800G光伝送におけるコヒーレント変調とPAM4の比較

コヒーレント光学通信で使用されるコヒーレント変調は、光学キャリアの周波数、位相、および振幅を変化させて信号を送信することを伴います。 強度検出とは異なり、コヒーレント変調には、定義された周波数と位相を伴うコヒーレント光が必要であり、主に高速および長距離伝送に使用されます。

PAM4は、高レートの短い距離から中程度の送信で適用され、次世代のデータセンターの内部接続に適しています。

例として、FS 400G光学トランシーバーを使用する場合:

• 400G QSFP-DD SR8: 50Gbps PAM4変調を採用し、伝送距離は最大100mで、データセンターの400G直接接続や相互接続に広く使用されています。

• 400G QSFP-DD DR4: 100Gbps PAM4で変調され、最大500mの伝送距離を提供し、データセンターの400G直接接続や相互接続に適しています。

• 400G QSFP-DD FR4/LR4: 100Gbps PAM4で変調され、それぞれ最大2kmと10kmの伝送距離を達成します。

長距離データセンター相互接続（DCI）シナリオでは、PAM4は400ZRプロトコルに基づくコヒーレント変調との競争に直面しています。このコヒーレント変調は、二重偏波16QAM（DP-16QAM）変調で60Gbaud前後のボーレートで動作し、400Gbps以上の単一波長レートをサポートします。コヒーレント変調は、超狭線幅レーザー、I/Q変調器、コヒーレント受信機を必要とし、PAM4に比べて長い伝送距離を可能にします。同じようなボーレートにもかかわらず、コヒーレント伝送はより多くのデータの単一波長エンコーディングを可能にし、PAM4が複数の波長とより単純なレーザーを使用していることを補っています。

データセンターレートが800G時代に進むにつれて、PAM4とコヒーレントテクノロジーの区別が減少します。各技術の競争力は、コストや消費電力などの要因に依存します。

InPとシリコンフォトニクスの選択

同じボーレートを維持しながらデータレートを2倍にする1つの簡単な方法は、ハードウェアをアップグレードすることです。例えば、PAM4は100G/200Gの4波長または8波長を利用できるが、コヒーレント変調は400Gの2波長を利用できます。

もう1つのアプローチは、ボーレートを約2倍の約110Gボーに引き上げることで、全体のレートを400Gbpsから800Gbpsに引き上げることです。コヒーレント技術の文脈では、I/Q変調器とレシーバーをInP（リン化インジウム）にするかシリコンフォトニックにするかの選択が極めて重要になりました。シリコンフォトニクスは、コスト効率が高いにもかかわらず、性能は低いです。特にピーク電圧が高く、帯域幅が狭いです。逆に、InPは低いピーク電圧と優れた帯域幅を誇るが、コストが高いです。

PAM4では、リン化インジウム（InP）レーザー内蔵の間接変調EML（Electroabsorption Modulated Laser）が有効な選択肢です。あるいは、シリコンフォトニック変調器とInPレーザーアレイを統合したアレイを採用することもできます。コヒーレント・ソリューションと同様に、シリコンフォトニクスの欠点である高いピーク電圧や下帯域幅は、コストの優位性によって相殺されます。

PAM4とコヒーレント技術の両方において、InPトランシーバーは高価になる傾向があるが、シリコンフォトニクスはより低予算で済む選択肢を提示しています。

高速伝送におけるコヒーレントとPAM4の比較

消費電力に関しては、チップ技術が7nmから5nm、さらには3nmへと進化する中で、その強化はDSP処理速度の向上に限定されません。また、優れた電力削減性能にも及んでいます。下のグラフに示すように、100Gコヒーレント・テクノロジは、100G PAM4よりも10倍近く優れた電力効率を示しています。しかし、この差は5nmノードベースの800Gアプリケーションでは顕著に減少します。このグラフは、さまざまなCMOSノードにおけるコヒーレントDSPとPAM4 DSPの電力性能を示しています。

複数の企業がこれらのアプローチを実験的に検証しています。FSは、収率が向上しコストが低下するにつれて、一つのレーザー、モジュレーター、およびレシーバーのみを必要とする一貫したアプローチが、PAM4と比較してコスト競争力を実現できると主張しています。これは、光デバイスがより複雑になっても成り立ちます。一貫したソリューションによって実現可能な増加した柔軟性と性能は、その後に主要な要素となるでしょう。一方、PAM4は比較的簡単なレーザー、モジュレーター、およびレシーバーを4つ使用しているため、800Gで複雑性が増すかもしれませんが、迅速なコスト削減と競争力の維持において、一貫したソリューションと比較して優れた性能を持ち続けます。

要約すると、一貫した伝送技術とPAM4伝送技術の競争は継続しており、将来の発展が優勢なアプローチを決定する可能性があります。