Próximos avanços em Coerência Integrada de Alto Desempenho

Desde o seu surgimento no final dos anos 2000, a tecnologia óptica coerente revolucionou o transporte óptico em redes de longa distância, submarinas, de interconexão de data centers (DCI) e metropolitanas, permitindo grandes aumentos na velocidade do comprimento de onda, na eficiência espectral e na capacidade da fibra. Mais recentemente, a evolução do nó de processo CMOS e os diversos requisitos do mercado levaram o mercado de motores ópticos coerentes a se bifurcar em dois segmentos distintos, os motores ópticos integrados (embedded) de alto desempenho e os plugáveis coerentes compactos.

No entanto, DSP coerentes podem utilizar ASICs otimizados para baixo consumo de energia e pequena área ocupada, com a atual geração de CMOS de 7nm permitindo 400 Gb/s em fatores de forma plugáveis QSFP-DD, OSFP e CFP2. Por outro lado, os motores de alto desempenho utilizam ASICs digitais maiores, mais potentes e com maior consumo de energia, capazes de oferecer as taxas de Baud (taxa de mudança de símbolos) mais altas possíveis e funcionalidades avançadas que maximizam o alcance/capacidade por comprimento de onda e a eficiência espectral. Esses motores de alto desempenho são incorporados em transponders e são o fator de forma preferido para aplicações submarinas e de longa distância. Mas como evoluirá o segmento de alto desempenho para além da atual geração de 800 Gb/s por comprimento de onda baseada na tecnologia ASIC/DSP digital CMOS de 7nm e fotônica de 90 a 100 Gbaud? Para responder a esta questão, é importante começar com as prioridades típicas das operadoras de rede nas aplicações submarinas e de longa distância, para as quais os motores incorporados de alto desempenho são normalmente o fator de forma escolhido. Essas prioridades incluem a maximização da capacidade da fibra, a redução de custos, o consumo de energia e a área ocupada, e a minimização dos custos operacionais.

Eficiência espectral aprimorada com recursos e algoritmos avançados
A maximização da capacidade da fibra é muitas vezes a métrica número um para redes de longa distância e submarinas. Uma maneira de atingir isso é com uma eficiência espectral aprimorada, maximizando os bits/s/Hz para um determinado requisito de alcance/caminho para obter a capacidade máxima do espectro disponível. Os atuais motores incorporados de 7nm, como o ICE6 da Infinera, aproveitam várias funcionalidades avançadas, como a modelagem de constelação probabilística (PCS) baseada em 64QAM e subportadoras Nyquist para se aproximar dentro de 1 ou 2 dB do limite de Shannon, a eficiência espectral máxima teórica.

Mas até que ponto podemos nos aproximar do limite de Shannon? Os motores incorporados de próxima geração, como o ICE7 da Infinera, melhoram a eficiência espectral com funcionalidades como ajuste contínuo da taxa de Baud e um roll-off mais estreitos. A capacidade de ajuste contínuo da taxa de Baud permite que o espectro do comprimento de onda se alinhe melhor com a banda de passagem disponível no ROADM e atinja de forma mais otimizada a margem OSNR de um determinado link, o que pode ser especialmente valioso em aplicações submarinas. Um roll-off mais estreito reduz a quantidade de espectro adicional necessária para acomodar as inclinações e modos nas laterais do comprimento de onda, permitindo que os comprimentos de onda sejam colocados mais próximos uns dos outros. Além do ICE7, a Infinera está desenvolvendo algoritmos aprimorados para correção direta de erros (FEC), compensação não linear e PCS para abordar o potencial de melhorias na eficiência espectral de cerca de 20%. Por exemplo, um teste recente da Infinera com o Cabo Austrália-Japão (AJC) aproveitando os algoritmos de próxima geração, mostrou um aumento de 17% na capacidade.

Aumento da Capacidade de Fibra Terrestre com Super-C e Super-L
Além dos ganhos incrementais de eficiência espectral, para aplicações terrestres, os motores de alto desempenho da próxima geração também estão evoluindo para fazer uso de mais espectro. Por exemplo, enquanto o ICE6 da Infinera também pode alavancar a banda L para um total de até 80+ Tb/s por par de fibra, o ICE7 da Infinera, com subconjuntos ópticos de transmissão-recepção (TROSA) baseados em fosfeto de índio, é amplamente sintonizável nas bandas super-C e super-L sendo capaz de aproveitar o espectro adicional fornecido pelo sistema de linha óptico GX da Infinera, e conseguindo habilitar até 100+ Tb/s em um único par de fibras. A longo prazo, o espectro adicional pode ser fornecido aproveitando também a banda S. Para redes submarinas, a multiplexação por divisão espacial (SDM), que oferece mais pares de fibras e menor capacidade por fibra individual, mas maior capacidade por cabo dentro das mesmas restrições de potência do cabo, está se tornando a abordagem preferida para aumentar a capacidade. Os motores de alto desempenho da próxima geração da Infinera evoluirão o conjunto de funcionalidades líderes do setor para SDM já oferecidos pelo ICE6.
 
Redução de custo, energia e área ocupada com taxas de Baud mais altas
Minimizar o custo, os watts e as unidades de rack por Gb/s para um determinado requisito de alcance/caminho também é uma alta prioridade para aplicativos de longa distância e submarinos. Até o momento, a principal maneira de conseguir isso tem sido com taxas de Baud mais altas. Taxas de Baud mais altas aumentam o alcance e/ou a capacidade do comprimento de onda, aproveitando a modulação de ordem inferior para atingir a mesma taxa de dados. As modulações de ordem inferior se beneficiam da maior distância euclidiana entre os pontos da constelação, tornando-os mais fáceis de distinguir na presença de ruído. As taxas de Baud dos motores incorporados evoluíram de cerca de 30 Gbaud  (100 Gb/s e 200 Gb/s por comprimento de onda) para 90-100 Gbaud (800 Gb/s por comprimento de onda). Aproveitando a tecnologia CMOS de 5nm e a tecnologia de circuito integrado fotônico (PIC) de fosfeto de índio de sétima geração da Infinera, o ICE7, com até 148 Gbaud, permite uma economia de custo e watts por bit de até 33% em relação ao ICE6.

Mas até que ponto a indústria pode evoluir em termos de taxas de Baud? No que diz respeito à DSP, o setor CMOS tem um roteiro até 2034 que permitirá o aumento das taxas de Baud de DSP, com ASICs DSP de 2 nm esperados em 2026/2027 e uma redução adicional (1,5 nm ou 1,4 nm) no futuro. Em termos de materiais moduladores, enquanto a fotônica de silício está limitada a aproximadamente 140 Gbaud, o fosfeto de índio possibilita a evolução para taxas de Baud muito além de 200 Gbaud. Moduladores alternativos para altas taxas de Baud, incluindo aqueles baseados em película fina de niobato de lítio e plasmônica, estão em vários estágios de pesquisa e desenvolvimento, mas atualmente não foram amplamente validados para produção em volume. Em conferências do setor, como a OFC e a ECOC, novos materiais, incluindo moduladores plasmônicos e fotodetectores de grafeno, oferecem um caminho possível para terabaud (1.000 Gbaud) coerente.  E embora essas taxas de Baud possam ou não ser tecnicamente viáveis, a outra questão que se coloca ao setor é se elas são economicamente viáveis. Por exemplo, é mais rentável ter menos componentes mais caros ou um número maior de componentes mais baratos?

Redução de custo, potência e área ocupada com integração e volume
Outras alavancas para reduzir o custo, a potência e o espaço ocupado incluem a integração fotônica, a integração digital e o volume. A integração fotônica, que coloca mais componentes ópticos em um único chip fotônico, continua a ser uma abordagem valiosa para reduzir o custo e o espaço ocupado. A integração digital, que coloca mais funções no ASIC/DSP digital, é outra abordagem. No passado, funções como FEC, enquadramento (framing), multiplexação e encriptação foram integradas no ASIC digital, sendo a maior integração funcional uma opção adicional para redução de custo, potência e espaço ocupado em motores de alto desempenho da próxima geração. Uma abordagem adicional para reduzir custos é compartilhar componentes com motores plugáveis, aproveitando assim os volumes muito maiores de plugáveis para reduzir ainda mais os custos.

Custos operacionais minimizados com menos comprimentos de onda, monitoramento avançado e automação
Uma prioridade adicional para muitas operadoras é minimizar os custos operacionais do ciclo de vida. Maximizar o alcance da capacidade de comprimento de onda com taxas de Baud mais altas e outros recursos avançados é uma maneira de fazer isso com menos comprimentos de onda para instalar, provisionar e gerenciar. Os motores integrados também estão evoluindo para fornecer melhor monitoramento e automação. Além de monitorar os próprios motores ópticos, esse monitoramento avançado pode se estender à rede óptica mais ampla, incluindo a própria fibra, possivelmente eliminando a necessidade de dispositivos de monitoramento, como refletômetros ópticos no domínio do tempo. Um exemplo atual de monitoramento ambiental com o ICE6 da Infinera é a capacidade de aproveitar dados de estado de polarização para fornecer a detecção precoce de terremotos/tsunamis em cabos submarinos. Um bom exemplo de automação é a autocalibração para maximizar a taxa de dados do transponder com base em medições de desempenho, incluindo a margem disponível.

Em resumo, os motores ópticos incorporados de alto desempenho têm uma função contínua a desempenhar em redes submarinas e de longa distância, onde a maximização da eficiência espectral e a capacidade de fibra são as prioridades-chave, juntamente com a minimização do custo, da potência e do espaço ocupado por Gb/s por km, seguida pela redução dos custos operacionais do ciclo de vida. Para atender a esses objetivos, os motores ópticos incorporados estão evoluindo, aproveitando as melhorias do CMOS e dos materiais fotônicos, com taxas de Baud mais altas, a capacidade de alavancar mais espectro e recursos avançados relacionados a FEC, compensação não linear, PCS, monitoramento e automação.