Was ist in einem Coherent Pluggable enthalten?

Kohärente steckbare Transceiver haben die optische Kommunikation verändert und erhebliche Verbesserungen bei der Wellenlängenkapazität, Reichweite und spektralen Effizienz ermöglicht und gleichzeitig die Kosten pro Bit und den Stromverbrauch gesenkt. Aber was steckt in diesen einzigartig kompakten und dennoch leistungsstarken Geräten? Folgen Sie unserer zweiteiligen Serie, während wir das kohärente, steckbare… analysieren. 

Kohärente optische Kommunikation: Die Grundlagen  

Die kohärente optische Kommunikation nutzt kohärente Modulation auf der Sendeseite einer Glasfaserverbindung und zusätzliche kohärente Technologie auf der Empfangsseite zur Erkennung. Bei dieser Technik werden sowohl die Amplitude als auch die Phase der Lichtwellen moduliert, um digitale Daten darzustellen, was eine Hochgeschwindigkeitsübertragung von Informationen über große Entfernungen ermöglicht. Auf der Empfangsseite werden hochentwickelte Signalverarbeitungstechniken eingesetzt, um die übertragenen Signale auch bei Rauschen und Verzerrungen genau zu erkennen und zu dekodieren. Die Aufrechterhaltung einer Phasenreferenz zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen ermöglicht eine präzisere Erkennung und Extraktion von Informationen. Kohärente Kommunikation ermöglicht höhere Datenraten bei längeren Übertragungsentfernungen und eine höhere spektrale Effizienz im Vergleich zu anderen optischen Kommunikationsmethoden wie NRZ (Non-Return-to-Zero) oder PAM-4 (Pulsamplitudenmodulation – 4 Stufen).  

Abbildung 1  Kohärentes optisches Kommunikationskonzept 

Kohärente steckbare Transceiver sind kompakte optische Module, die kohärente optische Technologie in einem Formfaktor integrieren, der einfach an Switches, Router und andere Netzwerkgeräte angeschlossen werden kann. Die jüngsten Fortschritte in der kohärenten steckbaren Technologie, die in den Formfaktoren QSFP-DD oder OSFP verfügbar ist, sorgen im Vergleich zu eingebetteten kohärenten Transpondern oder CFP2-Transceivern für eine höhere Dichte. Neben der erhöhten Dichte bieten diese steckbaren Module auch höhere Geschwindigkeiten und eine größere Reichweite und nutzen gleichzeitig die Flexibilität und den Komfort von Hot-Swap-fähigen, steckbaren Modulen. 

Kohärente Technologie: Modulationsschemata und Standards  

Die kohärente Technologie revolutioniert die optische Kommunikation, indem sie ausgefeilte Modulations- und Kodierungstechniken einsetzt, um die Datenübertragung über große Entfernungen über Glasfasernetze zu verbessern. Im Kontext kohärenter steckbarer Standards spielen diese Modulations- und Kodierungstechniken eine zentrale Rolle bei der Definition der Spezifikationen und Leistungsanforderungen von steckbaren Transceivern. Durch die Einhaltung standardisierter Technologien und Protokolle gewährleisten kohärente steckbare Transceiver Interoperabilität, Kompatibilität und Skalierbarkeit in verschiedenen Netzwerkumgebungen. 

Kohärente Modulationsarten 

Ein Konstellationsdiagramm wird häufig verwendet, um das durch ein digitales Modulationsschema modulierte Signal darzustellen. Es zeigt das Signal als zweidimensionales xy-Streudiagramm in der komplexen Ebene zu Symbolabtastzeitpunkten an, wie unten in Abbildung 2 für NRZ, PAM-4 und QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) dargestellt: 

Abbildung 2 Beispiele für nichtkohärente und kohärente Modulationsschemata 

Nichtkohärente Optiken verwenden typischerweise einfachere Modulationsschemata wie NRZ oder PAM4, während kohärente Optiken fortgeschrittenere Schemata wie QPSK verwenden. Die in der kohärenten optischen Kommunikation verwendeten fortschrittlichen Modulationstechniken nutzen die Phase und/oder Amplitude des optischen Trägersignals und mehrere Polarisationen. Diese neuen Formate sind für das Erreichen hoher Datenübertragungsraten und für die Verbesserung der spektralen Effizienz des optischen Kommunikationssystems unerlässlich: 

i.) Phasenumtastung (PSK) – PSK-Modulationstechniken wie QPSK und 8PSK modulieren das Trägersignal durch Änderung seiner Phase. QPSK wird häufig in kohärenten optischen Kommunikationssystemen verwendet, insbesondere in kohärenten 100G- und 200G-Transceivern. Es kodiert zwei Bits digitaler Daten pro Symbol, indem es die Phase des optischen Trägersignals in vier verschiedenen Zuständen moduliert, die typischerweise um 90 Grad voneinander getrennt sind. QPSK bietet ein Gleichgewicht zwischen spektraler Effizienz und Robustheit gegenüber Beeinträchtigungen wie chromatischer Dispersion und Polarisationsmodendispersion. 

Abbildung 3 Konstellationsdiagramme für QPSK und 8PSK 

ii.) Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) – QAM ist ein anspruchsvolleres Modulationsformat, das sowohl Phasen- als auch Amplitudenmodulation kombiniert. Es ermöglicht die Übertragung mehrerer Bits pro Symbol durch Modulation sowohl der Phase als auch der Amplitude des optischen Trägersignals. Eine Modulation von 4-QAM hätte die gleiche Konstellation wie eine QPSK-Modulation, wie im Bild unten dargestellt. Modulationen höherer Ordnung wie 16-QAM, 64-QAM oder noch höher können höhere Datenraten erreichen, erfordern jedoch eine kompliziertere Signalverarbeitung und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis.

Abbildung 4 Konstellationsdiagramme für 4-QAM, 8-QAM und 16-QAM 

Ein praktisches Beispiel eines kohärenten 400G ZR-Transceivers mit 16QAM-Modulation ohne Rauschen (linkes Bild) und mit zusätzlichem Rauschen (rechtes Bild) ist in Abbildung 5 dargestellt. Je lauter die Übertragung, desto schwieriger wird es für den Empfänger, zwischen den einzelnen Symbolen zu unterscheiden übertragen werden und Fehler auftreten. 

Abbildung 5 Beispiel für ein kohärentes 400G-ZR-Transceiver-Konstellationsdiagramm:  
16QAM-Modulation ohne Rauschen (links) und mit Rauschen (rechts)

Abhängig vom Transceivertyp, der Datenrate und der Anwendung werden unterschiedliche Modulationsschemata verwendet. Typischerweise werden die folgenden Datenraten- und Modulationsschemata gepaart angezeigt: 

100G – DP-QPSK 

200G – DP-QPSK 

300G – DP-8QAM 

400G – DP-16QAM  

Diese Datenraten und Anwendungen sind jedoch nicht auf diese Modulationen beschränkt. Beispielsweise kann eine Anwendung, die 400G – DP-8QAM verwendet, eine größere Reichweite ermöglichen, da die optischen SNR-Anforderungen im Vergleich zu einem 400G DP-16QAM geringer sind. 

Eine weitere wichtige Technik in der kohärenten Optik, die eine Erhöhung der Datenrate ermöglicht (z. B. auch bei drahtlosen Übertragungen), ist die Dualpolarisation (DP). Bei Dualpolarisationstechniken wird das gleiche Signal in zwei orthogonalen optischen Polarisationen in einem Winkel von 90 Grad übertragen, wodurch sich die übertragene Datenmenge effektiv verdoppelt (siehe Abbildung 6). Duale Polarisation gepaart mit Coherent-Technologie am Empfänger ermöglicht die digitale Polarisationsdemultiplexierung und Nachbearbeitung über DSP (Digital Signal Processing), um die übertragenen Informationen wiederherzustellen.

Abbildung 6 Dual-Polarisationssignal 

Schauen Sie sich in den kommenden Wochen Teil II an, in dem wir Fehlerkorrekturtechniken, wichtige Industriestandards und die innere Anatomie kohärenter Pluggables besprechen. Weitere Informationen zu kohärenten und anderen Optiken finden Sie in unserem Angebote oder kontaktieren Sie unser Fachpersonal Fragen!