 상호 운용성과 혁신의 균형을 맞추기 위해 노력합니다. OIF 400ZR 구현 계약은 데이터 센터 상호 연결 애플리케이션에 대한 다중 공급업체 상호 운용성을 보장하는 일관된 기능-64 GBd 기호 속도, DP-16QAM 변조, 지정된 FEC 알고리즘의 특정 하위 집합을 정의합니다. OpenZR+는 보다 유연한 매개변수를 사용하여 이를 지하철 거리까지 확장합니다. Ciena의 WaveLogic 또는 Infinera의 ICE 플랫폼과 같은 독점 구현은 성능을 더욱 향상시키지만 링크의 양쪽 끝에 일치하는 장비가 필요합니다.

 

 

장거리-성능 및 광전력 예산

 

전송 도달 범위는 근본적으로 광 전력 예산({0}}발사 전력과 수신기 감도 간의 차이)에 따라 달라집니다. 400G-ZR 모듈은 일반적으로 통합 반도체 광 증폭기를 통해 0dBm 실행 전력을 달성하고 -20dBm 수신기 감도를 보여 20dB 전력 예산을 제공합니다. 3-4dB 커넥터 손실, 0.2dB/km의 광섬유 감쇠 및 필요한 마진을 고려하면 약 80km 도달이 가능합니다.

Metro{0}}최적화된 트랜시버는 더 높은 발사 성능과 향상된 수신기 감도를 통해 도달 범위를 확장합니다. OpenZR+ 구현은 더 강력한 통합 증폭기를 통해 +4 dBm 실행을 달성하고 향상된 DSP 알고리즘과 저잡음 광검출기를 통해 -24 dBm 감도를 달성합니다. 향상된 28dB 예산은 광 증폭을 사용하여 400km 범위를 가능하게 하거나 80-100km마다 에르븀 첨가 광섬유 증폭기를 사용하여 1,{9}}km를 가능하게 합니다.

장거리-잠수함 시스템은 다르게 작동합니다. 플러그형 트랜시버 대신 +10 ~ +15 dBm 발사 전력을 생성하는 외부 고출력 증폭기가 포함된 라인-카드 구현을 사용합니다. 50-80km마다 광 증폭기를 배치하여 대양 횡단 거리에 걸쳐 신호 강도를 유지합니다. 핵심 측정항목은 스펙트럼 효율성-광 대역폭의 Hz당 초당 비트 수입니다. 고급 구현은 PCS, OSNR이 허용하는 경우 고차 QAM 및 11-12dB 코딩 이득을 제공하는 정교한 FEC를 통해 8-10bits/s/Hz를 달성합니다.

DWDM 다중화는 여러 파장 채널을 단일 광섬유로 집계합니다. 최신 시스템은 C-대역 전체에서 50GHz 간격으로 96개 채널을 지원하거나 더 엄격한 필터링을 통해 25GHz 간격으로 192개 채널을 지원합니다. 완전히 로드된 C+L 대역 시스템은 각각 400G의 200+ 파장을 전달하여 광섬유 쌍에서 80Tbps의 총 용량을 생성할 수 있습니다. 코히어런트 트랜시버는 누화를 최소화하면서 인접한 채널과 공존해야 하며, 날카로운 광학 필터링과 정밀한 파장 안정성이 필요합니다.

재구성 가능한 광 추가{0}}드롭 멀티플렉서는 광-전기-광 변환 없이 유연한 파장 라우팅을 가능하게 합니다. 코히어런트 트랜시버는 복잡한 메시 네트워크의 경우 일반적으로 10~15dB인 ROADM 삽입 손실을 극복하기 위해 신중한 파장 제어 및 적절한 실행 전력을 통해 ROADM과 함께 작동합니다. 코히어런트 모듈의 조정 가능한 레이저는 적응형 네트워크의 핵심 요소인 물리적 모듈 변경이 필요하지 않고 몇 분 만에 파장 재구성을 지원합니다.

 

구현 과제 및 설계 절충-

 

구성 요소 통합에는 지속적인 문제가 있습니다. 실리콘 포토닉스는 도파관 층의 정확한 두께 제어가 필요합니다.-1-2나노미터의 변화는 공진 파장을 이동시키고 성능을 저하시킵니다. III-V 레이저를 실리콘 기판에 이종 통합하려면 서브-미크론 정렬과 저손실 광학 커플링이 필요합니다. 제조 수율은 파운드리 경험을 통해 개선되기는 하지만 여전히 공정 변화에 민감합니다.

열 관리는 소형 폼 팩터를 복잡하게 만듭니다. QSFP-DD 모듈에서 15W의 집중된 전력 손실은 구성요소 접합에서 80도를 초과하는 핫스팟을 생성합니다. 이러한 온도 상승은 레이저 파장을 이동시키고, 실리콘 도파관의 광 경로 길이를 변화시키며, 부품 노화를 가속화합니다. 금속 방열판을 통한 열 확산과 신중한 PCB 열 설계는 이러한 영향을 완화하지만 열 제약으로 인해 최대 성능이 제한되는 경우가 많습니다.

테스트 및 검증으로 개발 일정이 연장됩니다. 코히런트 트랜시버는 온도 범위, 파장 그리드 및 섬유 유형 전반에 걸쳐 10^-15 미만의 비트 오류율을 보여야 합니다. 프로토콜 적합성 테스트는 이더넷 프레이밍, OTN 캡슐화 및 관리 인터페이스를 확인합니다. 상호 운용성 검증에는 여러 장비 공급업체와의 테스트가 필요합니다. 이 프로세스는 일반적으로 첫 번째 실리콘부터 생산 릴리스까지 18~24개월이 소요됩니다.

비용 구조는 직접 감지 광학 장치와-다릅니다. 특수한 DSP, 광자 통합 및 조정 가능한 레이저 구성 요소는 더 높은 기본 비용을 발생시키고 외부 분산 보상을 제거하고 더 긴 도달 거리를 지원하여 상쇄됩니다. 제조 규모에 따라 단위 비용이 발생합니다.-연간 100,000개 단위로 실리콘 포토닉스는 개별 조립과 비용 동등성을 달성합니다. 수백만 개의 단위에서 실리콘은 50-60%의 비용 절감 효과를 제공합니다.

표준 조각화로 인해 배포가 복잡해졌습니다. 400ZR은 광범위한 채택을 달성했지만 OpenZR+ 및 독점 형식과 같은 확장 기능은 시장을 세분화합니다. 일치하는 트랜시버 구현이 필요한 장비는 공급업체 종속을 만들고-여러 공급업체 네트워크를 복잡하게 만듭니다.- 업계 컨소시엄은 더 큰 표준화를 위해 노력하고 있지만 성능 차별화 인센티브는 독점 확장입니다.

800G 및 1.6T로 전력을 확장하면 모든 한계가 동시에 향상됩니다. 전력 예산을 유지하면서 데이터 속도를 두 배로 늘리려면 5nm 또는 3nm DSP, 향상된 변조 형식 및 향상된 광자 통합이 필요합니다. 단순히 400G 아키텍처를 선형적으로 확장하면 전력 한계와 열 제한을 초과하게 됩니다. 아날로그 신호 처리, 광 도메인 균등화, 이기종 칩렛 아키텍처와 같은 새로운 기술은 이러한 제약을 깨는 것을 목표로 합니다.

 

시장 역학 및 애플리케이션 부문

 

데이터 센터 상호 연결 애플리케이션은 초기에 일관된 플러그형 채택을 주도했습니다. 40-120km 떨어진 시설을 연결하는 클라우드 제공업체는 매년 수백만 개의 장치에 400ZR 모듈을 배포하여 전용 전송 장비를 라우터{4}}직접 라우터 간 연결로 교체했습니다. 이 "IP over DWDM" 아키텍처는 네트워크를 단순화하고, 전력 소비를 줄이며, 더 적은 장비 유형과 운영 모델을 통해 경제성을 향상시킵니다.

통신 사업자는 서로 다른 요구 사항을 유지합니다. 200-2,000km에 달하는 대도시 및 지역 네트워크에는 DCI 최적화 모듈이 제공하는 것보다 더 높은 성능이 필요합니다. 통신업체-등급 기능에는 향상된 모니터링, 무중단 파장 조정, 통신업체급 신뢰성 표준이 포함됩니다. OpenZR+ 및 독자적인 일관성 구현은 더욱 뛰어난 DSP, 향상된 광학 성능 및 광범위한 운영 지원을 통해 이러한 요구 사항을 해결합니다.

해저 케이블 시스템은 성능의 정점을 나타냅니다. 대양 횡단 링크는 접근할 수 없는 배치 위치에서 파이버당 최대 용량과 최고의 신뢰성을 요구합니다. 이러한 시스템은 특정 링크에 최적화된 맞춤형 일관성 구현을 사용합니다.{2}} 측정된 광섬유 특성을 기반으로 한 신중한 변조 선택, 더 긴 재생 기간을 허용하는 최대 코딩 이득 FEC 및 광범위한 중복성을 사용합니다. 25+년의 케이블 수명에는 일반적인 상용 표준을 초과하는 구성 요소 인증이 필요합니다.

5G 전송은 응집성 광학에 대한 새로운 수요를 창출합니다. 모바일 네트워크 밀도와 대역폭 증가로 인해 셀 사이트 백홀 및 미드홀 연결에 대한 파이버 요구 사항이 증가합니다. 산업 온도 범위를 지원하는 코히런트 트랜시버를 사용하면 원격 또는 거리 캐비닛에 실외 배포가 가능합니다. 컴팩트하고 전력 효율적이며 환경적으로 강화된 패키지의 100G 일관성 구현은 이 부문을 대상으로 하며 비용과 견고성을 고려하여 최대 성능을 제공합니다.

기업 네트워크는 역사적으로 더 짧은 거리와 더 낮은 대역폭 요구 사항을 고려하여 직접 감지 광학 장치를 사용했습니다.{0}} 그러나 400G 캠퍼스 백본과{3}}빌딩 간 연결은 일관성 있는 경제성을 점점 더 정당화하고 있습니다. 플러그형 폼 팩터와 비용 절감을 통해 배포가 단순화되어 기존 통신업체 네트워크를 넘어 접근 가능한 시장이 확장됩니다.

 

기술 로드맵 및 향후 방향

 

800G 코히어런트 트랜시버는 5nm DSP와 향상된 변조 방식을 사용하여 2024년에 생산에 들어갔습니다. 16-QAM 또는 8-QAM 변조의 90-100GBd 기호 속도에서 이 장치는 유사한 폼 팩터에서 400G 용량을 두 배로 늘립니다. 열 관리 기능의 가장자리에서 OSFP 구현의 경우 전력 소비가 18~22W로 증가했습니다. 기존 광섬유 인프라의 용량을 두 배로 늘리면 비용이 많이 드는 광섬유 공장 확장이 지연되는 고용량 링크에 대한 경제적 사례는 여전히 매력적입니다.

1.6T 코히어런트는 현재 개발 분야를 대표합니다. 시연에서는 8-QAM 변조를 사용한 140GBd 작동을 통해 이 속도를 달성했지만 상용 배포에서는 3nm DSP 가용성과 추가 광자 통합 개선이 필요합니다. 또는 듀얼{10}캐리어 800G 구현은 단일 모듈에서 두 개의 800G 채널을 멀티플렉싱합니다. 최적의 경로는 전력 효율성, 비용 목표, 출시 기간 고려사항에 따라 달라집니다.

전기 DSP 외에도 광 신호 처리는 잠재적인 전력 절감 효과를 제공합니다. 광자 회로를 사용하여 광학 영역에서 일부 등화, 분산 보상 또는 위상 복구를 수행하면 DSP 계산 부하를 줄일 수 있습니다. 그러나 광학 처리에는 디지털 알고리즘의 유연성과 적응성이 부족하여 잘 특성화된 특정 장애에 대한 적용이 제한됩니다.{2}}

양자 통신은 양자 키 분배를 위한 일관된 기술을 탐구합니다. 양자 상태에 필요한 정밀한 위상 및 편광 제어는 일관된 트랜시버 기능을 활용합니다. 오늘날 틈새시장에 있는 양자 네트워크는 일관성 있는 하드웨어를 기반으로 채택하여 기존 광통신과 양자 광통신 간의 시너지 효과를 창출할 수 있습니다.

인공 지능 애플리케이션은 대역폭 요구 사항을 더 높게 만듭니다. 대규모 언어 모델을 학습하면 계산이 수천 개의 GPU에 분산되어 매월 엑사바이트 단위로 측정되는 동{1}}데이터 센터 트래픽이 생성됩니다. 이 트래픽은 심지어 단일 건물 내에서도 뛰어난 용량-거리 제품을 위해 응집성 광학을 점점 더 많이 사용하고 있습니다. AI 워크로드가 증가함에 따라 일관된 트랜시버 볼륨의 지배적인 동인이 될 수 있습니다.

 

결론

 

코히어런트 트랜시버의 고급 기술 요구 사항은 기본적인 물리적 제약과 성능 목표에서 비롯됩니다. 광학 위상 및 편광을 조작하려면 나노미터{1}}규모의 광자 구조 제어가 필요합니다. 수 기가헤르츠 속도로 기호당 기가비트를 처리하려면 최첨단-디지털 신호 프로세서가 필요합니다. 이러한 기능을 소형의 전력 효율적인-패키지에 통합하면 반도체, 포토닉스 및 패키징 기술이 한계에 도달하게 됩니다.

여러 분야에 걸쳐 조화로운 발전을 통해 발전이 계속됩니다. DSP 설계자는 프로세스 노드를 축소하고 알고리즘을 최적화합니다. 포토닉스 엔지니어는 더 나은 변조기와 더 낮은-손실 통합을 개발합니다. 시스템 설계자는 대상 애플리케이션에 대한 변조 형식, 기호 속도 및 FEC 오버헤드의 균형을 맞춥니다. 그 결과 용량, 범위 및 비용 효율성이 꾸준히 향상되어-네트워크 기능 확장이 가능해졌습니다.

코히어런트 트랜시버에 이러한 고급 기술이 필요한 이유를 이해하면{0}}광 네트워크를 구성하는 엔지니어링 균형을 밝힐 수 있습니다. 모든 설계 선택-7nm 대 5nm DSP, 실리콘 대 리튬 니오베이트 변조기, 16-QAM 대 8-QAM 변조에는 성능, 전력 및 비용 영향에 대한 신중한 분석이 포함됩니다. 이 기술은 만족할 수 없는 대역폭 수요와 반도체 산업 발전에 힘입어 빠르게 발전하고 있습니다.