جهاز الإرسال والاستقبال البصري 400G على أساس تعديل PAM4

 

نوعان شائعان من حزم أجهزة الإرسال والاستقبال 400G هما OSFP و QSFP-DD. تتميز الوحدة الضوئية المغلفة بواسطة OSFP بأداء حراري جيد ويمكن توسيعها إلى 800G ، لكن حجمها كبير. الوحدة البصرية في حزمة QSFP-DD أبسط ومتوافقة. بالنسبة للوحدة الضوئية 400 جيجا ، فإن الإشارات الكهربائية للواجهة بين OSFP / QSFP-DD والمضيف هي 8x50G / PAM4 ، أي أنها تعتمد جميعًا وضع تعديل PAM4. ستقدم هذه الورقة وضع تعديل PAM4 وتطبيقه في 400G جهاز الإرسال والاستقبال.

1. ما هو PAM4 في الاتصالات البصرية؟

 

تعد PAM4 (مستوى 4 لتعديل سعة النبض) الآن تقنية مهمة جدًا وأساسية في مجال الاتصالات الضوئية. قبل فهم PAM4 ، من الضروري معرفة تقنية أخرى أكثر أساسية لتعديل الإشارة - NRZ (عدم العودة إلى الصفر) ، والتي تسمى أيضًا PAM2 (المستوى 2). NRZ هي إشارة منطقية رقمية تستخدم مستويات إشارة عالية ومنخفضة لتمثيل المعلومات المرسلة. مع الرموز أحادية القطب غير المرتجعة إلى الصفر ، يتوافق "1" و "0" مع المستويات الموجبة والصفر ، أو المستويات السالبة والصفر ، على التوالي. الرموز ثنائية القطب غير الصفرية ، حيث يتوافق "1" و "0" مع مستوى موجب ومستوى سلبي مكافئ على التوالي.

لا يعني المصطلح "غير صفري" أنه لا يوجد "0" ، ولكن لا تحتاج الإشارة إلى العودة إلى مستوى الصفر بعد إرسال كل بتة من البيانات (من الواضح أن NRZ يحفظ عرض النطاق الترددي مقارنةً بـ RZ). في تعديل الوحدة الضوئية ، نستخدم قوة الليزر للتحكم في "0" و "1". بعبارات بسيطة ، فهذا يعني أنه عندما تكون القدرة الضوئية المنبعثة الفعلية أكبر من عتبة معينة ، فإنها تكون "1" ؛ إذا كانت أقل من عتبة معينة ، فإنها تكون "0".

مع استمرار زيادة طلبات النطاق الترددي ، نحتاج إلى إيجاد طرق لزيادة كمية المعلومات المنطقية المنقولة لكل وحدة زمنية ، وتظهر PAM4 ، وهي تقنية تعديل أكثر تقدمًا. يستخدم أربعة مستويات إشارة مختلفة لنقل الإشارة. يمكنه مضاعفة المعلومات المنطقية التي تمثلها دورة رمز واحدة من 1 بت من NRZ إلى 2 بت. على سبيل المثال ، بعد تعديل شريحة 25G EML بواسطة PAM4 ، يمكن تحويلها إلى وحدة بصرية أحادية القناة 50G PAM4. انقر فوق هذه المقالة لمعرفة المزيد عنها NRZ و PAM4.

2. لماذا 400G اعتماد إيثرنت برنامج الأغذية العالمي4 تكنولوجيا؟

 

في البداية ، لم تأخذ جمعية IEEE في الاعتبار تقنية PAM4 عند صياغة جيل جديد من معيار واجهة 200G / 400G ، مثل 400GBASE-SR16 ، لكنها اعتمدت تقنية NRZ لتحقيق معدل نقل 400G من خلال قنوات متوازية 16x25Gbps. ومع ذلك ، يتطلب المخطط عددًا كبيرًا من الألياف الضوئية ، وهو أمر غير اقتصادي ومناسب ، ولا يمكن للهامش الزمني لشريحة جهاز الإرسال والاستقبال وفقدان ارتباط الإرسال وحجم المخطط تلبية متطلبات 400G Ethernet. 

لذلك ، عندما صاغت جمعية IEEE معيار 802.3bs ، اقترحت أن يحل PAM4 محل NRZ. بعد بحث متعمق حول خصائص واختبارات المعلمات لإشارة PAM4 ، تم تمرير الاقتراح أخيرًا. بعد ذلك ، تم إصدار معيار واجهة 400GBASE-LR8 / 400GBASE-FR8 على أساس تقنية PAM4 ، ليصبح أول معيار واجهة 400G. يعتمد معيار الواجهة تقنية 8x50Gbps PAM4 لتحقيق انتقال 400G. لم تعد بحاجة إلى قنوات 16x25G لتحقيق نقل 400G مثل NRZ. بهذه الطريقة ، لا يمكنها فقط توفير تكلفة الألياف الضوئية ولكن أيضًا تقليل فقد الارتباط.   

3. تطبيق PAM4 في القرن الرابع الميلاديG جهاز الإرسال والاستقبال: وضع متعدد مقابل وضع فردي

 

PAM4 هو وضع التعديل الرئيسي لـ 400G QSFP-DD وحدة بصرية ، والتي لها نوعان: الوضع المتعدد والوضع الفردي. يتم تعديل جانب المنفذ الكهربائي لجهاز الإرسال والاستقبال 400G المستند إلى تعديل PAM4 بواسطة 8x50G PAM4 ، بينما يحتوي جانب المنفذ البصري على نوعين من التعديل: 8x50G PAM4 و 4x100G PAM4.

 1) جهاز الإرسال والاستقبال متعدد الأوضاع 400G

الوحدات البصرية متعددة الأوضاع 400G الشائعة هي واجهات SR8 و SR4.2 ، وكلها تستخدم تعديل 8x50G PAM4.

• 400 جرام SR8: وتعني كلمة "SR" استخدام الألياف الضوئية متعددة الأوضاع لنقل مسافة 100 متر ، بينما تعني "8" وجود 8 قنوات بصرية. عندما تعمل كل قناة بصرية مع 50G PAM4 ، يلزم ما مجموعه 16 ألياف بصرية (8 TX و 8 Rx). يمكن للوحدة البصرية 400G SR8 توصيل 8 أزواج من الألياف الضوئية باستخدام موصل MPO-16 أو موصل MPO-24.   
• 400غ 4.2 ر. يشير "SR" إلى استخدام الألياف الضوئية متعددة الأوضاع لإرسال مسافة 100 متر ، ويعني "4" وجود 4 قنوات بصرية ، بينما يعني "2" أن لكل قناة طولين موجيين. تستخدم وحدة 400G SR4.2 موصل MPO-12 ، وتعمل كل قناة بصرية مع 2x50G PAM4 ، ويتطلب إجمالي 8 ألياف بصرية. الأطوال الموجية ثنائية الاتجاه ومتعددة. الميزة الرئيسية لـ SR4.2 هي أنه يمكنه الاستمرار في استخدام موارد الألياف الضوئية المثبتة الحالية.

نوع الوحدة النمطية	بعد انتقال	نوع الألياف	واجهة بصرية	نوى الألياف	الطول الموجي	تعديل
400 جرام SR8	100m	متعدد الوضع المتوازي	MPO-16 (APC) أو MPO-24 (PC)	16	850nm	50 جرام بام 4
400 جرام SR4.2	100m	متعدد الوضع المتوازي	MPO-12 (APC)	8	850nm / 910nm	50 جرام بام 4

 2) جهاز الإرسال والاستقبال 400G أحادي الوضع

وضع فردي 400G بصري جهاز الإرسال والاستقبال يمكن تقسيمها إلى مجموعتين. تم تشكيل مجموعة واحدة من جانب المنفذ البصري بـ 8x50G PAM4 ، والمجموعة الأخرى معدلة بـ 4x100G PAM4. تستخدم كلتا الطريقتين DSP كـ CDR (لم يتم إنشاء CDR تمثيلي) أو مزيج من Gearbox و CDR. يكمن الاختلاف في معدل إرسال الإشارة على جانب الخط وعدد أشعة الليزر المستخدمة.

• جهاز إرسال واستقبال أحادي الوضع 400G يعتمد على 8 × 50G PAM4

هناك ثلاثة أنواع شائعة من الوحدات البصرية 400 جيجا في وضع التعديل هذا: FR8 و LR8 و 2 xFR4.

400 جرام FR8 و 400 جرام LR8 هي أقدم واجهات 400 جيجابت أحادية الوضع. يعني "8" استخدام 8 أطوال موجية ، ويعمل كل طول موجي مع 50G PAM4. "FR" تعني انتقال 2 كم ، "LR" تعني نقل 10 كم. يتم مضاعفة 8 أطوال موجية في ألياف بصرية واحدة ، وتستخدم الوحدات البصرية FR8 و LR8 واجهات ضوئية مزدوجة LC.

• 2xFR4 400 جرام تستخدم الوحدة الضوئية 8 أشعة ليزر ، ولكنها مقسمة إلى مجموعتين من 4 أطوال موجية (وفقًا لمعيار 200G FR4). يتم مضاعفة المجموعتين في الألياف الضوئية على التوالي ، وتوفر الوحدة الضوئية إشارات 2x200G على موصلي CS. 

نوع الوحدة النمطية	بعد انتقال	نوع الألياف	واجهة بصرية	نوى الألياف	الطول الموجي	تعديل
400 جرام 2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4 (CWDM4)	50 جرام بام 4
400 جرام FR8	2km	SMF	LC	2	8 (لودم)	50 جرام بام 4
400 جرام LR8	10km	SMF	LC	2	8 (لودم)	50 جرام بام 4

ومع ذلك ، هناك تجارة-offق عند استخدام محلول 8x50G. من ناحية ، توفر ميزانيات ارتباط محسّنة في بعض الحالات ، ولكن من ناحية أخرى ، تكون التكلفة الإجمالية لليزر لكل وحدة أعلى وتكون العبوة الضوئية أكثر تعقيدًا ، مما يؤدي إلى انخفاض الإنتاج وارتفاع تكلفة الإنتاج. في المقابل ، تتميز الوحدة النمطية 4x100G باستهلاك أقل للطاقة وقدرة أبسط على المعالجة الحرارية. لذلك ، فإن حل 4x100G أكثر شيوعًا.  

• جهاز إرسال واستقبال أحادي الوضع 400G يعتمد على 4 × 100G PAM4

الوحدات البصرية 4x100G هي محور السوق الحالي. يستخدم جانب خطهم أربع قنوات مع 100G PAM4. هنا ، يمكننا تقسيم هذه الوحدات الضوئية إلى "ألياف متعددة" و "ألياف مزدوجة". المكونات الرئيسية لهذه الوحدات الضوئية هي DSP مع وظيفة علبة التروس ، بما في ذلك DR4 و FR4 و LR4.

400غ DR4: في الوحدة البصرية 400G DR4 ، يحول DSP الإشارة الكهربائية 8x50G PAM4 إلى 4x100G PAM4 ، ثم ينقلها إلى المحرك البصري. في الوقت نفسه ، يعمل DSP مثل CDR ، ويبلغ الطول الموجي لكل قناة 1310 نانومتر ، وتتطلب كل قناة أليافًا واحدة ، لذلك يلزم ما مجموعه 8 ألياف.  

400غ FR4 و LR4: الوظائف الأساسية لـ DSP هي نفسها في الوحدات البصرية FR4 و LR4 كما هو الحال في DR4 ، ولكن الآن يتم استخدام أربعة أطوال موجية (CWDM4) بدلاً من أربع إشارات 1310 نانومتر ، ويتم إضافة مُضاعف لدمج إشارات CWDM هذه. بهذه الطريقة ، يتم تقليل عدد الألياف الضوئية المطلوبة لـ FR4 / LR4 إلى 2 (TX + Rx) ، ويتم اعتماد منافذ LC الضوئية المزدوجة.

نوع الوحدة النمطية	بعد انتقال	نوع الألياف	واجهة بصرية	نوى الألياف	الطول الموجي	تعديل
400 جرام DR4	500m	PSM / SMF	MPO-12 (APC)	8	1 (1310 نانومتر)	100 جرام بام 4
400 جرام FR4	2km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100 جرام بام 4
400 جرام LR4	10km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100 جرام بام 4

 

لتلخيص، مع ظهور البيانات الضخمة والحوسبة السحابية ، فإن النمو السريع لقوى المرور لتقنية تعديل الإشارة لتتطور في اتجاه أكثر تعقيدًا. نظرًا لكونها أكثر تقنيات التعديل كفاءة في الوقت الحالي ، فقد أصبح PAM4 الاتجاه الحتمي لتطوير الوحدة البصرية عالية السرعة 400 جيجا بايت. في المستقبل ، بالنظر إلى التكلفة ، قد تصبح طريقة تحقيق إرسال 400 جيجا بإشارات ضوئية رباعية القنوات هي السائدة. في الوقت نفسه ، يمكن ترقية المنفذ الكهربائي للوحدة الضوئية تدريجياً إلى شكل 4x4G PAM100 ، يتم حذف شريحة علبة التروس ، وذلك لتوفير استهلاك الطاقة والتكلفة.