50G SFP56과 QSFP28의 차이점은 무엇입니까?

개요

5세대 이동통신 기술(5G) 시대의 도래로 기존의 4세대 이동통신 기술(4G) 기지국 밀도로는 더 이상 크게 증가하는 5G 대역폭 수요를 충족할 수 없습니다. 2021년 1.39월 기준으로 중국은 5만 개의 60G 기지국을 건설 및 개장했으며, 이는 전 세계 총량의 600,000% 이상을 차지하며, 5년에는 2022만 개 이상의 새로운 50G 기지국을 건설할 계획입니다. Fiber Mall은 이론적 분석 및 테스트를 통해 입증했습니다. 광학 모듈 설계를 QFFP(Quad Small Form-factor Pluggable)에서 사용할 수 있으며 더 높은 성능, 더 낮은 비용, 더 낮은 전력 소비 및 더 나은 배치로 사용할 수 있습니다. 이론적 분석 및 테스트를 통해 Fiber Mall은 QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable) 50G 광 모듈 설계 이론을 기반으로 설계된 SFP(Small Form-factor Pluggable) 5G 광 모듈이 데이터 증가 문제를 더 잘 해결할 수 있음을 입증했습니다. XNUMXG 전면 네트워크의 수요, 제한된 공간 및 제한된 비용.

기존 QSFP28 50G 광 모듈의 작동 원리

초기 설계 및 개발 또는 이후 시운전 여부에 상관없이 광 모듈의 핵심 문제는 TOSA(송신기 광 서브어셈블리), ROSA(수신기 광 서브어셈블리) 및 관련 장치에 있습니다.

TOSA는 전기 신호를 광 신호로 변환하는 장치로 구조가 복잡하고 정밀도가 높으며 가격이 비싸다. ROSA는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 장치로 주로 수신과 증폭이 포함된다.

기존의 QSFP28 50G 광 모듈 솔루션에서는 25Gbit/s의 NRZ(Non Return To Zero) 전기 신호 4개가 4 PAM50(Pulse Amplitude Modulation) 코덱 칩에 입력됩니다. 신호는 그림 4에 표시된 방식으로 1G PAMXNUMX 신호로 변환되고 신호를 증폭하고 직접 변조 레이저(DML)의 빛을 구동하는 레이저 드라이버로 공급됩니다.

그림 1. NRZ 신호를 PAM4 신호로 변환하는 개략도

ROSA는 수신된 광 신호를 전기 신호로 변환하여 PAM4 코덱 칩으로 전송하고 PAM4 신호를 두 개의 NRZ 신호로 변환합니다. MCU(Microcontroller Unit)는 전체 전송 프로세스를 제어하는 ​​데 관여합니다. 그림 2는 QSFP28 50Gbit/s 광 모듈의 신호 전송 블록 다이어그램을 보여줍니다.

그림 2. QSFP28 50Gbit/s 광 모듈의 신호 전송 블록 다이어그램

SFP56 50G 광 모듈의 설계 원리 분석

QSFP28 50G 광 모듈을 기반으로 최근 몇 년 동안 50G 광 모듈에 대한 세 가지 연구 방향이 있습니다.

(1) 더 작은 패키지를 사용하여 채널 낭비를 방지하고 배치를 용이하게 하며 전력 소비를 줄입니다.

(2) 온도 적용 범위를 C-Temp(0~70°C)에서 I-Temp(-40~85°C)로 업그레이드하는 등 모듈의 온도 적용 범위 개선.

(3) 예를 들어 모듈의 광 전송 거리를 향상시키기 위해 광 전송 거리를 10km에서 40km로 늘립니다.

본 연구는 이러한 방향에서 출발하여 QSFP56 50G 광모듈의 기술적 배경을 바탕으로 더 작은 패키지, 더 높은 성능, 더 낮은 전력 소모 및 더 긴 전송 거리를 갖는 SFP28 50G 광모듈을 설계할 것이다.

송신기 측에서 PAM4 전기 신호는 SEMTECH GN2256 칩에 입력되어 외부 변조 레이저(EML)를 구동하여 CDR(Clock and Data Recovery) 장치 이후에 50G PAM4 광 신호를 방출합니다. DML과 비교하여 EML은 동일한 빛을 방출하고 레이저 드라이버는 외부 변조기를 구동하여 실제 광 출력 크기를 조정하므로 이러한 유형의 레이저는 장거리 전송에 더 적합합니다. 수신 측의 경우 광 모듈의 SFP56 및 QSFP28 패키지는 기본적으로 동일하게 작동합니다. SFP56 50G 광 모듈의 보드 프레임은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3. SFP56 50G 광 모듈의 보드 프레임

QSFP50과 SFP28의 56G 광 모듈 크기 및 전력 소비 비교

광 모듈의 크기는 포워딩 네트워크 구성에 더 큰 영향을 미칩니다. 동일한 전송 속도에 대해 모듈을 더 작게 만들 수 있다면 동일한 크기의 단일 보드에 더 많은 모듈을 설치할 수 있습니다. 이것은 단일 보드 전송 속도를 증가시키고 동일한 단일 보드 속도를 달성하는 데 필요한 더 작은 보드 크기로 간주할 수도 있으며, 이는 장치 크기를 줄이는 데 도움이 됩니다.

표 1은 QSFP28 및 SFP56의 크기와 비용, 50G 전송 시 전력 소비량을 보여줍니다. 이 표에서 볼 수 있듯이 모듈 길이 풀 링이 전제 배치에 미치는 영향을 고려하지 않았습니다.

표 1. QSFP28 및 SFP56의 크기 및 비용과 50G 전송 시 전력 소비

(1) 동일한 크기의 단일 보드에 놓을 수 있는 SFP56 패키지 광 모듈의 수는 QSFP1.68 패키지 광 모듈의 수보다 28배 많습니다.

(2) 단일 SFP56 50G 40km 광 모듈의 소비 전력은 기존 모듈의 57.9%입니다. QSFP28 50G 10km 광 모듈.

(3) 단일 SFP56 50G 40km 광 모듈의 비용은 QSFP213.88 28G 50km 광 모듈 비용의 10%입니다.

QSFP56 50G 40km 광 모듈을 배치하는 것과 비교하여 동일한 크기의 단일 보드에 SFP28 50G 10km 광 모듈을 배치하면 전력 소비는 기본적으로 동일하지만 단일 보드 속도는 1.68배 증가하거나 동일한 단일 보드 전송률, 단일 보드 면적은 40.5% 감소하고 전력 소비는 42.1% 감소합니다.

기존 QSFP28 50G 10km C-Temp(0 ~ 70°C) 광 모듈의 비용은 개당 약 $180이며 SFP56 50G 40km I-Temp(-40 ~ 85°C) 광 모듈의 비용은 이 디자인은 개당 약 $385이므로 SFP56 패키지 광 모듈의 비용은 동일한 거리와 동일한 전송 속도에서 QSFP26.6 패키지 비용의 28%에 불과합니다. 비용은 QSFP26.6 패키지의 28%에 불과합니다.

50G QSFP28 및 SFP56 광 모듈의 광 아이 패턴 및 감도 비교 테스트

QSFP28 50G 10km C-Temp 및 SFP56 50G 40km I-Temp 광학 모듈은 자체 루프 또는 외부 광원을 추가하여 테스트할 수 있습니다. ROSA 측 관련 파라미터 측정 시 광원에 대한 주변 온도의 영향을 피하기 위해 본 연구에서는 비교 테스트를 위해 외부 광원을 추가하여 테스트 환경을 구축하는 것을 선택하였다. 그림 4와 같이 DUT(Device under Test)에서 나온 빛을 빔 스플리터로 나누어 빛의 90%를 디지털 통신 분석기(DCA)에 공급하여 광학 아이 다이어그램과 관련된 매개변수를 측정하고, 빛의 10%는 광학 스펙트럼 분석기(OSA)로 공급되어 파장과 SMSR(Side-Mode Suppression Ratio)를 측정합니다. 알려진 광 모듈에서 나온 빛은 감쇠기(ATT)를 통과한 후 DUT에 공급되어 DUT Rx 관련 매개 변수를 측정하고 BERT(Bit Error Tester)는 Evaluation Board(EVB)와 클럭에 변조 신호를 제공합니다. DCA에 대한 신호. DUT는 온도 조절 장치에 배치되고 작동 주변 온도는 인위적으로 변경될 수 있으므로 광 모듈은 일정한 온도 환경에 배치되는 것으로 알려져 있습니다. 광 모듈의 전압 보정에는 멀티미터가 사용되고, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통해 광 모듈 매개변수를 조정하는 데 개인용 컴퓨터(PC)가 사용되며, 두 개의 EVB에 전원을 공급하기 위해 전원 공급 장치가 사용됩니다.

그림 4. 외부 광원이 추가된 테스트 블록 다이어그램

실온에서 두 광 모듈의 광학 아이 다이어그램은 그림 5에 나와 있으며 관련 매개 변수는 표 2에 나와 있습니다. 모듈 및 SFP56 50G 광 모듈 실온에서 는 각각 2.49dB 및 1.98dB이고 소광비는 6.529dB 및 4.749dB이며 평균 광 출력은 각각 1.73dBm 및 0.69dBm입니다.

외부 광원은 상온 환경에 배치되며 작동 상태는 일정하게 유지됩니다. 링크에서 외부 광원에서 방출된 빛은 ATT 후 QSFP28 50G ROSA 단자와 SFP56 50G ROSA 단자에 입력되며 25°C에서 이 두 모듈의 감도는 각각 -11.3 및 -11.9dB로 확인됩니다. 측정 후.

작업대 2. 광학 눈 도표 관련 매개 변수 두 광 모듈 at ROOM 온도e

(a) QSFP28 50G

(나) SFP56 50G

그림 5. 실온에서의 광학 아이 다이어그램

The 고온 및 저온 조건에서 SFP56 50G 광학 모듈의 광학 아이 다이어그램 주변 온도를 조절하여 광 모듈을 각각 -6과 +3°C에서 동작하게 하고 TOSA에서 방출된 빛을 DCA로 공급한다. 40km의 섬유 후. 관련 매개 변수를 조정한 후 TDECQ는 85 및 40dB, 평균 광 전력은 2.52 및 2.77dBm, 소광비는 1.50 및 0.67dB, 감도는 -4.401 및 -4.402dB이며 모두 다음과 같습니다. IEEE(전기 전자 기술자 협회) 11.5cd. 엔지니어(IEEE) 11.3cd 802.3G 관련 요구 사항.

테이블 3. 고온 및 저온 조건에서 SFP56 50G 광 모듈의 광 아이 다이어그램 관련 매개변수

(가) -40° C

(b) +85°C

그림 6. 고온 및 저온 조건에서 SFP56 50Gbit/s 광학 모듈의 광학 아이 다이어그램

기존 QSFP28 50G 광 모듈의 작동 온도 범위는 0 ~ +70 °C인 반면, 본 연구에서 SFP56 50G 광 모듈의 작동 온도 범위는 -40 ~ +85 °C이므로 성능 매개 변수를 비교하는 것은 중요하지 않습니다. 0 °C 및 +70 °C에서 두 개. 모듈의 고온 및 저온 성능 매개 변수는 일반적으로 선형 관계를 따릅니다. 즉, 실온에서 우수한 성능을 가진 모듈은 고온 및 저온에서도 우수한 성능을 갖습니다. 따라서 -56℃ 및 +50℃에서 작동할 때 SFP40 85G 광 모듈의 성능 매개변수를 테스트하기만 하면 됩니다. 모듈의 성능 매개변수가 이 환경에서 IEEE 50cd의 802.3G 관련 요구 사항을 충족하는 한 패키지가 다른 두 광 모듈의 성능은 실온에서 성능 매개변수를 결합하여 결정할 수 있습니다.

표 3에서 알 수 있듯이 QSFP28에 비해 SFP20.5을 선택한 후 TDECQ가 0.6% 감소하고 감도가 56dB 증가합니다. SFP20 패키지를 선택한 후 광 모듈의 전체 성능이 약 56% 향상되었다는 결론을 내릴 수 있습니다. 즉, SFP56 패키지는 QSFP50 패키지보다 28G 광 모듈 애플리케이션에 더 적합합니다.

결론

이 실험은 Fiber Mall이 SFP56 패키지가 더 작은 QSFP50 40G 28km 광 모듈을 기반으로 SFP50 10G 56km I-Temp 광 모듈을 성공적으로 설계하여 PAM4 Gearbox 코덱 칩을 SEMTECH GN2256 CDR 칩으로 대체하고 TOSA를 결합했음을 증명합니다. , ROSA 및 EML. 기존의 QSFP28 50G 10km C-Temp 광학 모듈과 비교하여 모듈 비용은 73.4% 감소하고 모듈의 전체 성능은 약 20% 향상되어 보다 가혹한 작업 환경에서 작동할 수 있으며 모든 지표가 일치합니다. IEEE 50cd의 802.3G 요구 사항을 준수합니다. SFP56 50G 40km 광 모듈. SFP56 50G 40km 광 모듈은 많은 장점을 가지고 있으며 향후 28G 프런트홀 네트워크에서 QSFP50 10G 5km 광 모듈을 대체하는 역할을 할 것으로 예상할 수 있습니다.