800G dans Data Center : PAM4 ou Coherent ?

À l'ère des centres de données 400G, il existe deux principales méthodes de modulation, PAM4 appliquée aux connexions internes CC et des méthodes cohérentes pour les interconnexions DCI ou de périphérie.

PAM4 est une modulation d'intensité dans laquelle le débit binaire est représenté en allumant le laser et off. Contrairement à NRZ avec une modulation d'amplitude de niveau 2, PAM4 est une modulation d'amplitude d'impulsion de niveau 4, où 4 représente quatre états d'amplitude différents. Ils correspondent à quatre états, respectivement 00, 01, 11 et 10, et chaque symbole représente 2 bits d'information. En conséquence, PAM4 peut transporter 100 Gbps de données à 53 G bauds.

Cependant, un module avec modulation PAM4 qui atteint 400 Gbps nécessite quatre longueurs d'onde indépendantes et des lasers, modulateurs et récepteurs séparés. En raison de l'utilisation de modulateurs directs, la distance de transmission est principalement courte. Cependant, dans ce scénario, les ressources en fibre sont abondantes et chaque fibre transporte un canal, même si plusieurs longueurs d'onde ne posent pas de problème. C'est pourquoi PAM4 est utilisé pour les connexions internes DC à 400G.

Dans le scénario d'interconnexion longue distance DCI, PAM4 semble un peu dépassé, comment le résoudre ? Modulation cohérente basée sur le protocole 400ZR avec un débit en bauds d'environ 60 Gbaud fonctionnant en modulation 16QAM à double polarisation (DP-16QAM) (les signaux optiques sont codés en phase et en amplitude) prend en charge des longueurs d'onde uniques transportant 400 Gbps ou plus.

Cela impose bien sûr des exigences de performances plus élevées au laser du module optique, nécessitant des lasers à largeur de raie ultra-étroite, des modulateurs I/Q et des récepteurs cohérents. Comparé à la modulation directe utilisée par PAM4, il peut transmettre beaucoup plus loin.

Alors, à l'ère du 800G ou même du 1.2T/1.6T, quelles sont les technologies les plus compétitives dans les scénarios d'application des centres de données ?

Au fur et à mesure que la technologie évolue, l'émetteur-récepteur 4G de PAM100 peut également atteindre de plus longues distances (émetteur-récepteur ColorZ 100G d'Inphi). À l'ère 800G, l'écart technologique entre PAM4 et cohérent deviendra encore plus petit. Et décider si une technologie est compétitive est simplement une question de coût et de consommation d'énergie. Examinons ces deux aspects.

Le moyen le plus simple de doubler le débit de données tout en maintenant le débit en bauds constant est de copier le matériel. PAM4, par exemple, peut utiliser quatre ou huit longueurs d'onde 100G/200G, et la modulation cohérente peut utiliser deux longueurs d'onde 400G.

Une autre façon consiste à augmenter le débit en bauds, par exemple en le doublant à environ 110 Gbauds. PAM4 nécessite toujours plusieurs longueurs d'onde, et dans le cas de modules cohérents, la modulation est la même. Mais doubler le débit en bauds entraînera une augmentation des coûts. Pour les techniques de cohérence, cela dépend si le modulateur et le récepteur IQ sont mis en œuvre à l'aide de photons InP ou de silicium.

Pour PAM4, un EML à modulation indirecte peut être utilisé, qui est un laser avec phosphure d'indium intégré (InP). Ou un réseau intégré utilisant des modulateurs de photons au silicium et un réseau laser InP. Cependant, pour les technologies PAM4 et cohérentes, les modules InP sont plus coûteux, tandis que le silicium léger est moins cher.

De plus, avec l'évolution de la technologie des puces de 7 nm à 5 nm voire 3 nm, le DSP améliore non seulement le taux de traitement mais effectue également de plus en plus d'excellentes performances en matière de réduction de puissance. La relation entre la consommation d'énergie DSP et le CMOS du module cohérent et de l'émetteur-récepteur PAM4 est illustrée dans la figure suivante.

Comme on peut le voir, la consommation électrique du PAM4 est près de 10 fois inférieure à celle du module cohérent à des débits de 100G, mais cette différence devient moins prononcée à des débits de 800G en utilisant un COMS de 5 nm.

Cependant, dans le livre blanc monocanal 800G pour 200G/800T du 1.6G PLUGGABLE MSA, le module basé sur la détection de modulation directe 200G par canal est considéré comme moins coûteux et moins gourmand en énergie, avec le meilleur rapport prix/performance , comme indiqué dans le tableau ci-dessous.