Наблюдения Дарвина за естественной адаптацией привели к созданию теории эволюции, которая сегодня признана как непрерывное совершенствование живых организмов. Природа изобилует примерами: жирафы отрастили длинные шеи, чтобы доставать до высоких листьев, недоступных другим животным; гепарды обладают мощными ногами и стройным телосложением, чтобы обгонять антилоп, а современные Homo sapiens развили речь, ловкость рук и расширенную лобную кору, что позволило им заниматься глубоким мышлением, планированием и сложным социальным взаимодействием.
Изобретение транзистора в 1947 году позволило разработать кремниевые интегральные схемы (ИС) и породило еще одну эволюционную теорию: знаменитый закон Мура. Это стимулировало развитие кремниевых ИС: современный 14-ангстремный техпроцесс примерно в 10 миллионов раз плотнее, чем шесть десятилетий назад, что привело к появлению таких устройств, как процессоры (CPU), графические процессоры (GPU), тензорные процессоры (TPU) и цифровые сигнальные процессоры (DSP).
Как эволюционировала когерентная оптика?
Используя закон Мура, DSP стали достаточно мощными и эффективными для сложной обработки, необходимой для когерентной передачи по оптическому волокну. Когерентные DSP обеспечили еще один виток эволюции: от простой оптической передачи с амплитудной манипуляцией (OOK), ограничивавшей практическую скорость передачи данных до 10 Гбит/с, к когерентной передаче со скоростями 40 Гбит/с и 100 Гбит/с на начальном этапе, и до 1,6 Тбит/с сегодня.
Первые когерентные DSP, разработанные по техпроцессам от 130 нм до 65 нм, были крупными, энергоемкими и встраивались в линейные карты. Однако каждое новое поколение использовало новейшую геометрию кремниевых узлов, увеличивая скорость и вычислительную сложность для повышения емкости на длину волны при одновременном снижении энергопотребления. Постоянное снижение энергопотребления и миниатюризация DSP в конечном итоге позволили использовать когерентную оптику в подключаемых модулях малого форм-фактора, поначалу жертвуя производительностью передачи по сравнению со встроенной оптикой, оптимизированной по характеристикам.
Следующий этап эволюции подключаемой когерентной оптики, впервые представленной в вариантах 100G CFP, а затем 200G CFP2, стал возможен благодаря внедрению когерентных DSP на 7-нм техпроцессе, которые поддерживали модуляцию 16QAM и обеспечивали скорость до 400 Гбит/с на длину волны в компактных форм-факторах QSFP-DD (рисунок 1). Отраслевые стандарты, включая 400ZR, 400OpenZR+ и OpenROADM, способствовали широкому внедрению когерентных подключаемых модулей 400G, что привело к большим объемам поставок 400ZR облачными и AI-провайдерами для межцентровых соединений (DCI), а также 400G ZR+ телекоммуникационными провайдерами для региональных транспортных приложений на сотни километров. По данным исследовательской фирмы Cignal.ai, объем поставок к концу 2025 года составит почти 6 миллиардов долларов.
Рисунок 1: Подключаемая когерентная оптика эволюционировала, обеспечивая большую емкость, меньшие форм-факторы и большую дальность действия.
Но эволюция не останавливается. Последнее поколение подключаемой когерентной оптики 800ZR/ZR+ продолжает использовать закон Мура с 3-нм DSP для дальнейшего снижения энергопотребления на бит, одновременно увеличивая функциональность и производительность. Это включает использование интероперабельного вероятностного формирования созвездий (PCS), удвоение скорости передачи символов до 138 Гбод, поддержку скоростей 800 Гбит/с на длину волны и улучшенную компенсацию хроматической дисперсии для работы на расстояниях в тысячи километров. В результате когерентные подключаемые модули 800G теперь широко используются в DCI и масштабируемых приложениях на городских и магистральных расстояниях.
Эволюция когерентных подключаемых модулей от наземных к подводным сетям
Что же ждет нас дальше в эволюции подключаемой когерентной оптики?
Если вернуться к теории эволюции Дарвина, хорошо известно, что жизнь изначально развивалась в океанах, прежде чем «выбраться на сушу» около 3 миллиардов лет спустя. Интересно, что для когерентных подключаемых модулей происходит обратная эволюция: с суши в море. Почему так?
Подключаемая когерентная оптика, будь то в маршрутизаторах или в компактных транспондерах, предоставляет неоспоримые преимущества для сетевых операторов с точки зрения снижения энергопотребления, увеличения плотности системы и снижения стоимости одного бита. Успешное внедрение в городских и магистральных сетях заставляет операторов подводных кабелей задаться вопросом: можно ли использовать эти преимущества и в подводных приложениях?
Например, операторы подводных сетей могут использовать когерентные подключаемые модули в кабелях без регенерации (фестонных), охватывающих сотни километров, а также в подводных кабелях с регенерацией, охватывающих тысячи километров. В ходе испытаний на кабеле Бразилия-США (BRUSA), эксплуатируемом компанией Telxius, Nokia и Telxius использовали когерентные подключаемые модули ICE-X 800G для передачи данных со скоростью 600 Гбит/с на длину волны на расстояние 2841 км и установили рекорд передачи со скоростью 400 Гбит/с на длину волны на расстояние 5862 км (рисунок 2). Будущие версии когерентной подключаемой оптики будут и дальше повышать производительность, чтобы обеспечить, например, скорость 800 Гбит/с или более на длину волны на трансокеанских расстояниях.
Рисунок 2: Telxius и Nokia продемонстрировали рекордные скорости передачи с использованием когерентных подключаемых модулей по подводному кабелю с регенерацией.
Использование когерентной подключаемой оптики предоставляет сетевым операторам дополнительный инструмент для оптимизации их сквозных сетей. Когерентная оптика, оптимизированная по производительности, останется ценным инструментом для сложных задач, таких как сверхдлинные подводные кабели протяженностью 15 000 км и более, или в случаях, когда операторам требуется максимально возможная емкость на волокно. Однако во многих случаях операторы подводных кабелей теперь могут рассматривать когерентные подключаемые модули для оптимизации энергопотребления, пространства или затрат.
Например, операторы подводных сетей, развертывающие кабели с пространственным разделением каналов (SDM) емкостью от 0,5 до 1 петабит/с, могут столкнуться с растущей перегрузкой и ограничением мощности в точках приземления кабелей (CLS). Эта перегрузка в CLS иногда усугубляется, когда несколько новых кабелей SDM сходятся в одном и том же, уже перегруженном CLS, что создает еще большую потребность в снижении энергопотребления и увеличении плотности. Сетевые операторы также могут стремиться к эксплуатационной простоте, используя одни и те же когерентные подключаемые модули 800G как для наземной транспортной сети, так и для подводных сетей.
Во всех этих примерах когерентные подключаемые модули, используемые для подводных соединений, могут обеспечить такое же снижение энергопотребления и стоимости на бит, эксплуатационную простоту и повышенную плотность, которые стимулируют их внедрение в наземных сетях (Рисунок 3), при минимальном снижении спектральной эффективности на некоторых подводных кабелях по сравнению с оптикой, оптимизированной по производительности.
Рисунок 3: Последнее поколение подключаемой когерентной оптики предоставляет новые возможности для сетевых операторов по оптимизации как наземных транспортных, так и подводных сетей.
По мере того как когерентные подключаемые модули продолжают эволюционировать от наземных к подводным сетям, они дают операторам новый практический вариант балансировки дальности и емкости при меньшем энергопотреблении, большей плотности, упрощенных операциях и улучшенной стоимости на бит — в то время как встроенная оптика, оптимизированная по производительности, остается необходимой для наиболее требовательных маршрутов.