Modulación coherente vs. PAM4 en transmisión óptica de 800G

La modulación coherente, utilizada en la comunicación óptica coherente, implica alterar la frecuencia, fase y amplitud del portador óptico para transmitir señales. A diferencia de la detección de intensidad, la modulación coherente requiere luz coherente, con frecuencia y fase definidas, y se utiliza principalmente para transmisiones de alta velocidad y larga distancia.

PAM4 se aplica en transmisiones de alta velocidad a distancias cortas y medianas, lo que la hace muy adecuada para las conexiones internas de los centros de datos de próxima generación.

Tomando como ejemplo el transceptor óptico 400G FS:

• 400G QSFP-DD SR8: Adopta una modulación PAM4 de 50Gbps con un rango de transmisión de hasta 100m, ampliamente utilizado en conexiones e interconexiones directas de 400G en centros de datos.

• 400G QSFP-DD DR4: Modulado con PAM4 a 100Gbps, ofrece una distancia de transmisión de hasta 500m, adecuado para conexiones e interconexiones directas de 400G en centros de datos.

• 400G QSFP-DD FR4/LR4: Modulado con PAM4 a 100Gbps, logrando distancias de transmisión de hasta 2km y 10km, respectivamente.

En escenarios de interconexión de centros de datos (DCI) de largo alcance, PAM4 enfrenta competencia de la modulación coherente basada en el protocolo 400ZR. Esta modulación coherente opera a tasas de baudios alrededor de 60Gbaud con modulación dual polarizada 16QAM (DP-16QAM), soportando tasas de una sola longitud de onda de 400Gbps o superiores. La modulación coherente requiere láseres de línea ultra estrecha, moduladores I/Q y receptores coherentes, lo que permite distancias de transmisión más largas en comparación con PAM4. A pesar de tasas de baudios similares, la transmisión coherente permite la codificación de más datos en una sola longitud de onda, compensando el uso de múltiples longitudes de onda y láseres más simples de PAM4.

A medida que las tasas de los centros de datos avanzan hacia la era de 800G, la distinción entre las tecnologías PAM4 y coherentes disminuye. La competitividad de cada tecnología depende de factores como el costo y el consumo de energía.

Elección entre InP y fotónica de silicio

Una forma directa de duplicar la velocidad de datos, manteniendo la misma tasa de baudios, implica actualizar el hardware. Por ejemplo, PAM4 puede aprovechar 4 u 8 longitudes de onda de 100G/200G, mientras que la modulación coherente puede utilizar dos longitudes de onda de 400G.

Otro enfoque es aumentar la tasa de baudios, como duplicarla a aproximadamente 110G baudios, logrando así un aumento general de la tasa de 400 a 800Gbps. En el contexto de la tecnología coherente, la elección entre InP (fosfuro de indio) o la fotónica de silicio para el modulador y receptor I/Q resulta crucial. A pesar de ser rentable, la fotónica de silicio muestra un rendimiento inferior. Se destaca por sus altos voltajes pico y su ancho de banda limitado. Por otro lado, InP presume bajos voltajes pico y un ancho de banda superior, pero con un costo más elevado.

Para PAM4, una opción viable es un EML (láser modulado por electroabsorción) modulado indirectamente con un láser de fosfuro de indio (InP) incorporado. Alternativamente, se pueden emplear conjuntos integrados con moduladores fotónicos de silicio y matrices láser de InP. Al igual que en las soluciones coherentes, las desventajas de la fotónica de silicio, incluidos los altos voltajes pico y el ancho de banda inferior, se contrarrestan con su ventaja de costo.

Tanto en las tecnologías PAM4 como coherentes, los transceptores de InP tienden a ser más caros, mientras que la fotónica de silicio presenta una alternativa más económica.

Coherent vs. PAM4 en transmisión de alta velocidad

En lo que respecta al consumo de energía, con la evolución de la tecnología de chips desde 7nm hasta 5nm e incluso 3nm, la mejora no se limita a un aumento en las tasas de procesamiento DSP. También se extiende a un rendimiento superior en la reducción de energía. Como se ilustra en el gráfico a continuación, la tecnología coherente de 100G muestra una eficiencia energética casi 10 veces mejor que la PAM4 de 100G. Sin embargo, esta disparidad disminuye notablemente en aplicaciones de 800G basadas en nodos de 5nm. El gráfico muestra el rendimiento energético de los DSPs coherentes y PAM4 en varios nodos CMOS.

Varias empresas han validado experimentalmente estos enfoques. FS sostiene que a medida que los rendimientos mejoren y los costos disminuyan, el enfoque coherente, que solo requiere un láser, modulador y receptor, puede lograr una competitividad en costos comparable a PAM4. Esto sigue siendo cierto incluso a medida que los dispositivos ópticos se vuelven más intrincados. La mayor flexibilidad y rendimiento alcanzable con soluciones coherentes pueden entonces ocupar un lugar destacado. Mientras que PAM4, con cuatro láseres, moduladores y receptores relativamente sencillos, podría enfrentar una mayor complejidad a 800G, sigue siendo hábil para reducir rápidamente los costos y mantener la competitividad en comparación con las soluciones coherentes.

En resumen, la competencia entre las tecnologías de transmisión coherentes y PAM4 está en curso, y desarrollos futuros determinarán el enfoque predominante.