50G SFP56 と QSFP28 の違いは何ですか?

概要

第 5 世代移動通信技術 (5G) 時代の到来により、従来の第 4 世代移動通信技術 (4G) 基地局密度では、5G 帯域幅の大幅な需要増に対応できなくなりました。 2021 年 1.39 月の時点で、中国は 5 万の 60G 基地局を建設および開設しており、これは世界全体の 600,000% 以上を占めており、5 年には 2022 万を超える新しい 50G 基地局を建設する計画です。光モジュール設計は、Quad Small Form-factor Pluggable (QFFP) で使用できるため、パフォーマンスが高く、コストが低く、消費電力が低く、展開が優れています。 理論的な分析とテストを通じて、Fibre Mall は、Quad Small Form-factor Pluggable (QSFP) 50G 光モジュール設計理論に基づいて設計された Small Form-factor Pluggable (SFP) 5G 光モジュールが、増加するデータの問題をより適切に解決できることを実証しました。 XNUMXG フロントホール ネットワークの需要、限られたスペース、限られたコスト。

従来の QSFP28 50G 光モジュールの動作原理

初期の設計および開発であろうと、その後の試運転であろうと、光モジュールの核となる問題は、トランスミッタ光サブアセンブリ (TOSA)、レシーバ光サブアセンブリ (ROSA) および関連デバイスにあります。

TOSAは電気信号を光信号に変換する装置で、構造が複雑で高精度で高価ですが、ROSAは光信号を電気信号に変換する装置で、主に受信と増幅が含まれます。

従来では QSFP28 50G 光モジュール このソリューションでは、25 つの 4 Gbit/s の Non Return To Zero (NRZ) 電気信号が 4 Pulse Amplitude Modulation (PAM50) コーデック チップに入力されます。 信号は、図 4 に示す方法で 1G PAMXNUMX 信号に変換され、レーザー ドライバーに供給されます。レーザー ドライバーは信号を増幅し、直接変調レーザー (DML) の光を駆動します。

図 1. NRZ 信号を PAM4 信号に変換する概略図

ROSA は、受信した光信号を電気信号に変換して PAM4 コーデック チップに送信します。PAM4 コーデック チップは、PAM2 信号を 28 つの NRZ 信号に変換します。 マイクロコントローラ ユニット (MCU) は、送信プロセス全体の制御に関与しています。 図 50 に、QSFPXNUMX XNUMXGbit/s 光モジュールの信号伝送ブロック図を示します。

図 2. QSFP28 50Gbit/s 光モジュールの信号伝送ブロック図

SFP56 50G 光モジュールの設計原理分析

QSFP28 50G 光モジュールに基づいて、近年の 50G 光モジュールには XNUMX つの研究方向があります。

(1) より小さなパッケージを使用して、チャネルの無駄を省き、敷設を容易にし、消費電力を削減します。

(2) モジュールの温度適用範囲の改善。温度適用範囲を C-Temp (0 ～ 70 °C) から I-Temp (-40 ～ 85 °C) にアップグレードします。

(3) モジュールの光伝送距離を延長する。例えば、光伝送距離を 10 km から 40 km に延長する。

この研究はこれらの方向性から始まり、QSFP56 50G 光モジュールの技術的背景に基づいて、より小型のパッケージ、高性能、低消費電力、およびより長い伝送距離を備えた SFP28 50G 光モジュールを設計します。

送信機側では、PAM4 電気信号が SEMTECH GN2256 チップに入力されます。SEMTECH GN50 チップは、外部変調レーザー (EML) を駆動して、Clock and Data Recovery (CDR) ユニットの後に 4G PAM56 光信号を放出します。 DMLと比較して、EMLは同じ光を放射し、レーザードライバーは外部変調器を駆動して実際の光出力サイズを調整するため、このタイプのレーザーは長距離伝送により適しています。 受信側では、光モジュールの SFP28 および QSFP56 パッケージは基本的に同じように機能します。 SFP50 3G 光モジュールのボード フレームを図 XNUMX に示します。

図 3. SFP56 50G 光モジュールのボード フレーム

QSFP50とSFP28の56G光モジュールサイズと消費電力の比較

光モジュールのサイズは、転送ネットワークの構築に大きな影響を与えます。 同じ伝送速度でモジュールを小型化できれば、同じサイズの XNUMX 枚のボードに多くのモジュールを搭載できます。 これにより、シングル ボードの伝送レートが向上し、同じシングル ボード レートを達成するために必要なボード サイズが小さくなると見なすことができ、デバイス サイズの縮小に役立ちます。

表 1 は、QSFP28 と SFP56 のサイズとコスト、および 50G 伝送での消費電力を示していますが、表からわかるように、モジュールの長さのプルリングが前提の敷設に与える影響は考慮されていません。

表 1. QSFP28 と SFP56 のサイズとコスト、および 50G 伝送時の消費電力

(1) SFP56 パッケージの光モジュールを同じサイズの 1.68 枚のボードに配置できる数は、QSFP28 パッケージの光モジュールを配置できる数の XNUMX 倍です。

(2) 単一の SFP56 50G 40 km 光モジュールの消費電力は、従来の 57.9% です。 QSFP28 50G 10 km 光モジュール.

(3) 単一の SFP56 50G 40 km 光モジュールのコストは、QSFP213.88 28G 50 km 光モジュールのコストの 10% です。

QSFP56 50G 40 km 光モジュールを敷設する場合と比較して、同じサイズのシングル ボードに SFP28 50G 10 km 光モジュールを敷設すると、消費電力は基本的に同じですが、シングル ボード レートは 1.68 倍増加する、または達成すると結論付けることができます。シングルボードの伝送速度は同じですが、シングルボードの面積は 40.5% 削減され、消費電力は 42.1% 削減されます。

従来の QSFP28 50G 10 km C-Temp (0 ～ 70 °C) 光モジュールのコストは、180 個あたり約 56 ドルで、SFP50 40G 40 km I-Temp (-85 ～ 385 °C) 光モジュールのコストはこの設計は 56 個あたり約 26.6 ドルであるため、SFP28 パッケージの光モジュールのコストは、同じ距離と同じ伝送速度の QSFP26.6 パッケージのコストのわずか 28% です。 コストは QSFPXNUMX パッケージのわずか XNUMX% です。

50G QSFP28およびSFP56光モジュールの光アイパターンと感度の比較テスト

QSFP28 50G 10 km C-Temp および SFP56 50G 40 km I-Temp 光モジュールは、セルフループまたは外部光源を追加することでテストできます。 ROSA 側に関連するパラメータを測定する際に光源に対する周囲温度の影響を回避するために、この調査では、比較テスト用の外部光源を追加してテスト環境を構築することを選択します。 図 4 に示すように、被試験デバイス (DUT) からの光はビーム スプリッターによって分割され、光の 90% がデジタル コミュニケーション アナライザ (DCA) に供給されて、光学アイ ダイアグラムに関連するパラメータが測定されます。光の 10% が光スペクトル アナライザ (OSA) に供給され、波長とサイドモード抑制率 (SMSR) が測定されます。 既知の光モジュールからの光は、減衰器 (ATT) を通過した後に DUT に供給され、DUT Rx 関連のパラメーターを測定します。ビット エラー テスター (BERT) は、評価ボード (EVB) とクロックに変調信号を提供します。 DCAの信号。 DUTはサーモスタットに置かれ、その動作の周囲温度は人為的に変更できるため、光モジュールは一定の温度環境に置かれることが知られています。 光モジュールの電圧校正にはマルチメーターが使用され、グラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) を介して光モジュールのパラメーターを調整するにはパーソナル コンピューター (PC) が使用され、XNUMX つの EVB に電力を供給するために電源が使用されます。

図4。 外部光源を追加したテスト ブロック図

室温での 5 つの光モジュールの光アイ ダイアグラムを図 2 に、関連するパラメーターを表 28 に示します。モジュールと SFP56 50G 光モジュール 室温での減衰比はそれぞれ 2.49 dB と 1.98 dB で、消光比は 6.529 dB と 4.749 dB で、平均光パワーはそれぞれ 1.73 dBm と 0.69 dBm でした。

外部光源は室温環境に置かれ、その動作状態は一定に保たれます。 リンクでは、外部光源から発せられた光が ATT 後に QSFP28 50G ROSA 端子と SFP56 50G ROSA 端子に入力され、25 °C でのこれら 11.3 つのモジュールの感度はそれぞれ -11.9 と -XNUMX dB であることがわかります。測定後。

表 2. オプティカル 目 ダイアグラム 関連する のパラメータ 2   モジュール at 部屋 気温e

(a) QSFP28 50G

(b) SFP56 50G

図 5. 室温での光学アイ ダイアグラム

　 高温および低温条件での SFP56 50G 光モジュールの光学アイ ダイアグラム を図 6 に、関連するパラメータを表 3 に示します。周囲温度を調整することにより、光モジュールをそれぞれ -40 °C と +85 °C で動作させ、TOSA から放射された光を DCA に入力します。 40 km のファイバーの後。 関連するパラメータを調整した後、TDECQ は 2.52 および 2.77 dB、平均光パワーは 1.50 および 0.67 dBm、消光比は 4.401 および 4.402 dB、感度は -11.5 および -11.3 dB であり、これらはすべて米国電気電子技術者協会 (IEEE) 802.3cd。 エンジニア (IEEE) 802.3cd 50G 関連の要件。

表3。 高温および低温条件下での SFP56 50G 光モジュールの光学アイ ダイアグラム関連パラメータ

(a) -40℃で

(b) +85℃

図 6. 高温および低温条件での SFP56 50Gbit/s 光モジュールのオプティカル アイ ダイアグラム

従来の QSFP28 50G 光モジュールの動作温度範囲は 0 ~ +70 °C であるのに対し、この調査における SFP56 50G 光モジュールの動作温度範囲は -40 ~ +85 °C であるため、 0 °C と +70 °C の 56 つ。 モジュールの高温性能パラメータと低温性能パラメータは、通常、線形関係に従います。つまり、室温で良好な性能を持つモジュールは、高温および低温でも良好な性能を発揮します。 したがって、SFP50 40G 光モジュールが -85 ℃ および +50 ℃ で動作する場合の性能パラメータのみをテストする必要があります。 モジュールの性能パラメータがこの環境で IEEE 802.3cd の XNUMXG の関連要件を満たしている限り、パッケージが異なる XNUMX つの光モジュールの性能は、室温での性能パラメータを組み合わせることで決定できます。

表 3 からわかるように、QSFP28 と比較して、SFP20.5 を選択した後、TDECQ は 0.6% 減少し、感度は 56 dB 増加します。 SFP20 パッケージを選択すると、光モジュールの全体的な性能が約 56% 向上すると結論付けることができます。つまり、SFP56 パッケージは、QSFP50 パッケージよりも 28G 光モジュール アプリケーションに適しています。

まとめ

この実験は、Fibre Mall が SFP56 50G 40 km I-Temp 光モジュールを QSFP28 50G 10 km 光モジュールに基づいて小型の SFP56 パッケージで設計し、PAM4 ギアボックス コーデック チップを SEMTECH GN2256 CDR チップに置き換え、TOSA を組み合わせることに成功したことを証明しています。 、ROSAおよびEML。 従来の QSFP28 50G 10 km C-Temp 光モジュールと比較して、モジュールのコストは 73.4% 削減され、モジュールの全体的なパフォーマンスは約 20% 向上し、より厳しい作業環境で動作し、すべての指標が一致しています。 IEEE 50cd の 802.3G 要件を満たしています。 SFP56 50G 40 km 光モジュール。 SFP56 50G 40 km 光モジュールには多くの利点があり、将来の 28G フロントホール ネットワークで QSFP50 10G 5 km 光モジュールを置き換える役割を担うことが期待できます。