OpenZR+ 400G数字相干光模块——为多种长距离传输应用而生

  前言

  为了在控制好资本支出和运营成本的前提下同时支撑不断增长的数据流量，网络运营商面临着持续的挑战，光网络器件也在不断迭代，而这些迭代是以技术的进步为前提的。在光网络中，这些进步有时以新技术的形式出现，例如密集波分复用(DWDM)或相干检测。在其他情况下，这些进步是逐步的，从摩尔定律、集成光子学，到更高带宽的组件技术。有时，技术的进步使得网络运营商得以改进网络的整体架构，这样带来的总收益比逐个提升网络组件的方式要大。

  在过去的十年中，基于数字相干检测的光传输技术通过提高传输容量而显著提高了每比特成本。为了获得更高的容量，供应商增加了组件的带宽、利用高阶调制，并改进了算法，例如前向纠错(FEC)。同时，CMOS工艺和集成光子技术的进步使得更小的可插拔封装和更低的功耗成为可能。

  随着相干接口从笨重的分离式解决方案演进到可插拔方案，相比数据中心使用的客户端光模块，传输网络中使用的光模块通常存在密度不够的问题。运营商试图通过用更大的封装尺寸来提供更高的数据速率以克服这一问题，但这种方式仍然需要定制用于光传输应用的硬件。长期以来，网络运营商一直希望传输光模块具有与客户端光模块相同的速率和封装，就像10G网络可以使用SFP+封装实现一样。

  传输光模块采用与客户端相同的封装对网络运营商来说是有益的，因为这样可以部署更简单的网络架构来降低成本。结合近来开放线路系统的行业趋势，这些传输光模块可以直接插入路由器使用而无需外部传输系统。这样可以简化控制平台，同时降低成本、功耗和占地面积。

  随着一些超大规模网络运营商开始规划400G架构，他们发现了一个可以解决120km以内的数据中心互连(DCI)的机会。在这样的背景下，光互联网络论坛(OIF)于2016年启动了一个项目，旨在标准化可互操作的相干光器件接口，其功率预算可以支持QSFP-DD和OSFP之类的封装，以期用于部署400G客户端光模块。OIF建议的这些封装聚焦于可以牺牲性能的特定应用，因为其需要满足15W模块功率目标。

  OIF证明了相干的互操作标准是可能的，并且其提出的400ZR解决方案在业界得到了推动。同时，系统运营商证明，这些高密度封装的热性能还有提升的空间，允许DSP和模块运营商让采用这些封装的光模块支持附加功能和提供更高的性能。在OIF成功的基础上，其他标准组织(例如Open ROADM)为包括附加功能和更高的性能的数据中心互连以外的应用定义了标准。Open ROADM专为需要支持其他协议来增加开销位的比率的基于OTN的网络而设计。

  针对基于以太网的光传输网络，OpenZR+可以提供增强的功能和性能，同时降低了复杂性、功耗和实施成本。在OIF和Open ROADM的基础上，OpenZR+让网络运营商在不牺牲模块之间互操作性的情况下获得这些好处。本文将讨论一些可以从OpenZR+受益的特定案例。

  oFEC是符合OpenZR+ MSA的数字相干光学的关键技术。oFEC引擎是基于块的编码器和反复的软决策(SD)解码器。经过3次SD迭代，净编码增益在BER 1E-15(DP-QPSK)情况下为11.1dB，在BER 1E-15(DP-16QAM)情况下为11.6dB，pre-FEC BER阈值为2E-2。编码器和解码器的总延迟小于3μs。更高的增益FEC允许OpenZR+模块实现更大的传输距离并克服链路障碍，例如狭窄的滤波或分散效应，而低延迟则在各种接入网和数据中心应用中都是有益的。

  相对于400ZR，400G OpenZR+ MSA规范的主要优点是：

  4×100GE多路复用模式

  长距离传输性能模式

  扩展了暗光纤应用的传输距离

  4x100GE多路复用

  在所有路由器尚未迁移到400GE的运营商网络中，在OpenZR+光模块中部署4x100GE多路复用非常有价值。这种4x100GE模式可以让支持400GE功能的路由器和具有100GE功能的路由器互通。采用这种布局的例子如下所示。承载400G OpenZR+光模块的4x100GE多路复用器可以将路由器上的400G OpenZR+接口分支连接到远端路由器上的4个100GE QSFP28端口。

  适用于400G OpenZR+的4×100GE用例

  应用于长距离传输的OpenZR+

  随着相干技术的发展使得400G DWDM可以通过QSFP-DD光模块的封装实现，我们需要提出如下关键问题：

  我们需要哪种类型的线路系统?

  我们真的可以将400G OpenZR+应用于长距离传输吗?

  对于各种OpenZR+模式，我们可以获得哪些类型的传输距离?

  OpenZR+的线路系统

  为了理解线路系统设计的含义，我们应该搞清楚我们部署的相干OpenZR+发射器和接收器有哪些要求。

  影响终端站点分插复用器的OpenZR+的关键发射器规格如下：

  400G OpenZR+模式的发射功率为-10dBm。这样较低的发射功率需要在分插复用器的“插”路径上添加放大器。

  波特率为60GBd/s。为实现该条件，分插复用器和终端必须支持至少75GHz的带宽。在大多数基于耦合器或基于无热阵列波导光栅(AAWG)的分插复用器和波长选择开关(WSS)模块中。

  带外的光信噪比(OSNR)为23dB。低带外OSNR的环境下难以使用耦合器，所以首选滤波片式的分插复用器。

  针对OpenZR+的影响终端站点分插复用器的关键的接收器规格如下：

  接收器噪声限制的功率灵敏度为-12dBm。要实现该条件，在多路分插复用器的“分”的部分可能需要一个放大器。

  下图总结了400G OpenZR+的典型线路系统布局。

  OpenZR+的分插和终端布局

  在长距离传输应用中，大多数线路系统都使用可重新配置的光分插复用器(Flex-grid ROADM)以Nx6.25GHz的增量实现信道规划的灵活性，并采用EDFA和反向传播拉曼放大器的混合配置来最大化链路的OSNR。

  为了在这样的基础架构上启用400G OpenZR+，我们需要使用适当的分插结构。以下是存在的一些分插选项：

  插入损耗小于6dB的32通道150GHz间隔的AAWG

  插入损耗小于6dB的48通道100GHz间距的AAWG(发射和接收方向上配置EDFA)

  插入损耗小于6dB的64通道75GHz间距的AAWG(发射和接收方向上配置EDFA)

  插入损耗为10dB至12dB的6至10通道耦合器

  操作员需要做的是使用Mux或AAWG配置好终端，并使其OSNR大于32dB。

  长距离传输性能模拟

  在本节中，我们将回顾几种不同样本的线路系统的性能。

  常见的假设是80km的G652 SMF28区间和GN模型，以考虑线性和非线性光信噪比促成的作用。在此设计中考虑了商用9端口或20端口Flex-grid WSS，可变增益EDFA和1W的反向传播拉曼放大器。放大器还嵌入了中级DGE，以管理拉曼放大器带来的增益纹波。

  EDFA放大器在5.5dB的噪声系数下工作，采用EDFA和拉曼放大器的链路的综合噪声系数为0.6dB。

  OpenZR+ MSA规范中描述了光模块接收器的性能指标，其中需要考虑的关键方面如下：

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

  (2)OSNR损耗为0.5dB时的最大色散补偿——400G为20,000ps/nm，300G为40,000ps/nm，200G为50,000ps/nm，100G为100,000ps/nm;

  (3)OSNR损耗为0.5dB时的最大偏振模色散(PMD)——400G为20 ps，300G和200G为25ps，100G为30ps;

  (4)OSNR损耗为1.3dB时最大的偏振相关损耗(PDL)为3.5dB;

  (5)100GHz信道间隔的滤波损耗和串扰损耗可忽略不计。

  仅采用EDFA放大器时，可以提高的OSNR损耗预算为1.5dB;同时采用EDFA和拉曼放大器时，可以提高的OSNR损耗预算为2dB。

  示例1：仅部署EDFA放大器的480km单模光纤网络

  让我们以采用康宁G.652 SMF28光纤和EDFA放大器实现包含0.22dB/km的6个80km跨度的总跨度在480km以上的光纤链路为例。所使用的分插结构是48通道100GHz AAWG滤波器。

  仅部署EDFA放大器的6x80km G.652 SMF28光纤链路

  通过发射端带内OSNR、分插串扰、分插EDFA ASE噪声、终端WSS滤波和功率型EDFA噪声提供至少32dB的OSNR。

  整个链路的OSNR计算方式如下：

  注意：

  NF=放大器的噪声系数(以dB为单位)

  引脚=放大器的输入功率(单位为dBm)=放大器的发射功率(单位为dBm)–跨度损耗(单位为dB)

  eta=信道功率为1mW参考值时的非线性OSNR(单位为dB)。当OSNR以光功率的平方(使用dB单位时为2倍)缩放时，eta的每一个不同功率都会产生非线性噪声。eta是根据光纤参数、波特率和使用的信道间隔来计算的。

  在最坏情况下(老化、温度、频率、大样本量、接收功率为-12dBm)24dB的背靠背OSNR容限和1.5dB的传输损耗时，留有0.44dB的余量。

  示例2：部署EDFA和拉曼混合放大器的1040km单模光纤网络

  让我们以采用康宁G.652 SMF28光纤和EDFA放大器实现包含0.22dB/km的13个80km跨度的总跨度在1040km以上的光纤链路为例。所使用的分插结构是48通道100GHz AAWG滤波器。

  部署EDFA和拉曼放大器的13x80km G.652 SMF28光纤链路

  通过发射端带内OSNR、分插串扰、分插EDFA ASE噪声、终端WSS滤波和功率型EDFA噪声提供至少32dB的OSNR。

  整个链路的OSNR计算方式如下：

  在最坏情况下(老化、温度、频率、大样本量、接收功率为-12dBm)24dB的背靠背OSNR容限和2dB的传输损耗时，留有0.04dB的余量。

  小结

  下面总结了各种OpenZR+模式在SMF28光纤上的性能结果。

  结论

  OpenZR+ MSA提供了一个可以插入一系列路由、交换机或光传输主机平台中的数字相干光模块。通过400G、300G、200G和100G模式，也可以解决长距离传输应用。4x100GE多路复用模式允许通过DWDM链路连接支持400GE和100GE的设备。