Más recientemente, la evolución de los nodos de proceso CMOS y los diversos requisitos del mercado han llevado al sector de los motores ópticos coherentes a bifurcarse en dos segmentos distintos, los motores ópticos integrados de alto rendimiento y los enchufables coherentes compactos, como se muestra en la figura 1.
Figura 1 – Bifurcación coherente: Enchufables compactos e integrados de alto rendimiento
Ambos tipos de motores ópticos tienen la misma arquitectura básica, como se muestra en la figura 2. Sin embargo, los diseñadores de DSP coherentes han creado ASIC optimizados para un bajo consumo de energía y una huella reducida, con la actual generación CMOS de 7 nm que permite 400 Gb/s en factores de forma enchufables QSFP-DD, OSFP y CFP2. Por su parte, los motores de alto rendimiento aprovechan ASIC digitales más grandes, potentes y de mayor consumo, capaces de ofrecer las tasas de baudios más altas posibles y funciones avanzadas que maximizan el alcance de la capacidad de longitud de onda y la eficiencia espectral. Estos motores de alto rendimiento están integrados en transpondedores y son el factor de forma preferido para aplicaciones submarinas y de larga distancia. Pero, ¿cómo evolucionará el segmento de alto rendimiento más allá de la actual generación de 800 Gb/s por longitud de onda basada en tecnología ASIC/DSP digital CMOS de 7 nm y fotónica de 90 a 100 Gbaudios? Para responder a esta pregunta, es importante empezar por las prioridades típicas de los operadores de redes en las aplicaciones de larga distancia y submarinas para las que los motores embebidos de alto rendimiento suelen ser el factor de forma elegido. Estas prioridades incluyen maximizar la capacidad de la fibra, reducir el coste, el consumo de energía y el espacio ocupado, minimizando a su vez el gasto operativo.
Figura 2 – Arquitectura genérica del motor coherente
Eficiencia espectral mejorada con funciones y algoritmos avanzados
Maximizar la capacidad de la fibra suele ser la métrica número uno para las redes submarinas y de larga distancia. Una forma de conseguirlo es mejorar la eficiencia espectral, maximizando los bits/Hz para un determinado requisito de alcance/trayectoria con el fin de obtener la máxima capacidad del espectro disponible. Los actuales motores embebidos de 7 nm, como el ICE6 de Infinera, aprovechan múltiples funciones avanzadas como la conformación de constelación probabilística (PCS) basada en 64QAM y las subportadoras Nyquist para situarse a 1 o 2 dB del límite de Shannon, la máxima eficiencia espectral teórica.
Pero, ¿cuánto más podemos acercarnos al límite de Shannon? Los motores embebidos de próxima generación, como el ICE7 de Infinera, mejoran la eficiencia espectral con características como la capacidad de ajuste continuo de la velocidad en baudios y un roll-off más ajustado. El ajuste continuo de la tasa de baudios permite alinear mejor el espectro de la longitud de onda con la banda de paso disponible del ROADM y optimizar el margen OSNR de un enlace determinado, lo que puede ser especialmente valioso en aplicaciones submarinas. Un roll-off más ajustado reduce la cantidad de espectro adicional necesario para acomodar las pendientes y modos a los lados de la longitud de onda, lo que permite que las longitudes de onda se empaqueten más juntas. Más allá de ICE7, Infinera está desarrollando algoritmos mejorados para la corrección de errores hacia adelante (FEC), la compensación no lineal y PCS para abordar el potencial de mejora de la eficiencia espectral en torno al 20%. Por ejemplo, un reciente ensayo de Infinera con Australia-Japan Cable aprovechando algoritmos de próxima generación mostró un aumento del 17% en la capacidad.
Mayor capacidad de la fibra terrestre con Super-C y Super-L
Además de las ganancias incrementales de eficiencia espectral, para las aplicaciones terrestres los motores de alto rendimiento de próxima generación también están evolucionando para hacer uso de más espectro. Por ejemplo, mientras que el ICE6 de Infinera también puede aprovechar la banda L para un total de hasta 80+ Tb/s por par de fibras, el ICE7 de Infinera con los subconjuntos ópticos de transmisión-recepción (TROSA) de Infinera basados en fosfuro de indio super-C y super-L ampliamente sintonizables son capaces de aprovechar el espectro adicional proporcionado por el sistema de línea óptica Infinera GX para permitir hasta 100+ Tb/s en un solo par de fibra. A más largo plazo, podría proporcionarse espectro adicional aprovechando también la banda S. Para las redes submarinas, la multiplexación por división espacial (SDM), que ofrece más pares de fibras y menor capacidad por fibra individual pero mayor capacidad por cable dentro de las mismas limitaciones de potencia del cable, se está convirtiendo en el enfoque preferido para aumentar la capacidad. La próxima generación de motores de alto rendimiento de Infinera se basará en el conjunto de funciones SDM de ICE6, líder del sector.
Reducción de costes, consumo y espacio ocupado con velocidades de transmisión más altas
Minimizar el coste, los vatios y las unidades de rack por Gb/s para un determinado requisito de alcance/trayectoria es también una gran prioridad para las aplicaciones submarinas y de larga distancia. Hasta la fecha, la principal forma de conseguirlo ha sido aumentar la velocidad de transmisión. Una mayor tasa de baudios aumenta el alcance de la capacidad de la longitud de onda al aprovechar la modulación de orden inferior para lograr la misma velocidad de datos. Las modulaciones de orden inferior se benefician de una mayor distancia euclidiana entre los puntos de la constelación, lo que facilita su distinción en presencia de ruido. Las velocidades en baudios incorporadas han evolucionado desde unos 30 Gbaudios (100 Gb/s y luego 200 Gb/s por longitud de onda) hasta 90-100 Gbaudios (800 Gb/s por longitud de onda). Aprovechando la tecnología CMOS de 5 nm y la tecnología de circuito integrado fotónico (PIC) de fosfuro de indio de séptima generación de Infinera, ICE7, con hasta 148 Gbaud, permite un ahorro de costes y vatios por bit de hasta el 33% en relación con ICE6.
Pero, ¿cuánto más puede evolucionar la industria en términos de velocidad de transmisión? En cuanto al DSP, la industria del CMOS tiene una hoja de ruta hasta 2034 que permitirá aumentar la tasa de baudios del DSP, con ASIC DSP de 2 nm previstos para 2026/2027 y una nueva reducción (1,5 nm o 1,4 nm) en el futuro. En cuanto a los materiales moduladores, mientras que la fotónica de silicio está limitada a unos 140 Gbaudios, el fosfuro de indio permite alcanzar velocidades muy superiores a los 200 Gbaudios. Otros moduladores alternativos de alta velocidad, como los basados en niobato de litio de capa fina y plasmónica, se encuentran en diversas fases de investigación y desarrollo, pero en la actualidad no se ha demostrado su eficacia a gran escala. En conferencias del sector como OFC y ECOC, materiales novedosos como los moduladores plasmónicos y los fotodetectores de grafeno ofrecen un posible camino hacia los terabaudios (1.000 Gbaudios) coherentes. Y aunque estas velocidades en baudios sean o no técnicamente factibles, la otra cuestión que se plantea la industria es si son económicamente viables. Por ejemplo, ¿es más rentable tener menos componentes más caros o un mayor número de componentes menos caros?
Reducción de costes, consumo y huella con integración y volumen
La integración fotónica, la integración digital y el volumen son otros mecanismos para reducir los costes, la potencia y el espacio ocupado. La integración fotónica, que consiste en colocar más componentes ópticos en un único chip fotónico, sigue siendo un valioso método para reducir costes y espacio. Otro enfoque es la integración digital, que consiste en incluir más funciones en el ASIC/DSP digital. En el pasado, se han integrado en el ASIC digital funciones como la corrección de errores hacia adelante, el encuadre, la multiplexación y el cifrado, y la integración funcional adicional es una opción más para reducir costes, potencia y huella en los motores de alto rendimiento de próxima generación. Otro método para reducir costes consiste en compartir componentes con los motores enchufables, aprovechando así los volúmenes mucho mayores de estos últimos para reducir aún más los costes.
Costes operativos minimizados con menos longitudes de onda, supervisión avanzada y automatización
Una prioridad adicional para muchos operadores es minimizar los costes operativos del ciclo de vida. Maximizar el alcance de la capacidad de la longitud de onda con velocidades de transmisión más altas y otras funciones avanzadas es una forma de conseguirlo con menos longitudes de onda que utilizer, instalar, aprovisionar y gestionar. Los motores integrados también están evolucionando para ofrecer una mejor supervisión y automatización. Junto con la supervisión de los propios motores ópticos, esta supervisión avanzada puede extenderse a la red óptica más amplia, incluida la planta de fibra, eliminando posiblemente la necesidad de dispositivos de supervisión como los reflectómetros ópticos de dominio temporal. Un ejemplo actual de supervisión medioambiental con ICE6 de Infinera es la capacidad de aprovechar los datos de estado de polarización para ofrecer una detección temprana de terremotos/tsunamis en cables submarinos. Un buen ejemplo de automatización es la autocalibración para maximizar la velocidad de datos del transpondedor en función de las mediciones de rendimiento, incluido el margen disponible.
Resumen
En resumen, los motores ópticos integrados de alto rendimiento tienen un papel que seguir desempeñando en las redes submarinas y de larga distancia, donde la maximización de la eficiencia espectral y la capacidad de la fibra son prioridades clave junto con la minimización del coste, la potencia y la huella por Gb/s por km, seguidas de la reducción de los costes operativos del ciclo de vida. Para abordar estos objetivos, los motores ópticos integrados están evolucionando, aprovechando las mejoras de los materiales CMOS y fotónicos, con mayores velocidades en baudios, la capacidad de aprovechar más espectro y funciones avanzadas relacionadas con FEC, compensación no lineal, PCS, monitorización y automatización.
Por Andrés Madero, CTO CALA, Infinera
