PAM400 변조 기반 4G 광 트랜시버

400G 트랜시버의 두 가지 일반적인 패키지 유형은 OSFP 및 QSFP-DD입니다. OSFP에 의해 캡슐화 된 광 모듈은 열 성능이 우수하고 800G까지 확장 할 수 있지만 볼륨이 큽니다. QSFP-DD 패키지의 광 모듈은 더 간단하고 호환됩니다. 400G 광 모듈의 경우 OSFP/QSFP-DD와 호스트 간의 인터페이스 전기 신호는 8x50G/PAM4입니다. 즉, 모두 PAM4 변조 모드를 채택합니다. 이 백서에서는 PAM4 변조 모드와 400G 트랜시버에서의 응용을 소개합니다.

1. 광통신에서 PAM4란?

PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4-Level)는 이제 광통신 분야에서 매우 중요하고 기본적인 기술입니다. PAM4를 이해하기 전에 PAM2(2-레벨)라고도 하는 또 다른 기본적인 신호 변조 기술인 NRZ(Non-Return-to-Zero)를 알아야 합니다. NRZ는 높은 신호 레벨과 낮은 신호 레벨을 모두 사용하여 전송된 정보를 나타내는 디지털 논리 신호입니다. 유니폴라 non-return-to-zero 코드의 경우 "1" 및 "0"은 각각 양수 및 1 수준 또는 음수 및 0 수준에 해당합니다. 양극성 비XNUMX 코드, 여기서 "XNUMX" 및 "XNUMX"은 각각 양수 수준 및 동등한 음수 수준에 해당합니다.

"0이 아닌"이라는 용어는 "0"이 없다는 것을 의미하는 것이 아니라 각 데이터 비트가 전송된 후 신호가 1 레벨로 돌아갈 필요가 없다는 것을 의미합니다(분명히 NRZ는 RZ에 비해 대역폭을 절약함). 광 모듈 변조에서는 레이저의 힘을 사용하여 "1"과 "0"을 제어합니다. 간단히 말해서 실제 방출된 광출력이 특정 임계값보다 클 때 "XNUMX"이라는 의미입니다. 특정 임계값보다 작으면 "XNUMX"입니다.

대역폭 수요가 지속적으로 증가함에 따라 단위 시간당 전송되는 논리 정보의 양을 늘릴 수 있는 방법을 모색해야 하며 보다 발전된 변조 기술인 PAM4가 등장합니다. 신호 전송을 위해 1가지 다른 신호 레벨을 사용합니다. NRZ의 2비트에서 25비트로 단일 심볼 주기로 표시되는 논리 정보를 두 배로 늘릴 수 있습니다. 예를 들어, 4G EML 칩이 PAM50로 변조된 후 단일 채널 4G PAMXNUMX 광 모듈로 만들 수 있습니다. 에 대해 자세히 알아보려면 이 기사를 클릭하세요. NRZ 및 PAM4.

2. 400은 왜G 이더넷 채택 WFP4기술?

IEEE 협회는 처음에 4GBASE-SR200과 같은 차세대 400G/400G 인터페이스 표준을 공식화할 때 PAM16 기술을 고려하지 않았지만 NRZ 기술을 채택하여 400x16Gbps 병렬 채널을 통해 25G 전송 속도를 달성했습니다. 그러나 이 방식은 많은 수의 광섬유를 필요로 하므로 경제적이지 않고 실현 가능하지 않으며 트랜시버 칩의 시간 여유, 전송 링크 손실 및 방식의 크기는 400G 이더넷의 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 

따라서 IEEE 협회는 802.3bs 표준을 공식화할 때 PAM4가 NRZ를 대체할 것을 제안했습니다. PAM4 신호의 특성과 매개변수 테스트에 대한 심도 있는 연구 끝에 마침내 제안이 통과되었습니다. 이후 PAM400 기술을 기반으로 하는 8GBASE-LR400/8GBASE-FR4 인터페이스 표준이 공포되어 최초의 400G 인터페이스 표준이 되었습니다. 인터페이스 표준은 8x50Gbps PAM4 기술을 채택하여 400G 전송을 실현합니다. NRZ와 같은 16G 전송을 실현하기 위해 더 이상 25x400G 채널이 필요하지 않습니다. 이러한 방식으로 광섬유 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 링크 손실도 줄일 수 있습니다.   

3. 적용 PAM4 400년G 트랜시버: 다중 모드 대 단일 모드

PAM4는 주요 변조 모드입니다. 400G QSFP-DD 다중 모드와 단일 모드의 두 가지 유형이 있는 광 모듈. PAM400 변조를 기반으로 하는 4G 트랜시버의 전기 포트 쪽은 8x50G PAM4에 의해 변조되는 반면 광 포트 쪽에는 8x50G PAM4 및 4x100G PAM4의 두 가지 변조 유형이 있습니다.

 1) 다중 모드 400G 송수신기

일반적인 400G 다중 모드 광 모듈은 모두 8x4.2G PAM8 변조를 사용하는 SR50 및 SR4 인터페이스입니다.

• 400G SR8: "SR"은 다중 모드 광섬유를 사용하여 100m 거리를 전송하는 것을 의미하고 "8"은 8개의 광 채널이 있음을 의미합니다. 각 광 채널이 50G PAM4로 작동할 때 총 16개의 광섬유(8 TX 및 8 Rx)가 필요합니다. 400G SR8 광 모듈은 MPO-8 커넥터 또는 MPO-16 커넥터를 사용하여 24쌍의 광섬유를 연결할 수 있습니다.   
• 400G SR4.2: "SR"은 다중 모드 광섬유를 사용하여 100m 거리를 전송하는 것을 의미하고 "4"는 4개의 광 채널이 있음을 의미하고 "2"는 각 채널에 400개의 파장이 있음을 의미합니다. 4.2G SR12 모듈은 MPO-2 커넥터를 사용하며 각 광 채널은 50x4G PAM8로 작동하며 총 4.2개의 광섬유가 필요합니다. 파장은 양방향이며 다중화됩니다. SRXNUMX의 주요 장점은 기존에 설치된 광섬유 리소스를 계속 사용할 수 있다는 것입니다.

모듈 유형	전송 거리	섬유 유형	광 인터페이스	섬유 코어	파장	조정
400G SR8	100m	병렬 다중 모드	MPO-16(APC) 또는 MPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
400G SR4.2	100m	병렬 다중 모드	MPO-12(APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

 2) 단일 모드 400G 송수신기

단일 모드 400G 광 라디오 송수신기 두 그룹으로 나눌 수 있습니다. 광 포트 측의 한 그룹은 8x50G PAM4로 변조되고 다른 그룹은 4x100G PAM4로 변조됩니다. 두 방법 모두 DSP를 CDR(아날로그 CDR이 설정되지 않음)로 사용하거나 Gearbox와 CDR을 조합하여 사용합니다. 차이점은 라인 측의 신호 전송 속도와 사용되는 레이저 수에 있습니다.

• 400×8G PAM50 기반 단일 모드 4G 트랜시버

이 변조 모드에는 FR400, LR8 및 8xFR2의 세 가지 일반적인 유형의 4G 광 모듈이 있습니다.

400G FR8 그리고 400G LR8 가장 먼저 사용 가능한 400G 단일 모드 인터페이스입니다. "8"은 8개의 파장이 사용됨을 의미하며 각 파장은 50G PAM4로 작동합니다. "FR"은 2km 전송을 의미하고 "LR"은 10km 전송을 의미합니다. 8개의 파장이 하나의 광섬유로 다중화되고 FR8 및 LR8 광학 모듈은 이중 LC 광학 인터페이스를 사용합니다.

The 2xFR4 400G 광학 모듈은 8개의 레이저를 사용하지만 4G FR200 표준에 따라 4개의 파장으로 구성된 두 그룹으로 나뉩니다. 두 그룹은 각각 광섬유로 다중화되고 광 모듈은 두 CS 커넥터에서 2x200G 신호를 제공합니다. 

모듈 유형	전송 거리	섬유 유형	광 인터페이스	섬유 코어	파장	조정
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

그러나 8x50G 솔루션을 사용할 때는 트레이드오프가 있습니다. 한편으로는 어떤 경우에는 링크 예산이 개선되지만, 다른 한편으로는 모듈당 총 레이저 비용이 더 높고 광학 패키징이 더 복잡해져 출력이 낮아지고 생산 비용이 높아집니다. 반면 4x100G 모듈은 전력 소모가 낮고 열처리 능력이 더 간단합니다. 따라서 4x100G 솔루션이 더 인기가 있습니다.  

• 400×4G PAM100 기반 단일 모드 4G 트랜시버

4x100G 광 모듈은 현재 시장의 초점입니다. 그들의 라인 측에서는 100G PAM4가 있는 4개의 채널을 사용합니다. 여기에서 이러한 광 모듈을 "다중 섬유"와 "이중 섬유"로 나눌 수 있습니다. 이 광 모듈의 핵심 구성 요소는 DR4, FR4 및 LRXNUMX를 포함하여 Gearbox 기능이 있는 DSP입니다.

400G DR4: 400G DR4 광 모듈에서 DSP는 8x50G PAM4 전기 신호를 4x100G PAM4로 변환한 다음 광 엔진으로 전송합니다. 동시에 DSP는 CDR 역할을 하며 각 채널의 작동 파장은 1310nm이며 각 채널에는 하나의 광섬유가 필요하므로 총 8개의 광섬유가 필요합니다.  

400G FR4 및 LR4: DSP의 기본 기능은 FR4, LR4 광모듈에서 DR4와 동일하지만, 이제 4개의 1310nm 신호 대신 4개의 파장(CWDM4)을 사용하고, 이러한 CWDM 신호를 결합하기 위해 멀티플렉서를 추가합니다. 이러한 방식으로 FR2/LRXNUMX에 필요한 광섬유의 수는 XNUMX(TX + Rx)로 줄어들고 이중 LC 광 포트가 채택됩니다.

모듈 유형	전송 거리	섬유 유형	광 인터페이스	섬유 코어	파장	조정
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

요약으로, 빅 데이터 및 클라우드 컴퓨팅의 도래와 함께 트래픽의 급속한 성장으로 인해 신호 변조 기술이 보다 복잡한 방향으로 발전해야 합니다. 현재 가장 효율적인 변조 기술로서 PAM4는 400G 고속 광 모듈 개발의 피할 수 없는 추세가 되었습니다. 앞으로는 비용을 생각하면 400채널 광신호로 4G 전송을 구현하는 방식이 주류가 될 수 있다. 동시에 광 모듈의 전기 포트는 4x100G PAM4 형태로 점진적으로 업그레이드될 수 있으며, 기어박스 칩은 생략되어 전력 소비 및 비용을 절약할 수 있습니다.