400G-optische Module in der Datenzentrumsverbindung (DCI)

400G-Glasfasermodule in der Rechenzentrumsanbindung (DCI)

         Laut IDC-Daten werden bis 2025 voraussichtlich fast 80 % des globalen Datenverkehrs in Kern- und Edge-Servern gespeichert. Gleichzeitig wird die Wachstumsrate des Ost-West-Verkehrs innerhalb von Rechenzentren deutlich höher sein als die des Nord-Süd-Verkehrs und des Verkehrs zwischen Rechenzentren. Traditionelle Rechenzentren werden durch die Verbreitung von Cloud-Computing allmählich durch Cloud-Rechenzentren ersetzt, was die Marktnachfrage nach 400G-Glasfasermodulen erheblich stimuliert hat.

         Typischerweise passen sich die Kundenbedürfnisse an das Anwendungsszenario an. Für die Langstrecken-WDM-Übertragung ist die Leistung des Moduls ein Schlüsselfaktor für Kunden, die höhere Kapazitäten und längere Übertragungsdistanzen anstreben. Im Gegensatz dazu ist für die Kurzstreckenübertragung innerhalb von Rechenzentren die Übertragungskosten kritischer.

Um eine höhere Kapazität zu erreichen, gibt es drei Hauptansätze für 400G-Glasfasermodule zur Reduzierung der Kosten pro Bit:

 * PAM4-Technologie: Die PAM4-Technologie verbessert effektiv die Bandbreitennutzungseffizienz. Bei gleicher Baudrate ist die Bitrate eines PAM4-Signals doppelt so hoch wie die eines NRZ-Signals, wodurch die Übertragungseffizienz verbessert und die Kosten gesenkt werden.

 * Multi-Lane: Im Vergleich zur 4-Lane-Übertragung bieten 8-Lane-Übertragungslösungen Vorteile bei der Balance von Kosten und Stromverbrauch.

 * Optische Chips mit höherer Baudrate: Diese Chips erhöhen die Übertragungsraten, ohne die Übertragungsdistanz zu beeinträchtigen. Verschiedene optische Chips mit 25 Gbit/s Baudrate (DML, EML, VCSEL) werden schrittweise auf Chips mit 56 Gbit/s Baudrate aufgerüstet.

          400G-Glasfasermodule sind in Rechenzentrumsanwendungen sehr verbreitet. Beispielsweise kann das 400G QSFP-DD XDR4-Modul in 4x100G-Breakout-Anwendungen von einem QSFP28-FR-100G verwendet werden. Für DCI-Anwendungen unterstützt das 400G QSFP-DD FR4-Modul eine Übertragung von 2 km über Singlemode-Faser. Die 400G QSFP-DD LR8- und 400G QSFP-DD LR4-Module unterstützen Linklängen von bis zu 10 km durch die Übertragung von vier CWDM-Wellenlängen. Darüber hinaus kann das 400G QSFP-DD ER8-Modul, das für längere Distanzen entwickelt wurde, 40 km auf G.652 Singlemode-Glasfaserverbindungen abdecken. Die folgende Abbildung zeigt die Glasfasermodullösungen für 400G-Rechenzentrumsnetzwerke.

         Da voraussichtlich Millionen von Glasfasermodulen in 5G-Basisstationen eingesetzt werden, müssen die Betreiber dringend die Kosten für Glasfasermodule bei Investitionen in die Netzinfrastruktur senken. Darüber hinaus müssen Glasfasermodule in Telekommunikations-Transportnetzen eine Lebensdauer von über 10 Jahren haben und Übertragungsdistanzen von bis zu 80 km unterstützen, was höhere Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistung in Metro-Transportnetzwerkszenarien stellt.

        Um höhere Übertragungsraten und niedrigere Produktionskosten zu erzielen, verwenden 400G-Module für integrierte Metro-Transportnetze Technologien, die denen in Rechenzentrumsnetzwerken ähneln:

 * Module mit höherer Zuverlässigkeit: Hermetische Gehäuse werden verwendet, um die Anforderungen an eine Lebensdauer von 10 Jahren und einen Betriebstemperaturbereich von 0 bis 70 °C zu erfüllen.

 * Hochleistungs-APD-Empfänger: Verbesserte Empfängerempfindlichkeit.

 * Kohärente Technologie: Um Übertragungsdistanzen von mehr als 80 km zu erreichen, setzen 400G-Lösungen kohärente Technologie ein. Gleichzeitig mit der Entwicklung von SiP- und InP-Integrationstechnologien und der kontinuierlichen Weiterentwicklung der CMOS-Technologie entwickeln sich kohärente Module hin zu kleineren Abmessungen und geringerem Stromverbrauch. Der geringe Stromverbrauch und die geringe Größe von 400G ZR-Modulen positionieren sie für eine breite Anwendung in Metro-Edge-Access-Szenarien.

Kohärente Glasfasermodule entwickeln sich in drei Richtungen:

 * Spektrale Effizienz: Nutzung kontinuierlicher Fortschritte bei oDSP-Algorithmen zur Verbesserung der spektralen Effizienz und der Kapazität pro Faser.

 * Baudrate: Erhöhung der Baudrate pro Wellenlänge, um eine höhere Bandbreite pro Port zu erreichen und dadurch die Kosten und den Stromverbrauch pro Bit zu senken.

 * Kleinere Größe und geringerer Stromverbrauch: Einsatz integrierter optoelektronischer Komponenten, fortschrittlicher Fertigungsverfahren und spezialisierter oDSP-Algorithmen zur Reduzierung der Größe und des Stromverbrauchs von 400G-Modulen.

Schlussfolgerung

        Aktuelle Mainstream-400G-Glasfasermodule werden bereits in verschiedenen Netzwerkszenarien eingesetzt, darunter Rechenzentrumsnetzwerke, Metro-Transportnetzwerke und Langstrecken-Hochkapazitäts-Übertragungsnetzwerke. Die Anforderungen an höhere Kapazität, niedrigere Kosten pro Bit und geringeren Stromverbrauch treiben Glasfasermodule in Richtung noch höherer Datenraten.