タイミング技術で光モジュールの性能限界を押し上げる
5G ネットワークの導入により、通信の大幅な進歩が可能になり、帯域幅が 10 倍に増加し、遅延が 50 分の 1 に短縮されます。このような大幅な改善を達成するために、データセンターで使用される機器やコンポーネントを含むいくつかのテクノロジーが急速に進化するよう促されています。データセンター内で光ファイバーを介して伝送されるデータを接続して電気信号に変換する役割を担う光トランシーバーは、その一例です。
データセンターと光モジュール
データ トラフィックの大幅な増加に対処するために、光モジュールの伝送速度は 2 倍、場合によっては 4 倍になっています。 2020 年には、100 ギガビット/秒 (Gbps) のデータ レート モジュールが一般的に使用されています。ただし、400 Gbps モジュールの使用が急速に増加しており、現在 800 Gbps モジュールが開発中です。 400 Gbps および 800 Gbps ネットワークの容量が大きくなると、光モジュールとその内部の発振器に対する要求が高まります。これらのデバイスは、以前のものよりも高密度の設計、より低いビットあたりの電力、より厳しいジッターによる優れた機能を備えている必要があります。
図 1: 光モジュールは、フロントホールからバックホールまで、光バックボーンのあらゆるポイントで使用され、メトロ ネットワークやデータセンターで必要な高速データ レートのトランシーバーが使用されます
ハイパースケール データセンターは、光スループットの増加を促進する最大の要因の 1 つです。 5G では、大量のデータの送信とコンピューティングが必要になります。これに対応するには、データセンターはより大容量の光モジュールを採用する必要があります。ただし、データセンターのスペースは限られており、拡張には費用がかかるため、追加のサイズを最小限に抑えながら、光モジュールのデータ速度を 2 倍または 4 倍にする必要があります。
さらに、データセンターの運営には並外れた電力が必要です。一部の業界専門家は、2030 年までにデータセンターが世界の電力消費量の 8% を占めると予想しています[1]。光モジュールは、余分な電力をほとんど必要とせずにスループットを大幅に向上させることが期待されています。データセンターは、他の高帯域幅データ通信アプリケーションに加えて、光モジュール技術の限界を押し広げており、ひいては発振器技術に対する要求が高まっています。
図 2: PAM4 リタイマーをクロッキングする SiTime 低ジッター MEMS 発振器を備えた光モジュールのブロック図
光モジュールの役割は、入力される光信号を電気信号に変換し、逆に送信される電気信号をエラーを発生させることなく転送するために光フォーマットに変換することです。これにより、光ネットワークの時間領域とホスト ボード上のチップセットの 2 つの時間領域を同期するという複雑な問題が生じます。このため、正確なタイミングが光モジュール内で最も重要な要素の 1 つになります。タイミング ギャップを埋める役割を担うコンポーネントは、リタイマーと適切に名付けられていますが、データ レートが 100 Gbps から 400 Gbps、800 Gbps に増加するにつれて、ジッターがますます低くなる基準クロックを必要とします。
ビデオを見る: 光モジュール用の MEMS タイミング ソリューション
400 ギガビット モジュールの導入が始まっているため、基準発振器の位相ジッターはますます重要になってきています。 RMS 位相ジッターは通常、12 kHz ～ 20 MHz のオフセット周波数にわたる位相ノイズを積分することによって計算されます。 SiTime のSiT9501 差動発振器は、位相ノイズが 1 ヘルツあたりわずか -89 dBc で始まり、ノイズ フロアが 1 ヘルツあたり -170 dBc で終わります。統合すると、このタイトな位相ノイズは、156.25 MHz のクロック周波数で 70 フェムト秒の RMS 位相ジッターに変換されます。発振器の RMS 位相ジッターは、クロック エッジの変動を定量化します。光モジュールを駆動する基準クロックの RMS 位相ジッターは、モジュールを通過するシリアル データ ストリームのジッターを増加させ、このジッターが大きすぎるとエラーが発生する可能性があるため、特に重要です。スループットが 400 Gbps から 800 Gbps に 2 倍になると、同様のタイミング マージンを維持するには、信号のジッターが 2 分の 1 に比例して減少する必要があります。
図 3: SiT9501 MEMS 発振器 (RMS ジッター: 70.629 fsec、スプリアスなし) と水晶 PLL ベースの発振器 (スプリアスあり) の間の位相ノイズの比較。
位相ジッターを計算するときに考慮すべきもう 1 つの重要な要素は、位相ノイズ内のスプリアス ノイズ (スプリアス) の存在です。図 3 を参照すると、位相ノイズのプロットは一見同等に見えますが、よく見ると水晶ベースのフェーズ ロック ループ (PLL) 発振器のスプリアスが明らかになります。 SiT9501 発振器の位相ノイズにはスプリアスがないため、RMS 位相ジッターはわずか 70 フェムト秒になります。逆に、水晶発振器の合計 RMS 位相ジッターは 267 フェムト秒です。スプリアスを除いて計算すると、水晶発振器の RMS 位相ジッターはわずか 90 フェムト秒です。これは、スプリアスが合計ジッターの 60 パーセントに起因することを意味します。 SiTime の高度な整数 N PLL テクノロジーにより、スプリアスなしで位相ノイズを低減し、ジッターを低減できます。
図4: 2520発振器を備えた従来のAC結合LVPECLレイアウト(左)と統合LVPECLソースバイアス抵抗を備えた2016 SiT9501デバイスのレイアウト(右)の設置面積と消費電流の比較。
SiTime の差動発振器設計
光モジュールはデータ レートを 2 ～ 4 倍に高めるよう推進されていますが、モジュールに含まれるコンポーネントは設置面積を増やすことなくこれらの改善を実現する必要があります。 SiTime の SiT9501 差動発振器は、わずか 70 フェムト秒の RMS 位相ジッターで小型サイズでも性能に妥協を必要としないため、400 Gbps および 800 Gbps 設計に最適なソリューションです。さらに、SiT9501 発振器 (2.0 x 1.6 mm パッケージ) にはソースバイアス抵抗が組み込まれており、主要な 2.5 x 2.0 mm 水晶発振器と比較して総設置面積が最大 50% 削減されます。
SiT9501 発振器には、電源ノイズをフィルタリングし、モジュール設計の電源完全性を向上させるオンチップ電圧レギュレータも統合されています。光学モジュールの半分以上がレーザーサブアセンブリとそれに関連する電子機器によって消費され、信号処理とデータパスのための余地がほとんど残らないため、このような統合機能と小さなパッケージサイズによってタイミングフットプリントを削減することが重要です。スペースを節約できれば、モジュール メーカーは他の機能を組み込むことができます。
光モジュールに課せられる厳しい電流制限に対処するために、2 つのバイアス抵抗を取り除くことで、AC 結合出力での消費電流が 32 ミリアンペア低くなります。また、SiT9501 には、あらゆるチップセットの差動入力スイング要件に準拠するために、工場で差動電圧スイングをカスタム プログラムできる独自の FlexSwing™ テクノロジーも導入されています。 FlexSwing を使用すると、エンジニアは非標準の電圧振幅を持つ低電圧チップセットに対応できます。チップセットの正確なニーズに適合させることで、一般的な終端を排除でき、DC 結合された LVPECL 出力で電力を最大 16 ミリアンペア削減できます。
新しいテクノロジーによって光モジュールが 400 Gbps および 800 Gbps データ レートに進化するには、サイズや消費電流を増加させることなく性能を飛躍的に向上させることが求められています。これにより、発振器の電力効率が向上し、消費スペースが減り、ジッターが低くなります。統合されたバイアス抵抗やプログラム可能な電圧スイングなどの革新により、SiTime の SiT9501 差動発振器は、わずか 70 フェムト秒の RMS 位相ジッターで総設置面積と消費電流の削減を実現します。 SiTime MEMS 発振器は、ネットワーク機器の急速な進歩をサポートするために性能を迅速に拡張する必要がある光モジュール メーカーのニーズを満たす革新的なタイミング ソリューションを提供します。
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参照：
[1] ジョーンズ、ニコラ。 「データセンターが世界の電力を食い荒らすのを阻止する方法」。 Nature News、Nature Publishing Group、2018 年 9 月 12 日、 www.nature.com/articles/ d41586-018-06610-y 。
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