4 種類の 50G SFP56 トランシーバーの紹介

フロントホール ネットワークは、次世代の 5G や 6G ネットワークの伝送性能と品質に重要な影響を与え、モバイル通信用の新しいネットワークおよびベアラー技術の研究におけるホット スポットの 25 つです。 グローバルな C-RAN ネットワーキング モードの大規模な展開の下で、5G DWDM 光モジュールは現在の 6G 転送ネットワークで広く使用されています。 将来の高チャネル Massive MIMO 基地局、U5G バンド基地局、ミリ波基地局、およびその他のアプリケーション シナリオでは、転送ネットワークの帯域幅需要がさらに増加し​​ます。 既存のポート数を維持し、ファイバーリソースを節約することを前提として、FiberMall は 50Gb/s 以上の速度を持つ次世代 XNUMXG 転送光モジュール技術の研究を開始しました。 50G SFP56

50G SFP56 光トランシーバー モジュールには、50G SFP56 デュアルファイバー双方向モジュールと 50G SFP56 シングルファイバー双方向 (BiDi) モジュールが含まれています。

50G SFP56 デュアルファイバー 双方向の 光トランシーバ

50G SFP56 デュアルファイバー双方向光モジュールの機能ブロック図と実装モードを図 1 に示します。

図1。 50G SFP56 デュアルファイバー双方向の機能ブロック図と実装モード 光モジュール

の産業チェーン 50G SFP56 デュアルファイバー双方向光モジュールが形になりました。 光チップに関しては、NRZコードタイプの25Gb/s光モジュール用DFBレーザーチップの帯域幅要件は約17GHzです。 PAM50コードタイプの4Gb / s光モジュールでは、レーザーの非線形効果が明らかに強化されており、帯域幅（約19GHz）をさらに増やし、帯域内スペクトルリップルを最適化して非線形効果を減らす必要があります。

Lumentum、Sumitomo、Macom、Mitsubishi などの海外サプライヤを含む、大量供給可能なチップ メーカーがいくつかあります。電気チップの場合、DSP と CDR の 5 種類の実装ソリューションがあります。 DSP ソリューションに関連するベンダーには、Marvell、Credo、および Sitrus Technology が含まれます。これらはすべて、5G フロントホールおよび統合ドライバー アプリケーション用の DSP チップをリリースしており、CDR ソリューションに関連するベンダーには、Semtech および Macom が含まれます。 その中で、SemtechはすでにXNUMXGフロントホール用のCDRチップと統合ドライバーをリリースしており、統合ドライバーを備えたMacomのCDR製品は開発段階にあります。

50G SFP56 デュアルファイバー双方向光モジュールは、パフォーマンス、消費電力、およびコストの面で、依然として多くの問題と課題に直面しています。 まず、コア電気チップ ソリューションの選択では、DSP ソリューションは、内部アルゴリズムによって光信号伝送における非線形問題を最適化できます。 より強力な処理能力、優れた BER、および受信感度性能を備えていますが、大信号伝送遅延、より高い電力消費、およびコストを犠牲にして、光モジュールの温度に対する電力消費の影響をバランスさせ、維持する必要があります。光モジュールの温度安定性は、フロント伝送リンクの安定性と信頼性を確保するための重要な要件です。

SFP56-50G-SR モジュール

CDR ソリューションには、高帯域幅、優れた伝送性能、および信号伝送遅延の低さという利点があります。 消費電力とコストは低くなりますが、信号処理能力は DSP ソリューションよりも弱く、MPI とリンク バジェット拡張への対応はまだ検証されていません。 アプリケーションで DSP と CDR ソリューションが共存する場合、相互接続と相互運用性は対処する必要がある重要な技術的問題です。 第二に、業界の使用の温度制御機能の光学チップはまだ分割されています。 温度制御機能により、モジュールの動作温度範囲全体でレーザーをより理想的な動作状態にすることができます。 レーザー波長を効果的に制御し、極端な温度でのレーザー帯域幅の低下を回避できますが、コストと消費電力の増加をもたらします。 温度制御機能がなければ、モジュールのコストと消費電力は比較的低く、プロセスはより簡単になりますが、光チップの高周波性能に対する要件が高まり、アプリケーションの効果をさらに検証する必要があります。 最後に、フロントホール ネットワークの複雑な展開環境と、フロントホール ファイバー リンクの技術的およびエンジニアリング上の不確実性により、50G SFP56 光モジュールのオプトエレクトロニクス パラメータに対する要件が高くなります。

SFP56-50G-LRI モジュール

前方伝送用の50G SFP56デュアルファイバー双方向光モジュールの国際標準はまだリリースされておらず、光モジュールメーカーは開発またはサンプル段階にあります。 パッケージは主に SFP56、DDM、およびインターフェース定義リファレンス SFF-8472、SFF-8431 プロトコルです。 電気的インターフェース性能基準 OIF-CEI-4.0 関連条項; IEEE802.3cdを基準とした光インターフェース性能。 50GBASE-LR をベースに、適用シナリオに応じて波長範囲、トランシーバー出力、感度などの指標を修正する必要があります。 国際フォトニクス & エレクトロニクス委員会 (IPEC) は、次世代モバイル転送 MFH50 標準プロジェクトを立ち上げ、50Gb/s 以上の高速フロントホール ネットワーク要件とネットワーキング ソリューション、光インターフェイス、管理インターフェイス、パッケージングおよびテスト方法などに焦点を当てています。 50Gb/s デュアルファイバー 10km 距離仕様に関する技術的な議論が現在進行中です。

テーブル1. 50G SFP56 デュアルファイバー双方向 光モジュールの主なパラメーターのインデックス

2022 年末までに、FiberMall はフロントホール用の 50G SFP56 デュアルファイバー双方向光モジュール (CDR または DSP ソリューション) のサンプルを提供できるようになります。 Nokia およびその他のシステム機器ベンダーはテストと検証を実施しており、高温および低温のテスト結果は基本的に IEEE 802.3cd および IPEC MFH50 ドラフト規格の要件を満たし、2022 年後半には、マルチベンダー、マルチソリューション相互接続テスト、および検証。 ファイバーモールのフロントホール用 50G SFP56 デュアルファイバー双方向光モジュールは、2023 年前半に大量生産の準備が整う予定です。

50G SFP56 BiDi 光トランシーバ

50G SFP56 BiDi 光モジュールの機能ブロック図と実装を図 2 に示します。

図 2. 50G SFP56 BiDi 光モジュールの機能ブロック図と実装方法

50G SFP56 BiDi 光モジュールは、1270Gb/s BiDi 光モジュールの 1330nm/25nm WDM スキームを引き続き採用しています。これには、デュアルファイバー双方向光モジュールと比較して、ファイバーリソースを節約し、遅延対称性に優れているという利点があり、50G SFP56 を共有できます。デュアルファイバー双方向光モジュール産業チェーン。

現在、50G SFP56 BiDi 光モジュール製品開発の業界の光モジュール メーカーは、50Gb / s デュアル ファイバー光モジュール ソリューションに基づいており、開発の進捗は 50G SFP56 デュアル ファイバー光モジュールよりもわずかに遅れており、現在は全体的に先行しています。 -研究または開発段階。 フロントホール用の50G SFP56 BiDi光モジュールの国内および国際規格はまだリリースされておらず、一部のモジュールの設計における主要なパラメーターに関する研究の状況を表2に示します。

表 2. 50G SFP56 BiDi 光トランシーバー モジュールの主要パラメーターの研究状況

表 3. 50Gb/s 波長セルフチューニング BiDi モジュール チップ デバイス業界チェーン

50G フロントホール用の 56G SFP5 BiDi 光モジュールは、25Gb/s BiDi 光モジュール BOSA 方式と 50Gb/s デュアルファイバー双方向光モジュール産業チェーンを多重化でき、FiberMall は 2023 年前半に大量生産能力を備えることが期待されています。

50G SFP56 CWDM 光トランシーバ

25G CWDM SFP28 光モジュールの研究に基づいて、FiberMall は、より高速な xWDM モジュールの技術的ソリューションの調査を開始しました。その中で、50Gb/s 6 波長 CWDM 光モジュールの研究が急速に進んでいます。

50G CWDM SFP56には、6nm、1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、および1351nmの1371つの波長があり、6G CWDM SFP25の28つの波長の光モジュールと一致しています。 光チップに関しては、50G SFP56 CWDM 光モジュールは 25GBaud CWDM レーザー チェーンと多重化できますが、PAM4 変調コード タイプの導入を考慮すると、リンク バジェットの需要が増加し、レーザーをさらに最適化するには、レーザー出力電力に対するより高い要件が必要になります。発光効率と歩留まり。

電気チップに関しては、50G CWDM SFP56 光モジュールは 50G SFP56 デュアルファイバー光モジュールに似ており、CDR と DSP の 1311 つの実装ソリューションがあります。 CWDM光モジュールは波長範囲が広く、波長ごとに分散コストが異なるため、業界では1371つのソリューションを共存させて最高のコストパフォーマンスを実現する可能性を探っています。 たとえば、分散コストが低い XNUMXnm 波長には CDR ソリューションが採用され、分散コストが高い XNUMXnm 波長には DSP ソリューションが採用されます。 業界チェーンでは、ドライバが統合された CDR または DSP シングル チャネル アプローチを使用することで、ハードウェア設計を簡素化し、消費電力を削減できます。 電子チップ メーカーである Semtech は、TIA の一連のチップ ソリューションと同様に、大量生産の CDR 統合ドライバーを持っています。

表 4. xWDM光モジュールオプトエレクトロニクスチップの進化の回路図

現在、50G CWDM SFP56光モジュールには、分散ペナルティ、MPI、消費電力と熱放散、CDRとDSPの相互運用性、およびその他の解決すべき技術的問題がまだあります。

• 分散ペナルティ: 5G フロントホール リンクの分散の原因は、主に材料分散と導波路分散であり、材料分散が支配的です。 G.652 ファイバーのゼロ分散点は 1310nm 波長付近にあり、フロントホールの一般的なアプリケーション シナリオ (10km) での分散量を表 5 に示します。 CWDM6 波長の分散リスクは、1371nm の最大波長であり、分散は10km の量は 36~66.2ps/nm です。

表 5. 代表的な5Gの分散 フロントホール シナリオ (10km)

業界で主流の分散ペナルティ ソリューションを表 6 に示します。その中で、分散ファイバ/グレーティング方式では、事前にフロント伝送リンクの分散測定が必要であり、分散ファイバ/グレーティングの長さとその他のパラメータは、要件に従ってカスタマイズされます。サイトと光モジュールの外部に配置されますが、これは実装がより困難です。 DSP 補償スキームは、電気ドメインの分散を補償できますが、各メーカーの補償能力には一貫性がなく、具体的な補償能力は実際の測定によって取得する必要があります。 50Gb/s CWDM 光モジュールは一般に DML を採用しています。外部変調方式 (EML/MZM) を採用すると、レーザー チャープ効果を低減できるため、分散コストを削減できます。 マイクロループ分散補償方式は、最大 720ps/nm まで補償でき、現在研究段階にあります。

表 6. 主流分散 違約金 s解決策

実際のテストを通じて、50nm 波長での 56G CWDM SFP1371 光モジュールの高温分散コストは約 3dB であり、これは 50G CWDM SFP56 光モジュールのリンク予算の制約によって制約され、マージンが十分ではなく、DSP 補償方式の方が有利な場合があります。

MPI の課題: 光ファイバー リンクでは、元の信号とは無関係の反射干渉信号が、光ファイバー システムのわずかな屈折率の変化、コネクタの端面の汚れや接触不良による個別の反射、およびレイリー後方散乱によって生成されます。 . 干渉信号が元の信号に混入するとノイズが発生し、信号対雑音比が低下し、システムの伝送性能が低下します。 元の信号電力に対するすべての反射信号電力の合計の比率は、マルチパス干渉 (MPI) として定義されました。 MPI の強度は、主にコネクタの反射率と反射点の数に依存していました。 反射率が大きいほど、反射点が多くなり、MPI が悪化します。 IEEE802.3 イーサネット規格では、ユニバーサル リンク モデルのシミュレーションに基づいて MPI コストをリンク ロスに変換し、FEC によって耐性を向上させることが推奨されています。

で 5Gフロントホール 一般的な C-RAN シナリオを例に取ると、一般に 6 つのコネクタがあります (両側に ODF シェルフ、両側に共同ディバイダー)。 イーサネット規格に言及すると、各コネクタのリターン ロスを -35dB 未満に抑える必要がありますが、一部のフロントホール リンクではコネクタのリターン ロスが約 -26dB に低下しており、フロントホール リンクには MPI のリスクがあります。 . システム機器ベンダー HW と上海交通大学が共同でフロントホール シミュレーション モデルを構築し、MPI コスト シミュレーションの結果を表 7 に示します。シミュレーション モデル (コネクタの数、コネクタの反射率の代表値、コネクタの位置など) は、その後、既存のネットワークにおける典型的なシナリオの調査に従ってさらに修正されました。

テーブル7. MPI シミュレーション結果

消費電力: 5G フロントホール シナリオでは、産業グレードの温度 (-40°C ~ +85°C) または拡張商用グレードの温度 (-20°C ~ +85°C) のアプリケーション要件を考慮する必要があります。 周囲温度の制約の下で、50G SFP56 光モジュールと 50G SFP56 CWDM モジュールの消費電力は 2W 以下になると予想されます。 業界は、CDR および DSP ソリューションに基づく 50Gb/s グレー光モジュールと、DSP ソリューションに基づく 50Gb/s CWDM カラー光モジュールの消費電力をテストしました。 1371nm光モジュールの消費電力は2Wを超えており、消費電力を削減するためにDSPチップをさらに最適化する必要があります。

表 8. 50G 光モジュールの消費電力

要約すると、50G CWDM SFP56 トランシーバーは、伝送距離が 10km 以上のアプリケーション シナリオでの電力バジェットの割り当てについて十分に考慮する必要があります。 50Gb/s PAM4 信号では、25Gb/s NRZ 信号と比較して受信感度を高める必要があり、送信光パワー、受信感度、および分散ペナルティを比較検討する必要があります。

図 2. 50G CWDM SFP56 光モジュール リンク バジェット

2022 年末までに、FiberMall は複数のシナリオで 50G CWDM 光モジュールのサンプルを提供しました。 これに基づいて、システム機器ベンダーは、全温度範囲での基本機能、トランシーバー性能、および分散コストのテスト、ならびにマルチベンダーおよびマルチプログラムの相互接続テストを実施し、比較的良好な検証結果を得ています。

2023 年には、最適化された製品のさらなるテストが計画されており、テスト結果は IPEC MFH 標準開発の参考として使用されます。 50G CWDM SFP56 光モジュールは、2023 年後半に成熟する予定です。

50G SFP56の管理インターフェースに関する研究 トランシーバ

新しいレートの導入に伴い、次世代 5G フロントホール光モジュールの管理インターフェイスの選択と定義は、50G SFP56 光モジュールを例として、光モジュールによってサポートされる潜在的な新しい問題と新しい要件に基づく必要があります。次の問題と要件が業界で議論されています。

レート セット レポート機能のサポート

フロントデュアル光モジュールは、異なるレートをサポートする必要があります。 例えば、 25G SFP28 光モジュール eCPRI プロトコルでは 25.7Gb/s および 10.3Gb/s、CPRI プロトコルでは 24.3Gb/s、10.1Gb/s、および 9.8Gb/s をサポートする必要があるため、マスター機器には光モジュールにレポート レートの機能が必要です。報告されたレート セットに従って光モジュールを合理的に構成できるように設定します。

SFF-8472 プロトコル スタックは、アプリケーション選択テーブル機能を提供します。この機能では、プロトコル名、動作速度、変調コード タイプ (NRZ または PAM4) などの情報を含む一意の「アプリケーション コード」を各アプリケーションに割り当てることができます。50G SFP56 光50G SFP56 モジュールは、このアプリケーション選択テーブル機能を統合し、表 9 に示すように、サポートされているレート セットを報告できます。

表 9. 50G SFP56 光モジュールでサポートされるアプリケーション コード

切り替え時の正確な配送率

25G SFP28 と 10G SFP+ の両方の光モジュールは、NRZ 変調コードを採用しています。 レートを切り替える場合、電気インターフェイスの SerDes レートまたは光インターフェイスの動作レートを切り替えるだけで済みます。 光モジュールは短時間でロックでき、新しいレートで動作します。 50G SFP56 トランシーバーは、PAM4 変調コードと新しい CDR または DSP テクノロジーを導入しています。 電気信号にも光信号にも、「訓練と学習」によって獲得される XNUMX つの決定レベルがあります。 CDR または DSP チップは、「トレーニングと学習」をより迅速に行うために、レートを切り替えるときに正確な動作レートとコード タイプを取得する必要があります。 マスター デバイスは、前述の光モジュールのレート セット レポート機能と組み合わせて、レートの切り替え時にアプリケーション コードを光モジュールに配信することにより、正確な動作レートとコード タイプを配信します。

レポート切り替え  時間

レート切り替えの場合、マスター デバイスがレート切り替えコマンドを光モジュールに送信した後。 最初は「光モジュールの入力信号が信号品質のプロトコル要件を満たす」ため、最後は「光モジュールのチャネルをロックして対応する信号を出力する」ため、この時間をスイッチ設定時間と呼びます。 また、光 - 電気変換チャネル (Egress) のセットアップ時間と電気 - 光変換チャネル (Ingress) のセットアップ時間に分けられます。

10G SFP+ および 25G SFP28 光モジュールはNRZコードタイプに基づいており、しきい値を「トレーニングまたは学習」するだけでよく、レートスイッチのセットアップ時間は短く（通常は1ミリ秒以内）、スイッチングの信頼性は高く、主な機器は一般に時間を無視します. ターゲット レートとコード タイプが 50Gb/s PAM4 の場合、CDR または DSP は 3 つのしきい値を「トレーニングまたは学習」する必要があり、切り替えのセットアップ時間は数秒または 10 秒以上になる可能性があり、切り替えに失敗する可能性があります。したがって、光モジュールが率先して報告する必要があります。したがって、光モジュールは、「最大切り替えセットアップ時間」と「切り替え成功フラグ」をアクティブに報告する必要があります。

テーブル10. 時間登録テンプレートの設定

「切り替え成功サイン」は、マスター デバイスが光モジュールの切り替え状態を取得するのに役立ちます。 「出口チャネル」と「入口チャネル」の標識を区別する必要があります。 マスター デバイスは、光モジュールが正常に切り替えられたことを照会すると、CPRI や eCPRI などのプロトコル レイヤーをネゴシエートできます。

報告された伝送遅延

光電変換で光モジュールによって導入される伝送遅延は、電気チップ ソリューション、変調コード タイプ、および光モジュールの PCB 配置に関連しています。 10G SFP+ および 25G SFP28 光モジュールの伝送遅延は通常、数百 ps 程度であり、フロントホール リンクへの影響はわずかです。 ただし、DSPソリューションに基づく50G SFP56光トランシーバーによって導入される伝送遅延は数十nsに達し、フロントホール同期伝送システムに影響を与えます。 前方同期伝送システムに影響を与える可能性があるため、光モジュールは、管理インターフェイスにレジスタを定義して、光モジュールによって導入された伝送遅延を宣言し、主要機器の分析と判断を容易にする必要があります。

新機能のサポートを報告する

CDR ソリューションと比較して、DSP ソリューションに基づく 50G SFP56 光モジュールは、ループバック、信号対雑音比検出、BER 検出などの新しい機能を提供できます。光モジュール管理インターフェイスでどの新機能を説明できますか?管理インターフェイスは、検出結果を取得するためのレジスタを提供できます。

要約すると、上記の問題と要求を解決して満たすには、次世代の 5G フロントホール光モジュールに新しい管理インターフェイスが必要です。 現在、業界で主流の管理インターフェイス プロトコルには、SFF-8472 や OIF CMIS などがあります。

表 11 は、SFF-8472 と CMIS プロトコルの部分的な比較を示しています。 CMIS プロトコルは、QSFP-DD 光モジュールの標準プロトコルであり、マルチチャネルに適用でき、調整後にシングルチャネル フロントホール光モジュールに使用できます。 CMIS プロトコル スタックは新しいため、上記の新機能はプロトコル スタックで定義されており、機能の内訳がより包括的です。 SFF-8472 プロトコルは、10Gb/s および 25Gb/s の光モジュールで広く使用されており、マスター デバイスからの大量のコードを転送できるという利点があります。SFF-8472 プロトコルは、10Gb/s および 25Gb/s で広く使用されています。の光モジュール。 SFF-8472 プロトコルは、10Gb/s および 25Gb/s の光モジュールで広く使用されています。

テーブル11. SFF-8472とCMISの比較

50G 波長可変 BiDi SFP56 トランシーバ

IEEE802.3cp と CCSA はそれぞれ国際標準と業界標準を発行しており、アップストリームとダウンストリームの推奨波長を表 12 に示します。実際の使用では、AB エンドの誤挿入やペアリング異常の可能性があるため、材料リソースと保守管理がより困難になります。

表 12. 50G BiDi 光モジュールの推奨波長

FiberMall は、50G 波長調整可能な BiDi SFP56 光モジュールの新しいソリューションを提案します。これは、従来の BiDi 光モジュールの「アップストリームおよびダウンストリーム」波長の制約を打ち破ることができます。 回路図を図 3 に示します。

電気的インターフェイス ソリューションは、従来の 50Gb/s BiDi 光モジュールと同じで、2x25Gb/s NRZ および 1x50Gb/s PAM4 タイプをサポートします。 DSP、ドライバー、TIA などのコア電気チップも、従来の 50Gb/s BiDi 光モジュールと同じです。 モジュールの光路には、レーザーと光フィルターが含まれています。 レーザーの出力波長は、フィルターの通過帯域/阻止帯域波長と一致する必要があるため、レーザーは波長可変レーザーを使用するか、TEC温度制御によるレーザー波長の変化の調整を実現する必要があります。 同時に、調整可能な光フィルターと監視ループによって波長監視を実行でき、システム全体がソフトウェアハンドシェイクによって適応的に一致し、光モジュールの両端でデータ信号伝送を実現します。

フィギュア 3. 波長自己調整BiDi光モジュールの模式図

レーザーと光学フィルターの波長可変技術は、このソリューションの主な困難と課題です。 レーザーに関しては、最適なコスト ソリューションは、TEC 温度制御によってレーザー波長の調整を実現することですが、欠点は、波長調整範囲が限られていることです。

TEC温度制御は一般的に10~20℃の範囲内で、レーザー波長可変範囲は±1nmに制限され、光モジュールの発光波長チャネル間隔は約1nmに設定する必要があります。

DFBまたはFPレーザーはスペクトル幅が大きいため要件を満たすことができないため、典型的なスペクトル幅が0.2 nm未満のEMLレーザーが必要です。

さらに、分散耐性の観点から、単一ファイバ単方向光モジュールは波長範囲が狭く、長距離伝送とWDM拡張に役立ちます。 光学フィルタに関しては、波長調整を実現するために温度調整も推奨されますが、設計における熱クロストークやその他の問題に特別な注意を払う必要があります。

技術仕様に関しては、50G 波長調整可能な BiDi SFP56 トランシーバーのリンク バジェットは、従来の 50Gb/s 光モジュールと一致する可能性があります。 消費電力は 3.5 ～ 0℃ の全温度条件下で 70W 未満で、波長は 1308nm/1309nm の間で自由に切り替え可能で、波長切り替えの安定性と両端でのサービス確立の標準時間は 10 秒未満です。 2021 年末に、CCSA はこのテクノロジ ソリューションのライン標準プロジェクト計画について話し合いました。暫定的な見積もりでは、業界標準は 2023 年後半にリリースされる予定です。

業界チェーンに関しては、50G 波長可変 BiDi SFP56 光モジュールは、従来の 50Gb/s BiDi 光モジュールと比較して、新しい波長可変レーザー、波長可変光フィルター、およびソフトウェア適応マッチングを備えています。 上記で分析したように、レーザー波長可変は TEC 温度制御によって実現でき、ソフトウェア適応整合は光波長監視と組み込みソフトウェア機能の組み合わせによって実現でき、波長可変光フィルターは業界チェーンへの新たな追加です。

現在、波長可変フィルターの業界ソリューションは、Etalon + 温度制御、調整可能な PLC などです。重要な技術パラメーターには、FSR、帯域幅、分離などがあります。光モジュール内のデバイスの重要な指標 (波長調整範囲、感度、分離など）を下方に分解してデバイスの仕様とプロセスを取得し、テクニカル分析を実行できるようにするには、業界チェーンの成熟度をさらに高める必要があります。