400G/100G PAM4 e tecnologia fotônica de silício

Os dois tipos de pacotes comuns para módulos ópticos 400G são OSFP e QSFP-DD.

As vantagens do 400G QSFP-DD são simplicidade e compatibilidade. A vantagem de OSFP 400G é que tem bom desempenho térmico e pode ser estendido para 800G.
Para 400G, a sinalização elétrica para OSFP e QSFP-DD com interface com o host é 8x50G PAM4.

Os módulos ópticos multimodo 400G QSFP-DD são divididos em 400G QSFP-DD SR8 e 400G QSFP-DD SR4.2.

400G QSFP-DD SR8

S é a letra inicial de curta distância, indicando uma distância de transmissão de 100 metros. “8” indica 8 canais de sinal óptico, cada um com 50G PAM4. Portanto, 8 transmitem e 8 recebem requerem 16 fibras ópticas, geralmente usando conexão MPO. MPO-16 e MPO-12 são comumente usados.

400G QSFP-DD SR4.2

O SR de SR4.2 também significa curta distância, 100 metros de distância de transmissão, “4” é quatro canais de fibra e “2” é cada canal tem 2 comprimentos de onda de multiplexação bidirecional. Cada canal é 2x50G PAM4 e requer 8 fibras ópticas.

Com o conector MPO-12, o fator determinante dessa abordagem é continuar usando o cabo MPO-12 da geração anterior sem substituição.

Formato	Distância	Tipo de fibra	Connector	Número de fibra	Wavelength	Sinal de Modulação Óptica
400GSR8	100m	Multimodo	MPO-16 APC MPO-12×2 APC	16	850nm	50G PAM4
400GSR4.2	100m	Multimodo	MPO-12 APC	8	850nm 910nm	50G PAM4

Módulos ópticos multimodo 400G

Interface de módulo óptico de modo único 400G QSFP-DD

A interface 400G de modo único é dividida em dois grupos, um grupo é 8x50G PAM4 para a porta elétrica e 8x50G PAM4 para a porta óptica.

O outro grupo é 8x50G PAM4 para portas elétricas e 4x100G PAM4 para portas ópticas.

É o mesmo para a interface elétrica com a placa-mãe e o módulo óptico, e ambas as abordagens também usam DSP. A diferença está na taxa de saída do sinal óptico e no número de lasers usados.

Módulo óptico de modo único PAM8 50x4G

Tipos de módulo óptico 8x50G FR8, LR8 e 2xFR4

FR8, LR8, “8” são oito comprimentos de onda, 50G PAM4 por comprimento de onda, FR significa distância 2 km, LR significa 10 km, 8 comprimentos de onda multiplexados com uma única fibra. FR8 e LR8 são interfaces ópticas LC duplas.

F refere-se a Distante, indicando 2km, um pouco mais longe que os 500 metros comuns (DR, datacenter). Esta é uma nova divisão de distância em 802.3, inserindo duas distâncias subdivididas, DR e FR, entre SR e LR.

L refere-se a Long, mais longo que SR, dito 10km. Early 802.3 é SR curta distância de 100 metros, LR longa distância de 10 km assim dividida, usada principalmente para marcar o comprimento da distância da rede de metrô.

Mais tarde, mais e mais módulos ópticos Ethernet foram usados ​​no data center e eles primeiro definiram a distância de módulos ópticos de 100G, como 500m PSM4 e 2km CWDM4.

Até que o padrão 802.3 de 200G e 400G fosse formulado, um DR de 500 metros e um FR de 2 km foram inseridos entre SR e LR para cobrir a marcação de distância do campo do data center.

O 2xFR4, como o LR8 e FR8, usa oito lasers, mas apenas quatro comprimentos de onda, que são usados ​​em dois grupos para um total de oito canais. Uma interface CS é usada para formar o fator de forma 2x200G.

Use dois conectores CS, solução 2xFR4.

As vantagens são melhor orçamento de link e menor dispersão com 4 comprimentos de onda do que com 8 comprimentos de onda.

A desvantagem é que o pacote óptico é mais complexo e o custo de produção é alto. De fato, a cadeia industrial de quatro comprimentos de onda está mais madura e o custo do material está diminuindo.

 

4x100G PAM4 Monomodo Módulo óptico

Atualmente, a cadeia da indústria foca em soluções 4x100G, sendo que a mais importante dessas soluções é o DSP com redutor.

400G DR4, 4xFR1, 4xLR1

O DSP precisa converter sinais elétricos 8x50G em 4x100G, que é fornecido ao EML ou modulador óptico de silício e saída. Cada canal está em 1310nm e requer 8 fibras (4 transmissores e 4 receptores).

As utilizadas são fibras independentes que suportam módulos ópticos de 400G em paralelo com conversão de módulos de 1x100G.

Essas interfaces são chamadas de forma diferente por fabricantes diferentes, mas são essencialmente as mesmas.

DR4 e 4xDR1 são iguais. Os comprimentos de onda são todos de 1310 nm, transmitem quatro fibras e recebem quatro comprimentos de onda.

Mas FR4 e 4xFR1 não são o mesmo produto, FR4 é quatro comprimentos de onda de uma fibra e 4xFR1 é um comprimento de onda de quatro fibras.

Existem três interfaces ópticas comuns para 400G DR4, 4xFR1, 4xLR1, uma MPO-12, uma SN e uma MDC.

O SN e o MDC são de fabricantes diferentes, mas o conceito é o mesmo.

Ambos são plugáveis ​​independentemente para Tx e RX. Em comparação com MPO, SN e MDC são mais flexíveis e fáceis de implantar fibras ópticas.

FR4 e LR4

FR4 e LR4 têm a mesma função DSP que DR4 com quatro comprimentos de onda. Sua diferença está no caminho óptico. o comprimento de onda de CWDM4 usa Mux e Demux para combinar e dividir a onda. O número de fibras é reduzido e a interface óptica LC é usada.

O LR4 tem duas distâncias de transmissão, o padrão IEEE é de 6 km e o 100G Lamda MSA é definido como 10 km.

Interface de modo único 400G

100G PAM4

O módulo óptico 100G PAM4 possui dois pacotes de emenda, um é QSFP28 e o outro é SFP56-DD.

A interface elétrica do pacote QSFP28 é 25G NRZ.

A interface elétrica do pacote SFP56-DD é 50G PAM4.

Modo único 100G

Agora 4x100G QSFP-DD é interoperável com 100G de comprimento de onda único PAM4, interoperável com QSFP28 precisa fazer interface elétrica da caixa de engrenagens 1:4, DSP precisa ter ligado/off Opção KR4 FEC.

Com SFP56-DD, a caixa de engrenagens do DSP precisa ser 1:2 e nenhum KP4 FEC é necessário (feito no lado do sistema).

Resumo dos módulos ópticos de 100G de onda única

A maioria dos fabricantes define a cor da trava pelo protocolo OSFP MSA.

Chip de laser de módulo óptico 100G e fotônica de silício Equipar

No mercado de módulos ópticos 100G, o módulo óptico 100G QSFP28 tem uma grande participação de mercado, e diferentes módulos ópticos QSFP28 usam diferentes lasers.

Os módulos ópticos 100G-SR4 QSFP28 são usados ​​principalmente para soluções paralelas multimodo dentro de 100m. Adota principalmente lasers VCSEL internos, que têm as vantagens de tamanho pequeno, alta taxa de acoplamento, baixo consumo de energia, fácil integração e baixo preço.

Os módulos ópticos encapsulados 100G-CWDM4 QSFP28 são usados ​​principalmente em soluções WDM grossas de 10 km. Seu laser DML interno é usado principalmente, que tem as vantagens de tamanho pequeno, baixo consumo de energia e baixo custo.

100G ER4 e 100G ZR4 QSFP28 os módulos ópticos empacotados são usados ​​principalmente em soluções de modo único para distâncias médias e longas acima de 40 km. A maioria de seus lasers EML internos são usados, que têm as vantagens de grande margem de diagrama de olho, pequena dispersão, grande taxa de extinção e longa distância.

Quanto aos módulos ópticos de onda única 100G QSFP28, há um novo avanço na tecnologia de chip - os módulos ópticos 100G integrados de fotônica de silício da FiberMall para cenários de data center estão há muito tempo em produção em massa. E há uma menor vantagem de custo de BOM (peças e materiais), cobrindo a distância de transmissão: 500m, 2km, 10km e outras soluções de modo único.

Atualmente, a rota técnica de produtos comerciais ópticos integrados é dividida principalmente em grupos III-V e Si dois campos, entre os quais DFB, DML, EML e outros lasers são campos InP. Embora a tecnologia seja relativamente madura, ela é cara e incompatível com o processo CMOS (processo de circuito integrado), e seu material de substrato apenas dobra a cada 2.6 anos.

Enquanto os dispositivos optoeletrônicos de silício Si usam o processo COMS para realizar a integração de chip único de dispositivos optoeletrônicos passivos e circuitos integrados e podem ser integrados em grande escala. Com a vantagem de alta densidade, seu material de substrato pode ser duplicado a cada 1 ano.

Atualmente, os módulos ópticos de 100G abriram as portas para a tecnologia fotônica de silício, mas seu desenvolvimento ainda enfrenta alguns desafios.

Primeiro, a fonte de luz laser integrada à base de silício precisa ser resolvida. O silício é um semicondutor bandgap indireto, em comparação com os semicondutores bandgap diretos, como InP, os módulos fotônicos de silício precisam introduzir uma fonte de luz separada e, se a fonte de luz não estiver em conformidade com a lei de Moore, a integração mais acoplada do custo mais alto continuará a offdefinir a vantagem de custo de materiais de silício e integração de processos.

Em segundo lugar, transceptor fotônico de silício embalagem é difícil e tem baixo rendimento. O empacotamento de interface óptica de silício está nos estágios iniciais, o principal gargalo está no chip optoeletrônico e na formação de matriz de fibra do empacotamento de interface óptica. Seus requisitos de precisão de alinhamento e embalagem são altos e a eficiência da embalagem é baixa. No estágio atual de embalagem, a tecnologia é difícil de conseguir embalagens de alta qualidade e baixo custo. O rendimento do produto limita a produção em massa de módulos fotônicos de silício.

Além disso, existem poucos recursos disponíveis para a produção em massa de chips SiP. Embora os chips fotônicos de silício sejam compatíveis com os processos CMOS, os recursos CMOS maduros não estão abertos ao público ou não há experiência de fluxo fotônico de silício.

Atualmente, a rede 100G ainda é o chip a laser de módulo óptico 100G QSFP28 convencional, embora VCSEL, EML e DML sejam principalmente. Mas, a longo prazo, a solução fotônica de silício estará na era dos módulos ópticos de 400G ou será uma força em larga escala.

O módulo fotônico de silício, simplesmente, é o uso da tecnologia fotônica de silício em um módulo integrado de conversão e transmissão fotoelétrica de chip de silício. É a combinação de microeletrônica e optoeletrônica em uma plataforma baseada em silício para formar um novo dispositivo óptico de silício.