Ускоренное переключение света

К наиболее быстрым технологиям доступа в Европе относят массовое развитие сверхвысокоскоростной цифровой абонентской сети (Very high bit-rate Digital Subscriber Line, VDSL), а в Америке и Азии — прокладку волоконно-оптических соединений до квартиры (Fiber to the Home, FTTH). Новые приложения радиопередачи, включая 3G Wireless и WiMAX, предлагают все большую пропускную способность и в мобильной области. Многочисленные отраслевые исследования темпов роста сетей IP сходятся в том, что ежегодно можно рассчитывать на удвоение объема трафика Internet, и о такой величине темпов роста говорится с большой долей уверенности (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Интенсивность трафика, на основании ежемесячной емкости магистральных IP-сетей Internet в США в период с 1990 г. по 2000 г.: за время с 2000 г. по 2010 г. трафик Internet, вероятно, увеличится в 1000 раз.

В будущем рост емкости ядра в сетях IP неизбежно предъя-вит весьма серьезные требования к масштабируемости нижележащей оптической инфраструктуры транспортной сети, по которой проходит трафик. Кроме того, увеличение пропускной способности сетей IP повышает необходимость прямого масштабирования соединений между маршрутизаторами с целью совершенствования управления большими объемами трафика и применения к информационному потоку эффективных технологий мультиплексирования и обработки данных. Это поможет справиться с типичной для трафика IP неравномерностью (burst traffic) — к примеру, при зависящих от времени суток пиках пользования услугами.

Одноранговые соединения между маршрутизаторами, которые в начале 1990-х гг. состояли сначала из одного или нескольких соединений «цифрового сигнала третьего уровня» (Digital Signal Level 3, DS3) по 50 Мбит/с, а позже были переведены на «синхронные транспортные модули» (Synchronous Transport Module) уровня 1 (STM-1) со скоростью передачи данных до 155,52 Мбит/с, а затем — в конце 1990-х гг. — на модули STM-16 c пропускной способностью в 2,5 Гбит/с. С тех пор произошел переход на один или несколько каналов с еще большей пропускной способностью в 10 Гбит/с. Сегодня провайдеры услуг Internet вводят новое поколение IP-маршрутизаторов ядра, где используются интерфейсы со скоростью передачи 40 Гбит/с, и уже планируется применение сверхбыстрых интерфейсов Ethernet со скоростью 100-160 Гбит/с.

Общая емкость сети IP растет, а введение интерфейсов IP с очень высокой пропускной способностью ставит перед операторами, нуждающимися в масштабировании оптических сетей передачи данных, серьезные проблемы: их волоконно-оптические линии, по всей вероятности, должны будут обеспечить емкость до 10 Тбит/с, а сервисные интерфейсы между маршрутизаторами — до 100 Гбит/с. Однако существующие высокопроизводительные транспортные системы со спектральным уплотнением (Wavelength Division Multiplexing, WDM) масштабируются недостаточно эффективно, чтобы удовлетворить указанным требованиям. При масштабировании важно учитывать множество различных критериев: размер системы и плотность портов, энергопотребление, количество необходимых схемных компонентов, объем волоконно-оптической проводки в шкафах и между ними, спектральную эффективность и возможность ускоренной передачи данных по имеющейся волоконно-оптической инфраструктуре.

Насколько непростым делом является подобное масштабирование, видно на следующем примере: инсталлированная сегодня типичная система WDM с емкостью магистрали IP в 640 раз по 10 Гбит/с к 2012 г. состояла бы из более чем 650 интерфейсных карт, 14 шкафов и 350 соединений в шкафах и между ними. Заметно возросли бы энергопотребление и размеры системы, а также усложнились бы ее развитие, эксплуатация и обслуживание. Отрасли требуются новые технологические достижения, чтобы сделать необходимое масштабирование не таким затратным.

Единственное решение — повышение скорости передачи данных по каналу на длину волны, благодаря чему потребовалось бы меньше интерфейсных карт, что, в свою очередь, упростило бы управление волоконно-оптической средой и решило проблему нехватки места. Между тем на рынке уже доступны транспортные системы WDM, работающие со скоростями передачи до 40 Гбит/с. С технической точки зрения они способны решить перечисленные проблемы, однако пока очень дороги. Усилия разработчиков направлены на то, чтобы сделать эти решения экономически приемлемыми по сравнению с системами, которые в состоянии передавать до 10 Гбит/с на длину волны. Однако едва ли кто-нибудь ждет, что технологии WDM со скоростью 40 Гбит/с будут широко использоваться в ближайшие годы.

И если все согласны с тем, что усиленное развитие систем WDM со скоростью передачи до 40 Гбит/с действительно сможет сделать технологию доступной по цене, то остаются серьезные сомнения в способности имеющихся сетей в принципе обеспечить передачу данных при дальнейшем повышении скорости, к примеру, до 100 Гбит/с на волну. Опасения основаны на различных факторах: при таких высоких скоростях сильнее проявляются слабости оптического способа передачи, в частности хроматическая дисперсия и поляризационно-модовая дисперсия. Помимо этого, проблематична достижимость необходимых значений отношения оптического сигнала к шуму (Optical Signal-to-Noise Ratio, OSNR) и показателя качества (Quality, Q) для передачи по обычным волоконно-оптическим трактам. Критически важными вопросами являются реализация, долговечность и готовность оптических и электронных компонентов, к примеру детекторов PIN/APD (Positive Intrinsic Negative — положительный-собственный-отрицательный, Avalanche Photo Diode — лавинный фотодиод), усилителей напряжения с управлением по току (Transimpedance Amplifier, TIA), модуляторов и их приводов, работающих при таких высоких скоростях передачи данных в битах.

50 ОПТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ НА ОДНОЙ МИКРОСХЕМЕ

В сложившейся ситуации производители пытаются выработать свои решения. К примеру, Infinera собирается предложить альтернативный подход к построению систем WDM и масштабированию емкости магистральных сетей IP. Для этого она разработала монолитные оптические интегральные схемы (Photonic Integrated Circuit, PIC) с высокой степенью интеграции на подложке из фосфида индия (Indium Phosphide, InP) и обеспечила коммерческую доступность транспортных систем WDM на базе PIC. Компания, расположенная в Саннивейл (Калифорния, США), является производителем оптических систем на базе PIC собственной разработки.

Главное преимущество так называемой оптической интеграции заключается в значительной консолидации оптических компонентов на общей подложке и, соответственно, в одной микросхеме. Благодаря ему на одном компоненте с одним лишь соединительным волокном можно реализовать многочисленные каналы WDM и оптические функции (включая лазеры, модуляцию, мультиплексирование/демультиплексирование, детектирование, ослабление и усиление сигнала). Доступные на рынке PIC серии I-PIC-100 поддерживают скорости передачи данных до 100 Гбит/с на одну микросхему, величина которой меньше человеческого ногтя (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Оптические микросхемы компании Infinera на подложке из фосфида индия содержат 50 оптических компонентов, включая десять лазеров, работающих со скоростью 10 Гбит/с на канал.

Оптическая интеграция позволяет значительно снизить стоимость электронно-оптического преобразования. Сетевая архитектура компании Infinera под названием «цифровая оптическая сеть» (Digital Optical Network), используя это обстоятельство, делает возможным более частое обращение к таким узлам сети. Операторы могут включать и выключать трафик данных на этих узлах, переключать или распределять, а также проводить его одновременный мониторинг. «Цифровая» архитектура особенно хорошо подходит для таких густонаселенных регионов, как Западная Европа, где операторы предлагают свои услуги и в небольших городах, даже там рассчитывая на получение определенного оборота. В случае применения традиционных систем плотного спектрального мультиплексирования (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM) подобное во многих случаях было бы невозможно по экономическим причинам (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Микросхемы содержат отдельные оптические волокна с общей емкостью 100 Гбит/с.

Микросхема PIC обеспечивает значительно большие значения пропускной способности, благодаря чему может использоваться в системах WDM на базе PIC и удовлетворять требованиям, предъявляемым к масштабированию емкости сети. К таковым относится, в частности, «виртуализация емкости», когда разделяются предоставление услуг с высокой пропускной способностью (к примеру, услуг 100 Gigabit Ethernet) и работа на низких скоростях передачи данных. Это позволяет значительно снизить количество волоконно-оптических соединений в шкафах и между ними, сократить занимаемую площадь и энергопотребление для системы данной емкости. Одновременно упрощается архитектура системы, повышаются ее надежность и сквозная готовность услуг.

Интегрированные монолитные PIC по сравнению с дискретно построенными оптическими компонентами обеспечивают повышение функциональной плотности системы. Они дают возможность распространить закон Мура (об удвоении числа транзисторов на единицу площади каждые 18 месяцев) и на оптические компоненты. Как и в случае с производством кремниевых ИС, этот закон подтверждает возможность оптической монолитной интеграции и уменьшения размеров корпуса. Он указывает на то, что благодаря эффективному массовому производству технология PIC будет становиться все дешевле, количество объединяемых функций — увеличиваться, а плотность компонентов продолжит свой рост (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Технология PIC масштабируется по закону Мура, как и в случае с кремниевыми микросхемами. Для оптических транспортных систем плотность задается количеством мегабит на шкаф (системы TDM, WDM и WDM на базе PIC), а масштабируемость PIC — числом интегрированных компонентов и скоростью передачи данных на канал.

Сравнение масштабируемости кремниевых микросхем и InP-PIC показывает, что рабочие характеристики PIC со временем масштабируются именно так, как это утверждает закон Мура для кремниевых интегральных схем, и намного превышают производительность дискретно построенных оптических компонентов. Отсюда следует, что развитие систем WDM на базе PIC обладает наибольшим потенциалом для эффективного масштабирования оптических транспортных систем.

Уже сегодня системы WDM на базе PIC, способные поддерживать скорость передачи до 100 Гбит/с, используют в операторских сетях следующего поколения такие компании, как Level 3 Communications, Global Crossing, XO Communications и Broadwing Communications. Они обеспечивают более высокую эффективность эксплуатации сети и упрощают предоставление новых услуг с высокой пропускной способностью. В 2005 г. компания Freenet — один из ведущих провайдеров услуг Internet Германии — также оснастила такими системами принадлежащую ей сеть, которая охватывает всю страну.

Дополнительные исследования и разработки в области технологии PIC показали, что возможны еще большие достижения: так, Infinera — согласно ее собственному заявлению — уже продемонстрировала монолитную микросхему PIC, обладающую пропускной способностью в 1,6 Тбит/с и поддерживающую 40 каналов WDM по 40 Гбит/с каждый (см. Рисунке 5).

Рисунок 5. В своей лаборатории компания Infinera уже продемонстрировала PIC с емкостью 1,6 Тбит/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Преимущества, предлагаемые новыми технологиями, в том числе такими, как оптические схемы с высокой степенью интеграции, позволяют провайдерам услуг строить новые оптические транспортные системы. Одновременно они получают возможность масштабировать свои сети IP нового поколения, быстро удовлетворять все требования клиентов, предъявляемые к широкополосным услугам, а кроме того, еще больше повысить гибкость своих сетей и упростить работу с ними.