相干光通讯技术面向服务提供商边缘和接入的网络应用

  以经济有效和操作简单的方式满足带宽需求

  摘要

  服务提供商的边缘和接入网络正在继续发展。由于向消费者和企业客户提供令人兴奋的新应用，带宽需求成倍增长，他们基于旧的光传输技术的传统网络基础设施，无法扩展到将来处理这些需求所需要的带宽。需要新的技术和策略来升级目前支持10G链路的有线和无线网络的基础设施，使其能够支持100G及以上的光链路，同时还要适应现有的许多不同的光纤类型，如点对点、DWDM和BiDi链接。本文讨论了相干光技术的进步如何为应对这些挑战铺平道路，为服务提供商提供他们所需的路径，以满足今天和未来不断增长的带宽需求。

  服务提供商的边缘和接入需求继续增长

  应用正在推动离终端用户更近的网络边缘对带宽的需求增加。为消费者和企业客户提供服务的新的和下一代应用是边缘和接入带宽需求增长的主要原因。根据思科的年度互联网报告[1]，预计到2023年，全球超高清互联网连接的4K电视将占平板电视的66%(8.91亿)。预计到2023年，家庭自动化、家庭安全和视频监控等互联家庭应用将占所有机器对机器连接的近一半(估计机器对机器连接总数为147亿)。此外，根据CableLabs [2]的数据，到2019年12月，有线电视千兆网已经覆盖有线电视宽带供应商联通的所有美国家庭的93%，可获得的下载速度每年增长约50%(CAGR)。

  根据《年度互联网报告》，家庭以外的应用，如车辆导航/诊断/娱乐和车队管理，预计将代表增长最快的机器对机器领域，到2023年的年复合增长率为30%。到2023年，用于多个行业领域的物联网(IoT)设备预计将占到全球所有联网设备的50%(147亿)。

  除了上述的带宽增长的驱动力，其他应用，如游戏、远程医疗和自动驾驶汽车，以及用于混合云连接到集中云网络的高容量企业服务，预计也将推动服务提供商边缘和接入网络的带宽需求上升。

  为支持聚合住宅客户流量和企业业务服务而部署的有线和无线网络基础设施，正在推高带宽容量，超过了基于传统光传输技术的传统基础设施的能力。例如，预计5G无线连接产生的流量将是4G连接的3倍左右。所有这些带宽增长的驱动力都给传统的光通讯服务提供商的边缘和接入基础设施带来了挑战，以支持这些流量。

  相干光技术面对广泛的接入挑战

  接入网络架构的一个共同主题是，网络运营商希望在确保有足够的网络容量方面保持领先优势，来满足不断增长的带宽需求。为了实现这一目标，许多接入架构需要进行扩容，它们可能至少包括以下一种链路设计，每一种都有其自身的挑战。

  · 专用的点对点(P2P)光纤链路

  · 更高容量的密集波分复用(DWDM)链路

  · 需要单纤双向(BiDi)P2P或DWDM链路的光纤受限路线

图1. 服务提供商网络边缘/接入部分的不同连接解决方案的例子。

  本文研究了在这些不同类型的接入网络拓扑结构中增加带宽的不同挑战，并讨论了相干光技术如何提供一个可扩展的解决方案来解决高带宽需求，以及在将带宽增加到100Gbps及以上时，这些网络的运营和可扩展性优势。

  专用的点对点光纤链路

  不需要光放大或DWDM就能到达服务提供商边缘/接入终端设备的光纤部署，依赖于经济优化的专用P2P光纤链路，在城域核心和边缘/接入汇聚终端设备或企业站点之间使用一对光纤。在此，我们使用专用P2P光纤这一术语来表示用于单一应用或客户服务的光纤链路的端点之间的数据路径。如本文后面所述，在一些光通讯实施方案中，光链路可以利用多个间隔较远的波长，构成专用P2P光纤链路的单一数据路径。

图2. 典型的专用点对点光纤链路。

  随着这些类型的网络的带宽需求增加，遇到了一些限制，因为传统的光传输技术在扩展到100Gbps及以上时有距离限制。对于服务提供商的边缘和接入网络，有一个新的要求，把直接从传统的10Gbps发展到100Gbps的光链接，作为增加带宽的首选手段。一个有吸引力的解决方案是能够在不需要改变网络架构的情况下提供10倍的带宽容量，从而最大限度地降低总拥有成本。

  更高的数据速率在冲击传统的专用P2P光纤解决方案的极限

  在单模光纤上的可插拔式光收发模块解决方案中使用的传统直接探测光传输技术，在通过服务提供商的边缘/接入网络以10Gbps的速度提供可靠的专用P2P光纤方面，为业界提供了良好的服务。然而，超过10Gbps后，使用的便利性变得更具挑战性。使用直接探测技术将专用P2P光纤链路的带宽从10Gbps提高到100Gbps，有赖于在100Gbps的子倍数的多个光通道上进行传输(参见100Gbps边缘/接入的直接探测和相干性比较)，如25Gbps的四个通道。使用相同的技术来解决超过10公里的边缘/接入是具有挑战性的。为了尽量减少光纤色散造成的损害，这四个波长需要保持在1310纳米范围内。在这个波长范围内扩展到更远的距离将需要额外的功率余量来克服光纤损耗。例如，与10公里相比，扩展到80公里的长距离不仅需要额外的28dB*功率余量，而且还会有来自光传输损伤的额外损失，如色散和偏振模色散(PMD)。

  边缘/接入的独特要求

  除了可插拔式直接检测解决方案在扩展到更高带宽和覆盖范围方面的技术限制外，服务提供商边缘/接入网络的情况也提供了其自身的独特挑战。多年来，在网络的各个部分部署了具有一系列损耗和色散特性的不同类型的光纤，以优化不同年代传输技术的传输。这一系列的光纤类型包括ITU-T G.652A/B/C/D、G.653、G.654、G.655、G.656和G.657。因为安装光纤需要大量的资本投资，所以每当有新的技术进步时，就把光纤扯掉是没有意义的。相反，可能需要对终端设备的光收发机/应答器进行调整，以便在传统的非优化光纤上运行。

  如图3所示，在边缘/接入网的光纤线路上有多个隔板光纤连接器和熔接点是很常见的。这些的累积效应是损耗和反向反射的累积(因不干净的连接器而加剧)，这对直接探测链路的光传输性能是有害的。

*假设衰减量为0.4分贝/公里。

图3. 接入链路中的额外余量将为部署提供操作上的灵活性，从增加可寻址到达的数量到可能避免需要卡车滚动

来 "拍摄光纤"(OTDR测量)的需要，特别是对于使用直接探测传输被认为是边缘的路线。

  为了说明取决于光纤工厂条件(光纤类型、连接器反射和损耗)的众多潜在损伤，在认证一条链路为可操作链路之前，可能需要卡车卷 (truck rolls) 对每条光纤线路(色散、PMD、光纤损耗和反射)进行表征，以确保在链路余量不确定的情况下可以关闭一条光路。

  除了光纤类型和连接器/接头引起的损伤外，还必须考虑服务提供商边缘/接入网络的环境条件。边缘/接入设备终端可能位于不受控制的室外机柜中，要求光模块承受的温度范围会超过通常在室内温控环境中的温度。要管理多激光器直接探测解决方案的性能以满足整体传输要求，包括较长距离的链接，可能会使户外温度适应性成为一个挑战。

  DWDM接入汇聚链路

  多条专用P2P光纤链路汇聚到一个网络节点(如图1所示)是很常见的，如服务提供者边缘或接入汇聚站点，流量被组合成较大的多传输带宽管道，通过DWDM链路传输到网络的核心。这些DWDM链路可以是放大的或未放大的(图4)。

  图4. 典型的DWDM链路，可能被放大或不被放大。

  这些链路比专用的P2P光纤链路更复杂，因为它们需要额外的光复用/解复用组件，还可能包括光放大器，以便在不沿光纤路径进行电气再生的情况下延长链路。

  每个单独的DWDM波长都经历着与单波长专用P2P光纤链路类似的损伤。利用可调谐激光器的功能，一个普通的模块可以用来覆盖多个DWDM通道，从而降低了部署和节约成本。

  单纤双向(BiDi)链路

  获得路权和挖掘街道以安装光缆是部署服务提供商边缘和接入光基础设施以解决带宽需求持续增长的主要障碍。这种困境导致了城市、郊区、农村和大都市等各种环境中的光纤受限情况。之前讨论过的服务提供商边缘和接入网络中的专用P2P和DWDM链路通常都采用单模双工光纤，从站点A到Z的数据传输在一根光纤上进行，而从站点Z到A的数据传输则不同(图2和4)。

  服务提供商依靠单股光缆在该基础设施上提供服务的情况并不罕见，特别是当服务提供商与其他公司共享一个电缆束或管道空间时。在这些单光纤线路中，光传输是在同一根光纤上双向传输和接收的，而不是在更典型的双工光纤线路中的不同光纤。一个复杂的挑战是如何在单纤BiDi线路上对传统的带宽/距离有限的光直接检测技术进行升级，因为前面讨论的光纤损伤也会影响BiDi线路。

  与其挖掘街道，不如在服务提供商的边缘/接入单光纤线路上增加带宽的另一种方法是，升级在终端设备端点使用的BiDi传输技术。

  图5a和5b说明了单光纤链路和DWDM链路的BiDi部署的例子。图5a说明了一个可用的单光纤路径的例子，其中A到Z的传输和Z到A的传输在不同的波长上沿着同一光纤路线双向行驶。图5b说明了一个类似的A到Z的情况，只是使用了DWDM传输。

(a)

(b)

  图5. 服务提供商边缘/接入网络中的光传输(a)单光纤BiDi链路和(b)DWDM单光纤BiDi链路-- 在这两种情况下，每个数据传输流的发射波长与接收波长不同。

  如图5所示，用于单纤BiDi部署的光收发模块必须具有在独立波长上发射和接收的能力，这一能力取决于模块的设计。

  相干光通讯技术解决了服务提供商边缘和接入方面的挑战

  光相干技术从早期的需要整条线路的电子和光学设备到现在已经有了长足的进步。今天，这种技术可以装在一个小型的、紧凑的可插拔模块中，通过硅光电子学、光电子集成和低功耗的CMOS工艺节点的进步，这种技术已经成为可能。这些持续的创新使相干光通讯解决方案能够进入更短的应用范围(图6)，如服务提供商的边缘和接入网络。

图6. 相干光通讯解决方案正朝着更短的范围发展。

  与用于服务提供商边缘和接入链路的带宽/距离有限的直接检测解决方案不同，相干光通讯技术可以在任何部署的光纤类型上轻松地缩小与更高带宽和更远距离的差距。相干光通讯技术还提供了一个操作简单的解决方案，这在推动其在更远距离环境中的采用方面发挥了重要作用。让我们更详细地探讨这些优势中的一些。

图7. 100Gbps QPSK调制的无错误相干光传输实例，可容忍多种损伤(仅显示一个传输方向)。

  相干光传输能够容忍各种服务提供商的边缘/接入线路损伤

  相干光通讯解决方案有能力以电子方式克服色度和PMD传输损伤，这使得传输能够以即插即用的方式适应不同的边缘/接入光纤类型和条件。它还能容忍来自多个光纤连接器/接头接口的损耗和反向反射的不利影响。

  与强度调制的直接探测传输不同，在光纤线路上遇到的反射会在传输链路中产生噪声，而相干光调制格式，如QPSK，对光学反射的容忍度要高得多。由于单激光相干发射器在单模光纤中最低损耗的1550纳米窗口中工作，而相干光接收器由于其相干检测技术而具有极高的灵敏度，相干光可插拔模块具有充足的功率预算。这使它们不仅能够补偿由于多个光纤连接器/接头造成的损失，还能解决长传输链路。

  图8说明了色散的影响和光纤路线上的损耗如何导致100Gbps直接检测解决方案的覆盖范围受到限制。相比之下，相干光解决方案对损伤有更高的容忍度，以额外的余量和更长的到达能力的形式提供更好的性能。

图8. 直接探测解决方案在一定距离上达到了一个极限，而相干光解决方案将在这个极限之外继续运行。

  相干光通讯技术的其他一些主要好处包括以下几点。

  监测、诊断和故障排除。 可插拔式相干光收发器内置了监测和诊断功能，以确保数据传输的稳定性。如前所述，与同等的直接探测链路相比，相干光的100Gbps解决方案具有非常宽的接收器动态范围，这使得相干光链路能够容纳光环回，以进行故障诊断。相比之下，一些直接检测解决方案在接收器处包括内部光放大器，以关闭较长的链接，导致直接光环回故障排除由于接收器过载而无法实现。

  可靠性。 在专用P2P光纤链路的情况下，可插拔的直接检测100Gbps解决方案依赖于将单次传输流量分割到四个发射器激光器上，这可能需要在其发射器光功率范围的高端运行，特别是对于边缘/接入网的长距离链路。对于这些链路，可能还需要在接收端进行有源光放大，以关闭该链路。因此，在确定这些类型的模块的可靠性时，必须考虑到总共八个有源元件。相比之下，用于双工操作的可插拔式相干光100Gbps解决方案只利用了一个有源光学元件，即传输激光器，这使得它比直接检测解决方案更可靠。所有这些优点导致了操作的简单性和更短的配置时间，这可以为服务提供商的边缘/接入网络节省操作费用。

  扩展到更高的数据率

  可插拔式相干光解决方案可在相同或更远的距离上实现更高的数据速率。与今天的接入数据速率相比，更高速率的相干光选项已经可以在小尺寸的可插拔模块中使用，为满足服务提供商边缘/接入带宽增长的需求提供了现成的途径。超过100Gbps的相干光传输解决方案已经相当成熟，因此，相干光通讯技术在近期内对服务提供商的边缘和接入扩展到更高带宽没有根本性的障碍。

  Acacia的解决方案

  Acacia的服务提供商边缘和接入相干光可插拔解决方案，是为服务提供商的边缘和接入应用而设计的，有一系列的模块来解决不同的网络应用，如单次传输的P2P链路、DWDM链路和单光纤BiDi链路。Acacia的100Gbps相干光插件，这种已近广泛用于客户端光学解决方案的四个小尺寸双密度(QSFP-DD)的插件，是专门为服务提供商边缘和接入应用中的优化而设计的，包括80公里及以上的非放大链路，以及放大或未放大的DWDM链路。它们旨在为网络运营商提供扩展到更高数据速率的能力，以满足在一些最具挑战性的光链路上不断增长的带宽需求，同时还提供操作的简便性，可能导致整体网络的节约。

图9. 在硅片中的集成为相干光收发器提供了一条路径， 可以为服务提供商边缘/接入网提供紧凑的可插拔QSFP-DD和CFP2模块。

  Acacia的相干光BiDi CFP2模块为网络运营商提供了一种高效和经济的方式，可以将单光纤以及不同的发送/接收网络架构的容量提高到100Gbps甚至更高。关于相干光BiDi解决方案与双工光纤P2P或DWDM解决方案的区别的更多细节，请参阅相干光BiDi的设计优化插页，会详细解释如何在相干光收发器中实现这一功能。

  对于单光纤BiDi传输，需要一个分光器/合光器(对于BiDi点对点)或一个波长多路复用器/解复用器(对于BiDi DWDM)，以便从双端口配置转换为单端口连接器配置。该模块同时支持以太网和OTN标准化客户协议。

  Acacia的100Gbps P2P和DWDM QSFP-DD模块以及相干光BiDi CFP2模块都具有Acacia的3D硅集成化技术，它利用大批量的制造工艺，并受益于Acacia的硅光电子技术的成熟。图10说明了光/电元件整合的进展是如何让相干光模块尺寸缩小的。利用硅光电子技术替代离散的笨重光学元件，并将其功能整合到基于CMOS的硅芯片中，这是减少模块尺寸的一个关键因素。

  三维硅集成将遵循电子世界的例子，将三维堆叠等集成技术应用于电子和硅基光电子集成电路(PIC)共封装。这种方法使关键部件集成到一个紧凑的封装中成为可能，并减少了电气互连的数量，同时保持了强大的信号完整性。涉及硅基光电子的集成，是在已经批量生产和高量率的半导体制造工艺中进行的。

图10. 相干光模块的尺寸随时间的变化。

  结论

  5G、游戏、远程医疗、自动驾驶汽车和云计算等应用正在推动网络边缘的网络流量增加，这给传统服务提供商的边缘和接入网络带来巨大压力。提供这些新服务和应用所需的带宽量，预计将高于传统基础设施在传统光传输技术基础上所能支持的水平。这促使服务提供商不仅要寻找提供100Gbps光链路的方法，这也对传统的直接探测解决方案构成了挑战，而且还要确保这些新的解决方案能够在现有的专用P2P光纤、DWDM和BiDi基础设施上得到支持。

  基于最近在硅基光电子学、光电子集成和低功耗的CMOS工艺节点等方面的进展，相干光技术已经成为应对这一挑战的有效途径。这些进展使Acacia能够开发并向市场推出一整套边缘和接入的相干光可插拔模块，旨在解决不同的网络应用，如专用P2P光纤链路、DWDM链路和单光纤BiDi链路。利用这些解决方案，可以使网络运营商在未来扩展到更高的数据速率时，以一种经济有效和操作简单的方式克服他们目前面临的许多挑战。

  参考文献:

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

  2 CableLabs网站：https://www.cablelabs.com/gigabit-internet-speed

  逍遥科技 | 编译自 ACACIA Communications.Inc