Aplicação de transceptor óptico de 800 Gbit/s

Previsão de mercado e cenários de aplicação

O surgimento de novos serviços, como realidade virtual (VR) 4K, Internet das Coisas e computação em nuvem, impôs requisitos mais elevados em largura de banda de rede, simultaneidade e desempenho em tempo real. De acordo com a previsão da Omdia, à medida que a demanda por largura de banda continuar a aumentar nos próximos anos, embora o transceptor óptico de 100, 200 e 400 Gbit/s ainda tenha a maior participação de mercado, o transceptor óptico de 800 Gbit/s será implantado em grande escala em 2025.

Figura 1: Diagrama da arquitetura de rede 800GE

Conforme mostrado na Figura 1, de acordo com a estrutura da rede 800 GE, a distância de conexão do switch topo de rack (TOR) ao switch Leaf pode ser tão curta quanto dezenas de metros ou até centenas de metros. Para esta parte da conexão, as grandes empresas de Internet geralmente adotam a tecnologia de conexão de 100 Gbit/s e têm atualizado gradualmente para a tecnologia de 200 Gbit/s ou 400 Gbit/s a partir de 2021. Algumas empresas líderes iniciaram testes da tecnologia de 800 Gbit/s em 2023. A conexão do switch Leaf ao Spine, ou do switch Spine ao roteador central, pode resolver o problema de interconexão dentro de um campus ou entre campi adjacentes. A distância de conexão pode chegar a 2 km ou até 10 km. A taxa de interface foi gradualmente atualizada de 100 Gbit/s para 200 Gbit/s ou 400 Gbit/s a partir de 2021. Interconexão de data center (DCI) geralmente se refere à conexão entre vários data centers adjacentes para balanceamento de carga ou backup de recuperação de desastres. A distância de conexão pode chegar a dezenas de quilômetros. Para uma distância tão longa, uma vez que os recursos de fibra óptica são relativamente preciosos, as pessoas usam principalmente multiplexação por divisão de comprimento de onda densa, além de comunicação coerente, para reutilizar os recursos de fibra óptica tanto quanto possível. Dividimos os cenários de aplicação do transceptor óptico de 800 Gbit/s em SR (cenário de 100 m), DR/FR/LR (cenário de 500 m/2 km/10 km) e ER/ZR (cenário de 40 km/80 km).

Solução técnica

Visão Geral do Programa

A evolução da solução técnica de 800 Gbit/s inclui 3 gerações. A primeira geração é de 8 soluções ópticas e 8 elétricas: a interface óptica é 8×100 Gbit/s, a interface elétrica é 8×100 Gbit/s e o horário comercial é 2021; A segunda geração é composta por 4 soluções ópticas e 8 elétricas: interface óptica 4×200 Gbit/s, interface elétrica 8×100 Gbit/s, disponível comercialmente em 2024; A terceira geração é composta por 4 soluções ópticas e 4 elétricas: interface óptica 4×200 Gbit/s, interface elétrica 8×100 Gbit/s, com previsão de estar comercialmente disponível em 2026. No longo prazo (dentro de 5 anos), óptica/elétrica a tecnologia de canal único de 200 Gbit/s será popularizada; No curto prazo (dentro de 3 anos), uma vez que os dispositivos de chip optoeletrônico de 200 Gbit/s de canal único e a tecnologia de equalização ainda não estão maduros, a indústria ainda precisa de tempo para superar os gargalos técnicos relevantes.

Interface elétrica e embalagem

Podemos dizer a partir do desenvolvimento da modulação direta de 100 Gbit/s e do transceptor óptico de detecção direta, quando a taxa de canal único da interface elétrica é a mesma da interface óptica, a arquitetura do transceptor óptico atingirá o estado ideal com as vantagens de baixo consumo de energia e baixo custo. Uma interface elétrica de 100 Gbit/s de canal único será a interface elétrica ideal para transceptor óptico de 8×100 Gbit/s, e uma interface elétrica de 200 Gbit/s de canal único será a interface elétrica ideal para 4×200 Gbit/s transceptor óptico. Em termos de embalagem, o transceptor óptico de 800 Gbit/s pode existir em diferentes formas, como conectável de fator de forma pequeno quádruplo de dupla densidade (QSFPDD800) e conectável de fator de forma pequeno octal (OSFP). Devido a fatores como a fiação dentro do módulo e a perda do conector, o transceptor óptico conectável baseado em interfaces elétricas de 200 Gbit/s ainda enfrenta muitos desafios.

Interface Óptica

Existem três tipos principais de arquiteturas de interface óptica de transceptor óptico de 800 Gbit/s, conforme mostrado na Figura 2. (1) Transceptor óptico de modulação de amplitude de pulso de 8 níveis (PAM100) de 4 × 4 Gbit/s: O transceptor PAM4 opera a 53 Gbd e usa 8 pares de conversores digital para analógico (DACs) e conversores analógico para digital (ADCs), 8 lasers, 8 pares de transceptores ópticos e 1 par de multiplexador de divisão de comprimento de onda grosso (CWDM) de 8 canais ou Ethernet multiplexação por divisão de comprimento de onda baseada em canal (LAN-WDM) (dependendo da perda de dispersão da fibra), multiplexador e demultiplexador (não necessário para cenários de aplicação SR/DR). (2) Transceptor óptico PAM4 de 200 × 4 Gbit/s: O transceptor PAM4 opera a 106 Gbd, usando 4 pares de DACs e ADCs, 4 pares de transceptores ópticos (incluindo 4 lasers) e 1 par de CWDM ou LAN de 4 canais -Multiplexador e demultiplexador WDM (dependendo da perda de dispersão da fibra) (não necessário para cenários de aplicação SR/DR). (3) Módulo óptico coerente de 800 Gbit/s: opera a 128 Gbd sob modulação de amplitude de dezesseis quadraturas de polarização dupla (16QAM). Ele usa 4 pares de DACs e ADCs, 1 laser e 1 par de transceptores ópticos, permitindo o uso de lasers de comprimento de onda fixo em módulos ópticos coerentes de data center para reduzir custos e consumo de energia.

Figura 2: Três arquiteturas de interface óptica de transceptor óptico de 800 Gbit/s

A solução de ajuste direto e inspeção direta de 8×100 Gbit/s pode utilizar a arquitetura técnica existente. As tecnologias e normas relevantes estão relativamente maduras e a cadeia de abastecimento também está relativamente completa. No cenário SR, a tecnologia de laser emissor de superfície de cavidade vertical (VCSEL) de 100 Gbit/s enfrenta desafios. Melhorar o desempenho das soluções multimodo e reduzir o custo da fibra óptica multimodo serão factores-chave na evolução contínua desta tecnologia. tecnologias de modo único representadas por fotônica de silício (SiPh) e lasers diretamente modulados (DML) estão se desenvolvendo rapidamente. Entre eles, a tecnologia SiPh está se desenvolvendo mais rapidamente, esperando-se que no futuro concorra com soluções multimodo em cenários de aplicação com distâncias de transmissão de 100 m ou menos. No cenário DR/FR, existem três soluções: laser modulado por eletroabsorção (EML), DML e SiPh.

Na cena LR, existem esquemas LR800 de 8 Gbit/s baseados em multiplexação por divisão de comprimento de onda grosseira (CWDM), multiplexação por divisão de comprimento de onda lan (LWDM) e multiplexação por divisão de comprimento de onda lan de banda estreita (nLWDM), que ainda estão em fase de pesquisa. Em termos de seleção de comprimento de onda, devido à grande dispersão do comprimento de onda da borda da banda O, o LWDM8 é superior ao CWDM8 em termos de penalidade de dispersão. Atualmente, soluções de ajuste direto e inspeção direta para distâncias de 10 km e acima enfrentam principalmente os desafios de dispersão do “pior caso” e correspondência de tolerância de dispersão estreita.

Construir um novo sistema de comprimento de onda e comprimir a faixa de comprimento de onda multicanal pode estreitar adequadamente a dispersão do pior caso, simplificando assim o projeto de processamento de sinal digital (DSP) e reduzindo o consumo teórico de energia. Por exemplo, a distância de dispersão limitada de uma solução de modulação direta e detecção direta de 8×100 Gbit/sPAM4 é de cerca de 10 km quando a solução LWDM com espaçamento de 800 GHz é adotada. Quando a solução nLWDM com espaçamento de 400 GHz é adotada, a distância limitada pela dispersão pode ser estendida para 20 km. Quando a solução nLWDM com espaçamento de 200 GHz é adotada, a distância limitada pela dispersão pode ser estendida para 40 km. Ao mesmo tempo, comprimir a distribuição do ponto de dispersão zero ou faixa de deriva e reduzir a faixa de dispersão correspondente também é uma das soluções. No entanto, como a distribuição dos pontos de dispersão zero dos produtos de fibra óptica de diferentes fabricantes não é uniforme, ainda é difícil realizar a compressão em larga escala.

Para a solução de modulação direta e detecção direta de 4 × 200 Gbit/s, um canal único de 200 Gbit/s continua a usar o tipo de código de modulação PAM4 e pode aproveitar as vantagens da infraestrutura industrial PAM4 relativamente madura (mas a possibilidade de nova modulação tipos de código não está descartado). Nos cenários de aplicação DR e FR de 4×200 Gbit/s, existem atualmente duas soluções técnicas: paralelo de modo único de 4 canais (PSM4) e CWDM4.

Essas duas soluções ainda enfrentam muitos desafios e requerem mais pesquisas. Para cenários de aplicação LR, existem soluções LR800 de 4 Gbit/s baseadas em CWDM, LWDM e nLWDM. Essas soluções ainda estão em fase de pesquisa e discussão e requerem dispositivos de chip optoeletrônico de alta largura de banda, tecnologia de equalização mais forte e correção direta de erros (FEC) para garantir a taxa de erro de bit corrigida (BER). A largura de banda do dispositivo de módulos ópticos coerentes de 800 Gbit/s precisa ser bastante melhorada e é difícil dobrar a largura de banda em uma única etapa. O módulo óptico coerente de 800 Gbit/s baseado em dispositivos de 96 GBd deve adotar tipos de código de modulação de ordem superior. Este método tem desvantagens como baixa relação sinal-ruído óptico (OSNR), distância de transmissão limitada e cenários de aplicação. O módulo óptico coerente de polarização dupla (DP) -128QAM baseado em 16 GBd tem melhor OSNR e capacidade de transmissão e se tornará a solução de implementação principal para 800 Gbit/s coerentes.

FEC

O FEC é geralmente dividido em três categorias: FEC ponta a ponta, FEC em cascata aninhada e FEC segmentado. Geralmente, acredita-se na indústria que a aplicação de modulação direta de 8×100 Gbit/s e solução de detecção direta dentro de uma distância de transmissão de 40 km pode ser alcançada pelo KP4 FEC ponta a ponta. Para uma distância de transmissão de 40 km, pode ser utilizado um FEC mais forte.

A solução de modulação direta e detecção direta de 4×200 Gbit/s tem uma taxa mais alta e, portanto, requer a introdução de um novo padrão BER, um novo método de codificação FEC e um equalizador mais complexo. Os grupos de trabalho IEEE 802.3 B400G SG (Institute of Electrical and Electronics Engineers 802.3 Post-400 Gbit/s Study Group) e 800G Pluggable MSA (800 Gbit/s Pluggable Multi-Source Agreement) iniciaram discussões relevantes. O método em cascata pode se tornar um novo caminho para soluções de modulação direta e detecção direta de 4×200 Gbit/s. Esta abordagem não apenas mantém o KP4 FEC e evita o custo extra de integração do novo FEC no chip principal, mas também fornece proteção adicional para o link óptico através do FEC leve e fácil de implementar no transceptor óptico, reduzindo o consumo de energia e a latência. causado pela decodificação. Em termos de desempenho de correção de erros, vários códigos internos em cascata, como KP4+BCH (144,136), podem reduzir a faixa de pós-correção para menos de 1E-13 com base na faixa de taxa de erro de bit de pré-correção de 1 a 2E-3. Ao mesmo tempo, a maior demanda por 800 Gbit/s atualmente vem de data centers OTT (operadores de Internet) e de cenários de computação de alto desempenho. Esses cenários têm altos requisitos de sensibilidade à latência. O algoritmo FEC de baixa latência tornou-se uma das principais demandas de 800 Gbit/s.

A coerência de 800 Gbit/s inclui 800 Gbit/sLR e 800 Gbit/s ZR. Portanto, precisamos projetar algoritmos FEC para diferentes cenários de aplicação. (1) O cenário 800LR requer uma rede de campus de 10 km, que possui altos requisitos de latência e consumo de energia. Atualmente, as soluções incluem cascata KP4 + eHamming/eBCH, código acoplado espacial FEC (XR-FEC), FEC agrupado (CFEC), Zipper, FEC aberto leve (OFEC), etc. a solução em cascata de modulação direta e detecção direta de 4×200 Gbit/s. A conexão entre os dois caminhos pode reduzir ainda mais a complexidade do chip principal. (2) O cenário 800ZR é usado principalmente em DCI e é uma continuação do padrão 400ZR do Optical Internetworking Forum (OIF). O 800ZR usa o formato de modulação DP-16QAM, o que representa um certo desafio à capacidade do CFEC. Pode exigir soluções FEC com capacidades de correção de erros mais fortes, como codificação multinível (MLC) e OFEC.

Tecnologia de equalização

Para atingir uma taxa de transmissão de dados de canal único de 200 Gbit/s, os chips optoeletrônicos devem passar por atualizações de desempenho, como SerDes de 200 Gbit/s, chips optoeletrônicos e dispositivos com largura de banda superior a 50 GHz, etc. , chips ópticos com larguras de banda superiores a 50 GHz são relativamente fáceis de obter. Como garantir o desempenho ideal de outros indicadores e ao mesmo tempo melhorar a largura de banda é o ponto chave a considerar. Atualmente, a largura de banda dos chips elétricos Driver e TIA não pode atender aos requisitos de taxa e também requer recursos de balanceamento. Ao melhorar sua própria largura de banda, esses chips eletrônicos precisam alcançar efeitos de otimização de sinal em nível de sistema. A tecnologia de equalização eficiente pode relaxar bastante os requisitos do sistema quanto à largura de banda dos dispositivos optoeletrônicos.

As técnicas de equalização comuns incluem equalização feed-forward (FFE), equalização de feedback de decisão (DFE) e equalização de sequência de máxima verossimilhança (MLSE). Entre eles, o FFE é amplamente utilizado em sistemas SerDes e chips DSP de sinal óptico (oDSP) devido à sua implementação simples. A fim de aliviar a demanda por largura de banda de dispositivo optoeletrônico de 200 Gbit/s de canal único, por um lado, a tecnologia de pré-equalização FFE pode ser usada no transmissor para compensar a largura de banda do dispositivo transmissor; por outro lado, uma tecnologia de equalização mais poderosa pode ser aplicada no oDSP para aliviar o impacto da limitação da largura de banda na degradação do desempenho do sistema. Para a equalização FFE de 5 taps usada no padrão de comprimento de onda único de 100 Gbit/s, quando a taxa é aumentada para 200 Gbit/s, o número de taps FFE aumentará. Embora um algoritmo de equalização MLSE de maior desempenho também possa ser usado como solução, a implementação do MLSE é mais complexa e requer uma grande quantidade de computação, o que aumentará o consumo de energia do oDSP.