400G/100G PAM4 y tecnología fotónica de silicio

Los dos tipos de paquetes comunes para módulos ópticos 400G son OSFP y QSFP-DD.

Las ventajas de 400G QSFP-DD son la simplicidad y la compatibilidad. La ventaja de 400G OSFP es que tiene un buen rendimiento térmico y se puede ampliar hasta 800G.
Para 400G, la señalización eléctrica para OSFP y QSFP-DD con interfaz al host es 8x50G PAM4.

Los módulos ópticos multimodo 400G QSFP-DD se dividen en 400G QSFP-DD SR8 y 400G QSFP-DD SR4.2.

400G QSFP-DD SR8

S es la letra inicial de corta distancia, que indica una distancia de transmisión de 100 metros. “8” indica 8 canales de señal óptica, cada uno con 50G PAM4. Por lo tanto, 8 transmiten y 8 reciben requieren 16 fibras ópticas, generalmente usando conexión MPO. MPO-16 y MPO-12 se utilizan comúnmente.

400G QSFP-DD SR4.2

El SR de SR4.2 también significa distancia corta, distancia de transmisión de 100 metros, "4" son cuatro canales de fibra y "2" es que cada canal tiene 2 longitudes de onda de multiplexación bidireccional. Cada canal es 2x50G PAM4 y requiere 8 fibras ópticas.

Con el conector MPO-12, el factor impulsor de este enfoque es continuar usando el cable MPO-12 de la generación anterior sin reemplazo.

Tipo	Distancia	Tipo de fibra	Conector	Número de fibra	Longitud de onda	Señal de modulación óptica
400GSR8	100m	Multimodo	APC MPO-16 APC MPO-12×2	16	850nm	50G PAM4
400GSR4.2	100m	Multimodo	APC MPO-12	8	850nm 910nm	50G PAM4

Módulos ópticos multimodo 400G

Interfaz de módulo óptico monomodo 400G QSFP-DD

La interfaz 400G monomodo se divide en dos grupos, un grupo es 8x50G PAM4 para el puerto eléctrico y 8x50G PAM4 para el puerto óptico.

El otro grupo es 8x50G PAM4 para puertos eléctricos y 4x100G PAM4 para puertos ópticos.

Es lo mismo para la interfaz eléctrica de la placa base y el módulo óptico, y ambos enfoques también utilizan DSP. La diferencia radica en la tasa de salida de la señal óptica y la cantidad de láseres utilizados.

Módulo óptico monomodo 8x50G PAM4

Módulo óptico 8x50G Tipos FR8, LR8 y 2xFR4

FR8, LR8, "8" son ocho longitudes de onda, 50G PAM4 por longitud de onda, FR significa distancia de 2 km, LR significa 10 km, 8 longitudes de onda multiplexadas con una sola fibra. FR8 y LR8 son interfaces ópticas LC duales.

F se refiere a Lejos, que indica 2 km, un poco más allá de los 500 metros comunes (DR, centro de datos). Esta es una nueva división de distancia en 802.3, que inserta dos distancias subdivididas, DR y FR, entre SR y LR.

L se refiere a Long, más largo que SR, dijo 10 km. Early 802.3 es SR de corta distancia de 100 metros, LR de larga distancia de 10 km dividido, utilizado principalmente para marcar la longitud de la distancia de la red de metro.

Más tarde, se usaron más y más módulos ópticos Ethernet en el centro de datos, y primero establecieron la distancia de los módulos ópticos de 100G como 500m PSM4 y 2km CWDM4.

Hasta que se formuló el estándar 802.3 de 200G y 400G, se insertó un DR de 500 metros y un FR de 2 km entre SR y LR para cubrir el etiquetado de distancia del campo del centro de datos.

El 2xFR4, como el LR8 y el FR8, usa ocho láseres, pero solo cuatro longitudes de onda, que se usan en dos grupos para un total de ocho canales. Se utiliza una interfaz CS para formar el factor de forma 2x200G.

Utilice dos conectores CS, solución 2xFR4.

Las ventajas son un mejor presupuesto de enlace y una menor dispersión con 4 longitudes de onda que con 8 longitudes de onda.

La desventaja es que el paquete óptico es más complejo y el costo de producción es alto. De hecho, la cadena industrial de cuatro longitudes de onda es más madura y el costo del material está disminuyendo.

 

4x100G PAM4 Modo singular Módulo óptico

Actualmente, la cadena de la industria se enfoca en soluciones 4x100G, y la más importante de estas soluciones es el DSP con caja de cambios.

400G DR4, 4xFR1, 4xLR1

El DSP necesita convertir señales eléctricas de 8x50G en 4x100G, que se suministran al EML o al modulador óptico de silicio y a la salida. Cada canal está a 1310nm y requiere 8 fibras (4 transmisores y 4 receptores).

Las que se utilizan son fibras independientes que soportan módulos ópticos de 400G en paralelo con conversión de módulo 1x100G.

Estas interfaces son llamadas de manera diferente por diferentes fabricantes, pero son esencialmente las mismas.

DR4 y 4xDR1 son lo mismo. Las longitudes de onda son todas de 1310 nm, transmiten cuatro fibras y reciben cuatro longitudes de onda.

Pero FR4 y 4xFR1 no son el mismo producto, FR4 son cuatro longitudes de onda de una fibra y 4xFR1 es una longitud de onda de cuatro fibras.

Hay tres interfaces ópticas comunes para 400G DR4, 4xFR1, 4xLR1, una MPO-12, una SN y una MDC.

El SN y el MDC son de diferentes fabricantes, pero el concepto es el mismo.

Ambos son conectables Tx y RX de forma independiente. En comparación con MPO, SN y MDC, las fibras ópticas son más flexibles y fáciles de implementar.

FR4 y LR4

FR4 y LR4 tienen la misma función DSP que DR4 con cuatro longitudes de onda. Su diferencia radica en el camino óptico. la longitud de onda de CWDM4 usa Mux y Demux para combinar y dividir la onda. Se reduce el número de fibras y se utiliza la interfaz óptica LC.

LR4 tiene dos distancias de transmisión, el estándar IEEE es de 6 km y 100G Lamda MSA se define como 10 km.

Interfaz monomodo 400G

100G PAM4

El módulo óptico 100G PAM4 tiene dos paquetes de empalme, uno es QSFP28 y el otro es SFP56-DD.

La interfaz eléctrica del paquete QSFP28 es 25G NRZ.

La interfaz eléctrica del paquete SFP56-DD es 50G PAM4.

Monomodo 100G

Ahora, 4x100G QSFP-DD es interoperable con PAM100 de longitud de onda única de 4G, es interoperable con QSFP28, es necesario hacer una interfaz eléctrica de la caja de cambios 1:4, el DSP debe tener la opción KR4 FEC de encendido/apagado.

Con SFP56-DD, la caja de cambios del DSP debe ser 1:2 y no se requiere KP4 FEC (realizado en el lado del sistema).

Resumen de módulos ópticos de onda única 100G

La mayoría de los fabricantes configuran el color del pestillo mediante el protocolo OSFP MSA.

Chip láser de módulo óptico 100G y fotónica de silicio Tecnología

En el mercado de módulos ópticos 100G, el módulo óptico QSFP100 28G tiene una gran participación de mercado y diferentes módulos ópticos QSFP28 utilizan diferentes láseres.

Los módulos ópticos 100G-SR4 QSFP28 se utilizan principalmente para soluciones paralelas multimodo dentro de los 100 m. En su mayoría, adopta láseres VCSEL en su interior, que tienen las ventajas de un tamaño pequeño, alta tasa de acoplamiento, bajo consumo de energía, fácil integración y bajo precio.

Los módulos ópticos empaquetados 100G-CWDM4 QSFP28 se utilizan principalmente en soluciones WDM gruesas de 10 km. Su láser DML interno se usa principalmente, lo que tiene las ventajas de un tamaño pequeño, bajo consumo de energía y bajo costo.

100G ER4 y 100G ZR4 QSFP28 Los módulos ópticos empaquetados se utilizan principalmente en soluciones monomodo para distancias medias y largas de más de 40 km. Se utilizan la mayoría de sus láseres EML internos, que tienen las ventajas de un gran margen de diagrama de ojo, pequeña dispersión, gran relación de extinción y larga distancia.

En cuanto a los módulos ópticos de onda única 100G QSFP28, hay un nuevo avance en la tecnología de chips: los módulos ópticos 100G integrados con fotónica de silicio de FiberMall para escenarios de centros de datos han estado en producción en masa durante mucho tiempo. Y hay una ventaja de costo de BOM (piezas y materiales) más baja, que cubre la distancia de transmisión: 500 m, 2 km, 10 km y otras soluciones monomodo.

En la actualidad, la ruta técnica de los productos comerciales integrados ópticos se divide principalmente en el grupo III-V y dos campos Si, entre los cuales DFB, DML, EML y otros láseres son campo InP. Aunque la tecnología es relativamente madura, es costosa e incompatible con el proceso CMOS (proceso de circuito integrado), y su material de sustrato solo se duplica cada 2.6 años.

Mientras que los dispositivos optoelectrónicos de silicio Si utilizan el proceso COMS para realizar la integración de un solo chip de dispositivos optoelectrónicos pasivos y circuitos integrados y pueden integrarse a gran escala. Con la ventaja de la alta densidad, su material de sustrato se puede duplicar cada 1 año.

Actualmente, los módulos ópticos de 100G han abierto la puerta a la tecnología fotónica de silicio, pero su desarrollo aún enfrenta algunos desafíos.

En primer lugar, es necesario resolver el problema de la fuente de luz láser integrada basada en silicio. El silicio es un semiconductor de banda prohibida indirecta; en comparación con los semiconductores de banda prohibida directa, como el InP, los módulos fotónicos de silicio necesitan introducir una fuente de luz independiente y, si la fuente de luz no cumple con la ley de Moore, la integración más acoplada del mayor costo seguirá compensando la ventaja de costo de los materiales de silicio y la integración de procesos.

En segundo lugar, transceptor fotónico de silicio el envasado es difícil y tiene un bajo rendimiento. El empaque de la interfaz óptica de silicio se encuentra en las primeras etapas, el principal cuello de botella radica en el chip optoelectrónico y la formación de matriz de fibra del empaque de la interfaz óptica. Sus requisitos de precisión de alineación y empaque son altos y la eficiencia de empaque es baja. En la etapa actual de empaque, la tecnología es difícil de lograr empaques de alta calidad y bajo costo. El rendimiento del producto limita la producción en masa de módulos fotónicos de silicio.

Además, hay pocos recursos disponibles para la producción en masa de chips SiP. Aunque los chips fotónicos de silicio son compatibles con los procesos CMOS, los recursos CMOS maduros no están abiertos al público o no hay experiencia de flujo fotónico de silicio.

En la actualidad, la red 100G sigue siendo el chip láser de módulo óptico 100G QSFP28 convencional, aunque VCSEL, EML y DML lo son principalmente. Pero a largo plazo, la solución de la fotónica de silicio estará en la era de los módulos ópticos de 400G o será una fuerza a gran escala.

El módulo fotónico de silicio, en pocas palabras, es el uso de la tecnología fotónica de silicio en un módulo de transmisión y conversión fotoeléctrica integrado de chip de silicio. Es la combinación de microelectrónica y optoelectrónica en una plataforma basada en silicio para formar un nuevo dispositivo óptico de silicio.