PAM400変調に基づく4G光トランシーバー

 

400G トランシーバーの一般的なパッケージ タイプは、OSFP と QSFP-DD の 800 つです。 OSFPでカプセル化された光モジュールは放熱性能が高く、400Gまで拡張可能ですが、体積が大きくなります。 QSFP-DD パッケージの光モジュールは、よりシンプルで互換性があります。 8G 光モジュールの場合、OSFP/QSFP-DD とホスト間のインターフェイスの電気信号は 50x4G/PAM4、つまりすべて PAM4 変調モードを採用します。 この文書では、PAM400 変調モードと XNUMXG トランシーバーにおけるその応用について紹介します。

1. 光通信における PAM4 とは何ですか?

 

PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4-Level)は、今や光通信分野において非常に重要な基盤技術となっています。 PAM4 を理解する前に、別のより基本的な信号変調テクノロジである NRZ(Non-Return-to-Zero)、PAM2(2-level) とも呼ばれるテクノロジについて知る必要があります。 NRZ は、高信号レベルと低信号レベルの両方を使用して送信される情報を表すデジタル論理信号です。 ユニポーラ非リターン トゥ ゼロ コードでは、「1」と「0」はそれぞれ、正とゼロのレベル、または負とゼロのレベルに対応します。 バイポーラ非ゼロ コード。「1」と「0」はそれぞれ正のレベルと同等の負のレベルに対応します。

「非ゼロ」という用語は、「0」がないことを意味するのではなく、データの各ビットが送信された後に信号がゼロ レベルに戻る必要がないことを意味します (明らかに、NRZ は RZ と比較して帯域幅を節約します)。 光モジュール変調では、レーザーのパワーを利用して「0」と「1」を制御します。 簡単に言うと、実際に放射される光パワーが特定のしきい値よりも大きい場合は「1」、そうでない場合は「0」であることを意味します。 ある閾値未満の場合は「XNUMX」になります。

帯域幅の需要が増加し続ける中、単位時間当たりに送信される論理情報の量を増やす方法を見つける必要があり、より高度な変調技術である PAM4 が登場しました。 信号伝送には 1 つの異なる信号レベルを使用します。 2 シンボル サイクルで表される論理情報を NRZ の 25 ビットから 4 ビットに倍増できます。 たとえば、50G EML チップを PAM4 で変調した後、単一チャネルの XNUMXG PAMXNUMX 光モジュールにすることができます。 詳細については、この記事をクリックしてください NRZ と PAM4.

2. なぜ 400 なのかG イーサネット採用 PAM4つのテクノロジー?

 

当初、IEEE 協会は、4GBASE-SR200 などの新世代 400G/400G インターフェイス規格を策定する際に PAM16 テクノロジーを考慮せず、400x16Gbps パラレル チャネルを通じて 25G 伝送速度を達成するために NRZ テクノロジーを採用しました。 しかし、この方式は多数の光ファイバを必要とするため、経済的かつ実現可能ではなく、トランシーバチップの時間的余裕、伝送リンク損失、方式のサイズが 400G イーサネットの要求を満たすことができません。 

したがって、IEEE 協会が 802.3bs 標準を策定したとき、NRZ を PAM4 に置き換えることを提案しました。 PAM4 信号の特性とパラメータ テストに関する徹底的な調査の後、この提案は最終的に可決されました。 その後、PAM400 テクノロジーに基づいた 8GBASE-LR400/8GBASE-FR4 インターフェイス規格が公布され、初の 400G インターフェイス規格となりました。 インターフェース規格は8x50Gbps PAM4テクノロジーを採用し、400G伝送を実現します。 NRZのような16G伝送を実現するために25x400Gチャネルは必要なくなりました。 これにより、光ファイバーのコストを節約できるだけでなく、リンク損失も削減できます。   

3。 の適用 PAM4 in 400G トランシーバー: マルチモードとシングルモード

 

PAM4 は主な変調モードです。 400G QSFP-DD 光モジュールには、マルチモードとシングルモードの 400 つのタイプがあります。 PAM4 変調に基づく 8G トランシーバーの電気ポート側は 50x4G PAM8 によって変調されますが、光ポート側には 50x4G PAM4 と 100x4G PAMXNUMX の XNUMX つの変調タイプがあります。

 1) マルチモード 400G トランシーバー

一般的な 400G マルチモード光モジュールは SR8 および SR4.2 インターフェイスで、すべて 8x50G PAM4 変調を使用します。

• 400G SR8: 「SR」はマルチモード光ファイバーを使用して100mの距離を伝送することを意味し、「8」は8つの光チャネルを持つことを意味します。 各光チャネルが 50G PAM4 で動作する場合、合計 16 本の光ファイバー (TX 8 本と Rx 8 本) が必要です。 400G SR8 光モジュールは、MPO-8 コネクタまたは MPO-16 コネクタを使用して 24 ペアの光ファイバを接続できます。   
• 400G SR4.2： 「SR」はマルチモード光ファイバーを使用して100mの距離を伝送することを意味し、「4」は光チャンネルが4つあることを意味し、「2」は各チャンネルに400つの波長があることを意味します。 4.2G SR12 モジュールは MPO-2 コネクタを使用し、各光チャネルは 50x4G PAM8 で動作し、合計 4.2 本の光ファイバーが必要です。 波長は双方向で多重化されています。 SRXNUMX の主な利点は、既存の設置済み光ファイバー リソースを引き続き使用できることです。

モジュールの種類	伝送距離	繊維の種類	光インターフェース	ファイバーコア	波長	モジュレーション
400G SR8	100m	パラレルマルチモード	MPO-16(APC)またはMPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
400G SR4.2	100m	パラレルマルチモード	MPO-12（APC）	8	850nm / 910nm	50G PAM4

 2) シングルモード 400G トランシーバー

シングルモード 400G  トランシーバー 8つのグループに分けることができます。 光ポート側の 50 つのグループは 4x4G PAM100 で変調され、もう 4 つのグループは XNUMXxXNUMXG PAMXNUMX で変調されます。 どちらの方法でも、DSP を CDR (アナログ CDR は確立されません) として使用するか、Gearbox と CDR の組み合わせとして使用します。 違いは、ライン側の信号伝送速度と使用されるレーザーの数にあります。

• 400×8G PAM50 ベースのシングルモード 4G トランシーバー

この変調モードには、FR400、LR8、8xFR2 の 4 つの一般的なタイプの XNUMXG 光モジュールがあります。

400G FR8 & 400G LR8 は、最も初期に利用可能な 400G シングルモード インターフェイスです。 「8」は 8 つの波長が使用され、各波長が 50G PAM4 で動作することを意味します。 「FR」は2km伝送、「LR」は10km伝送を意味します。 8 つの波長が 8 本の光ファイバに多重化され、FR8 および LRXNUMX 光モジュールは二重 LC 光インターフェイスを使用します。

　 2×FR4 400G 光モジュールは 8 個のレーザーを使用しますが、4 つの波長の 200 つのグループに分割されます (4G FR2 規格による)。 200 つのグループはそれぞれ光ファイバーに多重化され、光モジュールは XNUMXxXNUMXG 信号を XNUMX つの CS コネクタに提供します。 

モジュールの種類	伝送距離	繊維の種類	光インターフェース	ファイバーコア	波長	モジュレーション
400G 2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4 (CWDM4)	50G PAM4
400G FR8	2km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4
400G LR8	10km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4

しかし、貿易があります-off■ 8x50G ソリューションを使用する場合。 場合によってはリンク バジェットが改善される一方で、モジュールあたりのレーザーの総コストが高くなり、光学パッケージングがより複雑になるため、出力が低下し、生産コストが高くなります。 対照的に、4x100G モジュールは消費電力が低く、熱処理能力が簡単です。 したがって、4x100G ソリューションの方が一般的です。  

• 400×4G PAM100 ベースのシングルモード 4G トランシーバー

4x100G 光モジュールが現在の市場の焦点です。 回線側は 100G PAM4 で 4 つのチャネルを使用します。 ここで、これらの光モジュールは「マルチファイバ」と「デュアルファイバ」に分類できます。 これらの光モジュールの主要コンポーネントは、DR4、FR4、LRXNUMX などのギアボックス機能を備えた DSP です。

400G DR4: 400G DR4 光モジュールでは、DSP が 8x50G PAM4 電気信号を 4x100G PAM4 に変換し、光エンジンに送信します。 同時に、DSP は CDR として機能し、各チャネルの動作波長は 1310nm で、各チャネルに 8 本のファイバーが必要なので、合計 XNUMX 本のファイバーが必要です。  

400G FR4 および LR4: FR4 および LR4 光モジュールの DSP の基本機能は DR4 と同じですが、4 つの 1310nm 信号の代わりに 4 つの波長 (CWDM4) が使用され、これらの CWDM 信号を結合するマルチプレクサが追加されています。 これにより、FR2/LRXNUMXに必要な光ファイバーの本数がXNUMX本(TX+Rx)に減り、二重化LC光ポートが採用されています。

モジュールの種類	伝送距離	繊維の種類	光インターフェース	ファイバーコア	波長	モジュレーション
400G DR4	500m	PSM / SMF	MPO-12（APC）	8	1（1310nm）	100G PAM4
400G FR4	2km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4
400G LR4	10km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4

 

要約へ、ビッグデータとクラウドコンピューティングの出現に伴い、トラフィックの急速な成長により、信号変調技術はより複雑な方向に発展する必要があります。 現在最も効率的な変調技術として、PAM4 は 400G 高速光モジュールの開発において避けられないトレンドとなっています。 今後はコストを考慮して400チャンネルの光信号で4G伝送を実現する方法が主流になるかもしれません。 同時に、光モジュールの電気ポートは段階的に 4x100G PAM4 の形式にアップグレードされ、消費電力とコストを節約するためにギアボックス チップが省略されます。