Modulazione coerente vs. PAM4 nella trasmissione ottica 800G

La modulazione coerente, utilizzata nelle comunicazioni ottiche coerenti, consiste nell'alterare la frequenza, la fase e l'ampiezza della portante ottica nella trasmissione di segnali. A differenza del rilevamento dell'intensità, la modulazione coerente richiede luce coerente, con frequenza e fase definite, ed è utilizzata principalmente per trasmissioni ad alta velocità e a lunga distanza.

PAM4 trova applicazione nelle trasmissioni ad alta velocità e a breve e media distanza, rendendolo adatto alle connessioni interne dei data center di prossima generazione.

Prendiamo ad esempio il transceiver ottico FS 400G:

• QSFP-DD SR8 400G: Adotta la modulazione PAM4 a 50 Gbps con una portata di trasmissione fino a 100 m, ampiamente utilizzata nelle connessioni dirette e nelle interconnessioni 400G dei data center.

• QSFP-DD DR4 400G: Modulata con 100Gbps PAM4, offre una distanza di trasmissione fino a 500m, adatta alle connessioni dirette e alle interconnessioni 400G dei data center.

• QSFP-DD FR4/LR4 400G: Modulati con PAM4 a 100 Gbps, raggiungono distanze di trasmissione fino a 2 km e 10 km, rispettivamente.

Negli scenari di Data Center Interconnect (DCI) a lunga distanza, PAM4 deve affrontare la concorrenza della modulazione coerente basata sul protocollo 400ZR. Questa modulazione coerente opera a velocità di trasmissione di circa 60 Gbaud con modulazione 16QAM a doppia polarizzazione (DP-16QAM), supportando velocità a singola lunghezza d'onda di 400 Gbps o superiori. La modulazione coerente richiede laser a larghezza di linea ultraridotta, modulatori I/Q e ricevitori coerenti, consentendo distanze di trasmissione maggiori rispetto al PAM4. Nonostante i baud rate simili, la trasmissione coerente consente la codifica a singola lunghezza d'onda di un maggior numero di dati, compensando l'uso di lunghezze d'onda multiple e di laser più semplici di PAM4.

Con l'avanzamento delle velocità dei data center verso l'era 800G, la distinzione tra tecnologie PAM4 e coerenti diminuisce. La competitività di ciascuna tecnologia dipende da fattori quali il costo e il consumo energetico.

Scelta tra fotonica InP e silicio

Un metodo semplice per raddoppiare la velocità dei dati, mantenendo lo stesso baud rate, consiste nell'aggiornare l'hardware. Ad esempio, PAM4 può sfruttare 4 o 8 lunghezze d'onda di 100G/200G, mentre la modulazione coerente può utilizzare due lunghezze d'onda di 400G.

Un altro approccio consiste nell'aumentare la velocità di trasmissione, ad esempio raddoppiandola a circa 110G baud, ottenendo così un aumento della velocità complessiva da 400 a 800Gbps. Nel contesto della tecnologia coerente, la scelta tra InP (fosfuro di indio) o silicio fotonico per il modulatore e il ricevitore I/Q diventa fondamentale. Il silicio fotonico, pur essendo conveniente, presenta prestazioni inferiori. Si distingue per le alte tensioni di picco e la larghezza di banda limitata. Al contrario, l'InP vanta basse tensioni di picco e una larghezza di banda superiore, ma ha un costo più elevato.

Per PAM4, un EML (Electroabsorption Modulated Laser) a modulazione indiretta con un laser al fosfuro di indio (InP) incorporato è un'opzione valida. In alternativa, è possibile utilizzare un array integrato di modulatori fotonici al silicio e array di laser InP. Come per le soluzioni coerenti, gli svantaggi della fotonica al silicio, tra cui le alte tensioni di picco e la larghezza di banda inferiore, sono controbilanciati dal suo vantaggio in termini di costi.

Sia nelle tecnologie PAM4 che in quelle coerenti, i transceiver InP tendono ad essere più costosi, mentre la fotonica al silicio rappresenta un'alternativa più economica.

Coerente vs. PAM4 nella trasmissione ad alta velocità

Per quanto riguarda il consumo energetico, con l'evoluzione della tecnologia dei chip da 7 nm a 5 nm e persino a 3 nm, il miglioramento non si limita a un aumento delle velocità di elaborazione DSP. Si estende anche a prestazioni superiori di riduzione della potenza. Come illustrato nel grafico seguente, la tecnologia coerente 100G dimostra un'efficienza energetica quasi 10 volte superiore a quella del 100G PAM4. Tuttavia, questa disparità diminuisce notevolmente nelle applicazioni 800G basate su nodi a 5 nm. Il grafico delinea le prestazioni di potenza dei DSP Coherent e PAM4 nei vari nodi CMOS.

Diverse aziende hanno convalidato sperimentalmente questi approcci. FS sostiene che, con il miglioramento dei rendimenti e la riduzione dei costi, l'approccio coerente, che richiede solo un laser, un modulatore e un ricevitore, può raggiungere una competitività dei costi paragonabile a quella del PAM4. Questo vale anche se i dispositivi ottici diventano più complessi. La maggiore flessibilità e le prestazioni ottenibili con le soluzioni coerenti possono quindi essere messe in primo piano. Sebbene PAM4, con quattro laser, modulatori e ricevitori relativamente semplici, possa trovarsi di fronte a una maggiore complessità a 800G, resta comunque in grado di ridurre rapidamente i costi e mantenere la competitività rispetto alle soluzioni coerenti.

In sintesi, la competizione tra le tecnologie di trasmissione coerenti e PAM4 è in corso e gli sviluppi futuri sono destinati a determinare l'approccio prevalente.