Осенью прошлого года японский институт NICT продемонстрировал первый в мире рабочий прототип сети с пропускной способностью 1 Пбит/с. По оценкам учёных, занятых в проекте, такая сеть позволит снабжать 10 миллионов пользователей трансляцией видео в формате 8K.

Но, как выяснилось на днях, это не предел для оптоволоконных сред передачи данных. Этот же институт доказал возможность передачи данных со скоростью более 10 Пбит/с. Такая цифра наверняка обрадует крупных магистральных провайдеров.

NICT активно ведёт разработку новых высокопроизводительных оптоволоконных сред и на его счету ряд интересных достижений: ещё в 2015 году в стенах NICT были разработаны «многоядерные» одно-и многомодовые кабели. Одномодовая версия с 22 проводящими «ядрами» показала производительность 2,15 Пбит/с.

А 14 февраля NICT совместно с компаниями Sumitomo Electric и Optoquest объявили о достижении нового мирового рекорда — скорости передачи данных на уровне 10,66 Пбит/с.

Для этого был использован новый трёхмодовый кабель с 38 «ядрами», сигнал модулировался с использованием методов 64QAM и 256QAM. За разработку нового типа кабеля ответственна компания Sumitomo Electric, 38-канальный мультиплексор для него был разработан Optoquest. Задача весьма непростая, поскольку взаимное влияние передаваемых одновременно сигналов в таких средах требует серьезной цифровой обработки. Для того, чтобы снизить вычислительную нагрузку на DSP, разработчики ввели межмодовую временную задержку, составляющую от 0,6 до 3 наносекунд.

Схема новой экспериментальной установки NICT

Хотя это и экспериментальная система, она имеет достаточно серьёзные масштабы — длина линии передачи данных составила 13 километров. Достигнутая скорость на два порядка превышает показатели широко распространённых сегодня коммерческих решений.

NICT собирается представить своё достижение на конференции Optical Fiber Communication Conference, которая откроется 8 марта в США в городе Сан-Диего. Также институт собирается продолжить работу в данном направлении и приложит все силы к практической реализации новых технологий высокоскоростной передачи данных.

Увеличение пропускной способности компьютерных сетей, подключение новых клиентов — все это приводит к разрастанию кабельного хозяйства в ЦОД. Вопрос плотности упаковки оптических кабелей встаёт довольно остро.

Компания Connectivity Solutions Direct объявила о том, что в новой системе n+1 ей удалось добиться наивысшей в индустрии плотности размещения волоконно-оптических кабелей в модулях и кассетах: до 96 дуплексных портов на 1 стоечный юнит.

Модуль CSD n+1 с установленными кассетами

Новая система CSD может использовать как восьми-, так и двенадцатипортовые кассеты. Это 192 подключения для LC или 2304 волокна в кабелях типа MPO (Multi-fiber Push On). Стойка предусматривает возможность одновременной установки кассет с разным числом портов, что обеспечивает дополнительную гибкость.

Новинка была запатентована под номером 10,514,518. Производитель заявляет, что плотность размещения портов у n+1 на 33% выше показателей конкурентов, которые якобы остановились на 72 портах на 1U. Однако, как оказалось, Connectivity Solutions Direct слегка слукавила. 

Кассеты для R&M Netscale. Порты расположены более плотно

Компания R&M ещё в 2016 году объявила о выпуске кабельной системы Netscale с плотностями до 120 портов на 1 юнит для наиболее крупных модулей. Один модуль Netscale содержит до пяти кассет (до 18 портов), что формально даёт лишь 90 портов на 1U. Однако за счёт меньшей высоты (3/4U) компания смогла выпустить 3U-модуль формата c четырьмя рядами кассет, что даёт 360 портов, а это как раз и составляет 120 портов в пересчёте на 1U.

Волна роста объёма передаваемых данных неизбежно должна была затронуть и соединяющие континенты подводные коммуникации — на их плечах лежит основная нагрузка. Так что разработчики ищут способы увеличения пропускной способности подводных кабелей.

Компания NEC, один из ведущих поставщиков таких решений, объявила о том, что ею разработан новый вариант подводного кабеля с 20 парами оптических волокон. Утверждается, что это рекордное на сегодня число пар для этого типа кабелей.

Для сравнения, кабели Equiano и Dunant, которые должны будут соединить восточный берег США с Францией, а Южную Африку с Португалией, и прокладку которых ведет Google, используют, по имеющимся данным, всего 12 пар волокон. Кабель типа Dunant способен передавать данные на скорости 250 Тбит/с, но на момент анонса этого дизайна NEC заявила, что уже располагает конструкцией, позволяющей объединять до 16 пар волокон.

Как уже было сказано, новейший дизайн NEC, анонсированный на этой неделе, имеет на 25% больше оптических пар и это не предел — японский гигант ведёт работы по созданию ещё более ёмких кабелей с 24 парами волокон.

По словам представителей компании, увеличение количества волокон не потребует от NEC существенной переработки существующих кабельных конструкций — необходима будет лишь незначительная переделка повторителей и самих кабелей. Об этом свидетельствует и тот факт, что NEC продолжает использовать в новой конструкции старые «помпы» (усилители оптического сигнала) с технологией «quadruple pump sharing», разработанной ещё десятилетие назад.

Подводные повторители NEC

Телекоммуникационные гиганты, владеющие инфраструктурой подводных кабелей, такие, как NEC, TE Subcom и Alcatel-Lucent в последнее время испытывают нарастающее давление со стороны таких крупных ИТ-компаний, как Google, Facebook и Microsoft.

Пока существующие кабельные подводные системы ещё располагают запасом ёмкости, однако упомянутые выше игроки на ИТ-рынке активно инвестируют в создание собственных подводных сетей, соединяющих крупные ЦОД. Это должно обеспечить им контроль над каналами передачи данных и обеспечить повышенную надёжность коммуникаций, вот почему в эту сферу вкладываются сотни миллионов долларов.

Сети на основе оптических кабелей с многомодовым волокном достаточно популярны. Недорогие кабели типа типов 50/125 или 62,5/125 широко применяются для организации локальных сетей. Они обеспечивают пропускную способность на уровне 1 Гбит/с при длине до 220-550 метров в зависимости от категории кабеля.

Сегодня такой скорости уже мало. Но исследователям удалось найти решение, позволяющее избежать дорогостоящей и требующей существенных временных затрат замены кабелей в уже построенных сетях на одномодовые.

Многомодовые (ММ) кабели распространены и не так дороги, однако их возможности ограничены: большая толщина проводящей оптической среды (50 или 62,5 мкм против 9 мкм у одномодовых волокон) приводит к возникновению так называемой модальной дисперсии. Световые импульсы проходят по разным траекториям с рассогласованием по времени. В итоге трансиверам приходится тратить время на согласование, а это замедляет работу сети.

Поведение импульсов в одномодовом (внизу) и многомодовом волокне

ММ-кабели категорий OM2 и выше поддерживают скорости в районе 10 Гбит/с и сами по себе, но предельная дистанция при этом невелика: менее 100 метров для OM2, и даже варианты OM4 или OM5 дают лишь несколько сотен метров, чего может оказаться недостаточно для локальной сети предприятия, крупного офисного здания или университетского кампуса. Для скоростей 40 Гбит/с и выше максимальная длина падает до 100 ‒ 150 метров.

Варианты применения технологии Calibas AROONA

Французская компания Cailabs разработала технологию, позволяющую сохранить старую оптоволоконную кабельную инфраструктуру. Созданные ею оптические трансиверы позволяют добиться скорости порядка 10 Гбит/с на расстояниях до 10 километров — а это уже близко к возможностям высокоскоростных одномодовых кабелей с тонким сердечником. К сожалению, технических подробностей Cailabs пока не разглашает, но комплекс модернизации сетей AROONA уже существует, и соответствующая услуга может быть заказана.

Возможные топологии при использовании коммутатора AROONA-STAR

Несколько недель назад компания завершила модернизацию оптической сети общей протяженностью 4 километра на одном из крупных химических предприятий в Германии. Теперь эта сеть работает с гарантированной скоростью 10 Гбит/с. Исследователи не останавливаются на достигнутом результате и планируют покорить барьер 100 Гбит/с. Соответствующие тесты уже ведутся.

Достижение Calibas трудно недооценить. Процесс замены ММ-кабелей на одномодовые при большой протяженности может быть весьма дорогостоящим, и, что важнее, выводящим сеть из строя на длительный период времени. К примеру, Технологический институт Джорджии посчитал стоимость такой замены неприемлемой. Технологии Calibas позволили институту обойтись без замены кабельного хозяйства, повысив при этом производительность сети на два порядка.

Британский оператор Openreach, входящий в телекоммуникационный холдинг BT, собирается к 2025 году отключить коммутируемую телефонную сеть общего пользования (Public Switched Telephone Network, PSTN) и перевести абонентов на IP-телефонию. Это решение может иметь большие последствия для страны.

В Великобритании работает множество компаний, которые пользуются обычными телефонными линиями. Для них даже день без связи может обернуться большими убытками и сильным ударом по репутации, поэтому они могут переключиться на новый канал связи только ночью. Кроме того, есть немало представителей незащищённых слоёв населения, которые могут обратиться за помощью только по PSTN.

Руководитель направления услуг проводной связи Openreach Джеймс Лилли (James Lilley) говорит, что компания сама до конца не знает, где используются все PSTN-сервисы. Также неясно, будет ли развёрнутое оборудование совместимо с новой VoIP-службой.

По словам Лилли, с тех пор, как Openreach впервые объявила о планах отказаться от PSTN в прошлом году, около миллиона человек перестали пользоваться этой услугой, но, когда это сделают остальные, на рынке произойдёт мощный сдвиг. Он сравнил масштаб проекта с переходом от аналогового к цифровому телевидению в 2007 году. Однако тогда миграция происходила при государственной финансовой поддержке, в то время как сейчас переход ложится на плечи операторов.

Openreach не работает с пользователями телеком-услуг напрямую, а сотрудничает более чем с 600 операторами связи, которые должны будут донести до абонентов необходимость использования VoIP. В рамках реализации этого проекта будет отключено около 15 млн традиционных медных телефонных линий, которые будут заменены на оптоволоконные интернет-каналы.

Предельная волоконно-оптическая скорость передачи данных на одной длине волны сделает ощутимый скачок в этом месяце. Компания Acacia Communications, принадлежащая теперь Cisco, заявила, что покажет решение, способное передавать данные со скоростью 1,2 терабита в секунду.

Демонстрация состоится во время Европейской конференции по оптической связи (ECOC) 22–26 сентября в Дублине. Стоит сказать, что лишь в марте этого года впервые была достигнута скорость в 800 Гбит/с на одной длине волны во время конференции OFC в Сан-Диего, США.

Взрывной рост облачных сервисов и, соответственно, объёмов трафика между центрами обработки данных (ЦОД) поставил перед операторами сетей насущную задачу масштабного расширения пропускной способности: и для передачи информации внутри ЦОД, и для отправки данных по подводным кабелям протяжённостью свыше 10 тысяч километров.

Долгое время ЦОД использовали 100-Гбит оптоволоконные соединения. Сейчас операторы начали переводить трафик в нагруженных ЦОД на 400-гигабитные каналы. Одновременно операторы стремятся к увеличению пропускной способности трансокеанских подводных кабелей, последний из которых — Pacific Light Cable — способен передавать данные на суммарной скорости до 144 Тбит/с между Гонконгом и Лос-Анджелесом.

Важнейшими элементами этих систем передачи информации выступают модули, которые преобразовывают цифровые сигналы между электронной и оптической формами. Они требуют как фотонных схем преобразования, так и мощных процессоров цифровой обработки сигналов (DSP), которые точно фильтруют шумы, накапливаемые при высокоскоростной передаче.

В 2017 году Acacia представила свой 1,2-Tбит чип Pico DSP. Он был интегрирован в модуль, который занимался обработкой пары сигналов по 600 Гбит/с, передаваемых на двух отдельных длинах волн. Новый модуль Acacia AC1200-SC2 объединяет тот же чип DSP со встроенными фотонными схемами, чтобы генерировать сигнал 1200 Гбит/с для передачи уже по одному каналу.

По словам вице-президента Acacia по маркетингу Тома Уильямса (Tom Williams), модуль может работать на высоких скоростях при сравнительно коротких дистанциях, но способен передавать данные на сниженной скорости при больших расстояниях. Такие модули способны обрабатывать три канала 400 GbE из ЦОД, используя мощную, но чувствительную к шумам схему модуляции 64QAM.

Для передачи на большие расстояния модуль может переключиться на более надёжные схемы модуляции. Например, 16QAM может передавать два сигнала 400 GbE, а наиболее надёжная схема DPSK (Differential Phase Shift Key) способна транслировать один сигнал 400 GbE на 10 тысяч километров. Модуль также можно использовать для устаревших стандартов, которые всё ещё широко используются (50, 75 или 100 ГГц).

Господин Уильямс также отметил, что ключом к дальнейшим усовершенствованиям является использование кремниевой фотоники. Её преимущество — в интеграции кремния с оптическими материалами для объединения оптических и электронных функций. Это область, которая относительно недавно стала достаточно развитой для широкого применения.

Признала это и IEEE, которая объявила, что ежегодная премия в области фотоники будет вручена Крису Доерру (Chris Doerr), вице-президенту Acacia по развитию.

Аналитики полагают, что распространение сетей 800 и 1200 Гбит/с существенно понизит стоимость передачи данных по оптоволокну, а  операторы смогут впервые передавать 400-гигабитные сигналы по длинным и сверхдлинным маршрутам.

Компания Cisco объявила о приобретении разработчика технологий оптических интерконнектов и кремнивевой фотоники Acacia Communications за $2,6 млрд. С учётом собственных средств поглощаемой компании и её ценных бумаг, находящихся в обращении на рынке, стоимость сделки составила $2,84 млрд.

По условиям соглашения, Cisco заплатит за каждую акцию Acacia по $70. Это почти наполовину больше курса котировок компании за день до объявления о сделке. После анонса ценные бумаги Acacia подорожали на 35 %, акции Cisco незначительно подешевели.

Acacia предлагает оптические модули, модули цифровой обработки сигналов, интегральные схемы и трансиверы для использования в сетевом оборудовании и дата-центрах. Компания утверждает, что разработала первый на рынке транспондер оптических каналов, передающий данные на скорости 400 Гбит/с. Cisco входит в число клиентов Acacia наряду с Nokia, Huawei и др.

После закрытия сделки Acacia присоединится к подразделению Cisco Optical Systems and Optics. Руководитель подразделения Cisco Networking and Security Дэвид Гекелер (David Goeckeler), комментируя покупку Acacia, отметил, что стратегическая важность  оптическихтехнологий  растёт по мере взрывного увеличения пропускной способности сетей и распространения многооблачных сред.

Компания «Оптиковолоконные системы» сообщила о производстве четырёхмиллионного километра оптического волокна.

«Оптиковолоконные системы» — первый и единственный в России завод по производству оптоволокна. Предприятие, официально открытое 25 сентября 2015 года, расположено в Саранске (Республика Мордовия).

На выпуск первого миллиона километров оптического волокна у завода ушло 1,5 года, на производство второго — 1 год. Третий миллион километров был изготовлен за полгода.

Четырехмиллионный километр был выпущен после модернизации производственной площадки, которая была проведена при поддержке Фонда развития промышленности (ФРП). Для этих целей был предоставлен льготный заём на сумму 500 млн рублей. При этом общий размер инвестиций в модернизацию производства составил почти 960 млн рублей.

В рамках проекта по расширению мощностей компания обновила индукционные печи для вытяжки оптического волокна, запустила дополнительную линию вытяжки, а также участок покраски оптоволокна и опытный участок изготовления преформ для производства волокна.

УФ-лампы для отвердевания акрилового покрытия на волокне (нажмите для увеличения)

Основными потребителями оптического волокна являются кабельные заводы — производители волоконно-оптического кабеля, которые в свою очередь поставляют продукцию операторам связи и другим потребителям. Кроме того, «Оптиковолоконные системы» экспортируют готовую продукцию в Италию, Великобританию, Австрию, Чехию, Польшу, Нидерланды, США, Китай, Пакистан, Индию и Беларусь.

Отмечается также, что в течение ближайшего года компания «Оптиковолоконные системы» намерена изготовить ещё 4 миллиона километров оптоволокна. Это позволит удовлетворить до 50 % спроса на оптоволокно в России. 

Компания Nokia совместно с европейским оператором магистральных оптических каналов Telecom Italia (TIM) установили новый рекорд по скорости передачи данных на длинные дистанции. Утверждается, что сделано это не для бравады технологиями, а с целью подготовить в Европе почву для развёртывания сетей сотовой связи поколения 5G. Для качественной работы нового беспроводного стандарта наземные коммуникации также должны повысить пропускную способность.

На оборудовании Nokia 1830 Photonic Service Switch в сети Telecom Italia с использованием спектрального уплотнения каналов (WDM, Wavelength Division Multiplexing) установлены следующие рекорды по скорости передачи данных на длину волны. Между Римом и Флоренцией на дальности 350 км скорость передачи достигла 550 Гбит/с ― это стало новым абсолютным европейским рекордом по передаче данных на большие расстояния. Скорость передачи между Римом и Миланом на удалении свыше 900 км составила 400 Гбит/с, а дистанцию свыше 1750 км данные преодолели со скоростью 300 Гбит/с.

В штатном режиме сеть TIM WDM работает на скорости 100 Гбит/с на дальности до 1800 км или на 200 Гбит/с на 800 км. Нетрудно заметить, что на максимальной дальности скорость передачи была увеличена в три раза. Подчеркнём, ёмкость канала выросла в три раза без замены кабельного хозяйства на развёрнутом оборудовании и проложенных оптических магистралях. Фактически даром. За это необходимо благодарить новый цифровой сигнальный процессор Nokia PSE-3 (Photonic Service Engine).

Процессор PSE-3, по словам Nokia, это первое гармоничное решение, в котором реализован алгоритм «вероятностного формирования сигнального созвездия» (Probabilistic Constellation Shaping, PCS). Алгоритм PCS позволяет выжать максимум по пропускной способности в зависимости от дальности передачи. Суть технологии заключается в том, чтобы снизить соотношение сигнал/шум (уменьшить помехи) или, говоря иначе, повысить спектральную эффективность развёрнутых сетей. Для этого для передачи сигнала используется квадратурная модуляция QAM-64 с возможностью выбрать из 64 возможных значений сигнала для подстройки под конкретную линию/дальность. Как показал опыт, технология работает и готова для внедрения.

Развёртывание оптоволоконных сетей предполагает установку оптических коммутаторов. Нетрудно понять, что коммутатор представляет собой критический элемент инфраструктуры и должен соответствовать скорости передачи данных по оптоволокну. Между тем, существующие сегодня способы реализации оптических коммутаторов далеки от идеала и в будущем грозят стать тормозом в развитии оптической сетевой инфраструктуры.

Younghee Lee graphic

Современные оптические коммутаторы строятся на относительно медленных узлах переключения на линзах и зеркалах, скорость реакции которых находится в пределах долей секунды. К тому же, как в случае коммутатора на базе интерферометра Маха–Цендера, переключение сопровождается значительными потерями, которые необходимо компенсировать усилением сигнала. Преодолеть множество ограничений и использовать новый принцип в переключении оптических каналов взялись разработчики из Калифорнийского университета в Беркли. Для этого они использовали хорошо обкатанное в других областях электроники решение в виде микроэлектромеханических матриц (MEMS).

Kyungmok Kwon

Прототип созданного в Беркли оптического коммутатора показал выдающиеся результаты. Он работает в 10 000 раз быстрее современных коммутаторов. Скорость переключения составляет менее 400 нс. Более того, интегрированный на одном кристалле коммутатор размером 4 × 4 см переключает 240 оптических каналов в конфигурации 240 × 240. Также решение показало незначительные потери на уровне 0,004 дБ на канал или 9,8 дБ на чип, а соотношение включение/выключения канала составило 70 дБ. Это превосходные характеристики, которые могут быть ещё улучшены при переходе на массовое производство. Как же всё это работает?

Tae Joon Seok

Чип коммутатора создавался в обычном КМОП-техпроцессе. Он представляет собой повторяющуюся структуру из базовых элементов в конфигурации 3 × 3. Выше на иллюстрации как раз показан такой массив. Красными линиями обозначены волноводы шириной 10 мкм. Луч (показан синим цветом) попадает на перекрёсток и может либо двигаться по прямой, либо повернуть вправо на 90 градусов. Для поворота вправо (для коммутации) на узел подаётся переключающий импульс, который опускает подвижную электромеханическую рампу с волноводом, уводящим луч вправо вверх. Дальше по маршруту расположена другая рампа, которая возвращает повернувший луч на нижний уровень на магистраль обычных волноводов. Это как авторазвязка, когда поворачивающий транспорт не мешает движению по основной магистрали. Интересная реализация. Ждём коммерческого воплощения.