Transceptor óptico 400G baseado na modulação PAM4

Dois tipos de pacotes comuns de transceptores 400G são OSFP e QSFP-DD. O módulo óptico encapsulado pelo OSFP tem bom desempenho térmico e pode ser expandido para 800G, mas seu volume é grande. O módulo óptico no pacote QSFP-DD é mais simples e compatível. Para o módulo óptico 400G, os sinais elétricos da interface entre OSFP/QSFP-DD e o host são 8x50G/PAM4, ou seja, todos adotam o modo de modulação PAM4. Este artigo apresentará o modo de modulação PAM4 e sua aplicação no transceptor 400G.

1. O que é PAM4 em comunicação óptica?

PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4-Level) é agora uma tecnologia muito importante e fundamental no campo da comunicação óptica. Antes de entender o PAM4, é necessário conhecer outra tecnologia de modulação de sinal mais básica – NRZ(Non-Return-to-Zero), também chamada de PAM2(2-level). O NRZ é um sinal lógico digital que usa níveis de sinal alto e baixo para representar as informações transmitidas. Com códigos unipolares sem retorno a zero, “1” e “0” correspondem a níveis positivo e zero, ou níveis negativos e zero, respectivamente. Códigos bipolares diferentes de zero, onde “1” e “0” correspondem a um nível positivo e um nível negativo equivalente, respectivamente.

O termo “diferente de zero” não significa que não haja “0”, mas que o sinal não precisa retornar ao nível zero após a transmissão de cada bit de dados (obviamente, NRZ economiza largura de banda em comparação com RZ). Na modulação do módulo óptico, usamos a potência do laser para controlar o “0” e o “1”. Em termos simples, significa que quando a potência óptica emitida real é maior que um determinado limite, é um “1”; se for inferior a um determinado limite, é um “0”.

À medida que as demandas de largura de banda continuam a aumentar, precisamos encontrar maneiras de aumentar a quantidade de informações lógicas transmitidas por unidade de tempo, e surge o PAM4, uma tecnologia de modulação mais avançada. Ele usa quatro níveis de sinal diferentes para transmissão de sinal. Ele pode dobrar a informação lógica representada por um único ciclo de símbolo de 1 bit de NRZ para 2 bits. Por exemplo, depois que um chip EML 25G é modulado pelo PAM4, ele pode ser transformado em um módulo óptico PAM50 4G de canal único. Clique neste artigo para saber mais sobre NRZ e PAM4.

2. Por que 400G Ethernet adota PAM4 tecnologia?

A princípio, a associação IEEE não considerou a tecnologia PAM4 ao formular uma nova geração de padrão de interface 200G/400G, como 400GBASE-SR16, mas adotou a tecnologia NRZ para atingir uma taxa de transmissão de 400G através de canais paralelos de 16x25Gbps. No entanto, o esquema requer um grande número de fibras ópticas, o que não é econômico e viável, e a margem de tempo do chip do transceptor, a perda do link de transmissão e o tamanho do esquema não conseguem atender as demandas da Ethernet 400G. 

Portanto, quando a associação IEEE formulou o padrão 802.3bs, propôs que o PAM4 substituísse o NRZ. Após uma pesquisa aprofundada sobre as características e testes de parâmetros do sinal PAM4, a proposta foi finalmente aprovada. Posteriormente, o padrão de interface 400GBASE-LR8/400GBASE-FR8 baseado na tecnologia PAM4 foi promulgado, tornando-se o primeiro padrão de interface 400G. O padrão de interface adota a tecnologia PAM8 de 50x4Gbps para realizar a transmissão de 400G. Ele não precisa mais de canais 16x25G para realizar a transmissão 400G como o NRZ. Desta forma, pode não só economizar o custo da fibra óptica, mas também reduzir a perda de link.   

3. Aplicação de PAM4 em 400G transceptor: multimodo vs modo único

PAM4 é o principal modo de modulação do 400G QSFP-DD módulo óptico, que possui dois tipos: multimodo e modo único. O lado da porta elétrica do transceptor 400G baseado na modulação PAM4 é modulado por 8x50G PAM4, enquanto o lado da porta óptica tem dois tipos de modulação: 8x50G PAM4 e 4x100G PAM4.

 1) Transceptor multimodo 400G

Os módulos ópticos multimodo 400G comuns são interfaces SR8 e SR4.2, todos usando modulação PAM8 50x4G.

• 400GSR8: "SR" significa usar fibra óptica multimodo para transmitir 100m de distância, enquanto "8" significa ter 8 canais ópticos. Quando cada canal óptico opera com 50G PAM4, são necessárias um total de 16 fibras ópticas (8 TX e 8 Rx). O módulo óptico 400G SR8 pode conectar 8 pares de fibras ópticas usando o conector MPO-16 ou o conector MPO-24.   
• 400G RS4.2: "SR" refere-se ao uso de fibra óptica multimodo para transmitir 100m de distância, "4" significa que existem 4 canais ópticos, enquanto "2" significa que cada canal tem dois comprimentos de onda. O módulo 400G SR4.2 usa conector MPO-12, cada canal óptico opera com 2x50G PAM4 e são necessárias um total de 8 fibras ópticas. Os comprimentos de onda são bidirecionais e multiplexados. A principal vantagem do SR4.2 é que ele pode continuar usando os recursos de fibra óptica instalados.

Tipo de Módulo	Distância de transmissão	Tipo de fibra	Interface Óptica	Núcleos de Fibra	Wavelength	Modulação
400GSR8	100m	Multi-modo paralelo	MPO-16(APC) ou MPO-24(PC)	16	850nm	50G PAM4
400GSR4.2	100m	Multi-modo paralelo	MPO-12 (APC)	8	850nm / 910nm	50G PAM4

 2) Transceptor 400G de modo único

Monomodo 400G ótico transceptor podem ser divididos em dois grupos. Um grupo do lado da porta óptica é modulado com 8x50G PAM4 e o outro grupo é modulado com 4x100G PAM4. Ambos os métodos usam DSP como CDR (nenhum CDR analógico é estabelecido) ou uma combinação de Gearbox e CDR. A diferença está na taxa de transmissão do sinal no lado da linha e no número de lasers usados.

• Transceptor 400G de modo único baseado em 8×50G PAM4

Existem três tipos comuns de módulos ópticos 400G neste modo de modulação: FR8, LR8 e 2xFR4.

400GFR8 e 400G LR8 são as primeiras interfaces de modo único 400G disponíveis. “8” significa que 8 comprimentos de onda são usados ​​e cada comprimento de onda opera com 50G PAM4. “FR” significa transmissão de 2 km, “LR” significa transmissão de 10 km. 8 comprimentos de onda são multiplexados em uma fibra óptica e os módulos ópticos FR8 e LR8 usam interfaces ópticas LC duplex.

A 2xFR4 400G módulo óptico usa 8 lasers, mas é dividido em dois grupos de 4 comprimentos de onda (de acordo com o padrão 200G FR4). Os dois grupos são multiplexados na fibra óptica, respectivamente, e o módulo óptico fornece sinais 2x200G nos dois conectores CS. 

Tipo de Módulo	Distância de transmissão	Tipo de fibra	Interface Óptica	Núcleos de Fibra	Wavelength	Modulação
400G 2xFR4	2km	SMF	2xCS	4	4 (CWDM4)	50G PAM4
400GFR8	2km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4
400G LR8	10km	SMF	LC	2	8 (LWDM)	50G PAM4

No entanto, há compensações ao usar uma solução 8x50G. Por um lado, eles fornecem orçamentos de link aprimorados em alguns casos, mas, por outro lado, o custo total do laser por módulo é maior e o pacote óptico é mais complexo, resultando em menor saída e maior custo de produção. Em contraste, o módulo 4x100G tem menor consumo de energia e capacidade de tratamento térmico mais simples. Portanto, a solução 4x100G é mais popular.  

• Transceptor 400G de modo único baseado em 4×100G PAM4

Os módulos ópticos 4x100G são o foco do mercado atual. Seu lado da linha usa quatro canais com 100G PAM4. Aqui, podemos dividir esses módulos ópticos em “multifibra” e “dual-fibra”. Os principais componentes desses módulos ópticos são DSP com função Gearbox, incluindo DR4, FR4 e LR4.

400G DR4: no módulo óptico 400G DR4, o DSP converte o sinal elétrico 8x50G PAM4 em 4x100G PAM4 e o transmite para o mecanismo óptico. Ao mesmo tempo, o DSP atua como CDR, o comprimento de onda de trabalho de cada canal é de 1310nm e cada canal requer uma fibra, portanto, são necessários um total de 8 fibras.  

400G FR4 e LR4: as funções básicas do DSP são as mesmas nos módulos ópticos FR4 e LR4 como no DR4, mas agora são usados ​​quatro comprimentos de onda (CWDM4) em vez de quatro sinais de 1310nm, e um multiplexador é adicionado para combinar esses sinais CWDM. Desta forma, o número de fibras ópticas necessárias para FR4/LR4 é reduzido para 2 (TX + Rx), e portas ópticas LC duplex são adotadas.

Tipo de Módulo	Distância de transmissão	Tipo de fibra	Interface Óptica	Núcleos de Fibra	Wavelength	Modulação
400G DR4	500m	PSM/SMF	MPO-12 (APC)	8	1 (1310 nm)	100G PAM4
400GFR4	2km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4
400G LR4	10km	SMF	LC	2	4 (CWDM4)	100G PAM4

Para resumir, com o advento do big data e da computação em nuvem, o rápido crescimento do tráfego força a tecnologia de modulação de sinal a se desenvolver em uma direção mais complexa. Como a tecnologia de modulação mais eficiente atualmente, o PAM4 tornou-se a tendência inevitável do desenvolvimento do módulo óptico de alta velocidade 400G. No futuro, considerando o custo, a maneira de realizar a transmissão 400G com sinais ópticos de 4 canais pode se tornar o mainstream. Ao mesmo tempo, a porta elétrica do módulo óptico pode ser gradualmente atualizada para a forma de 4x100G PAM4, o chip Gearbox é omitido, de modo a economizar consumo de energia e custo.