Modulation Cohérente vs. PAM4 dans la Transmission Optique 800G

La modulation cohérente, utilisée dans les communications optiques cohérentes, consiste à modifier la fréquence, la phase et l'amplitude de la porteuse optique pour transmettre des signaux. Contrairement à la détection d'intensité, la modulation cohérente nécessite une lumière cohérente, avec une fréquence et une phase définies, et est principalement utilisée pour les transmissions à grande vitesse et sur de longues distances.

PAM4 trouve son application dans les transmissions à haut débit et à courte ou moyenne distance, ce qui le rend bien adapté aux connexions internes des centres de données de la prochaine génération.

Prenons l'exemple de l'émetteur-récepteur optique FS 400G :

• 400G QSFP-DD SR8 : adopte la modulation 50Gbps PAM4 avec une distance de transmission allant jusqu'à 100m, largement utilisée dans les connexions directes et les interconnexions des centres de données 400G.

• 400G QSFP-DD DR4 : modulé avec 100Gbps PAM4, offrant une distance de transmission allant jusqu'à 500m, adapté aux connexions et interconnexions directes 400G des centres de données.

• 400G QSFP-DD FR4/LR4 : Modulé avec 100Gbps PAM4, permettant des distances de transmission allant jusqu'à 2km et 10km, respectivement.

Dans les scénarios d'interconnexion de centres de données (DCI) à longue portée, le PAM4 est concurrencé par la modulation cohérente basée sur le protocole 400ZR. Cette modulation cohérente fonctionne à des vitesses de transmission d'environ 60 Gbaud avec une modulation 16QAM à double polarisation (DP-16QAM), prenant en charge des débits de 400 Gbps ou plus pour une seule longueur d'onde. La modulation cohérente nécessite des lasers à largeur de ligne ultra-fine, des modulateurs I/Q et des récepteurs cohérents, ce qui permet des distances de transmission plus longues que pour le PAM4. Malgré des vitesses de transmission similaires, la transmission cohérente permet d'encoder davantage de données sur une seule longueur d'onde, ce qui compense l'utilisation de plusieurs longueurs d'onde et de lasers plus simples dans le cas de la PAM4.

Au fur et à mesure que les centres de données progressent vers le 800G, la distinction entre les technologies PAM4 et cohérentes s'estompe. La compétitivité de chaque technologie dépend de facteurs tels que le coût et la consommation d'énergie.

Choisir entre la Photonique InP et la Photonique Silicium

Une méthode simple pour doubler le débit de données, tout en conservant la même vitesse de transmission, consiste à mettre à niveau le matériel. Par exemple, le PAM4 peut exploiter 4 ou 8 longueurs d'onde de 100G/200G, tandis que la modulation cohérente peut utiliser deux longueurs d'onde de 400G.

Une autre méthode consiste à augmenter le débit en bauds, par exemple en le doublant pour atteindre environ 110G bauds, ce qui permet d'augmenter le débit global de 400 à 800Gbps. Dans le contexte de la technologie cohérente, le choix entre InP (phosphure d'indium) et photonique de silicium pour le modulateur I/Q et le récepteur devient crucial. La photonique au silicium, bien que rentable, est moins performante. Elle se distingue par des tensions de crête élevées et une largeur de bande limitée. À l'inverse, InP présente des tensions de crête faibles et une largeur de bande supérieure, mais son coût est plus élevé.

Pour PAM4, un EML (Electroabsorption Modulated Laser) à modulation indirecte avec un laser à phosphure d'indium (InP) intégré est une option viable. Il est également possible d'utiliser un réseau intégré comprenant des modulateurs photoniques au silicium et des réseaux de lasers au phosphure d'indium. Comme pour les solutions cohérentes, les inconvénients de la photonique au silicium, notamment les tensions de crête élevées et la largeur de bande inférieure, sont contrebalancés par son coût avantageux.

Dans les technologies PAM4 et cohérentes, les émetteurs-récepteurs InP ont tendance à être plus coûteux, alors que la photonique au silicium constitue une alternative plus économique.

Transmission Cohérente ou PAM4 à Haut Débit

En ce qui concerne la consommation d'énergie, avec l'évolution de la technologie des puces de 7 nm à 5 nm et même à 3 nm, l'amélioration ne se limite pas à une augmentation des taux de traitement DSP. Elle s'étend également à des performances supérieures en matière de réduction de la consommation d'énergie. Comme le montre le graphique ci-dessous, la technologie cohérente 100G présente une efficacité énergétique près de 10 fois supérieure à celle de la technologie 100G PAM4. Toutefois, cette disparité diminue considérablement dans les applications 800G basées sur des nœuds en 5 nm. Le graphique illustre les performances en matière de consommation d'énergie des DSP cohérents et PAM4 dans différents nœuds CMOS.

De nombreuses entreprises ont validé expérimentalement ces méthodes. FS affirme qu'avec l'amélioration des rendements et la diminution des coûts, l'approche cohérente, qui ne nécessite qu'un seul laser, un seul modulateur et un seul récepteur, peut atteindre une compétitivité en termes de coûts comparable à celle du PAM4. Cela reste vrai même si les dispositifs optiques deviennent plus complexes. La flexibilité et les performances accrues des solutions cohérentes peuvent alors passer au premier plan. Alors que le PAM4, avec quatre lasers, modulateurs et récepteurs relativement simples, peut être confronté à une complexité accrue à 800G, il parvient à réduire rapidement les coûts et à rester compétitif par rapport aux solutions cohérentes.

En résumé, la concurrence entre les technologies de transmission cohérente et PAM4 se poursuit, et les développements futurs sont susceptibles de déterminer la méthode qui prédominera.