Оптический трансивер 400G на основе модуляции PAM4

Два распространенных типа пакетов приемопередатчиков 400G — это OSFP и QSFP-DD. Оптический модуль, инкапсулированный OSFP, обладает хорошими тепловыми характеристиками и может быть расширен до 800G, но его объем велик. Оптический модуль в корпусе QSFP-DD проще и совместим. Для оптического модуля 400G электрические сигналы интерфейса между OSFP/QSFP-DD и хостом имеют формат 8x50G/PAM4, то есть все они принимают режим модуляции PAM4. В этой статье будет представлен режим модуляции PAM4 и его применение в трансивере 400G.

1. Что такое PAM4 в оптической связи?

PAM4 (четырехуровневая амплитудно-импульсная модуляция) в настоящее время является очень важной и фундаментальной технологией в области оптической связи. Прежде чем понять PAM4, необходимо знать еще одну более простую технологию модуляции сигнала — NRZ (Non-Return-to-Zero), также называемую PAM4 (2-уровень). NRZ — это цифровой логический сигнал, в котором для представления передаваемой информации используются как высокие, так и низкие уровни сигнала. В однополярных кодах без возврата к нулю «2» и «1» соответствуют положительному и нулевому уровням или отрицательному и нулевому уровням соответственно. Биполярные ненулевые коды, где «0» и «1» соответствуют положительному уровню и эквивалентному отрицательному уровню соответственно.

Термин «ненулевой» означает не то, что «0» отсутствует, а то, что сигналу не нужно возвращаться к нулевому уровню после передачи каждого бита данных (очевидно, NRZ экономит полосу пропускания по сравнению с RZ). В модуляции оптического модуля мы используем мощность лазера для управления «0» и «1». Проще говоря, это означает, что когда фактическая излучаемая оптическая мощность превышает определенный порог, это «1»; если он меньше определенного порога, это «0».

Поскольку требования к полосе пропускания продолжают расти, нам необходимо найти способы увеличить количество логической информации, передаваемой в единицу времени, и появляется PAM4, более совершенная технология модуляции. Он использует четыре различных уровня сигнала для передачи сигнала. Он может удвоить логическую информацию, представленную одним символьным циклом, с 1 бита NRZ до 2 бит. Например, после модуляции чипа EML 25G с помощью PAM4 его можно превратить в одноканальный оптический модуль 50G PAM4. Щелкните эту статью, чтобы узнать больше о НРЗ и ПАМ4.

2. Почему 400G Ethernet принять ВПП4 технология?

Сначала ассоциация IEEE не учитывала технологию PAM4 при формулировании нового поколения стандарта интерфейса 200G/400G, такого как 400GBASE-SR16, но приняла технологию NRZ для достижения скорости передачи 400G через параллельные каналы 16x25Gbps. Однако схема требует большого количества оптических волокон, что неэкономично и невыполнимо, а временной запас микросхемы приемопередатчика, потери в линии передачи и размер схемы не могут удовлетворить требования 400G Ethernet. 

Поэтому, когда ассоциация IEEE сформулировала стандарт 802.3bs, она предложила PAM4 заменить NRZ. После тщательного исследования характеристик и тестов параметров сигнала PAM4 предложение было окончательно принято. Впоследствии был обнародован стандарт интерфейса 400GBASE-LR8/400GBASE-FR8, основанный на технологии PAM4, который стал первым стандартом интерфейса 400G. Стандарт интерфейса использует технологию 8x50Gbps PAM4 для реализации передачи 400G. Ему больше не нужны каналы 16x25G для реализации передачи 400G, такой как NRZ. Таким образом, он может не только снизить стоимость оптического волокна, но и уменьшить потери в канале.   

3. Применение PAM4 В 400 годуG приемопередатчик: многомодовый против одномодового

PAM4 является основным режимом модуляции 400G QSFP-DD оптический модуль, который бывает двух видов: многомодовый и одномодовый. Сторона электрического порта приемопередатчика 400G на основе модуляции PAM4 модулируется 8x50G PAM4, а сторона оптического порта имеет два типа модуляции: 8x50G PAM4 и 4x100G PAM4.

 1) Многомодовый приемопередатчик 400G

Обычные многорежимные оптические модули 400G представляют собой интерфейсы SR8 и SR4.2, все из которых используют модуляцию 8x50G PAM4.

• 400 г СР8: «SR» означает использование многомодового оптического волокна для передачи на расстояние 100 м, а «8» означает наличие 8 оптических каналов. Когда каждый оптический канал работает с 50G PAM4, требуется всего 16 оптических волокон (8 TX и 8 Rx). Оптический модуль 400G SR8 может подключать 8 пар оптических волокон с помощью разъема MPO-16 или разъема MPO-24.   
• 400G СР4.2: «SR» означает использование многомодового оптического волокна для передачи на расстояние 100 м, «4» означает наличие 4 оптических каналов, а «2» означает, что каждый канал имеет две длины волны. Модуль 400G SR4.2 использует разъем MPO-12, каждый оптический канал работает с 2x50G PAM4, и всего требуется 8 оптических волокон. Длины волн двунаправленные и мультиплексированные. Основное преимущество SR4.2 заключается в том, что он может продолжать использовать существующие установленные ресурсы оптоволокна.

Тип модуля	Расстояние передачи	Тип волокна	Оптический интерфейс	Волоконно-сердечники	Длина волны	Модуляция
400 г SR8	100m	Параллельный многорежимный	МПО-16(БТР) или МПО-24(ПК)	16	850nm	50G PAM4
400 г SR4.2	100m	Параллельный многорежимный	МПО-12(БТР)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

 2) Одномодовый приемопередатчик 400G

Одиночный режим 400G оптический приемопередатчик можно разделить на две группы. Одна группа со стороны оптического порта модулируется с помощью 8x50G PAM4, а другая группа модулируется с помощью 4x100G PAM4. Оба метода используют DSP в качестве CDR (аналог CDR не установлен) или комбинацию Gearbox и CDR. Разница заключается в скорости передачи сигнала на стороне линии и количестве используемых лазеров.

• Одномодовый трансивер 400G на базе 8x50G PAM4

Существует три распространенных типа оптических модулей 400G в этом режиме модуляции: FR8, LR8 и 2xFR4.

400 г FR8 и 400 г LR8 являются самыми ранними доступными одномодовыми интерфейсами 400G. «8» означает, что используются 8 длин волн, и каждая длина волны работает с 50G PAM4. «FR» означает передачу на 2 км, «LR» означает передачу на 10 км. 8 длин волн мультиплексированы в одно оптическое волокно, а оптические модули FR8 и LR8 используют дуплексные оптические интерфейсы LC.

Команда 2xFR4 400G оптический модуль использует 8 лазеров, но разделен на две группы по 4 длины волны (согласно стандарту 200G FR4). Две группы мультиплексированы в оптическое волокно соответственно, а оптический модуль обеспечивает сигналы 2x200G на двух разъемах CS. 

Тип модуля	Расстояние передачи	Тип волокна	Оптический интерфейс	Волоконно-сердечники	Длина волны	Модуляция
400G 2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4 (КВДМ4)	50G PAM4
400 г FR8	2km	SMF	LC	2	8 (ЛВДМ)	50G PAM4
400 г LR8	10km	SMF	LC	2	8 (ЛВДМ)	50G PAM4

Однако при использовании решения 8x50G есть компромиссы. С одной стороны, они обеспечивают улучшенные бюджеты связи в некоторых случаях, но с другой стороны, общая стоимость лазера на модуль выше, а оптическая упаковка сложнее, что приводит к снижению выходной мощности и повышению себестоимости производства. Напротив, модуль 4x100G имеет более низкое энергопотребление и более простую возможность термообработки. Поэтому решение 4x100G более популярно.  

• Одномодовый трансивер 400G на базе 4x100G PAM4

Оптические модули 4x100G находятся в центре внимания современного рынка. Их линейная сторона использует четыре канала с 100G PAM4. Здесь мы можем разделить эти оптические модули на «многоволоконные» и «двухволоконные». Ключевыми компонентами этих оптических модулей являются DSP с функцией Gearbox, включая DR4, FR4 и LR4.

400G DR4: в оптическом модуле 400G DR4 DSP преобразует электрический сигнал 8x50G PAM4 в 4x100G PAM4, а затем передает его на оптический модуль. В то же время DSP действует как CDR, рабочая длина волны каждого канала составляет 1310 нм, и для каждого канала требуется одно волокно, поэтому всего требуется 8 волокон.  

400G FR4 и LR4: основные функции DSP в оптических модулях FR4 и LR4 такие же, как и в DR4, но теперь вместо четырех сигналов 4 нм используются четыре длины волны (CWDM1310), а для объединения этих сигналов CWDM добавлен мультиплексор. Таким образом, количество оптических волокон, необходимых для FR4/LR4, сокращается до 2 (TX + Rx), и применяются дуплексные оптические порты LC.

Тип модуля	Расстояние передачи	Тип волокна	Оптический интерфейс	Волоконно-сердечники	Длина волны	Модуляция
400 г DR4	500m	ПСМ/СМФ	МПО-12(БТР)	8	1 (1310 нм)	100G PAM4
400 г FR4	2km	SMF	LC	2	4 (КВДМ4)	100G PAM4
400 г LR4	10km	SMF	LC	2	4 (КВДМ4)	100G PAM4

В заключение, с появлением больших данных и облачных вычислений, быстрый рост трафика вынуждает технологию модуляции сигнала развиваться в более сложном направлении. Как наиболее эффективная технология модуляции в настоящее время, PAM4 стала неизбежной тенденцией развития высокоскоростного оптического модуля 400G. В будущем, учитывая стоимость, способ реализации передачи 400G с 4-канальными оптическими сигналами может стать основным. В то же время, электрический порт оптического модуля может быть постепенно модернизирован до формы 4x100G PAM4, микросхема Gearbox исключена, чтобы снизить энергопотребление и стоимость.