400G/100G PAM4 およびシリコン フォトニクス テクノロジー

400G 光モジュールの XNUMX つの一般的なパッケージ タイプは、OSFP と QSFP-DD です。

400G QSFP-DD の利点は、シンプルさと互換性です。 の利点 400G OSFP 優れた熱性能を持ち、800G まで拡張できることです。
400G の場合、ホストに接続される OSFP と QSFP-DD の両方の電気信号は 8x50G PAM4 です。

400G QSFP-DD マルチモード光モジュールは、400G QSFP-DD SR8 と 400G QSFP-DD SR4.2 に分かれています。

400G QSFP-DD SR8

Sはshort distanceの頭文字で、伝送距離100メートルを表します。 「8」は 8 つの光信号チャネルを示し、それぞれが 50G PAM4 を備えています。 したがって、送信 8 個と受信 8 個には 16 本の光ファイバーが必要で、通常は MPO 接続を使用します。 MPO-16 と MPO-12 が一般的に使用されます。

400G QSFP-DD SR4.2

SR4.2 の SR も短距離、伝送距離 100 メートルを意味し、「4」は 2 つのファイバ チャネル、「2」は各チャネルが 2 波長の双方向多重化であることを示します。 各チャネルは 50x4G PAM8 で、XNUMX 本の光ファイバーが必要です。

MPO-12 コネクタを使用する場合、このアプローチの原動力は、前世代の MPO-12 ケーブルを交換せずに引き続き使用できることです。

タイプ	距離	繊維の種類	ボンジョイント	繊維の数	波長	光変調信号
400G SR8	100m	マルチモード	MPO-16 APC MPO-12×2APC	16	850nm	50G PAM4
400G SR4.2	100m	マルチモード	MPO-12 APC	8	850nm 910nm	50G PAM4

400Gマルチモード光モジュール

400G QSFP-DD シングルモード光モジュール インターフェイス

シングルモード 400G インターフェイスは 8 つのグループに分割されており、50 つのグループは電気ポート用の 4x8G PAM50 と光ポート用の 4xXNUMXG PAMXNUMX です。

もう 8 つのグループは、電気ポート用の 50x4G PAM4 と光ポート用の 100x4G PAMXNUMX です。

マザーボードと光モジュールへの電気インターフェイスも同様で、両方のアプローチで DSP も使用されます。 違いは、光信号の出力レートと使用されるレーザーの数にあります。

8x50G PAM4 シングルモード光モジュール

8x50G 光モジュール タイプ FR8、LR8、および 2xFR4

FR8、LR8、「8」は 50 つの波長、4 波長あたり 2G PAM10、FR は距離 8km、LR は 8km、8 本のファイバーで多重化された XNUMX つの波長を意味します。 FRXNUMX と LRXNUMX はデュアル LC 光インターフェイスです。

F は Far を表し、一般的な 2 メートル (DR、データセンター) よりも少し遠い 500 km を示します。 これは 802.3 の新しい距離分割であり、SR と LR の間に XNUMX つの細分化された距離 DR と FR を挿入します。

LはLongを指し、SRよりも長く、10kmと言われています。 初期の 802.3 は、SR の短距離が 100 メートル、LR の長距離が 10 km であるように分割され、主にメトロ ネットワークの距離の長さを示すために使用されます。

その後、データセンターでイーサネット光モジュールが使用されるようになり、100m PSM500 や 4km CWDM2 などの 4G 光モジュールの距離が初めて設定されました。

802.3G および 200G の 400 標準が策定されるまでは、データセンター分野の距離ラベルをカバーするために、SR と LR の間に 500 メートルの DR と 2km の FR が挿入されていました。

2xFR4 は、LR8 や FR8 と同様に 2 つのレーザーを使用しますが、波長は 200 つだけで、XNUMX つのグループで合計 XNUMX チャネルが使用されます。 CS インターフェイスは、XNUMXxXNUMXG フォーム ファクターを形成するために使用されます。

2 つの CS コネクタ、4xFRXNUMX ソリューションを使用します。

利点は、4 波長よりも 8 波長の方がリンク バジェットが優れ、分散が少ないことです。

欠点は、光学パッケージがより複雑で、製造コストが高いことです。 実際、XNUMX つの波長の産業チェーンはより成熟しており、材料コストは低下しています。

 

4x100G PAM4 シングルモード 光モジュール

現在、業界チェーンは 4x100G ソリューションに焦点を当てており、これらのソリューションの中で最も重要なものはギアボックスを備えた DSP です。

400G DR4、4xFR1、4xLR1

DSP は 8x50G 電気信号を 4x100G に変換する必要があり、これが EML またはシリコン光変調器に供給されて出力されます。 各チャネルは 1310nm で、8 つのファイバー (送信機 4 つと受信機 4 つ) が必要です。

使用されているのは、400x1G モジュール変換と並行して 100G 光モジュールをサポートする独立したファイバーです。

これらのインターフェイスはメーカーによって呼び方が異なりますが、本質的には同じです。

DR4 と 4xDR1 は同じです。 波長はすべて 1310nm で、XNUMX 本のファイバーを送信し、XNUMX つの波長を受信します。

ただし、FR4 と 4xFR1 は同じ製品ではありません。FR4 は 4 つのファイバーの 1 つの波長であり、XNUMXxFRXNUMX は XNUMX つのファイバーの波長です。

400G DR4 には 4 つの共通光インターフェイス、1xFR4、1xLR12、XNUMX つの MPO-XNUMX、XNUMX つの SN、および XNUMX つの MDC があります。

SNとMDCはメーカーは違いますが、コンセプトは同じです。

これらはどちらも独立して Tx と RX に接続可能です。 MPO と比較して、SN および MDC はより柔軟で、光ファイバーの導入が容易です。

FR4とLR4

FR4 と LR4 は、DR4 と同じ DSP 機能を 4 つの波長で備えています。 それらの違いは光路にあります。 CWDMXNUMX の波長は、Mux と Demux を使用して波を結合および分割します。 ファイバ数を削減し、LC光インタフェースを採用。

LR4には6つの伝送距離があり、IEEE規格では100km、10G Lamda MSAではXNUMXkmと定義されています。

400Gシングルモードインターフェース

100G PAM4

100G PAM4 光モジュールには 28 つのスプライス パッケージがあり、56 つは QSFPXNUMX、もう XNUMX つは SFPXNUMX-DD です。

QSFP28 パッケージの電気インターフェイスは 25G NRZ です。

SFP56-DD パッケージの電気インターフェイスは 50G PAM4 です。

シングルモード 100G

現在、4x100G QSFP-DD は 100G 単一波長 PAM4 と相互運用可能で、QSFP28 と相互運用可能です。ギアボックスの電気インターフェイスを 1:4 で実行する必要があり、DSP はオン/オフにする必要があります。off KR4 FEC オプション。

SFP56-DD では、DSP のギアボックスは 1:2 である必要があり、KP4 FEC は必要ありません (システム側で実行されます)。

単波100G光モジュールの概要

ほとんどのメーカーは、OSFP MSA プロトコルによってラッチの色を設定します。

100G光モジュールレーザーチップと シリコンフォトニクス テクノロジー

100G 光モジュール市場では、100G QSFP28 光モジュールが大きな市場シェアを占めており、異なる QSFP28 光モジュールは異なるレーザーを使用します。

100G-SR4 QSFP28 光モジュールは、主に 100m 以内のマルチモード並列ソリューションに使用されます。 内部には主に VCSEL レーザーが採用されており、小型、高結合率、低消費電力、容易な統合、低価格という利点があります。

100G-CWDM4 QSFP28 パッケージ光モジュールは、主に 10km の粗い WDM ソリューションで使用されます。 内部の DML レーザーが主に使用されており、小型、低消費電力、低コストという利点があります。

100G ER4 および 100G ZR4 QSFP28 パッケージ化された光モジュールは、主に 40km を超える中長距離用のシングルモード ソリューションで使用されます。 ほとんどの内部 EML レーザーが使用されており、アイ ダイアグラム マージンが大きく、分散が小さく、消光比が大きく、距離が長いという利点があります。

100G QSFP28 単一波光モジュールに関しては、チップ技術に新たなブレークスルーがあります。FiberMall のデータセンター シナリオ向けのシリコン フォトニクス統合 100G 光モジュールは、長い間量産されてきました。 また、BOM (部品と材料) のコストが低くなり、500 m、2 km、10 km などのシングルモード ソリューションの伝送距離をカバーできるという利点もあります。

現在、光集積商用製品の技術的ルートは主にIII-V族とSiの2.6陣営に分かれており、そのうちDFB、DML、EML、その他のレーザーはInP陣営である。 この技術は比較的成熟していますが、コストが高く、CMOS プロセス (集積回路プロセス) と互換性がなく、その基板材料は XNUMX 年ごとに XNUMX 倍しか増加しません。

Si シリコン光電子デバイスは COMS プロセスを使用して受動光電子デバイスと集積回路のシングルチップ統合を実現し、大規模に統合することができます。 高密度の利点を活かし、基板材料を1年ごとにXNUMX倍に増やすことができます。

現在、100G光モジュールはシリコンフォトニクス技術への扉を開きましたが、その開発にはまだいくつかの課題があります。

まず、シリコンベースの集積レーザー光源を解決する必要があります。 シリコンは間接バンドギャップ半導体です。InP などの直接バンドギャップ半導体と比較すると、シリコン フォトニクス モジュールには別の光源を導入する必要があり、光源がムーアの法則に準拠していない場合、より高コストの結合集積が継続されます。 offシリコン材料とプロセス統合のコスト上の利点を設定します。

第二に、 シリコンフォトニクストランシーバー 包装が難しく、歩留まりが低い。 シリコン光インターフェースパッケージングは​​初期段階にあり、主なボトルネックは光インターフェースパッケージングのオプトエレクトロニクスチップとファイバーアレイの形成にあります。 アライメントとパッケージングの精度要件は高く、パッケージング効率は低くなります。 パッケージングの現段階では、高品質かつ低コストのパッケージングを実現する技術は困難です。 製品の歩留まりにより、シリコン フォトニクス モジュールの大量生産が制限されます。

さらに、SiP チップの大量生産に利用できるリソースはほとんどありません。 シリコン フォトニクス チップは CMOS プロセスと互換性がありますが、成熟した CMOS リソースは一般に公開されていないか、シリコン フォトニクス フローの経験がありません。

現在、100Gネットワ​​ークは依然として主流であり、VCSEL、EML、DMLが主ですが、100G QSFP28光モジュールレーザーチップが主流です。 しかし、長期的には、シリコン フォトニクス ソリューションは 400G 光モジュールの時代になるか、大規模な勢力となるでしょう。

シリコンフォトニクスモジュールとは、簡単に言えば、シリコンチップに統合された光電変換および送信モジュールにシリコンフォトニクス技術を使用したものです。 これは、シリコンベースのプラットフォーム上でマイクロエレクトロニクスとオプトエレクトロニクスを組み合わせて、新しいシリコン光学デバイスを形成するものです。