Автор: Peter J. Winzer, David T. Neilson, Andrew R. Chraplyvy
Источник: Vol. 26, No. 18 | 3 Sep 2018 | OPTICS EXPRESS 24190
За предыдущие 20 лет, начиная с оптики Express был создан в 1997 году, интернет-протокола (IP) трафика в Северной Америке возросла в 10 000; емкость IP-маршрутизатор лезвия, которые убедиться, что эти пакеты достигают места назначения хозяина, возросла в 1,000; способность спектрального мультиплексирования (WDM), так волоконно-оптических линий связи системы транспортировки IP-трафика по всему миру увеличилось на столько же, коэффициент 1,000; и в-Длина волны цены транспондер интерфейс выросли на коэффициент от 10 до 100. Эти цифры отражают колоссальный рост спроса на трафик данных и его предложение с помощью информационно-коммуникационных технологий на хорошо понятных долгосрочных тенденциях экспоненциального масштабирования, о чем мы и поговорим в данной статье. Приуроченное к 20 летнему юбилею Optics Express, мы отмечаем, что количество страниц, опубликованных в этом онлайн-журнале, выросло в столь же впечатляющий раз-37, с ~900 страниц, опубликованных в год в его начале, и ~34 000 страниц, опубликованных ежегодно сегодня. Принимая 20-летний взгляд, мы рассмотрим эволюцию волоконно-оптических систем связи в этой статье и, взглянув на предыдущие 20 лет, попытаемся экстраполировать потребности волоконно-оптических технологий и потенциальные пути их решения на ближайшие 20 лет. Хорошо понимая, что 20-летние экстраполяции технологий по своей сути являются шумными, мы надеемся, что принятие значительно более долгосрочного взгляда, чем большинство текстов в этой области, предоставит читателю более широкую перспективу и будет стимулировать столь необходимое нестандартное мышление для решения самой проблемы. Впереди нас ждут серьезные проблемы масштабирования технологий. Похожими на наш спутник работе, что “только” выглядит на десять лет в будущее, и которые могут служить как дополнительным и вступительное источник материала, рассмотренного здесь, мы основываем наш 20-летний экстраполяции по отработанной долгосрочной перспективе исторического движения и технологии тенденции роста, которую мы несем будем продолжать идти вперед. Очевидно, что весь экспоненциальный рост в конечном итоге насытится, но многие примеры, связанные с информационно-коммуникационными технологиями, показали, что экспоненциальный рост (как и экспоненциальное снижение энергии) может сохраняться десятилетиями, и даже в течение столетия; Примеры устойчивого экспоненциального роста в течение нескольких столетий также можно найти, например, в экономике. В то время как человеческое восприятие быстро принимает долгосрочное экспоненциальное масштабирование как исторический факт, часто возникают значительные колебания, связанные с принятием продолжения экспоненциального масштабирования как вероятного пути эволюции в будущее. Эти концептуальные трудности, вероятно, возникают из-за того, что люди, как правило, сосредотачиваются на масштабировании данного технология, в то время как экспоненциальное масштабирование скорее должно быть связано с функциональным масштабированием, в результате чего масштабирование определенной технологии, используемой для реализации определенной функции, может быть насыщено и заменено новой технологией для продолжения масштабирования рассматриваемой функции. Примерами являются функциональное масштабирование микропроцессоров, которое сначала включало масштабирование тактовой частоты, а затем масштабирование с помощью многоядерных архитектур; функциональное масштабирование памяти, которое включало различные поколения различных магнитных технологий, прежде чем перейти к полупроводниковые технологии; и функциональное масштабирование дальнемагистрального транспорта, которое сначала прибегло к регенерированному мультиплексированию с временным разделением на промежутки времени с использованием последовательности оптических диапазонов длин волн по многомодовым, затем одномодовым волноводам, затем включило оптически усиленный WDM и теперь переходит к параллельным пространственным путям. Отдельные приложения, стимулирующие рост трафика, также могут демонстрировать насыщение, но только для того, чтобы быть замененными новыми приложениями это продолжает масштабирование трафика. Если устоявшиеся долгосрочные тенденции масштабирования претерпят заметные изменения, которые помешают их базовому функциональному масштабированию в экспоненциальном темпе, к которому привыкло наше сильно ориентированное на информацию и коммуникации общество, снижение темпов роста, вероятно, будет иметь значительные социальные и/или экономические последствия. Мы надеемся, что этого удастся избежать благодаря изобретательскому духу научного и инженерного сообщества, о котором идет речь в этой статье. На самом деле, в то время как мы ожидаем, что будут проблемы с масштабированием в течение следующих 20 лет мы не предвидим каких-либо фундаментальных препятствий, о которых пойдет речь в этой статье. Когда Optics Express была создана в июле 1997 года, ЭРА WDM-систем только началась с точки зрения значительного коммерческого развертывания. Современные системы имели 16 каналов со скоростью 2,5 Гбит/с и спектральной эффективностью (SE) 0,0125 б/с/Гц. Ключевой параметр производительности WDM-систем, SE определяется как отношение совокупной пропускной способности системы CSys к пропускной способности системы BSys , которое для однородной WDM-системы эквивалентно соотношению от скорости передачи данных по каналу RCh до частотного интервала FCh между каналами WDM, В качестве альтернативы подходу AT&T и Ciena к WDM компания Nortel еще в 1997 году представила систему с одноволновой скоростью 10 Гбит/с. Что касается подводной передачи, то трансатлантические кабели TAT12/13 только что были введены в эксплуатацию. Каждый кабель имел 2 пары волокон и транспортировал одну длину волны со скоростью 5 Гбит / с на волокно на протяжении 5913 км с использованием волоконных усилителей, легированных эрбием (EDFAs), в качестве ретрансляторов для совокупной пропускной способности кабеля 20 Гбит / с; совокупная пропускная способность кабеля х расстояние продукта составляла 118 Тб/с. км [5]. В рекордных исследовательских экспериментах совокупная емкость WDM составляла 1 Тб/с (55 х 20 Гбит / с и 25 x 20 Гбит / с x 2 поляризации) были только что установлены в 1996 году, более чем в 10 раз превышая SE, используемый в коммерческих продуктах, см. табл. 1. (подробный табличный отчет о прогрессе результатов мультитерабитных исследований в течение 2007 года, как в наземных, так и в подводных экспериментах, приведен в табл. Подробности коммерческих построения системы на период до 2004 года) Сегодня, 20 лет спустя, коммерческие дальнемагистральные системы C + L-диапазона lightwave несут до 192 каналов со скоростью до 250 Гбит/ с в сети 50 ГГц, обладая совокупной дальнемагистральной пропускной способностью ~48 Тб/с при SE 5 б/с / Гц, а для короткодоступных приложений-до 400 Гбит/с при 8 б/с/Гц, при общей пропускной способности до 76 Тб/с [8,9]. Самый мощный подводный кабель, Тихоокеанский свет Кабельная сеть (PLCN) несет совокупную двунаправленную скорость 144 Тб/с через Тихий океан, с общей производительностью x расстояние продукта через 6 пар волокон 3,686 ПБ/с км (считая оба направления передачи отдельно). Записи исследований сегодня (см. 1) достичь чистой скорости интерфейса на одну несущую, превышающей 1 ТБ/с [10-12], а совокупные мощности WDM в одномодовом волокне до 115 Тб/с имеют сообщалось [13-15]. При использовании многоядерного волокна была достигнута пропускная способность системы до 10 ПБ/с. Короткодоступные системы продемонстрировали рекордную скорость 17,3 б / с / Гц на одномодовом волокне; были продемонстрированы продукты емкости х расстояния до 881 ПБ/с км на одноядерном одномодовом волокне [18] и до 1508 ПБ/с км на многоядерном волокне . Заглядывая на 20 лет в будущее и предполагая, что вычислительные технологии продолжают свое (функциональное) масштабирование на уровне ~40%, консервативное предположение основано на исторических данных. масштабирование тенденции [1], экстраполировать потребностей в создании потенциала в 2037. Мы обсудим подробное технологическое обоснование этих экстраполяций в оставшейся части этой статьи, и в частности роль, которую мультиплексирование с пространственным разделением (SDM) должно играть в дополнение к WDM.