Wie wird die Kommunikationsleistung optischer Transceiver bestimmt? Eine Erklärung von bps, bps/Lane und Baudrate.

Optische Transceiver verwenden verschiedene Kennzahlen zur Beschreibung ihrer Kommunikationsleistung, beispielsweise 800 Gbit/s, 200 Gbit/s/Lane und 100 GBaud. Diese geben die Gesamtübertragungsgeschwindigkeit des Transceivers, die Übertragungsgeschwindigkeit pro Lane bzw. die Signalumschaltrate an. Dieser Artikel erläutert die Kennzahlen Bit/s (bps), Bit/s/Lane und Baudrate sowie die Faktoren, die die steigende Geschwindigkeit optischer Transceiver bedingen.

Die Leistungsfähigkeit optischer Transceiver verstehen: Was sind die drei wichtigsten Kennzahlen – bps, bps/Lane und Baudrate?

Bei optischen Datenkommunikations-Transceivern bestimmt das Verhältnis von Bit/s (bps), Bit/s/Kanal (bps/Lane) und Baudrate die benötigte Anzahl an Glasfasern und die Transceiver-Konfiguration. Die folgende Tabelle fasst die Zusammenhänge dieser Kennzahlen zusammen, basierend auf der einfachsten Singlemode-Konfiguration, bei der jede Glasfaser eine einzelne Wellenlänge überträgt (ein Kommunikationskanal pro Glasfaser). *Hinweis: Die Baudratenwerte sind theoretische Werte, die auf dem PAM4-Modulationsformat beruhen. (Weitere Details finden Sie im späteren Abschnitt.)

Bei gleicher Transceiver-Geschwindigkeit (Bit/s) ermöglicht eine Erhöhung der Bit/s-Zahl pro Kanal die Reduzierung der benötigten Glasfasern. Umgekehrt benötigen Konfigurationen mit einer niedrigeren Bit/s-Zahl pro Kanal mehr Glasfasern und sind daher hinsichtlich Montagefläche und Stromverbrauch weniger vorteilhaft. Um diese Unterschiede zu verstehen, untersucht dieser Abschnitt zunächst den Zusammenhang zwischen Bit/s, Bit/s-Zahl pro Kanal und Baudrate.

(1) Was stellt die Kommunikationsgeschwindigkeit (bps) eines optischen Transceivers dar?
Bit pro Sekunde (bps) ist eine Geschwindigkeitskennzahl, die die Gesamtkapazität eines optischen Transceivers angibt. Sie repräsentiert die Datenmenge, die pro Sekunde übertragen und empfangen werden kann. In den Spezifikationen optischer Transceiver wird sie verwendet, um die Gesamtkommunikationsgeschwindigkeit des Produkts zu kennzeichnen. Gängige Werte für aktuelle Produkte sind 400 Gbit/s und 800 Gbit/s, während Produkte der nächsten Generation 1,6 Tbit/s und sogar 3,2 Tbit/s unterstützen. Derzeit ist 800 Gbit/s die gängigste Kommunikationsgeschwindigkeit für Rechenzentrumsanwendungen, und die Serienproduktion von 1,6-Tbit/s-Produkten hat bereits begonnen.

(2) Warum bps/Spur selbst bei gleicher bps-Zahl einen Unterschied macht
Eine Lane ist ein unabhängiger Signalpfad, der bei paralleler Übertragung genutzt wird und als einzelner Kanal betrachtet werden kann, durch den Daten fließen. Dementsprechend gibt bps/Lane die Datenübertragungsrate eines einzelnen Signalpfads an. Bei modernen optischen Transceivern ist eine höhere bps/Lane entscheidend für kleinere Bauformen, geringeren Stromverbrauch und höhere Übertragungsgeschwindigkeiten.

Aktuell werden optische 800-Gbit/s-Transceiver mit einer Wellenlänge üblicherweise in zwei Konfigurationen eingesetzt. Die eine verwendet acht Lanes mit 100 Gbit/s pro Lane, die andere vier Lanes mit 200 Gbit/s pro Lane. Die Anzahl der Lanes bezieht sich hier auf die Anzahl der Signalkanäle und somit auf die Anzahl der optischen Fasern, die Daten senden oder empfangen. Obwohl beide Konfigurationen eine Gesamtübertragungsgeschwindigkeit von 800 Gbit/s ermöglichen, unterscheiden sich ihre internen Architekturen deutlich. Die 200-Gbit/s-Konfiguration halbiert die Anzahl der benötigten Lanes sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite. Dies reduziert den Platzbedarf der Komponenten und trägt zu einem geringeren Stromverbrauch bei. Da diese Konfiguration jedoch Signale mit höherer Geschwindigkeit verarbeiten muss, sind ihre Signalformen anfälliger für Verzerrungen durch Signalverschlechterung und Rauschen. Daher erfordert sie eine fortschrittliche Signalverarbeitung sowie leistungsstarke Sender- und Empfängerbauelemente, was die technische Herausforderung erhöht.

(3) Die Beziehung zwischen Baudrate und bps/Spur
Die Baudrate (Einheit: Bd) gibt die Anzahl der pro Sekunde übertragenen Signalzustände (Symbole) an. In der optischen Datenkommunikation wurden in herkömmlichen Systemen üblicherweise IMDD-Verfahren (Intensity Modulation Direct Detection) eingesetzt, die 1 Bit pro Symbol übertragen. In den letzten Jahren hat sich jedoch auch das PAM4-Modulationsverfahren durchgesetzt, das 2 Bit pro Symbol übertragen kann. Wie bereits erwähnt, repräsentiert ein Symbol einen Signalzustand. Da PAM4 vier verschiedene Signalpegel (Zustände) verwendet, kann jedes Symbol 2 Bit Information übertragen. Für PAM4 gilt daher die folgende Beziehung.
bps/Spur = Baudrate × 2
Wird beispielsweise die PAM4-Modulation verwendet, ermöglicht eine Baudrate von 200 Gbaud eine Übertragung mit 400 Gbit/s pro Lane.

Nachdem wir die drei wichtigsten Kennzahlen – bps, bps/lane und Baudrate – erläutert haben, wollen wir uns nun genauer mit der Kommunikationsleistung optischer Transceiver auf Basis dieser Kennzahlen befassen.

Hintergrundinformationen zur Nachfrage nach 200 Gbit/s/Lane bei optischen Transceivern in Rechenzentren

Optische Transceiver für Rechenzentren basierten lange Zeit hauptsächlich auf 100-Gbit/s-Konfigurationen. Mit dem Übergang zur 800-Gbit/s-Generation hat sich jedoch die Anzahl der benötigten Glasfasern erhöht, wodurch Herausforderungen wie größere Transceiver-Bauformen und ein höherer Stromverbrauch in den Vordergrund gerückt sind. Vor diesem Hintergrund ist die Nachfrage nach 200-Gbit/s-Technologie gestiegen, die eine Hochgeschwindigkeitskommunikation mit weniger Glasfasern ermöglicht. Dies erfordert eine verbesserte Leistung der verschiedenen Komponenten eines optischen Transceivers, darunter Laserquellen, Fotodioden (PDs) und digitale Signalprozessoren (DSPs).

Die 200-Gbit/s-Technologie pro Lane entwickelt sich stetig weiter und findet zunehmend Anwendung in optischen Transceivern mit 800 Gbit/s und 1,6 Tbit/s. Zukünftig werden optische Transceiver der nächsten Generation mit 3,2 Tbit/s voraussichtlich eine noch schnellere 400-Gbit/s-Technologie pro Lane benötigen.

Die Herausforderungen bei der Realisierung der 400-Gbit/s/Lane-Technologie

Wenn die 400-Gbit/s-Technologie, eine Weiterentwicklung der 200-Gbit/s-Technologie, realisiert werden kann, ermöglicht sie Kommunikationskapazitäten von 1,6 Tbit/s oder 3,2 Tbit/s bei minimaler Anzahl an Lanes pro Transceiver. Ihre Realisierung ist jedoch mit deutlich größeren technischen Herausforderungen verbunden als je zuvor.

Insbesondere die 400-Gbit/s-Technologie erfordert eine höhere Bandbreite und schnellere Reaktionszeiten als bestehende Lösungen. Allerdings stoßen Bauelemente auf Basis herkömmlicher Siliziummaterialien in diesen extrem schnellen Betriebsbereichen an die Grenzen ihrer Reaktionsgeschwindigkeit und Frequenzleistung. Daher wird intensiv an neuen Bauelementtechnologien auf Basis von Verbindungshalbleitern wie Indiumphosphid (InP) gearbeitet, die sich besser für den Betrieb mit extrem hohen Geschwindigkeiten eignen.

Für 400 Gbit/s pro Spur werden Fotodioden der nächsten Generation benötigt.

Die Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit optischer Transceiver für Rechenzentren erfordert Fortschritte sowohl bei den Sender- als auch bei den Empfängerkomponenten. Dazu gehört die Weiterentwicklung von Fotodioden, die Schlüsselkomponenten in Empfängern darstellen. Konventionelle oberflächenbeleuchtete PIN-Fotodioden haben Datenraten von bis zu 100 Gbit/s/Lane und 200 Gbit/s/Lane unterstützt, stoßen jedoch bei ultraschnellen Signalen der 400-Gbit/s/Lane-Klasse zunehmend an ihre Grenzen. Darüber hinaus stellen die präzise Detektion schwacher optischer Signale und Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeentwicklung im Hochgeschwindigkeitsbetrieb wichtige Herausforderungen dar.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert Fortschritte nicht nur bei den Materialien, sondern auch in der Struktur der Photodiode selbst. Bei Dexerials findet neben Hochgeschwindigkeits-Photodioden mit Indiumphosfid (InP) und Galliumarsenid (GaAs) auch Forschung und Entwicklung an Wellenleiter-Photodioden statt, die eine Struktur aufweisen, die sich von der herkömmlicher Bauelemente unterscheidet.
Weitere Informationen darüber, wie Wellenleiter-Photodioden funktionieren, finden Sie in diesem Artikel.

Der folgende Artikel bietet eine detaillierte Erklärung der Coherent Lite- und photonischen integrierten Schaltungstechnologien (PIC), von denen beide erwartet wird, dass sie in der Ära von 400 Gbit/s/Lane eine Schlüsselrolle spielen werden.
Die Ära der 1,6 T / 3,2 T beginnt: Coherent Lite-Technologie für Datacom- und PIC-Entwicklungen