Émetteur-récepteur optique 400G basé sur la modulation PAM4

Deux types de boîtiers courants d'émetteurs-récepteurs 400G sont OSFP et QSFP-DD. Le module optique encapsulé par OSFP a de bonnes performances thermiques et peut être étendu à 800G, mais son volume est important. Le module optique du boîtier QSFP-DD est plus simple et compatible. Pour le module optique 400G, les signaux électriques de l'interface entre OSFP/QSFP-DD et l'hôte sont 8x50G/PAM4, c'est-à-dire qu'ils adoptent tous le mode de modulation PAM4. Cet article présentera le mode de modulation PAM4 et son application dans l'émetteur-récepteur 400G.

1. Qu'est-ce que PAM4 en communication optique ?

PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4-Level) est maintenant une technologie très importante et fondamentale dans le domaine de la communication optique. Avant de comprendre PAM4, il est nécessaire de connaître une autre technologie de modulation de signal plus basique - NRZ (Non-Return-to-Zero), également appelée PAM2 (2-level). NRZ est un signal logique numérique qui utilise à la fois des niveaux de signal haut et bas pour représenter les informations transmises. Avec les codes unipolaires anti-retour à zéro, « 1 » et « 0 » correspondent respectivement à des niveaux positifs et nuls, ou à des niveaux négatifs et nuls. Codes bipolaires non nuls, où « 1 » et « 0 » correspondent respectivement à un niveau positif et à un niveau négatif équivalent.

Le terme "non nul" ne signifie pas qu'il n'y a pas de "0", mais que le signal n'a pas besoin de revenir au niveau zéro après chaque bit de données transmis (évidemment, NRZ économise de la bande passante par rapport à RZ). En modulation de module optique, on utilise la puissance du laser pour contrôler le « 0 » et le « 1 ». En termes simples, cela signifie que lorsque la puissance optique émise réelle est supérieure à un certain seuil, c'est un « 1 » ; s'il est inférieur à un certain seuil, c'est un « 0 ».

Alors que les demandes de bande passante continuent d'augmenter, nous devons trouver des moyens d'augmenter la quantité d'informations logiques transmises par unité de temps, et PAM4, une technologie de modulation plus avancée, apparaît. Il utilise quatre niveaux de signal différents pour la transmission du signal. Il peut doubler les informations logiques représentées par un seul cycle de symbole de 1 bit de NRZ à 2 bits. Par exemple, après qu'une puce EML 25G est modulée par PAM4, elle peut être transformée en un module optique PAM50 4G monocanal. Cliquez sur cet article pour en savoir plus sur NRZ et PAM4.

2. Pourquoi 400G Adopter Ethernet PAM et Bastion4 technologies ?

Au début, l'association IEEE n'a pas pris en compte la technologie PAM4 lors de la formulation d'une nouvelle génération de norme d'interface 200G/400G, telle que 400GBASE-SR16, mais a adopté la technologie NRZ pour atteindre un taux de transmission de 400G via des canaux parallèles 16x25Gbps. Cependant, le schéma nécessite un grand nombre de fibres optiques, ce qui n'est pas économique et réalisable, et la marge de temps de la puce d'émetteur-récepteur, la perte de liaison de transmission et la taille du schéma ne peuvent pas répondre aux exigences de l'Ethernet 400G. 

Par conséquent, lorsque l'association IEEE a formulé la norme 802.3bs, elle a proposé que PAM4 remplace NRZ. Après des recherches approfondies sur les caractéristiques et les tests de paramètres du signal PAM4, la proposition a finalement été acceptée. Par la suite, la norme d'interface 400GBASE-LR8/400GBASE-FR8 basée sur la technologie PAM4 a été promulguée, devenant la première norme d'interface 400G. La norme d'interface adopte la technologie PAM8 50x4Gbps pour réaliser une transmission 400G. Il n'a plus besoin de canaux 16x25G pour réaliser une transmission 400G comme NRZ. De cette façon, il peut non seulement économiser le coût de la fibre optique, mais également réduire la perte de liaison.   

3. Application de PAM4 en 400.G émetteur-récepteur : multimode vs monomode

PAM4 est le principal mode de modulation du 400G QSFP-DD module optique, qui a deux types: multimode et monomode. Le côté port électrique de l'émetteur-récepteur 400G basé sur la modulation PAM4 est modulé par 8x50G PAM4, tandis que le côté port optique a deux types de modulation : 8x50G PAM4 et 4x100G PAM4.

 1) Émetteur-récepteur multimode 400G

Les modules optiques multimodes 400G courants sont les interfaces SR8 et SR4.2, toutes utilisant une modulation PAM8 50x4G.

• 400G SR8 : « SR » signifie utiliser une fibre optique multimode pour transmettre une distance de 100 m, tandis que « 8 » signifie avoir 8 canaux optiques. Lorsque chaque canal optique fonctionne avec 50G PAM4, un total de 16 fibres optiques (8 TX et 8 Rx) sont nécessaires. Le module optique 400G SR8 peut connecter 8 paires de fibres optiques en utilisant un connecteur MPO-16 ou un connecteur MPO-24.   
• 400G SR4.2 : "SR" fait référence à l'utilisation d'une fibre optique multimode pour transmettre une distance de 100 m, "4" signifie qu'il y a 4 canaux optiques, tandis que "2" signifie que chaque canal a deux longueurs d'onde. Le module 400G SR4.2 utilise un connecteur MPO-12, chaque canal optique fonctionne avec 2x50G PAM4, et un total de 8 fibres optiques sont nécessaires. Les longueurs d'onde sont bidirectionnelles et multiplexées. Le principal avantage de SR4.2 est qu'il peut continuer à utiliser les ressources de fibre optique installées existantes.

Type de module	Distance de transmission	Type de fibre	Interface optique	Noyaux de fibre	Longueur des ondes	Modulation
400GSR8	100m	Multimode parallèle	MPO-16(APC) ou MPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
400GSR4.2	100m	Multimode parallèle	MPO-12(APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

 2) Émetteur-récepteur 400G monomode

Single-mode 400G optique émetteur-récepteur peuvent être divisés en deux groupes. Un groupe du côté du port optique est modulé avec 8x50G PAM4, et l'autre groupe est modulé avec 4x100G PAM4. Les deux méthodes utilisent DSP comme CDR (aucun CDR analogique n'est établi) ou une combinaison de Gearbox et CDR. La différence réside dans le taux de transmission du signal côté ligne et le nombre de lasers utilisés.

• Émetteur-récepteur 400G monomode basé sur 8 × 50G PAM4

Il existe trois types courants de modules optiques 400G dans ce mode de modulation : FR8, LR8 et 2xFR4.

400GFR8 et 400GLR8 sont les premières interfaces monomodes 400G disponibles. "8" signifie que 8 longueurs d'onde sont utilisées, et chaque longueur d'onde fonctionne avec 50G PAM4. "FR" signifie une transmission de 2 km, "LR" signifie une transmission de 10 km. 8 longueurs d'onde sont multiplexées dans une fibre optique, et les modules optiques FR8 et LR8 utilisent des interfaces optiques LC duplex.

Votre 2xFR4 400G module optique utilise 8 lasers, mais est divisé en deux groupes de 4 longueurs d'onde (selon la norme 200G FR4). Les deux groupes sont respectivement multiplexés dans la fibre optique, et le module optique fournit des signaux 2x200G sur les deux connecteurs CS. 

Type de module	Distance de transmission	Type de fibre	Interface optique	Noyaux de fibre	Longueur des ondes	Modulation
400G 2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4 (CWDM4)	50G PAM4
400GFR8	2km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4
400GLR8	10km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4

Cependant, l'utilisation d'une solution 8x50G implique des compromis. D'une part, ils offrent des bilans de liaison améliorés dans certains cas, mais d'autre part, le coût total du laser par module est plus élevé et le conditionnement optique est plus complexe, ce qui entraîne une production plus faible et un coût de production plus élevé. En revanche, le module 4x100G a une consommation d'énergie plus faible et une capacité de traitement thermique plus simple. Par conséquent, la solution 4x100G est plus populaire.  

• Émetteur-récepteur 400G monomode basé sur 4 × 100G PAM4

Les modules optiques 4x100G sont au centre du marché actuel. Leur côté ligne utilise quatre canaux avec 100G PAM4. Ici, nous pouvons diviser ces modules optiques en « multi-fibres » et « bi-fibres ». Les composants clés de ces modules optiques sont DSP avec fonction Gearbox, y compris DR4, FR4 et LR4.

400G DR4: dans le module optique 400G DR4, le DSP convertit le signal électrique 8x50G PAM4 en 4x100G PAM4, puis le transmet au moteur optique. Dans le même temps, le DSP agit comme CDR, la longueur d'onde de travail de chaque canal est de 1310 nm et chaque canal nécessite une fibre, donc un total de 8 fibres sont nécessaires.  

400G FR4 et LR4 : les fonctions de base du DSP sont les mêmes dans les modules optiques FR4 et LR4 que dans DR4, mais maintenant quatre longueurs d'onde (CWDM4) sont utilisées au lieu de quatre signaux de 1310 nm, et un multiplexeur est ajouté pour combiner ces signaux CWDM. De cette manière, le nombre de fibres optiques nécessaires pour FR4/LR4 est réduit à 2 (TX + Rx) et des ports optiques LC duplex sont adoptés.

Type de module	Distance de transmission	Type de fibre	Interface optique	Noyaux de fibre	Longueur des ondes	Modulation
400G DR4	500m	MSP/SMF	MPO-12(APC)	8	1 (1310 nm)	100G PAM4
400GFR4	2km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4
400GLR4	10km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4

Pour résumer, avec l'avènement du big data et du cloud computing, la croissance rapide du trafic oblige la technologie de modulation du signal à se développer dans une direction plus complexe. En tant que technologie de modulation la plus efficace à l'heure actuelle, PAM4 est devenue la tendance inévitable du développement du module optique haute vitesse 400G. À l'avenir, compte tenu du coût, la manière de réaliser une transmission 400G avec des signaux optiques à 4 canaux pourrait devenir le courant dominant. Dans le même temps, le port électrique du module optique peut être progressivement mis à niveau vers la forme de 4x100G PAM4, la puce Gearbox est omise, afin d'économiser la consommation d'énergie et les coûts.