Технологии CWDM4, LWDM, MWDM и SWDM в высокоскоростных трансиверах

С каждым годом возрастающие потребности провайдеров в увеличении канальной скорости и наращивания канальной емкости оптических волокон значительно повлияли на вектор эволюции современных трансиверов. Одним из самым значимым изменений в современных высокоскоростных оптических приемо-передатчиках стала передача одного канала передачи данных несколькими потоками (optical lanes), ранее этот принцип применялся в xWDM системах.

Передача одного «суперканала» несколькими потоками позволяет организовывать не только классические соединения «точка-точка», но и более сложные дезагрегированные каналы по топологии «дерево» («звезда»).

Вторым не менее важным изменение стало увеличение скорости потока с 10 до 25 Гбит/с, а в будущем до 50-100 Гбит/с. Подобный скачек в скорости передачи повлиял на длину волны излучения (Tx_λ) с диапазона 1270-1610 нм или С-диапазона, она вновь сместилась во второе окно прозрачности (1310 нм).

Это изменение обусловлено тем, что в большинстве ВОЛС основным волокном является волокно, соответствующее рекомендацией ITU-T G.652, которое обладает нулевой дисперсией в районе длины волны 1310 нм, а чем выше скорость передачи в световом потоке, тем он более чувствителен к хроматической дисперсии. Это подтолкнуло производителей трансиверов использовать в качестве «несущей» длины волны 1310. Но вместе с решением проблемы хроматической дисперсии передаваемых сигналов — это решение наложило ограничения на максимальную дистанцию передачи, так как вносимые волокном затухания на длине волны 1310 нм, в 1,5 – 2 раза выше чем на 1550 нм.

В современных высокоскоростных трансиверах используют следующие технологии спектрального уплотнения:

• CWDM – Coarse Wavelength Division Multiplexing;
• LWDM – Lan Wavelength Division Multiplexing;
• MWDM – Metro Wavelength Division Multiplexing;
• SWDM – Shortwave Wavelength Division Multiplexing.

Трансиверы на основе CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)

Грубое спектральное уплотнение – CWDM хорошо известно телекоммуникационному рынку по многоканальным системам передачи, где в качестве оптических модулей используются трансиверы форм-факторов SFP, SFP+, XFP. Напомним, что в системах уплотнения CWDM используется оптический диапазон 1270 – 1610 нм, с шагом между несущими 20 нм. В высокоскоростных трансиверах задействован диапазон 1270 – 1330 нм, с тем же шагом между несущими 20 нм – данная технология получила название CWDM4.

Принцип действия трансиверов, основанных на технологии CWDM 4, заключается в следующем: на каждой волне передаётся отдельный канал 10G или 25G, затем все волны смешиваются на мультиплексоре и выходят из передающего порта Tx. На приёмной стороне Rx, при помощи демультиплексора, групповой сигнал разделяется на четыре волны, каждая из которых поступает на свой приёмник. Это позволяет использовать в трансиверах привычный оптический интерфейс LC Duplex.

Следует заметить, что технология CWDM4 наиболее «дружественная» к пользователю, так как при необходимости позволяет использовать имеющиеся CWDM SFP+ с длинами волн передатчика 1270 нм, 1290 нм, 1310 нм, 1330 нм и двухволоконные мультиплексоры/демультиплексоры CWDM при построении дезагрегированных 40 Гбит/с в 4*10 Гбит/с каналов связи. Так же, отлаженная технология производства компонентов, делает CWDM4 наиболее экономически выгодным решением.

Из отрицательных сторон следует отметить большой шаг между несущими длинами волн – 20 нм, что делает доступными для использования всего четыре волны, что накладывает ограничения по развитию технологии и наращиванию скорости передачи.

Трансиверы на основе LWDM (Lan Wavelength Division Multiplexing)

Технология LWDM была разработана специально для высокоскоростных протоколов передачи, а также для построения сетей 5G. Интервал между каналами составляет 200-800 ГГц. Данная технология использует 12 волн в O-диапазоне от 1269 до 1332 нм, с шагом 4 нм. Для работы используются следующие длины волн: 1269.23, 1273.54, 1277.89, 1282.26, 1286.66, 1291.1, 1295.56, 1300.05, 1304.58, 1309.14, 1313.73 , 1318.35 нм. Данная технология позволяет организовать до 12 каналов 25G, что позволяет увеличить пропускную способность волокна.

Технология LWDM применяется в двухволоконных трансиверах 100G, например, в QSFP28 или CFP. Как и в CWDM4 в модуле установлены четыре лазера с длинами волн 1295.56, 1300.05, 1304.58, 1309.14, которые собираются на мультиплексоре и передаются в одном волокне. Технология LWDM так же используется в трансиверах SFP28 25G. Поэтому возможно создавать каналы SFP28 – SFP28, QSFP28 – QSFP28 или комбинировать трансиверы и создавать каналы с топологией «звезда» QSFP28 – 4xSFP28. При необходимости, можно использовать внешний мультиплексор/демультиплексор и агрегировать на одном четырёхканальном трансивере 100G каналы с нескольких модулей SFP28.

Основным преимуществом этой технологии являются рабочие длины волн и диапазон, они расположены в зоне минимальной (около нулевой) дисперсии. Так же широкий рабочий диапазон и малый шаг между несущими позволяют организовывать до 6 каналов передачи данных по одному волокну. Но в связи с нестандартностью и относительной новизной технологии компонентная база является одной из самых дорогих.

Трансиверы на основе MWDM (Metro Wavelength Division Multiplexing)

Технология MWDM является самой молодой из приведенных в этом списке. Она разработана Китайским институтом телекоммуникационных исследований (China Telecom Research Institute) совместно с китайскими мобильными операторами. Толчком для разработки новой технологии спектрального уплотнения для китайских инженеров стало масштабное строительство сетей 5G в Китае, что вызвало необходимость в доступных и экономически выгодных компонентах.

За основу MWDM взято шесть длин волн из технологии CWDM (1260-1370 нм), которые также расположены во втором окне прозрачности и обладают нулевой хроматической дисперсией. Каждую из волн поделили на две таким образом было получено 12 длин волн – 1267,5, 1274,5, 1287,5, 1294,5, 1307,5, 1314,5, 1327,5, 1334,5, 1347,5, 1354,5, 1367,5, 1374,5 нм. Более подробное описание технологии можно найти в данной статье.

Технология MWDM интересна двумя особенностями:

1. Использование большего волнового диапазона с меньшим шагом между несущими длинами волн, что в итоге позволяет организовать до 6 двунаправленных каналов связи;
2. Для изготовления компонентов можно повторно использовать оборудование и технологические процессы производства CWDM. Это позволит снизить стоимость как исследований, так и готовых компонентов для MWDM.

Трансиверы на основе SWDM (Shortwave Wavelength Division Multiplexing)

Все предыдущие технологии рассчитаны на организацию соединений по одномодовому волокну (SMF) на расстоянии до 40 км, но в рамках ЦОД`ов или IX такие дальности работы не требуются. Исторически сложилось что для таких соединений используются трансиверы типа

Трансиверы SWDM4 используют туже схему работы, что и CWDM4. Оптические сигналы с четырёх лазеров с разными длинами волн смешиваются на мультиплексоре и передаются по одному волокну. На принимающей стороне групповой сигнал поступает на оптический мультиплексор, который разделяет общий сигнал на четыре длины волны, каждая из которых поступает на отдельный приёмник.

Основным преимуществам использования многомодовых волокон является невысокая стоимость изготовления лазеров и передатчиков. Но у этой технологии есть несколько проблем. Волокна ОМ5 имеют ограниченную пропускную способность и пока неясно сможет ли оно конкурировать с одномодовым волокном. Тем не менее, развитие технологи SWDM продолжается. Разработчики планируют увеличить количество используемых волн до 8, для поддержания скоростей 200 Гбит/с и 400 Гбит/с.

В данном тексте было рассмотрено 4 технологии спектрального уплотнения, которые применяются в современных высокоскоростных трансиверах следующего поколения. Все они обеспечивают работу по двум волокнам. При этом, у каждой есть свои преимущества и недостатки. Сложно предсказать, какая из технологий получит большее распространение, а какая останется невостребованной, скорее всего, каждая из них займёт свою нишу.

SWDM предназначена для дата-центров, но требует полного обновления кабельной инфраструктуры на OM5. CWDM наиболее доступна, но имеет ограниченное количество волн. LWDM лучше всего оптимизирована по спектру, но данная технология дороже других в изготовлении. MWDM имеет наилучшее соотношение диапазон/стоимость, но технология появилась относительно недавно и пока не успела получить широкого распространения.