مقدمة لتقنيات الإرسال والاستقبال الضوئية 800G

تنقسم سيناريوهات تطبيق جهاز الإرسال والاستقبال البصري 800G بشكل أساسي إلى SR (100 م)، DF/FR/LR (500 م/2 كم/10 كم) وER/ZR (40 كم/80 كم). مسافة الاتصال من المفتاح الموجود أعلى الحامل (TOR) إلى المفتاح Leaf قصيرة. تعتمد شركات الإنترنت الكبيرة عمومًا تقنية الاتصال بسرعة 100 جيجا وترقية تدريجيًا إلى 200 جيجا / 400 جيجا بدءًا من عام 2021 وتستخدم بعض الشركات تقنية 800 جيجا في عام 2023.

مجموعة حوسبة الذكاء الاصطناعي والمجموعة التقليدية

ستصل مسافة الاتصال بين مفاتيح Leaf وSpine إلى 2 كم أو حتى 10 كم. يعد الاتصال البيني لمركز البيانات بشكل عام عبارة عن اتصال احتياطي لموازنة التحميل أو التعافي من الكوارث بين عدة مراكز بيانات متجاورة. وقد تصل مسافة هذا الاتصال إلى عشرات الكيلومترات. يستخدم بشكل أساسي تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف والاتصالات المتماسكة لإعادة استخدام موارد الألياف الضوئية قدر الإمكان.

تطور الوحدة البصرية النموذجية

يشمل تطور حلول تقنية 800G ثلاثة أجيال. الجيل الأول مزود بواجهة بصرية 8x100G وواجهة كهربائية 8x100G، متاح تجاريًا في عام 2021؛ الجيل الثاني مزود بواجهة بصرية 4x200G وواجهة كهربائية 8x100G. ومن المتوقع أن يكون الوقت التجاري هو 2024؛ الجيل الثالث مزود بواجهة بصرية 4x200G وواجهة كهربائية 4x200G. ومن المتوقع أن يكون متاحًا تجاريًا في عام 2026. وأجهزة الرقائق الإلكترونية الضوئية ذات القناة الواحدة 200 جيجا وتقنية المعادلة غير ناضجة حاليًا.

فيما يتعلق بالواجهات الكهربائية، عندما يكون معدل القناة الواحدة هو نفس معدل الواجهة الضوئية، فإن بنية جهاز الإرسال والاستقبال البصري ستصل إلى حالتها المثالية وتتمتع بمزايا انخفاض استهلاك الطاقة والتكلفة المنخفضة. ستكون الواجهة الكهربائية أحادية القناة 100G هي الواجهة الكهربائية المثالية لجهاز الإرسال والاستقبال البصري 8x100G، وستكون الواجهة الكهربائية أحادية القناة 200G هي الواجهة الكهربائية المثالية لجهاز الإرسال والاستقبال البصري 4x200G. فيما يتعلق بالتعبئة، قد يأتي جهاز الإرسال والاستقبال البصري 800G بأشكال مختلفة مثل QSFP-DD800 وOSFP.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من بنيات الواجهة البصرية لجهاز الإرسال والاستقبال البصري 800G، وهي 8x100G PAM4، 4x200G PAM4 و800G الوحدات البصرية المتماسكة. جهاز إرسال واستقبال بصري 8x100G PAM4. يعمل جهاز الإرسال والاستقبال PAM4 بسرعة 53 جيجابايت ويستخدم 8 أزواج من المحولات الرقمية إلى التناظرية (DAC) والمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADC)، و8 أجهزة ليزر، و8 أزواج من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية، وزوج واحد من الطول الموجي الخشن ذو 1 قنوات معددات التقسيم (CWDM). 8x4 جرام بام200. يعمل جهاز الإرسال والاستقبال PAM4 بسرعة 4 جيجابايت ويستخدم 106 أزواج من DACs وADCs، و4 أزواج من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية (بما في ذلك 4 أجهزة ليزر)، وزوج واحد من CWDM ذو 4 قنوات. وحدة بصرية متماسكة 1G. ويستخدم 4 أزواج من DACs وADCs، و800 ليزر وزوج واحد من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية ويمكن استخدام الليزر ذو الطول الموجي الثابت في الوحدات الضوئية المتماسكة لمركز البيانات لتقليل التكلفة واستهلاك الطاقة.

3 أنواع من بنيات الواجهة البصرية لجهاز الإرسال والاستقبال البصري 800G

يمكن لحل التعديل المباشر والفحص المباشر 8x100G الاستفادة من البنية التقنية الحالية مع التقنيات والمعايير الناضجة نسبيًا وسلسلة التوريد الكاملة نسبيًا. في سيناريو SR، تواجه تقنية VCSEL 100G تحديات. وسيصبح من العوامل الرئيسية في التطور المستمر لهذه التكنولوجيا تحسين أداء الحلول متعددة الأوضاع وتقليل تكلفة الألياف متعددة الأوضاع. لقد تطورت بسرعة تقنيات الوضع الفردي التي تمثلها ضوئيات السيليكون (SiPh) والليزر المعدل مباشرة (DML). تتطور تقنية SiPh بسرعة أكبر ومن المتوقع أن تتنافس مع الحلول متعددة الأوضاع في سيناريوهات التطبيق بمسافات نقل تبلغ 100 متر أو أقل في المستقبل. في سيناريو DR/FR، هناك ثلاثة حلول: EML، وDML، وSiPh. في سيناريو LR، توجد حلول 800G LR8 تعتمد على CWDM وLWDM وnLWDM.

في حل التعديل المباشر والكشف المباشر 4x200G، تستمر القناة الواحدة 200G في استخدام نوع كود التعديل PAM4 ويمكنها الاستفادة من الظروف الناضجة نسبيًا لصناعة PAM4. في 4x200 جرام د وسيناريوهات تطبيق FR، يوجد حاليًا حلان تقنيان: الوضع المتوازي أحادي الاتجاه رباعي الاتجاه (PSM4) وCWDM4، اللذين لا يزالان يواجهان العديد من التحديات. بالنسبة لسيناريوهات تطبيق LR، توجد حلول 4G LR800 تعتمد على CWDM وLWDM وnLWDM، ولكن هذا الحل يتطلب أجهزة شرائح إلكترونية ضوئية ذات نطاق ترددي عالٍ، وتقنية معادلة أقوى، وتصحيح الأخطاء الأمامي (FEC) لضمان تصحيح معدلات أخطاء البت (BER)، مما يشكل تحديات تقنية عالية.

تشتمل الحلول التقنية في سيناريو 800G SR على حلول قائمة على DML/EML وSiPh. يستخدم حل 800G SR8 DML/EML شريحة بصرية 8x100G DSP وDML/EML بنفس الطول الموجي، ويستخدم 8 ألياف ضوئية في كل من طرفي الإرسال والاستقبال (PSM8)، ويستخدم موصلات MPO ذات 24 نواة أو 16 نواة. يستخدم حل 800G SR8 SiPh مغير 8xSiPh MZ/ليزر الألياف المستمر (يتم استخدام ضوء السيليكون كجهاز إرسال، في حين يتم فصل المغير ومصدر الضوء)، والذي يمكن أن يحقق بنية مصدر ضوء مشتركة متعددة القنوات متوازية. إذا تم التحكم في فقدان الإدخال بشكل صحيح، فإن استخدام 1-2 مصادر ضوئية لتحقيق 8 قنوات بالتوازي يمكن أن يمنح النظام ميزة جيدة من حيث التكلفة.

حل 800G SR: 8×100G SR8 DML/EML

حل تكنولوجيا 800G SR: 8×100G PSM8 SiPh

في سيناريو 800G DR/FR، يتمتع حل 4x200G بميزة تكلفة أقل. يستخدم حل 800G DR4 (EML/SiPh) 4x200G DSP. تستخدم الشريحة الضوئية 4xEML/SiPh، بنفس الطول الموجي. ونظرًا لتطوير النطاق الترددي المحدود، فإن الحل لا يستخدم DML. يستخدم كل من طرفي الاستقبال والإرسال 4 ألياف ضوئية (PSM4)، جميعها لها نفس الطول الموجي، وتستخدم موصلات MPO ذات 12 نواة. يستخدم حل 800G 2km (FR) تقنية 200G PAM4 أحادية القناة. عندما يزيد المعدل من 100 جيجا إلى 200 جيجا، سيتضاعف معدل الباود وستتدهور الحساسية بحوالي 3 ديسيبل. ولذلك، يلزم وجود FEC أكثر قوة للحفاظ على حساسية جهاز الاستقبال العالية (-5dBm).

800 جرام محلول DR/FR: 4 × 200 جرام PSM4 EML/SiPh

حل تقنية 800G DR/FR: 4×200G CWDM4 EML

تشمل اتجاهات تطوير 800G غرق الوضع الفردي، وطول موجة واحد 200G، والغرق المتماسك. غرق الوضع الفردي محدودًا بعرض النطاق الترددي للألياف متعددة الأوضاع، ومسافة نقل 100G PAM4 VCSEL+ من الألياف متعددة الأوضاع هي 50 مترًا. يعد غرق حلول الواجهة البصرية ذات الوضع الواحد بمثابة اتجاه تطوير، مما سيساعد جهاز الإرسال والاستقبال البصري لحل 800G SiPh على تغطية سيناريوهات ضخمة تبلغ 100 متر SR. موجة واحدة 200G قادمة. على الرغم من أن تقنية 112 Gbd EML تتطور بسرعة، إلا أن موارد النطاق الترددي البالغة 55 جيجا هرتز غير كافية إلى حد ما. إن آفاق تطبيق معدّلات 200G PAM4 SiPh ونيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة القائمة على السيليكون واسعة جدًا. غرق متماسك. ومع زيادة معدل النقل، سيعمل الحل التكنولوجي المتماسك على توسيع نطاق تطبيقه ليشمل مسافات أقصر مثل 40 و20 و10 كيلومترات على أساس مسافة الإرسال البالغة 80 كيلومترًا. ولا يتطلب الحل المتماسك سوى ليزر ومُعدِّل وجهاز استقبال، مما يجعله تنافسيًا من حيث التكلفة مع PAM4.