Application de l'émetteur-récepteur optique 800 Gbit/s

Prévisions de marché et scénarios d’application

L'émergence de nouveaux services tels que la réalité virtuelle (VR) 4K, l'Internet des objets et le cloud computing a mis en avant des exigences plus élevées en matière de bande passante réseau, de concurrence et de performances en temps réel. Selon les prévisions d'Omdia, à mesure que la demande de bande passante continuera d'augmenter au cours des prochaines années, même si les émetteurs-récepteurs optiques de 100, 200 et 400 Gbit/s détiendront toujours la plus grande part de marché, les émetteurs-récepteurs optiques de 800 Gbit/s seront déployés à grande échelle. en 2025.

Figure 1 : Schéma de l'architecture du réseau 800GE

Comme le montre la figure 1, selon la structure du réseau 800 GE, la distance de connexion entre le commutateur haut de rack (TOR) et le commutateur Leaf peut être aussi courte que des dizaines de mètres ou aussi longue que des centaines de mètres. Pour cette partie de la connexion, les grandes sociétés Internet adoptent généralement une technologie de connexion à 100 Gbit/s et passent progressivement à la technologie à 200 Gbit/s ou à 400 Gbit/s à partir de 2021. Certaines grandes entreprises ont commencé à tester la technologie à 800 Gbit/s en 2023. La connexion du commutateur Leaf au commutateur Spine, ou du commutateur Spine au routeur central, peut résoudre le problème d'interconnexion au sein d'un campus ou entre campus adjacents. La distance de connexion peut atteindre 2 km voire 10 km. Le débit d'interface a été progressivement amélioré de 100 Gbit/s à 200 Gbit/s ou 400 Gbit/s à partir de 2021. L'interconnexion des centres de données (DCI) fait généralement référence à la connexion entre plusieurs centres de données adjacents pour l'équilibrage de charge ou la sauvegarde après sinistre. La distance de connexion peut atteindre des dizaines de kilomètres. Pour une si longue distance, les ressources en fibre optique étant relativement précieuses, les gens utilisent principalement le multiplexage par répartition en longueur d'onde dense et la communication cohérente pour réutiliser autant que possible les ressources en fibre optique. Nous divisons les scénarios d'application de l'émetteur-récepteur optique 800 Gbit/s en SR (scénario 100 m), DR/FR/LR (scénario 500 m/2 km/10 km) et ER/ZR (scénario 40 km/80 km).

Solution technique

Aperçu du programme

L'évolution de la solution technique 800 Gbit/s comprend 3 générations. La première génération est composée de 8 solutions optiques et de 8 solutions électriques : l'interface optique est de 8 × 100 Gbit/s, l'interface électrique est de 8 × 100 Gbit/s et la période commerciale est 2021 ; La deuxième génération est une solution 4 optiques et 8 électriques : interface optique 4×200 Gbit/s, interface électrique 8×100 Gbit/s, disponible dans le commerce en 2024 ; La troisième génération est une solution à 4 optiques et 4 électriques : interface optique 4×200 Gbit/s, interface électrique 8×100 Gbit/s, dont la commercialisation est prévue en 2026. À long terme (d'ici 5 ans), des solutions optiques/électriques la technologie monocanal 200 Gbit/s sera popularisée ; À court terme (d'ici 3 ans), étant donné que les puces optoélectroniques monocanal de 200 Gbit/s et la technologie d'égalisation ne sont pas encore matures, l'industrie a encore besoin de temps pour surmonter les goulots d'étranglement techniques pertinents.

Interface électrique et packaging

Nous pouvons déduire du développement d'un émetteur-récepteur optique à modulation directe et à détection directe de 100 Gbit/s, lorsque le débit monocanal de l'interface électrique est le même que celui de l'interface optique, l'architecture de l'émetteur-récepteur optique atteindra l'état optimal avec les avantages d’une faible consommation d’énergie et d’un faible coût. Une interface électrique monocanal 100 Gbit/s sera l'interface électrique idéale pour un émetteur-récepteur optique 8×100 Gbit/s, et une interface électrique monocanal 200 Gbit/s sera l'interface électrique idéale pour 4×200 Gbit/s. émetteur-récepteur optique. En termes de conditionnement, l'émetteur-récepteur optique 800 Gbit/s peut exister sous différentes formes, telles que le quadruple densité enfichable à petit facteur de forme (QSFPDD800) et l'octal à petit facteur de forme enfichable (OSFP). En raison de facteurs tels que le câblage à l'intérieur du module et la perte des connecteurs, les émetteurs-récepteurs optiques enfichables basés sur des interfaces électriques à 200 Gbit/s sont encore confrontés à de nombreux défis.

Interface optique

Il existe trois principaux types d'architectures d'interface optique d'émetteur-récepteur optique à 800 Gbit/s, comme le montre la figure 2. (1) Émetteur-récepteur optique à modulation d'amplitude d'impulsion à 8 niveaux (PAM100) de 4 × 4 Gbit/s : L'émetteur-récepteur PAM4 fonctionne à 53 Gbd et utilise 8 paires de convertisseurs numérique-analogique (DAC) et de convertisseurs analogique-numérique (ADC), 8 lasers, 8 paires d'émetteurs-récepteurs optiques et 1 paire de multiplexeur par répartition en longueur d'onde grossière (CWDM) ou Ethernet à 8 canaux. Multiplexeur et démultiplexeur de multiplexage par répartition en longueur d'onde basé sur le canal (LAN-WDM) (en fonction de la perte de dispersion de la fibre) (non requis pour les scénarios d'application SR/DR). (2) Émetteur-récepteur optique PAM4 200 × 4 Gbit/s : L'émetteur-récepteur PAM4 fonctionne à 106 Gbd, en utilisant 4 paires de DAC et ADC, 4 paires d'émetteurs-récepteurs optiques (dont 4 lasers) et 1 paire de CWDM ou LAN à 4 canaux. -Multiplexeur et démultiplexeur WDM (en fonction de la perte de dispersion de la fibre) (non requis pour les scénarios d'application SR/DR). (3) Module optique cohérent de 800 Gbit/s : fonctionne à 128 Gbd sous modulation d'amplitude à seize quadrature à double polarisation (16QAM). Il utilise 4 paires de DAC et ADC, 1 laser et 1 paire d'émetteurs-récepteurs optiques, permettant l'utilisation de lasers à longueur d'onde fixe dans les modules optiques cohérents des centres de données afin de réduire les coûts et la consommation d'énergie.

Figure 2 : Trois architectures d'interface optique d'un émetteur-récepteur optique 800 Gbit/s

La solution d’ajustement direct et d’inspection directe 8×100 Gbit/s peut utiliser l’architecture technique existante. Les technologies et normes pertinentes sont relativement matures et la chaîne d'approvisionnement est également relativement complète. Dans le scénario SR, la technologie du laser à cavité verticale et à émission par la surface (VCSEL) 100 Gbit/s est confrontée à des défis. L'amélioration des performances des solutions multimodes et la réduction du coût de la fibre optique multimode seront des facteurs clés dans l'évolution continue de cette technologie. les technologies monomodes représentées par la photonique sur silicium (SiPh) et les lasers directement modulés (DML) se développent rapidement. Parmi elles, la technologie SiPh se développe plus rapidement et devrait concurrencer à l'avenir les solutions multimodes dans des scénarios d'application avec des distances de transmission de 100 m et moins. Dans le scénario DR/FR, il existe trois solutions : laser modulé par électro-absorption (EML), DML et SiPh.

Dans la scène LR, il existe des schémas LR800 à 8 Gbit/s basés sur le multiplexage par répartition en longueur d'onde grossier (CWDM), le multiplexage par répartition en longueur d'onde LAN (LWDM) et le multiplexage par répartition en longueur d'onde LAN à bande étroite (nLWDM), qui sont encore au stade de la recherche. En termes de sélection de longueur d'onde, en raison de la grande dispersion de la longueur d'onde du bord de la bande O, le LWDM8 est supérieur au CWDM8 en termes de pénalité de dispersion. Actuellement, les solutions d'ajustement direct et d'inspection directe pour des distances de 10 km et plus sont principalement confrontées aux défis de la dispersion du « pire cas » et de l'adaptation étroite des tolérances de dispersion.

La construction d'un nouveau système de longueurs d'onde et la compression de la plage de longueurs d'onde multicanaux peuvent réduire en conséquence la dispersion dans le pire des cas, simplifiant ainsi la conception du traitement du signal numérique (DSP) et réduisant la consommation d'énergie théorique. Par exemple, la distance limitée par la dispersion d'une solution de modulation directe et de détection directe 8 × 100 Gbit/sPAM4 est d'environ 10 km lorsque la solution LWDM avec un espacement de 800 GHz est adoptée. Lorsque la solution nLWDM avec un espacement de 400 GHz est adoptée, la distance limitée par la dispersion peut être étendue à 20 km. Lorsque la solution nLWDM avec un espacement de 200 GHz est adoptée, la distance limitée par la dispersion peut être encore étendue jusqu'à 40 km. Dans le même temps, la compression de la distribution du point de dispersion nulle ou de la plage de dérive et la réduction de la plage de dispersion correspondante constituent également une des solutions. Cependant, étant donné que la répartition des points de dispersion nuls des produits à fibres optiques de différents fabricants n'est pas uniforme, il reste difficile de réaliser une compression à grande échelle.

Pour la solution de modulation directe et de détection directe 4×200 Gbit/s, un monocanal 200 Gbit/s continue d'utiliser le type de code de modulation PAM4, et peut profiter de l'infrastructure industrielle PAM4 relativement mature (mais la possibilité d'une nouvelle modulation les types de codes ne sont pas exclus). Dans les scénarios d’application DR et FR 4×200 Gbit/s, il existe actuellement deux solutions techniques : 4 canaux monomode parallèle (PSM4) et CWDM4.

Ces deux solutions se heurtent encore à de nombreux défis et nécessitent des recherches plus approfondies. Pour les scénarios d'application LR, il existe des solutions LR800 à 4 Gbit/s basées sur CWDM, LWDM et nLWDM. Ces solutions sont encore au stade de la recherche et de la discussion et nécessitent des dispositifs à puce optoélectroniques à large bande passante, une technologie d'égalisation plus puissante et une correction d'erreur directe (FEC) pour garantir le taux d'erreur binaire (BER) corrigé. La bande passante des modules optiques cohérents à 800 Gbit/s doit être considérablement améliorée et il est difficile de doubler la bande passante en une seule étape. Le module optique cohérent de 800 Gbit/s basé sur des dispositifs de 96 God doit adopter des types de codes de modulation d'ordre supérieur. Cette méthode présente des inconvénients tels qu'un faible rapport signal/bruit optique (OSNR), une distance de transmission limitée et des scénarios d'application. Le module optique cohérent à double polarisation (DP)-128QAM basé sur 16 God a un meilleur OSNR et une meilleure capacité de transmission et deviendra la solution de mise en œuvre principale pour une cohérence de 800 Gbit/s.

FEC

La FEC est généralement divisée en trois catégories : la FEC de bout en bout, la FEC en cascade imbriquée et la FEC segmentée. Il est généralement admis dans l'industrie que l'application d'une solution de modulation directe et de détection directe de 8 × 100 Gbit/s sur une distance de transmission de 40 km peut être réalisée par le FEC KP4 de bout en bout. Pour une distance de transmission de 40 km, un FEC plus fort peut être utilisé.

La solution de modulation directe et de détection directe 4×200 Gbit/s présente un débit plus élevé et nécessite donc l'introduction d'une nouvelle norme BER, d'une nouvelle méthode de codage FEC et d'un égaliseur plus complexe. Les groupes de travail IEEE 802.3 B400G SG (Institute of Electrical and Electronics Engineers 802.3 Post-400 Gbit/s Study Group) et 800G Pluggable MSA (800 Gbit/s Pluggable Multi-Source Agreement) ont entamé des discussions pertinentes. La méthode en cascade pourrait devenir une nouvelle voie pour les solutions de modulation directe et de détection directe à 4 × 200 Gbit/s. Cette approche non seulement conserve le FEC KP4 et évite le coût supplémentaire lié à l'intégration d'un nouveau FEC dans la puce principale, mais offre également une protection supplémentaire pour la liaison optique grâce au FEC léger et facile à mettre en œuvre dans l'émetteur-récepteur optique, réduisant ainsi la consommation d'énergie et la latence. provoquée par le décodage. En termes de performances de correction d'erreurs, divers codes internes en cascade tels que KP4+BCH (144,136) peuvent réduire la plage de post-correction à moins de 1E-13 sur la base de la plage de taux d'erreur binaire de pré-correction de 1 à 2E-3. Dans le même temps, la plus forte demande de 800 Gbit/s provient actuellement des centres de données OTT (opérateurs Internet) et des scénarios de calcul haute performance. Ces scénarios ont des exigences élevées en matière de sensibilité à la latence. L'algorithme FEC à faible latence est devenu l'une des principales exigences du 800 Gbit/s.

La cohérence 800 Gbit/s comprend 800 Gbit/sLR et 800 Gbit/s ZR. Par conséquent, nous devons concevoir des algorithmes FEC pour différents scénarios d’application. (1) Le scénario 800LR nécessite un réseau de campus de 10 km, qui présente des exigences élevées en matière de latence et de consommation électrique. Actuellement, les solutions incluent la cascade KP4+eHamming/eBCH, le FEC à code couplé spatial (XR-FEC), le FEC en cluster (CFEC), Zipper, le FEC ouvert léger (OFEC), etc. Parmi eux, la solution en cascade a quelque chose en commun avec la solution en cascade de modulation directe et de détection directe 4×200 Gbit/s. La connexion entre les deux chemins peut réduire encore davantage la complexité de la puce principale. (2) Le scénario 800ZR est principalement utilisé en DCI et s'inscrit dans la continuité de la norme 400ZR de l'Optical Internetworking Forum (OIF). Le 800ZR utilise le format de modulation DP-16QAM, ce qui pose un certain défi à la capacité CFEC. Cela peut nécessiter des solutions FEC dotées de capacités de correction d'erreurs plus puissantes, telles que le codage multi-niveaux (MLC) et l'OFEC.

Technologie d'égalisation

Pour atteindre un taux de transmission de données monocanal de 200 Gbit/s, les puces optoélectroniques doivent subir des améliorations de performances, telles que des SerDes à 200 Gbit/s, des puces optoélectroniques et des dispositifs avec une bande passante supérieure à 50 GHz, etc. Selon les rapports de recherche technique actuels , les puces optiques avec des bandes passantes supérieures à 50 GHz sont relativement faciles à réaliser. Comment garantir les performances optimales des autres indicateurs tout en améliorant la bande passante est le point clé à considérer. Actuellement, la bande passante des puces électriques Driver et TIA ne peut pas répondre aux exigences de débit et nécessite également des capacités d'équilibrage. Tout en améliorant leur propre bande passante, ces puces électroniques doivent obtenir des effets d'optimisation du signal au niveau du système. Une technologie d'égalisation efficace peut grandement assouplir les exigences du système en matière de bande passante des dispositifs optoélectroniques.

Les techniques d'égalisation courantes incluent l'égalisation par anticipation (FFE), l'égalisation par retour de décision (DFE) et l'égalisation de séquence par maximum de vraisemblance (MLSE). Parmi eux, FFE est largement utilisé dans les systèmes SerDes et les puces DSP de signal optique (oDSP) en raison de sa simplicité de mise en œuvre. Afin de réduire la demande de bande passante de dispositif optoélectronique de 200 Gbit/s à canal unique, d'une part, la technologie de pré-égalisation FFE peut être utilisée au niveau de l'émetteur pour compenser la bande passante du dispositif émetteur ; d'un autre côté, une technologie d'égalisation plus puissante peut être appliquée dans oDSP pour atténuer l'impact de la limitation de bande passante sur la dégradation des performances du système. Pour l'égalisation FFE à 5 prises utilisée dans la norme à longueur d'onde unique de 100 Gbit/s, lorsque le débit est augmenté à 200 Gbit/s, le nombre de prises FFE augmente. Bien qu'un algorithme d'égalisation MLSE plus performant puisse également être utilisé comme solution, la mise en œuvre de MLSE est plus complexe et nécessite une grande quantité de calculs, ce qui augmentera la consommation d'énergie de l'oDSP.