Technologie PAM400 100G/4G et photonique sur silicium

Les deux types de boîtiers courants pour les modules optiques 400G sont OSFP et QSFP-DD.

Les avantages du 400G QSFP-DD sont la simplicité et la compatibilité. L'avantage de OSFP 400G est qu'il a de bonnes performances thermiques et peut être étendu à 800G.
Pour 400G, la signalisation électrique pour OSFP et QSFP-DD interfacés à l'hôte est 8x50G PAM4.

Les modules optiques multimodes 400G QSFP-DD sont divisés en 400G QSFP-DD SR8 et 400G QSFP-DD SR4.2.

400G QSFP-DD SR8

S est la lettre initiale de courte distance, indiquant une distance de transmission de 100 mètres. "8" indique 8 canaux de signal optique, chacun avec 50G PAM4. Par conséquent, 8 transmissions et 8 réceptions nécessitent 16 fibres optiques, utilisant généralement une connexion MPO. MPO-16 et MPO-12 sont couramment utilisés.

400G QSFP-DD SR4.2

Le SR de SR4.2 signifie également courte distance, distance de transmission de 100 mètres, "4" est quatre canaux de fibre, et "2" est que chaque canal a 2 longueurs d'onde de multiplexage bidirectionnel. Chaque canal est 2x50G PAM4 et nécessite 8 fibres optiques.

Avec le connecteur MPO-12, le facteur moteur de cette approche est de continuer à utiliser le câble MPO-12 de la génération précédente sans remplacement.

Type	Tarifs Distance	Type de fibre	connecteur	Nombre de fibres	Longueur des ondes	Signal de modulation optique
400GSR8	100m	Multi-Mode	APC MPO-16 MPO-12 × 2 APC	16	850nm	50G PAM4
400GSR4.2	100m	Multi-Mode	APC MPO-12	8	850nm 910nm	50G PAM4

Modules optiques multimodes 400G

Interface de module optique monomode 400G QSFP-DD

L'interface 400G monomode est divisée en deux groupes, un groupe est 8x50G PAM4 pour le port électrique et 8x50G PAM4 pour le port optique.

L'autre groupe est 8x50G PAM4 pour les ports électriques et 4x100G PAM4 pour les ports optiques.

Il en est de même pour l'interface électrique vers la carte mère et le module optique, et les deux approches utilisent également le DSP. La différence réside dans le débit de sortie du signal optique et le nombre de lasers utilisés.

Module optique monomode 8x50G PAM4

Types de modules optiques 8x50G FR8, LR8 et 2xFR4

FR8, LR8, "8" correspond à huit longueurs d'onde, 50G PAM4 par longueur d'onde, FR signifie distance 2 km, LR signifie 10 km, 8 longueurs d'onde multiplexées avec une seule fibre. FR8 et LR8 sont des interfaces optiques doubles LC.

F fait référence à Far, indiquant 2km, soit un peu plus loin que les 500 mètres habituels (DR, datacenter). Il s'agit d'une nouvelle division de distance dans 802.3, insérant deux distances subdivisées, DR et FR, entre SR et LR.

L fait référence à Long, plus long que SR, dit 10km. Le début du 802.3 est une courte distance SR de 100 mètres, une longue distance LR de 10 km ainsi divisée, principalement utilisée pour marquer la longueur de la distance du réseau de métro.

Plus tard, de plus en plus de modules optiques Ethernet ont été utilisés dans le centre de données, et ils ont d'abord défini la distance des modules optiques 100G tels que 500 m PSM4 et 2 km CWDM4.

Jusqu'à ce que la norme 802.3 de 200G et 400G soit formulée, un DR de 500 mètres et un FR de 2 km étaient insérés entre SR et LR pour couvrir l'étiquetage de distance du champ du centre de données.

Le 2xFR4, comme le LR8 et le FR8, utilise huit lasers, mais seulement quatre longueurs d'onde, qui sont utilisées en deux groupes pour un total de huit canaux. Une interface CS est utilisée pour former le facteur de forme 2x200G.

Utilisez deux connecteurs CS, solution 2xFR4.

Les avantages sont un meilleur bilan de liaison et moins de dispersion avec 4 longueurs d'onde qu'avec 8 longueurs d'onde.

L'inconvénient est que le boîtier optique est plus complexe et que le coût de production est élevé. En fait, la chaîne industrielle des quatre longueurs d'onde est plus mature et le coût des matériaux diminue.

 

4x100G PAM4 Single-mode Module optique

Actuellement, la chaîne de l'industrie se concentre sur les solutions 4x100G, et la plus importante de ces solutions est le DSP avec une boîte de vitesses.

400G DR4, 4xFR1, 4xLR1

Le DSP doit convertir les signaux électriques 8x50G en 4x100G, qui sont fournis au modulateur et à la sortie optique EML ou silicium. Chaque canal est à 1310nm et nécessite 8 fibres (4 émetteurs et 4 récepteurs).

Celles utilisées sont des fibres indépendantes qui supportent des modules optiques 400G en parallèle avec une conversion de module 1x100G.

Ces interfaces sont appelées différemment par différents fabricants mais sont essentiellement les mêmes.

DR4 et 4xDR1 sont identiques. Les longueurs d'onde sont toutes de 1310 nm, transmettent quatre fibres et reçoivent quatre longueurs d'onde.

Mais FR4 et 4xFR1 ne sont pas le même produit, FR4 est quatre longueurs d'onde d'une fibre et 4xFR1 est une longueur d'onde de quatre fibres.

Il existe trois interfaces optiques communes pour 400G DR4, 4xFR1, 4xLR1, un MPO-12, un SN et un MDC.

Le SN et le MDC proviennent de fabricants différents, mais le concept est le même.

Ils sont tous deux enfichables indépendamment Tx et RX. Par rapport à MPO, SN et MDC sont des fibres optiques plus flexibles et plus faciles à déployer.

FR4 et LR4

FR4 et LR4 ont la même fonction DSP que DR4 avec quatre longueurs d'onde. Leur différence réside dans le chemin optique. la longueur d'onde de CWDM4 utilise Mux et Demux pour combiner et diviser l'onde. Le nombre de fibres est réduit et l'interface optique LC est utilisée.

LR4 a deux distances de transmission, la norme IEEE est de 6 km et 100G Lamda MSA est défini comme 10 km.

Interface monomode 400G

100G PAM4

Le module optique 100G PAM4 a deux packages d'épissure, l'un est QSFP28 et l'autre est SFP56-DD.

L'interface électrique du boîtier QSFP28 est 25G NRZ.

L'interface électrique du boîtier SFP56-DD est 50G PAM4.

100G monomode

Désormais, le QSFP-DD 4x100G est interopérable avec le PAM100 à longueur d'onde unique 4G, interopérable avec le QSFP28, il faut faire l'interface électrique du réducteur 1:4, le DSP doit avoir l'option KR4 FEC marche/arrêt.

Avec SFP56-DD, la boîte de vitesses du DSP doit être 1: 2 et aucun KP4 FEC n'est requis (fait du côté système).

Résumé des modules optiques mono-onde 100G

La plupart des fabricants définissent la couleur du verrou par le protocole OSFP MSA.

Puce laser de module optique 100G et photonique sur silicium Technologie

Sur le marché des modules optiques 100G, le module optique 100G QSFP28 détient une part de marché importante et différents modules optiques QSFP28 utilisent différents lasers.

Les modules optiques 100G-SR4 QSFP28 sont principalement utilisés pour les solutions parallèles multimodes dans un rayon de 100 m. Il adopte principalement des lasers VCSEL à l'intérieur, qui présentent les avantages d'une petite taille, d'un taux de couplage élevé, d'une faible consommation d'énergie, d'une intégration facile et d'un prix bas.

Les modules optiques en boîtier 100G-CWDM4 QSFP28 sont principalement utilisés dans les solutions WDM grossières de 10 km. Son laser DML interne est principalement utilisé, ce qui présente les avantages d'une petite taille, d'une faible consommation d'énergie et d'un faible coût.

100G ER4 et 100G ZR4 QSFP28 les modules optiques en boîtier sont principalement utilisés dans les solutions monomodes pour les moyennes et longues distances supérieures à 40 km. La plupart de ses lasers EML internes sont utilisés, ce qui présente les avantages d'une grande marge de diagramme oculaire, d'une faible dispersion, d'un grand rapport d'extinction et d'une longue distance.

En ce qui concerne les modules optiques à une onde 100G QSFP28, il y a une nouvelle percée dans la technologie des puces - les modules optiques 100G intégrés à la photonique au silicium de FiberMall pour les scénarios de centres de données sont depuis longtemps en production de masse. Et il y a un avantage de coût de nomenclature (pièces et matériaux) inférieur, couvrant la distance de transmission : 500 m, 2 km, 10 km et d'autres solutions monomodes.

À l'heure actuelle, l'itinéraire technique des produits commerciaux intégrés optiques est principalement divisé en groupe III-V et Si deux camps, parmi lesquels DFB, DML, EML et d'autres lasers sont le camp InP. Bien que la technologie soit relativement mature, elle est coûteuse et incompatible avec le procédé CMOS (processus de circuit intégré), et son matériau de substrat ne double que tous les 2.6 ans.

Alors que les dispositifs optoélectroniques en silicium Si utilisent le processus COMS pour réaliser l'intégration à puce unique de dispositifs optoélectroniques passifs et de circuits intégrés et peuvent être intégrés à grande échelle. Avec l'avantage de la haute densité, son matériau de substrat peut être doublé tous les 1 an.

Actuellement, les modules optiques 100G ont ouvert la porte à la technologie photonique sur silicium, mais son développement se heurte encore à certains défis.

Premièrement, il faut résoudre le problème de la source de lumière laser intégrée à base de silicium. Le silicium est un semi-conducteur à bande interdite indirecte, par rapport aux semi-conducteurs à bande interdite directe tels que l'InP, les modules photoniques au silicium doivent introduire une source de lumière séparée, et si la source de lumière n'est pas conforme à la loi de Moore, l'intégration plus couplée du coût plus élevé continuera à compenser l'avantage de coût des matériaux en silicium et l'intégration des processus.

D'autre part, émetteur-récepteur photonique au silicium le conditionnement est difficile et a un faible rendement. L'emballage d'interface optique en silicium en est à ses débuts, le principal goulot d'étranglement réside dans la formation de la puce optoélectronique et du réseau de fibres de l'emballage d'interface optique. Ses exigences d'alignement et de précision d'emballage sont élevées et l'efficacité de l'emballage est faible. Au stade actuel de l'emballage, la technologie est difficile pour obtenir des emballages de haute qualité et à faible coût. Le rendement du produit limite la production de masse de modules photoniques au silicium.

De plus, il existe peu de ressources disponibles pour la production de masse de puces SiP. Bien que les puces photoniques au silicium soient compatibles avec les processus CMOS, les ressources CMOS matures ne sont pas ouvertes au public ou il n'y a pas d'expérience de flux photonique au silicium.

À l'heure actuelle, le réseau 100G est toujours la puce laser du module optique 100G QSFP28 grand public, bien que VCSEL, EML et DML le soient principalement. Mais à terme, la solution photonique silicium sera dans l'ère des modules optiques 400G ou sera une force à grande échelle.

Le module photonique au silicium, en termes simples, est l'utilisation de la technologie photonique au silicium sur un module de conversion et de transmission photoélectrique intégré à une puce de silicium. C'est la combinaison de la microélectronique et de l'optoélectronique sur une plate-forme à base de silicium pour former un nouveau dispositif optique en silicium.