400G/100G PAM4 и технология кремниевой фотоники

Двумя распространенными типами пакетов для оптических модулей 400G являются OSFP и QSFP-DD.

Преимущества 400G QSFP-DD — простота и совместимость. Преимущество 400G ОСФП заключается в том, что он имеет хорошие тепловые характеристики и может быть увеличен до 800G.
Для 400G электрическая сигнализация как для OSFP, так и для QSFP-DD, связанная с хостом, — это 8x50G PAM4.

Многорежимные оптические модули 400G QSFP-DD делятся на 400G QSFP-DD SR8 и 400G QSFP-DD SR4.2.

400G QSFP-DD SR8

S - начальная буква короткого расстояния, указывающая на расстояние передачи 100 метров. «8» означает 8 каналов оптического сигнала, каждый с 50G PAM4. Следовательно, для передачи 8 и приема 8 требуется 16 оптических волокон, как правило, с использованием соединения MPO. Обычно используются МПО-16 и МПО-12.

400G QSFP-DD SR4.2

SR в SR4.2 также означает короткое расстояние, дальность передачи 100 метров, «4» — четыре оптоволоконных канала, а «2» — каждый канал имеет 2 длины волны двустороннего мультиплексирования. Каждый канал представляет собой 2x50G PAM4 и требует 8 оптических волокон.

С разъемом MPO-12 движущим фактором этого подхода является продолжение использования кабеля MPO-12 предыдущего поколения без замены.

Тип	Расстояние	Тип волокна	соединитель	Количество волокон	Длина волны	Сигнал оптической модуляции
400 г SR8	100m	Многорежимный	БТР МПО-16 БТР МПО-12×2	16	850nm	50G PAM4
400 г SR4.2	100m	Многорежимный	БТР МПО-12	8	850nm 910nm	50G PAM4

Многомодовые оптические модули 400G

Интерфейс одномодового оптического модуля 400G QSFP-DD

Одномодовый интерфейс 400G разделен на две группы: одна группа — 8x50G PAM4 для электрического порта и 8x50G PAM4 для оптического порта.

Другая группа — 8x50G PAM4 для электрических портов и 4x100G PAM4 для оптических портов.

Это то же самое для электрического интерфейса к материнской плате и оптическому модулю, и оба подхода также используют DSP. Разница заключается в скорости вывода оптического сигнала и количестве используемых лазеров.

Одномодовый оптический модуль 8x50G PAM4

Оптические модули 8x50G типов FR8, LR8 и 2xFR4

FR8, LR8, «8» — восемь длин волн, 50G PAM4 на длину волны, FR означает расстояние 2 км, LR означает 10 км, 8 длин волн мультиплексированы с одним волокном. FR8 и LR8 — это двойные оптические интерфейсы LC.

F относится к Far, обозначая 2 км, что немного дальше, чем обычные 500 метров (DR, центр обработки данных). Это новое разделение расстояния в 802.3, вставляющее два подразделенных расстояния, DR и FR, между SR и LR.

L относится к Long, длиннее, чем SR, говорит, что 10 км. Ранний 802.3 - это SR на короткие расстояния в 100 метров, LR на большие расстояния в 10 км, разделенные таким образом, в основном используемые для обозначения длины расстояния в сети метро.

Позже в центре обработки данных стало использоваться все больше и больше оптических модулей Ethernet, и они впервые установили расстояние оптических модулей 100G, таких как 500 м PSM4 и 2 км CWDM4.

До тех пор, пока не был сформулирован стандарт 802.3 200G и 400G, между SR и LR были вставлены 500-метровый DR и 2-километровый FR, чтобы покрыть маркировку расстояния поля центра обработки данных.

2xFR4, как и LR8 и FR8, использует восемь лазеров, но только четыре длины волны, которые используются в двух группах, всего восемь каналов. Интерфейс CS используется для формирования форм-фактора 2x200G.

Используйте два разъема CS, решение 2xFR4.

Преимуществами являются лучший бюджет канала и меньшая дисперсия с 4 длинами волн, чем с 8 длинами волн.

Недостатком является более сложный оптический корпус и высокая стоимость производства. На самом деле отраслевая цепочка из четырех длин волн стала более зрелой, а стоимость материалов снижается.

 

4x100G ПАМ4 Одиночный режим Оптический модуль

В настоящее время отраслевая сеть сосредоточена на решениях 4x100G, и наиболее важным из этих решений является DSP с редуктором.

400Г ДР4, 4хФР1, 4хЛР1

DSP должен преобразовывать электрические сигналы 8x50G в 4x100G, которые подаются на EML или кремниевый оптический модулятор и выводятся. Каждый канал имеет длину 1310 нм и требует 8 волокон (4 передатчика и 4 приемника).

Используемые волокна представляют собой независимые волокна, поддерживающие оптические модули 400G параллельно с преобразованием модуля 1x100G.

Эти интерфейсы называются по-разному у разных производителей, но по сути одинаковы.

DR4 и 4xDR1 одинаковы. Все длины волн составляют 1310 нм, передают четыре волокна и принимают четыре длины волны.

Но FR4 и 4xFR1 — это не одно и то же изделие, FR4 — это четыре длины волны одного волокна, а 4xFR1 — длина волны четырех волокон.

Существует три общих оптических интерфейса для 400G DR4, 4xFR1, 4xLR1, один MPO-12, один SN и один MDC.

SN и MDC от разных производителей, но концепция одна и та же.

Они оба независимо подключаемые Tx и RX. По сравнению с MPO, SN и MDC являются более гибкими и простыми в развертывании оптическими волокнами.

FR4 и LR4

FR4 и LR4 имеют ту же функцию DSP, что и DR4, с четырьмя длинами волн. Их отличие заключается в оптическом пути. длина волны CWDM4 использует Mux и Demux для объединения и разделения волны. Количество волокон уменьшено, используется оптический интерфейс LC.

LR4 имеет два расстояния передачи, стандарт IEEE составляет 6 км, а 100G Lamda MSA определяется как 10 км.

Одномодовый интерфейс 400G

100G PAM4

Оптический модуль 100G PAM4 имеет два пакета для сращивания: один — QSFP28, а другой — SFP56-DD.

Электрический интерфейс пакета QSFP28 — 25G NRZ.

Электрический интерфейс пакета SFP56-DD — 50G PAM4.

Одномодовый 100G

Теперь 4x100G QSFP-DD совместим с 100G PAM4 с одной длиной волны, для взаимодействия с QSFP28 необходимо сделать электрический интерфейс редуктора 1:4, DSP должен иметь on/off Вариант КР4 ФЭК.

При использовании SFP56-DD передаточное число DSP должно быть 1:2, и не требуется KP4 FEC (выполняется на стороне системы).

Обзор одноволновых оптических модулей 100G

Большинство производителей устанавливают цвет защелки по протоколу OSFP MSA.

Лазерный чип оптического модуля 100G и кремниевая фотоника Технологии

На рынке оптических модулей 100G оптический модуль 100G QSFP28 имеет большую долю рынка, и в разных оптических модулях QSFP28 используются разные лазеры.

Оптические модули 100G-SR4 QSFP28 в основном используются для многомодовых параллельных решений в пределах 100 м. Он в основном использует лазеры VCSEL внутри, которые имеют преимущества небольшого размера, высокой скорости связи, низкого энергопотребления, легкой интеграции и низкой цены.

Пакетные оптические модули 100G-CWDM4 QSFP28 в основном используются в решениях грубого WDM на 10 км. В основном используется его внутренний DML-лазер, который имеет преимущества небольшого размера, низкого энергопотребления и низкой стоимости.

100G ER4 и 100 г ZR4 QSFP28 корпусные оптические модули в основном используются в одномодовых решениях для средних и дальних расстояний свыше 40км. Используется большая часть его внутренних лазеров EML, которые имеют преимущества большого поля глазковой диаграммы, малой дисперсии, большого коэффициента экстинкции и большого расстояния.

Что касается одноволновых оптических модулей 100G QSFP28, то здесь произошел новый прорыв в технологии чипов — кремниевые фотонные интегрированные оптические модули 100G от FiberMall для сценариев центров обработки данных уже давно находятся в массовом производстве. И есть более низкая стоимость спецификации (детали и материалы), покрывающая расстояние передачи: 500 м, 2 км, 10 км и другие одномодовые решения.

В настоящее время технический маршрут оптических интегрированных коммерческих продуктов в основном делится на группу III-V и два лагеря Si, среди которых DFB, DML, EML и другие лазеры относятся к лагерю InP. Хотя технология является относительно зрелой, она является дорогостоящей и несовместимой с процессом CMOS (технология интегральной схемы), а материал ее подложки удваивается только каждые 2.6 года.

В то время как кремниевые оптоэлектронные устройства используют процесс COMS для реализации интеграции пассивных оптоэлектронных устройств и интегральных схем в один чип и могут быть интегрированы в больших масштабах. Благодаря высокой плотности материал подложки можно удваивать каждые 1 год.

В настоящее время оптические модули 100G открыли двери для технологий кремниевой фотоники, но их разработка по-прежнему сталкивается с некоторыми проблемами.

Во-первых, необходимо решить интегрированный источник лазерного излучения на основе кремния. Кремний является полупроводником с непрямой запрещенной зоной, по сравнению с полупроводниками с прямой запрещенной зоной, такими как InP, в модулях кремниевой фотоники необходимо ввести отдельный источник света, и если источник света не соответствует закону Мура, более связанная интеграция более высокой стоимости будет продолжаться. offустановите ценовое преимущество кремниевых материалов и интеграции процессов.

Во-вторых, приемопередатчик кремниевой фотоники упаковка сложна и имеет низкий выход. Кремниевая упаковка оптического интерфейса находится на ранних стадиях, основным узким местом является формирование оптоэлектронного чипа и волоконной матрицы упаковки оптического интерфейса. Его требования к выравниванию и точности упаковки высоки, а эффективность упаковки низка. На нынешнем этапе технологии упаковки трудно добиться высококачественной недорогой упаковки. Выход продукта ограничивает массовое производство модулей кремниевой фотоники.

Кроме того, ресурсов для массового производства SiP-чипов немного. Хотя чипы кремниевой фотоники совместимы с процессами CMOS, зрелые ресурсы CMOS закрыты для общественности или нет опыта работы с потоками кремниевой фотоники.

В настоящее время сеть 100G по-прежнему является основной, лазерный чип оптического модуля 100G QSFP28, хотя VCSEL, EML и DML в основном. Но в долгосрочной перспективе решение кремниевой фотоники будет в эпоху оптических модулей 400G или станет крупномасштабной силой.

Проще говоря, кремниевый фотонный модуль представляет собой использование кремниевой фотонной технологии на кремниевом чипе, интегрированном в модуль фотоэлектрического преобразования и передачи. Это комбинация микроэлектроники и оптоэлектроники на платформе на основе кремния для формирования нового кремниевого оптического устройства.