Lichtwellenleiter ersetzen Koaxkabel Schnittstelle in die Zukunft

Host-Connector in „Mid-Mount“-Technologie, in das PCB versenkt
Host-Connector in „Mid-Mount“-Technologie, in das PCB versenkt

Auf längeren Strecken wird das Kabel zum Nadelöhr für die schnelle Datenübertragung. Lichtwellenleiter übernehmen hier schon seit Jahren und führen nun immer näher an die Leiterplatte und ihre Elektronik heran

Von David Binder, Business Development Manager Data Networking bei Yamaichi Electronics

Soweit wir auch zurückblicken, Datenraten haben stets zugenommen. Eines der ersten „High-Speed“-Modems übertrug mit 14,4 kbit/s; heute sind Internet-Anschlüsse mit 200 Mbit/s verfügbar. Ein Mann hatte diese Entwicklung in groben Zügen bereits im Jahre 1965(!) vorausgesagt: Gordon Moore, Mitgründer von Intel, schätzte, dass sich die Dichte von integrierten Schaltkreisen jährlich verdoppeln würde. Diese Aussage ging als „Moore’s Law“ in die Industriegeschichte ein. Jährlich höhere Dichten an Schaltkreisen hatten, so darf man durchaus interpretieren, auch steigende Datenraten zur Folge.

Heutzutage, von manchen als Post-Moore’s-Law-Ära bezeichnet, sind die Treiber für steigende Datenraten Megatrends wie 5G-Mobilfunk, 4K-Video-Streaming und die Cloud. Die spannende Frage stellt sich, wie unsere Netzwerke konzipiert werden müssen, um diesen hohen Datenraten gerecht zu werden. Eine – vielleicht die relevanteste – Antwort darauf könnte die nächste Generation von Lichtleitertechnik, „Coherent Optics“, sein. 

Das Ende des Elektrons ist der Beginn des Photons

Kupferleitungen bremsen schnelle Daten aus. Schon jetzt legen Daten längere Strecken über die Glasfaser zurück. Die Zeit scheint gekommen, wo Daten auch für kürzeste Strecken (wenige cm) vom Kupfer auf die Glasfaser umsteigen müssen, um schneller zu fließen. Der Glasfaseranschluss rückt also immer näher an den Anwender oder an die integrierten Schaltkreise heran. Es gibt bereits so viele Begriffe dafür, wie FTTH, FTTC, FTTD (Fiber to the Home, Cabinet, Desk), dass sich der Begriff FTTX gebildet hat. Wobei „X“ für alle möglichen Übergangspunkte einer Glasfaser steht. Besonders interessante Übergangspunkte sind Fiber to the Antenna im 5G/LTE-Netzwerk (Bild 1) und Fiber to the Chip in Rechenzentren. 
Im Mobilfunknetzwerk rück die Glasfaser an die Antenne und somit näher an den Abonnenten. In Rechenzentren stösst die Faser bis an den Chip und überspringt somit die letzten Zentimeter Kupferleitung auf der Leiterplatte.

Technologiesprung durch „Coherent Optics“

Der Umstieg von Kupfur auf Glasfaser alleine reicht noch bei Weitem nicht aus, um die Datenmasse der nächsten Jahrzente zu bewältigen. Neue Technologien in der Lichtwellentechnik sind daher unabdingbar. „Coherent Optics“ lautet das Schlagwort. Die bisherige Generation von optischen Tranceivern nutzte bloss die Amplitude, d.h. Licht an, Licht aus, zur Datenübertagung. Vergleichbar ist dies mit Pfadfindern, die nachts mit der Taschenlampe morsen. Die neuen kohärenten optischen Transceiver nutzen auch (duale) Polarisation, Phasenverschiebung und verschiedene Wellenlängen. Somit erreichen sie ein Vielfaches an Datenrate. 

Nicht nur bei Koax-Leitungen am Antennenast, sondern auch auf der Leiterplatte legen sich Ingenieure ins Zeug, um die Länge der elektrischen Kupferleitung zu verkürzen. Grund: Jede noch so kurze Kupferleitung bremst die Datenrate aus. Statt das optische Tranceiver-Modul an der Faceplate zu platzieren (Bild 2 links), wird die optisch-elektrische Schnittstelle immer näher an den Schaltkreis gerückt.

Modulation des elektrischen Signals wird optimiert

Eine Kupferleitung ist für schnelle Daten in etwa wie ein Feldweg für ein Straßen-Rennrad. Auch wenn man es vermeiden will, machmal führt kein anderer Weg ans Ziel. Es gilt also, auch auf Kupferseite noch das Letzte rauszuholen. Besuchern von Fachmessen wie die ECOC oder die Designcon begegnet der Begriff „112G-PAM4“ häufiger. 112G steht für 112Gbit/s pro Kanal (ein Kanal = ein differenzielles paar Kupferleitungen). PAM4 steht für Phasen-/Amplituden-Modulation mit vier Zuständen. PAM4 verdoppelt die Datenrate gegenüber der alten Modulationsart NRZ. Mit NRZ bedeutet ein hoher Pegel „logisch 1“ und kein Pegel „logisch 0“. Dort gibt es also bloß zwei Zustände pro Zeiteinheit. Bei PAM4 sind es vier Zustände. 

Ein MSA definiert die optisch-elektrische Schnittstelle

Die Standards optisch-elektrischer Schnittstellen, auch „Form-Factors“ genannt, unterscheiden sich je nach Anwendung, Übermittlungsdistanz, Anzahl der Kanäle etc. Die Ethernet Alliance hat die gängigen aufgelistet (siehe Bild 3). Am verbreiteten ist SFP. (RJ45 wird noch häufiger eingesetzt, ist aber rein elektrisch.) Der neuste Form-Factor, der am nahesten an den Schaltkreis herankommt, heißt OBO. Gralshüter über die verschiedenen Form-Factors sind die Multiple Source Agreements (MSA). Das Interessante an einem MSA ist, dass sich hier Marktteilnehmer (auch Wettbewerber) zusammenschließen, um einen Standard technisch zu definieren und ihm am Markt zum Durchbruch zu verhelfen. Das MSA gibt potenziellen Abnehmern (also Kunden) Gewissheit über „Fit, Form and Function“ und erleichtert es, eine Mulitple-Source-Strategy zu implementieren. Abnehmer eines Standards können ihren Bedarf zwischen mehreren Herstellern aufteilen und sogar Unterkomponenten kombinieren (Cage vom Hersteller A, Connector vom Hersteller B etc.).

Ein MSA will, dass „sein“ Standard am Markt Erfolg hat. Darum arbeiten hier auch Konkurrenten ausnahmsweise Hand in Hand. Die Frage stellt sich natürlich: Wie wird man sich innerhalb eines MSA einig? Folgender Prozess hat sich bewährt: Die Mitglieder reichen ihre Konzepte ein und reviewen sich gegenseitig. Das beste Konzept wird zum Leitkonzept des MSA gewählt. Yamaichi gehört zu den wenigen Auserwählten, deren Vorschlag zum Leitkonzept gleich bei mehreren MSAs (für Plug and Connector) gewählt wurde: so bei CFP2, CFP4, CFP8 und DSFP (Bild 3). 
Yamaichi liefert den elektrischen Stecker und die mechanischen Komponenten
Daten, die auf der Glasfaser-Datenautobahn reisen, müssen für das lezte Stück auf eine elektrische Leitung umsteigen. Ein optischer Transceiver (Bild 4) wandelt das Lichtsignal in ein elektrisches Signal um. Für den Übergang des elektrischenn Signals vom Transceiver auf die Leiterplatte stellt Yamaichi qualitativ hochwertige Lösungen zur Verfügung, um die Daten möglichst schnell und fehlerfrei weiterzuleiten. Dabei macht Yamaichi für sich geltend, einen technischen Vorsprung zu besitzen, kundennah zu arbeiten, z.B. bei notwendigen Abweichungen vom Standardprodukt, und mit seinen Produkten eine hohe Signalqualität zu erreichen.

Beispiele aus dem Data-Networking-Portfolio von Yamaichi

CFP2 ACO und DCO: ACO (Analogue Coherent Optics) und DCO (Digital Coherent Optics) sind die neuen Standards in der Lichtwellentechnik. Yamaichi beliefert führende Telecomausrüster mit entsprechenden Steckern und Buchsen. 
Die ACO- (4×56G) und DCO- (4×64G) CFP2-Stecker und -Buchsen von Yamaichi haben eine verbesserte Durchgangsdämpung (Insertion Loss) gegenüber dem bisherigen CFP2 (4×28G). Hier ist Yamaichi dem MSA voraus. Der alte IL-Wert von –4,5 dB ist markant schlechter als der neue von –2,0 dB (alle bei 28 GHz). Daraus ergibt sich die Erhöhung der Datenrate auf 64 Gbit/s statt 28 Gbit/s je Kabelpaar.
CFP2 MMC: Besteht besonders wenig Platz nach oben, so ist „Mid-Mount“ die Lösung. Hier werden Connector und Cage nicht auf das PCB montiert, sodern in das PCB versenkt (siehe Bild). Das erlaubt höhere Kühlkorper bei unveränderter Gehäuseabmessung und ein ultraflaches Gehäuse. 

QSFP112G-PAM4: Yamaichi hat die schnellste QSFP- (Style A) Buchse am Markt mit 112-Gbit/s-PAM4 pro Kanal. Macht eine 400G-Schnitstelle mit nur vier Kanälen, und dies rückwärtskompatibel zum bisherigen QSFP.