到達距離10kmの「800G-LR」に向け、Coherent-Lite方式の検討を求めるGoogle

800Gで到達距離10kmの標準規格をどう実現するのか？

　前回に引き続き、2021年7月のミーティングの話。そろそろ自由に提案できる期間も終わりに近づいてきたこともあり、あわててというわけでもないにせよ、いろいろと細かな提案が目立つようになってきた。

　まずはGoogleのCedric F. Lam、Xiang Zhou、Hong Liuの3氏による"Coherent-Lite for beyond 400GbE"。800Gで到達距離10km、という仕様そのものは受け入れられているものの、その10kmをどう実現するか、がまだ検討されていないと指摘。

10kmは仕様としてあるべきだ、という話は4月ミーティングのMotion #6で可決している

　そしてGoogleは、自社のキャンパス内ネットワークのトラフィックがここ4年で10倍に膨れ上がり、オマケにキャンパス内のネットワークの距離が10kmに広がった、という指摘をしている。要するに、自社で使うために800Gで10km到達可能な標準規格をきちんと定めたい、というわけだ。

これが「Inter-Campus」なら分かるが、「Intra-Campus」というのだから恐れ入る

ところでCOVID-19の影響でCampusを減らすとか縮小するという動きは、そもそもないのだろうか？（密にならないために、拠点間距離を広げているというのは筋が通らないか）

　さて、10kmになると、CWDM4では難しいということは既に分かっている。Chromatic Dispersion Limit、あえて日本語に訳せば色分散限界となるが、要するにCWDMの場合、利用する4つの光の波長がかなり広がる。800G Pluggable MSAではCWDM4で500mのFR4を実現する予定、というのは『PSM4とCWDM4で1.6Tb/secを実現しつつ到達距離を延長する「800G Pluggable MSA」』で紹介している。

　だが、『25Gbps×4をSMF1本に集約し100Gbpsを実現、到達距離2kmの「CWDM4 MSA」と、10/20/40kmの「4WDM MSA」』で紹介した「CWDM4 MSA」はもう少し速度が遅く、1271/1291/1311/1331nmと20nm刻みの4波長でCWDM4を構成している。

　このCWDM4 MSAだと、波長あたり25Gbpsで、それでも到達距離は2kmと堅いところを狙っている。10/20/40kmの長距離に関しては「4WDM MSA」が担うのだが、こちらは10kmのみCWDM4をそのまま流用したものの、20/40kmはDWDMを採用している。

　『100Gbpsで10/20/40kmの到達距離を狙った「100G 4WDM-10/20/40」』で説明したように、波長は1295.56～1309.14nmと、4.5nm前後へと刻み幅を減らしていて、これで波長の差による特性のばらつきを抑え込んだ格好だ。

　同様の話は当然ここでも発生するわけで、100Gのままであれば5km近くまで行けるかもしれないが、200Gになれば1kmあたりが限界で、10kmなど夢のまた夢という話になる。

　チャープ制御を適切に行えば到達距離は増えるが、今度は信号損失が大きくなり過ぎるため受信側が難しくなる。要するにCWDM4はあきらめよう、という話だ。ではDWDMか？というとそうではなく、Googleは「Coherent-Lite」を提案してきた。

黒線はEML発信機を空冷のまま利用した方式、赤と青は、時間とともに周波数が変化する現象であるチャープ効果を抑えるような仕組みを組み込んだシリコンMZM発信機を使った場合。赤線は理論限界で実際は青線になるが、200Gだと3kmに届くかどうかというあたりになる

ちなみに、今回の発表者の2人にRyohei Urata氏を加えた3人で、1.6Tb/secをIM-DD PAMとCoherent PM-QAMの2方式で実現した場合の性能と問題を考察した"Beyond 1 Tb/s Intra-Data Center Interconnect Technology: IM-DD OR Coherent?"が参考文献として挙がっている

Googleが提案する「Coherent-Lite」とは？

　Coherentは以前『位相変調した光信号を復号するコヒーレント光と、波長分離多重「DWDM」を併用する「400ZR」』で紹介している。送信側からは、複数の信号を位相変調するかたちで送り出し、受信側で「LO（Local Oscillator）」と呼ばれる連続光を受信した光信号と干渉させ、そこから複素振幅を測定することでデータ列を復号するという技法だ。

　Lite、と付くのはこの簡略版（というか、今回の条件では従来のCoherent方式よりいくつか簡単にできる部分があることで、Liteと付けたらしい。その骨子では、以下の点がメリットである、としている。

• CWDMで問題になるChromatic Dispersion Limitを無視できる（利用する光の数が減るため）
• より損失の低い波長帯（ここではC-Bandとしているが、1530～1565nmあたり）を利用できる。これはDWDM技術や光アンプの進化で可能となった
• CWDM方式よりも受信感度を上げられるので、より負荷の軽いFECを利用できる
• スケーラビリティに富む（例えば光ファイバー4本で3.2T Ethernetが実現できる）
• 光経路の反射やマルチパスに対して強い

　実際の構成が以下の図だ。左が従来のCWDM4で、送信側は4つの波長に合わせて4つの光源（LD：Laser Diode）からそれぞれ出力を行い、これをWDM MUX経由で1本の光ファイバーに送り出す。受信側はまずWDM DEMUXで受けて4波長に分解後、受光器（PD：Photo Diode）でこれを受信するというもの。

　これに対しCoherent-Liteの側は、1つのLDからの出力を4つに分け、それぞれ入力信号を基に変調。さらに4つのうち2つは位相を90°回転させる。これを最終的に合成することで1つの光として送り出される格好だ。

どっちが複雑かは微妙なところ。ただ、Coherentでは確実に10kmが確保できそうな点は大きなメリットだ

　ちなみに、ここでPBSはPolarization Beam Splitter（偏波分離器）の略である。受信側は逆にまずPBSで受けたあとで2つに分波させ、それぞれ90°の光ハイブリッド（LOとの干渉を検出する装置）を経由して4波長に分離するという仕組みだ。Coherentの方には以下2つのコストアップ要因がある。

• DSPで行うべき処理が複雑になる
• 位相変調器や偏波分離器、LOが必要になるほか、PDは8つ必要になる

　その一方で、以下のメリットもあるため、トータルコストではCWDM4とそれほど変わらずに実現できるのでないか、というわけだ。

• WDM MUX/DEMUXが不要
• LDは1つで済むため、コストや消費電力の面で有利
• PAM4変調がそもそも不要となる
• もし入力が200G×4であれば、Gearboxも不要に

　この方式の実現可能性をまとめたのが以下右のスライドだ。200GbpsのElectrical Laneは『200GにおけるElectricalインターフェースを検討、通信に必要な消費電力は半減へ』で触れたように既に検討済みだ。Coherent-Liteの方式そのものはOIF Forumで既に論文が出ているとされ、また、同じCoherentを使う400ZRに関しては2021年から量産が始まっており、十分に現実的、という話であった。

コスト面でのメリット／デメリットの詳細。Coherent-Liteの最大のネックはDSPということになる

残念ながらMaxim Kuschnerov氏ほかによる"Considerations on a cheap coherent laser for 800G-LR"は、OIF Forumのメンバーでしか参照できないようで今回入手できなかったため、どの程度現実的な話なのかは確認が取れていない

　Coherent-Liteに要する消費電力をまとめたのが以下だ。Coherentは、ビットレートが低いときには通信に要する消費電力がかなり大きいことになるが、ビットレートが上がれば急速に効率が向上するとしている。800Gでは若干IM-DDより大きめではあるが、これは十分許容範囲との説明だ。

ここでもカギとなるのはDSPで、これをどれだけ低消費電力、低コストで実現できるかという話である

　もちろん問題がないわけではない。そもそも400ZRは『アクセス回線向けの光ファイバー規格「IEEE P802.3cp/P802.3cs/P802.3ct」』でも触れたように80kmの"Short Reach"向けで、実際にはその400ZRで120kmの相互接続の実証実験が行われたり、120km伝達可能をうたった製品が出てきたりという規格なので、10kmが確保できればいい。

変調器に関しても、そもそも速度も異なるわけで、やはり400ZRのものをそのまま使うわけには行かないだろう

　こちらに使うには、性能的にも価格的にも（おそらく消費電力的にも）Over killであり、手頃なところに性能を（ついでに価格や消費電力も）落とし込む必要がある。ただ、このあたりはStudy Groupの考慮する範疇からはやや外れる気はする。

　以下は、実際に10kmで1.6Tb/secのレーンをIM-DDで実装した場合とCoherent-Liteで実装した場合の比較である。左のグラフは、FECを通した後のBERを1.0E-2とした場合に、振幅電圧（Vpi）とLink Loss Budgetの傾向を示したもので、IM-DD方式でPAMを利用すると、PAM4だと最大でも8dB、PAM6だと6dBあたりが取れる限界なのに対し、Coherentを使った場合は16QAMで最大12dB以上が確保できる。

　ただ、その分Vpiそのものは大きくなるので、例えば1V付近で比較すると16QAMとPAM4がほぼ同等ということになるが、逆に言えば電圧をより挙げればLink Loss Budgetを大きく取れることになる。この結果として、右の表に示すように同じ構成だと送受信とも損失が少なくなり、確実に送信できることになる。

こちらの出典もOIF Forumのメンバーでしか参照できない"Considerations on a cheap coherent laser for 800G-LR"なので確認はできていない

C-bandの光源はどうしても高価だし、CoherentならC-bandはそもそも不要である

　これを利用可能にできるか？というマーケット的な観点では、やや楽天的な文言が並ぶが、確かに10kmを確実に実現するのにIM-DDベースで無理やり実装するよりは、Coherentにする方が光ファイバーの本数も減らせるし、よりスケーラブルになるというのは分からなくもない。

　ということで、結論として「800G-LR（10km）」に向けてCoherent-Lite方式を検討に入れるべし、というのがGoogleの提言であった。