Optischer 400G-Transceiver basierend auf PAM4-Modulation

 

Zwei gängige Pakettypen von 400G-Transceivern sind OSFP und QSFP-DD. Das von OSFP gekapselte optische Modul weist eine gute thermische Leistung auf und kann auf 800 G erweitert werden, sein Volumen ist jedoch groß. Das optische Modul im QSFP-DD-Paket ist einfacher und kompatibler. Für das optische 400G-Modul betragen die elektrischen Signale der Schnittstelle zwischen OSFP/QSFP-DD und dem Host 8x50G/PAM4, das heißt, sie verwenden alle den PAM4-Modulationsmodus. In diesem Artikel werden der PAM4-Modulationsmodus und seine Anwendung im 400G-Transceiver vorgestellt.

1. Was ist PAM4 in der optischen Kommunikation?

 

PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4-Level) ist mittlerweile eine sehr wichtige und grundlegende Technologie im Bereich der optischen Kommunikation. Bevor Sie PAM4 verstehen, müssen Sie eine weitere grundlegendere Signalmodulationstechnologie kennen – NRZ (Non-Return-to-Zero), auch PAM2 (2-Level) genannt. NRZ ist ein digitales Logiksignal, das sowohl hohe als auch niedrige Signalpegel zur Darstellung der übertragenen Informationen verwendet. Bei unipolaren Non-Return-to-Zero-Codes entsprechen „1“ und „0“ positiven und Null-Pegeln bzw. negativen und Null-Pegeln. Bipolare Nicht-Null-Codes, wobei „1“ und „0“ jeweils einem positiven Pegel und einem entsprechenden negativen Pegel entsprechen.

Der Begriff „ungleich Null“ bedeutet nicht, dass es keine „0“ gibt, sondern dass das Signal nicht nach der Übertragung jedes Datenbits auf den Nullpegel zurückkehren muss (natürlich spart NRZ im Vergleich zu RZ Bandbreite). Bei der optischen Modulmodulation nutzen wir die Leistung des Lasers, um „0“ und „1“ zu steuern. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass, wenn die tatsächlich emittierte optische Leistung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, eine „1“ vorliegt; Liegt er unter einem bestimmten Schwellenwert, ist er „0“.

Da der Bandbreitenbedarf weiter steigt, müssen wir Wege finden, die Menge der pro Zeiteinheit übertragenen logischen Informationen zu erhöhen, und PAM4, eine fortschrittlichere Modulationstechnologie, erscheint. Zur Signalübertragung werden vier verschiedene Signalpegel genutzt. Es kann die durch einen einzelnen Symbolzyklus dargestellte logische Information von 1 Bit NRZ auf 2 Bit verdoppeln. Nachdem beispielsweise ein 25G-EML-Chip durch PAM4 moduliert wurde, kann er in ein optisches Einkanal-50G-PAM4-Modul umgewandelt werden. Klicken Sie auf diesen Artikel, um mehr darüber zu erfahren NRZ und PAM4.

2. Warum ist 400G Ethernet übernehmen PAM4 Technologie?

 

Zunächst berücksichtigte der IEEE-Verband die PAM4-Technologie nicht, als er eine neue Generation von 200G/400G-Schnittstellenstandards wie 400GBASE-SR16 formulierte, sondern übernahm die NRZ-Technologie, um eine 400G-Übertragungsrate über parallele Kanäle mit 16 x 25 Gbit/s zu erreichen. Allerdings erfordert das Schema eine große Anzahl optischer Fasern, was weder wirtschaftlich noch machbar ist, und der Zeitspielraum des Transceiver-Chips, der Verlust der Übertragungsstrecke und die Größe des Schemas können den Anforderungen von 400G-Ethernet nicht gerecht werden. 

Als der IEEE-Verband den 802.3bs-Standard formulierte, schlug er daher vor, dass PAM4 NRZ ersetzen sollte. Nach eingehender Untersuchung der Eigenschaften und Parametertests des PAM4-Signals wurde der Vorschlag schließlich angenommen. Anschließend wurde der auf der PAM400-Technologie basierende 8GBASE-LR400/8GBASE-FR4-Schnittstellenstandard veröffentlicht, der zum ersten 400G-Schnittstellenstandard wurde. Der Schnittstellenstandard verwendet die PAM8-Technologie mit 50 x 4 Gbit/s, um eine 400G-Übertragung zu realisieren. Es sind keine 16x25G-Kanäle mehr erforderlich, um eine 400G-Übertragung wie NRZ zu realisieren. Auf diese Weise können nicht nur die Kosten für Glasfaser eingespart, sondern auch der Verbindungsverlust reduziert werden.   

3. Anwendung von PAM4 im Jahr 400 angegebenG Transceiver: Multimode vs. Singlemode

 

PAM4 ist der Hauptmodulationsmodus des 400G QSFP-DD optisches Modul, das zwei Typen hat: Multimode und Singlemode. Die elektrische Portseite des 400G-Transceivers basierend auf PAM4-Modulation wird durch 8x50G PAM4 moduliert, während die optische Portseite über zwei Modulationsarten verfügt: 8x50G PAM4 und 4x100G PAM4.

 1) Multimode-400G-Transceiver

Gängige optische 400G-Multimode-Module sind SR8- und SR4.2-Schnittstellen, die alle 8x50G PAM4-Modulation verwenden.

• 400G SR8: „SR“ bedeutet die Verwendung von Multimode-Glasfaser zur Übertragung über eine Entfernung von 100 m, während „8“ bedeutet, dass 8 optische Kanäle vorhanden sind. Wenn jeder optische Kanal mit 50G PAM4 betrieben wird, sind insgesamt 16 optische Fasern (8 TX und 8 Rx) erforderlich. Das optische Modul 400G SR8 kann 8 Paar Glasfasern über einen MPO-16-Stecker oder einen MPO-24-Stecker verbinden.   
• 400G SR4.2: „SR“ bezieht sich auf die Verwendung von Multimode-Glasfaser zur Übertragung über eine Entfernung von 100 m, „4“ bedeutet, dass es 4 optische Kanäle gibt, während „2“ bedeutet, dass jeder Kanal zwei Wellenlängen hat. Das 400G SR4.2-Modul verwendet einen MPO-12-Anschluss, jeder optische Kanal arbeitet mit 2x50G PAM4 und es sind insgesamt 8 optische Fasern erforderlich. Die Wellenlängen sind bidirektional und gemultiplext. Der Hauptvorteil von SR4.2 besteht darin, dass die vorhandenen installierten Glasfaserressourcen weiterhin genutzt werden können.

Modultyp	Getriebe-Abstand	Fiber	Optische Schnittstelle	Faserkerne	Wellenlänge	Modulation
400G SR8	100m	Paralleler Multimodus	MPO-16 (APC) oder MPO-24 (PC)	16	850nm	50G PAM4
400G SR4.2	100m	Paralleler Multimodus	MPO-12 (APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

 2) Singlemode-400G-Transceiver

Einspielermodus 400G optisch Sender-Empfänger lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Eine Gruppe der optischen Portseite ist mit 8x50G PAM4 moduliert und die andere Gruppe ist mit 4x100G PAM4 moduliert. Beide Methoden nutzen DSP als CDR (es ist kein analoges CDR etabliert) oder eine Kombination aus Gearbox und CDR. Der Unterschied liegt in der Signalübertragungsrate auf der Leitungsseite und der Anzahl der verwendeten Laser.

• Singlemode-400G-Transceiver basierend auf 8×50G PAM4

In diesem Modulationsmodus gibt es drei gängige Typen optischer 400G-Module: FR8, LR8 und 2xFR4.

400GFR8 und 400G LR8 sind die frühesten verfügbaren 400G-Singlemode-Schnittstellen. „8“ bedeutet, dass 8 Wellenlängen verwendet werden und jede Wellenlänge mit 50G PAM4 arbeitet. „FR“ bedeutet 2 km-Übertragung, „LR“ bedeutet 10 km-Übertragung. 8 Wellenlängen werden in einer Glasfaser gemultiplext, und die optischen FR8- und LR8-Module verwenden optische Duplex-LC-Schnittstellen.

Das 2xFR4 400G Das optische Modul verwendet 8 Laser, ist jedoch in zwei Gruppen zu je 4 Wellenlängen unterteilt (gemäß dem 200G FR4-Standard). Die beiden Gruppen werden jeweils in die Glasfaser gemultiplext und das optische Modul stellt 2x200G-Signale auf den beiden CS-Anschlüssen bereit. 

Modultyp	Getriebe-Abstand	Fiber	Optische Schnittstelle	Faserkerne	Wellenlänge	Modulation
400G 2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4 (CWDM4)	50G PAM4
400GFR8	2km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4
400G LR8	10km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4

Allerdings gibt es Handels-offs bei Verwendung einer 8x50G-Lösung. Einerseits bieten sie in einigen Fällen verbesserte Verbindungsbudgets, andererseits sind jedoch die gesamten Laserkosten pro Modul höher und die optische Verpackung komplexer, was zu einer geringeren Leistung und höheren Produktionskosten führt. Im Gegensatz dazu weist das 4x100G-Modul einen geringeren Stromverbrauch und eine einfachere Wärmebehandlungsfähigkeit auf. Daher ist die 4x100G-Lösung beliebter.  

• Singlemode-400G-Transceiver basierend auf 4×100G PAM4

4x100G optische Module stehen im Fokus des aktuellen Marktes. Ihre Leitungsseite nutzt vier Kanäle mit 100G PAM4. Hier können wir diese optischen Module in „Mehrfaser“ und „Doppelfaser“ unterteilen. Die Schlüsselkomponenten dieser optischen Module sind DSP mit Gearbox-Funktion, einschließlich DR4, FR4 und LR4.

400G DR4: Im optischen 400G-DR4-Modul wandelt DSP ein elektrisches 8x50G-PAM4-Signal in 4x100G-PAM4 um und überträgt es dann an die optische Engine. Gleichzeitig fungiert DSP als CDR, die Arbeitswellenlänge jedes Kanals beträgt 1310 nm und jeder Kanal benötigt eine Faser, sodass insgesamt 8 Fasern erforderlich sind.  

400G FR4 und LR4: Die Grundfunktionen von DSP sind in den optischen FR4- und LR4-Modulen dieselben wie in DR4, jedoch werden jetzt vier Wellenlängen (CWDM4) anstelle von vier 1310-nm-Signalen verwendet und ein Multiplexer wird hinzugefügt, um diese CWDM-Signale zu kombinieren. Auf diese Weise wird die Anzahl der für FR4/LR4 erforderlichen Glasfasern auf 2 (TX + Rx) reduziert und es werden optische Duplex-LC-Ports verwendet.

Modultyp	Getriebe-Abstand	Fiber	Optische Schnittstelle	Faserkerne	Wellenlänge	Modulation
400GDR4	500m	PSM/SMF	MPO-12 (APC)	8	1 (1310 nm)	100G PAM4
400GFR4	2km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4
400G LR4	10km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4

 

Zur ZusammenfassungMit dem Aufkommen von Big Data und Cloud Computing zwingt das schnelle Wachstum des Verkehrs die Signalmodulationstechnologie dazu, sich in eine komplexere Richtung zu entwickeln. Als derzeit effizienteste Modulationstechnologie ist PAM4 zum unvermeidlichen Trend bei der Entwicklung des optischen 400G-Hochgeschwindigkeitsmoduls geworden. Unter Berücksichtigung der Kosten könnte sich in Zukunft die Art und Weise, wie die 400G-Übertragung mit optischen 4-Kanal-Signalen realisiert wird, zum Mainstream entwickeln. Gleichzeitig kann der elektrische Anschluss des optischen Moduls schrittweise auf die Form von 4x100G PAM4 aufgerüstet werden, der Getriebechip wird weggelassen, um Stromverbrauch und Kosten zu sparen.