Optische 800G-Übertragung: Kohärente Modulation oder PAM4

Bei der kohärenten Modulation, die in der kohärenten optischen Kommunikation eingesetzt wird, werden die Frequenz, Phase und Amplitude des optischen Trägers verändert, um Signale zu übertragen. Im Gegensatz zur Intensitätsdetektion erfordert die kohärente Modulation kohärentes Licht mit definierter Frequenz und Phase und wird hauptsächlich für Hochgeschwindigkeits- und Langstreckenübertragungen verwendet.

PAM4 wird für Hochgeschwindigkeitsübertragungen über kurze bis mittlere Entfernungen eingesetzt und eignet sich daher gut für die internen Verbindungen von Next-Gen-Rechenzentren.

Nehmen wir den optischen 400G-Transceiver von FS als Beispiel:

• 400G QSFP-DD SR8: Verwendet 50 Gbps PAM4-Modulation mit einer Übertragungsreichweite von bis zu 100 m, weit verbreitet in 400G-Direktverbindungen und 400G-Verbindungen in Rechenzentren.

• 400G QSFP-DD DR4: Moduliert mit 100 Gbps PAM4 und bietet eine Übertragungsreichweite von bis zu 500 m, geeignet für 400G-Direktverbindungen und 40G-Zusammenschaltungen in Rechenzentren.

• 400G QSFP-DD FR4/LR4: Moduliert mit 100 Gbps PAM4, erreicht Übertragungsdistanzen von bis zu 2 km bzw. 10 km.

In DCI-Szenarien (Data Center Interconnect) mit großer Reichweite steht PAM4 im Wettbewerb mit der kohärenten Modulation auf der Grundlage des 400ZR-Protokolls. Diese kohärente Modulation arbeitet mit Baudraten um 60G Baud mit Dual-Polarized-16QAM (DP-16QAM) und unterstützt Single-Wellenlängenraten von 400 Gbps oder mehr. Die kohärente Modulation erfordert Laser mit extrem schmaler Linienbreite, I/Q-Modulatoren und kohärente Empfänger, die im Vergleich zu PAM4 längere Übertragungsstrecken ermöglichen. Trotz ähnlicher Baudraten ermöglicht die kohärente Übertragung die Codierung von mehr Daten in einer einzigen Wellenlänge und kompensiert damit die Verwendung mehrerer Wellenlängen und einfacherer Laser bei PAM4.

Wenn die Übertragungsraten in Rechenzentren auf die 800G-Ära zusteuern, wird der Unterschied zwischen PAM4 und kohärenten Technologien immer geringer. Die Wettbewerbsfähigkeit der einzelnen Technologien hängt von Faktoren wie Kosten und Stromverbrauch ab.

InP oder Silizium-Photonik?

Eine einfache Methode zur Verdoppelung der Datenrate bei gleichbleibender Baudrate ist die Aufrüstung der Hardware. So kann PAM4 beispielsweise entweder 4 oder 8 Wellenlängen von 100G/200G nutzen, während die kohärente Modulation zwei 400G-Wellenlängen verwenden kann.

Ein anderer Ansatz besteht darin, die Baudrate zu erhöhen, z. B. durch Verdoppelung auf etwa 110G Baud, wodurch eine Erhöhung der Gesamtrate von 400 auf 800 Gbps erreicht wird. Im Zusammenhang mit der kohärenten Technologie ist die Wahl zwischen InP (Indiumphosphid) oder Silizium-Photonik für den I/Q-Modulator und -Empfänger von entscheidender Bedeutung. Silizium-Photonik ist zwar kostengünstig, hat aber eine geringere Leistung. Es zeichnet sich durch hohe Spitzenspannungen und eine begrenzte Bandbreite aus. Im Gegensatz dazu bietet InP niedrige Spitzenspannungen und eine höhere Bandbreite, ist aber teurer.

Für PAM4 ist ein indirekt modulierter EML (elektroabsorptionsmodulierter Laser) mit einem eingebauten InP-Laser (Indiumphosphid) eine praktikable Option. Alternativ kann auch ein integriertes Array mit Silizium-Photonikmodulatoren und InP-Laser-Arrays verwendet werden. Ähnlich wie bei kohärenten Lösungen werden die Nachteile der Silizium-Photonik, einschließlich hoher Spitzenspannungen und geringerer Bandbreite, durch ihren Kostenvorteil ausgeglichen.

Sowohl bei der PAM4- als auch bei der kohärenten Technologie sind InP-Transceiver tendenziell teurer, während die Silizium-Photonik eine kostengünstigere Alternative darstellt.

Kohärent vs. PAM4 in der Hochgeschwindigkeitsübertragung

Was den Stromverbrauch betrifft, so beschränkt sich die Entwicklung der Chiptechnologie von 7 nm auf 5 nm und sogar 3 nm nicht nur auf eine Steigerung der DSP-Verarbeitungsraten. Sie erstreckt sich auch auf eine überlegene Leistung bei der Leistungsreduzierung. Wie in der folgenden Grafik dargestellt, weist die kohärente 100G-Technologie eine fast 10-mal bessere Energieeffizienz auf als 100G PAM4. Diese Diskrepanz verringert sich jedoch in 800G-Anwendungen die auf 5nm-Knoten basieren deutlich. Das Diagramm zeigt die Leistung von kohärenten und PAM4-DSPs in verschiedenen CMOS-Knoten.

Mehrere Unternehmen haben diese Ansätze experimentell überprüft. FS geht davon aus, dass der kohärente Ansatz, der nur einen Laser, einen Modulator und einen Empfänger benötigt, bei steigenden Erträgen und sinkenden Kosten eine mit PAM4 vergleichbare Wettbewerbsfähigkeit erreichen kann. Dies gilt selbst dann, wenn die optischen Geräte immer komplizierter werden. Die höhere Flexibilität und Leistung, die mit kohärenten Lösungen erreicht werden kann, kann dann in den Vordergrund gerückt werden. Obwohl PAM4 mit vier relativ einfachen Lasern, Modulatoren und Empfängern bei 800G mit einer höheren Komplexität konfrontiert sein könnte, ist es nach wie vor in der Lage, die Kosten schnell zu senken und im Vergleich zu kohärenten Lösungen wettbewerbsfähig zu bleiben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Wettbewerb zwischen kohärenten und PAM4-Übertragungstechnologien noch andauern wird, wobei künftige Entwicklungen über den vorherrschenden Trend entscheiden werden.