Transceptor óptico de 400G basado en modulación PAM4

 

Dos tipos de paquetes comunes de transceptores 400G son OSFP y QSFP-DD. El módulo óptico encapsulado por OSFP tiene un buen rendimiento térmico y se puede expandir a 800G, pero su volumen es grande. El módulo óptico en el paquete QSFP-DD es más simple y compatible. Para el módulo óptico 400G, las señales eléctricas de la interfaz entre OSFP/QSFP-DD y el host son 8x50G/PAM4, es decir, todas adoptan el modo de modulación PAM4. Este documento presentará el modo de modulación PAM4 y su aplicación en el transceptor 400G.

1. ¿Qué es PAM4 en comunicación óptica?

 

PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4-Level) es ahora una tecnología muy importante y fundamental en el campo de la comunicación óptica. Antes de comprender PAM4, es necesario conocer otra tecnología de modulación de señal más básica: NRZ (Non-Return-to-Zero), también llamada PAM2 (nivel 2). NRZ es una señal lógica digital que utiliza niveles de señal altos y bajos para representar la información transmitida. Con códigos unipolares sin retorno a cero, "1" y "0" corresponden a niveles positivos y cero, o niveles negativos y cero, respectivamente. Códigos bipolares distintos de cero, donde "1" y "0" corresponden a un nivel positivo y un nivel negativo equivalente respectivamente.

El término "distinto de cero" no significa que no haya "0", sino que la señal no necesita volver al nivel cero después de que se transmite cada bit de datos (obviamente, NRZ ahorra ancho de banda en comparación con RZ). En la modulación del módulo óptico, usamos la potencia del láser para controlar el "0" y el "1". En términos simples, significa que cuando la potencia óptica emitida real es mayor que un determinado umbral, es un "1"; si es inferior a cierto umbral, es un “0”.

A medida que las demandas de ancho de banda continúan aumentando, necesitamos encontrar formas de aumentar la cantidad de información lógica transmitida por unidad de tiempo, y aparece PAM4, una tecnología de modulación más avanzada. Utiliza cuatro niveles de señal diferentes para la transmisión de señales. Puede duplicar la información lógica representada por un solo ciclo de símbolo de 1 bit de NRZ a 2 bits. Por ejemplo, después de que PAM25 modula un chip EML de 4G, se puede convertir en un módulo óptico PAM50 de 4G de un solo canal. Haga clic en este artículo para saber más sobre NRZ y PAM4.

2. ¿Por qué 400G Adoptar Ethernet PAM4 tecnología?

 

Al principio, la asociación IEEE no consideró la tecnología PAM4 al formular una nueva generación de estándar de interfaz 200G/400G, como 400GBASE-SR16, pero adoptó la tecnología NRZ para lograr una velocidad de transmisión de 400G a través de canales paralelos de 16x25Gbps. Sin embargo, el esquema requiere una gran cantidad de fibras ópticas, lo que no es económico ni factible, y el margen de tiempo del chip transceptor, la pérdida del enlace de transmisión y el tamaño del esquema no pueden satisfacer las demandas de 400G Ethernet. 

Por lo tanto, cuando la asociación IEEE formuló el estándar 802.3bs, propuso que PAM4 reemplazara a NRZ. Después de una profunda investigación sobre las características y pruebas de parámetros de la señal PAM4, finalmente se aprobó la propuesta. Posteriormente, se promulgó el estándar de interfaz 400GBASE-LR8/400GBASE-FR8 basado en la tecnología PAM4, convirtiéndose en el primer estándar de interfaz 400G. El estándar de interfaz adopta la tecnología PAM8 de 50x4 Gbps para realizar una transmisión de 400G. Ya no necesita canales de 16x25G para realizar una transmisión de 400G como NRZ. De esta manera, no solo puede ahorrar el costo de la fibra óptica sino también reducir la pérdida del enlace.   

3 Aplicación de PAM4 en 400G transceptor: multimodo vs monomodo

 

PAM4 es el principal modo de modulación del 400G QSFP-DD módulo óptico, que tiene dos tipos: multimodo y monomodo. El lado del puerto eléctrico del transceptor 400G basado en la modulación PAM4 está modulado por 8x50G PAM4, mientras que el lado del puerto óptico tiene dos tipos de modulación: 8x50G PAM4 y 4x100G PAM4.

 1) transceptor multimodo 400G

Los módulos ópticos multimodo 400G comunes son las interfaces SR8 y SR4.2, todas con modulación PAM8 50x4G.

• 400G SR8: “SR” significa usar fibra óptica multimodo para transmitir a una distancia de 100 m, mientras que “8” significa tener 8 canales ópticos. Cuando cada canal óptico opera con 50G PAM4, se requieren un total de 16 fibras ópticas (8 TX y 8 Rx). El módulo óptico 400G SR8 puede conectar 8 pares de fibras ópticas mediante el conector MPO-16 o el conector MPO-24.   
• 400G SR4.2: "SR" se refiere al uso de fibra óptica multimodo para transmitir a una distancia de 100 m, "4" significa que hay 4 canales ópticos, mientras que "2" significa que cada canal tiene dos longitudes de onda. El módulo 400G SR4.2 utiliza un conector MPO-12, cada canal óptico funciona con 2x50G PAM4 y se requiere un total de 8 fibras ópticas. Las longitudes de onda son bidireccionales y multiplexadas. La principal ventaja de SR4.2 es que puede seguir utilizando los recursos de fibra óptica instalados existentes.

Tipo de módulo	Distancia de transmisión	Tipo de fibra	Interfaz óptica	Núcleos de fibra	Longitud de onda	De Sabor
400GSR8	100m	Multimodo en paralelo	MPO-16 (APC) o MPO-24 (PC)	16	850nm	50G PAM4
400GSR4.2	100m	Multimodo en paralelo	MPO-12 (APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

 2) Transceptor monomodo 400G

Modo singular 400G óptico transceptor se puede dividir en dos grupos. Un grupo del lado del puerto óptico se modula con 8x50G PAM4 y el otro grupo se modula con 4x100G PAM4. Ambos métodos usan DSP como CDR (no se establece CDR analógico) o una combinación de Gearbox y CDR. La diferencia radica en la velocidad de transmisión de la señal en el lado de la línea y la cantidad de láseres utilizados.

• Transceptor monomodo 400G basado en 8×50G PAM4

Hay tres tipos comunes de módulos ópticos 400G en este modo de modulación: FR8, LR8 y 2xFR4.

400GFR8 y 400G LR8 son las primeras interfaces monomodo 400G disponibles. “8” significa que se utilizan 8 longitudes de onda, y cada longitud de onda funciona con 50G PAM4. "FR" significa transmisión de 2 km, "LR" significa transmisión de 10 km. 8 longitudes de onda se multiplexan en una fibra óptica, y los módulos ópticos FR8 y LR8 utilizan interfaces ópticas LC dúplex.

El 2xFR4 400G El módulo óptico utiliza 8 láseres, pero se divide en dos grupos de 4 longitudes de onda (según el estándar 200G FR4). Los dos grupos están multiplexados en la fibra óptica respectivamente, y el módulo óptico proporciona señales 2x200G en los dos conectores CS. 

Tipo de módulo	Distancia de transmisión	Tipo de fibra	Interfaz óptica	Núcleos de fibra	Longitud de onda	De Sabor
400G 2xFR4	2km	SMF	2x CS	4	4 (CWDM4)	50G PAM4
400GFR8	2km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4
400G LR8	10km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4

Sin embargo, hay comercio-offs cuando se utiliza una solución 8x50G. Por un lado, proporcionan presupuestos de enlace mejorados en algunos casos, pero por otro lado, el costo total del láser por módulo es más alto y el paquete óptico es más complejo, lo que da como resultado una salida más baja y un costo de producción más alto. Por el contrario, el módulo 4x100G tiene un menor consumo de energía y una capacidad de tratamiento térmico más simple. Por lo tanto, la solución 4x100G es más popular.  

• Transceptor monomodo 400G basado en 4×100G PAM4

Los módulos ópticos 4x100G son el foco del mercado actual. Su lado de línea usa cuatro canales con 100G PAM4. Aquí, podemos dividir estos módulos ópticos en "multifibra" y "doble fibra". Los componentes clave de estos módulos ópticos son DSP con función Gearbox, incluidos DR4, FR4 y LR4.

400G DR4: en el módulo óptico 400G DR4, DSP convierte la señal eléctrica 8x50G PAM4 en 4x100G PAM4 y luego la transmite al motor óptico. Al mismo tiempo, DSP actúa como CDR, la longitud de onda de trabajo de cada canal es 1310nm y cada canal requiere una fibra, por lo que se requieren un total de 8 fibras.  

400G FR4 y LR4: Las funciones básicas de DSP son las mismas en los módulos ópticos FR4 y LR4 que en DR4, pero ahora se utilizan cuatro longitudes de onda (CWDM4) en lugar de cuatro señales de 1310 nm, y se agrega un multiplexor para combinar estas señales CWDM. De esta forma, el número de fibras ópticas necesarias para FR4/LR4 se reduce a 2 (TX + Rx), y se adoptan puertos ópticos LC dúplex.

Tipo de módulo	Distancia de transmisión	Tipo de fibra	Interfaz óptica	Núcleos de fibra	Longitud de onda	De Sabor
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

 

al resumen, con el advenimiento de los grandes datos y la computación en la nube, el rápido crecimiento de la tecnología de modulación de señales obliga al tráfico a desarrollarse en una dirección más compleja. Como la tecnología de modulación más eficiente en la actualidad, PAM4 se ha convertido en la tendencia inevitable del desarrollo del módulo óptico de alta velocidad 400G. En el futuro, teniendo en cuenta el costo, la forma de realizar la transmisión de 400G con señales ópticas de 4 canales puede convertirse en la corriente principal. Al mismo tiempo, el puerto eléctrico del módulo óptico se puede actualizar gradualmente a la forma de 4x100G PAM4, se omite el chip Gearbox, para ahorrar consumo de energía y costos.