Analyse der 4x200G-Technologie in der FR-Szene

Technische Anforderungsanalyse im 800G FR-Szenario

Die PAM4-Technologie, die auf Einkanal-200G basiert, ist der Hauptbestandteil der Technologie der nächsten Generation der Lichtintensitätsmodulation und direkten Detektionsverbindung. Es wird die Grundlage für eine optische 4-Kanal-800G-Verbindung und eine wichtige Grundlage für die zukünftige 1.6-Tb / s-Verbindung werden.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, wird die MSA-Arbeitsgruppe die vollständige PMD- und einen Teil der PMA-Layer-Spezifikationen definieren. Die Spezifikationen umfassen den neuen FEC mit niedrigem Stromverbrauch und niedriger Latenz als Paket auf dem 112G-Telekommunikationseingangssignal KP4 FEC, um die Net Coding Gain (NCG) des Modems zu verbessern.

Abbildung 1: Definitionen der PMD- und PMA-Spezifikationen

Eines der Hauptziele der MSA Alliance ist die Entwicklung neuer elektronischer und optischer Analogkomponenten mit großer Bandbreite für Sender- und Empfangskomponenten, einschließlich Digital-Analog- (DAC) und Analog-Digital- (ADC) Wandlern. Um das Ziel des niedrigen Stromverbrauchs von steckbaren Modulen zu erreichen, wird der 200G PAM4 DSP-Chip in einem CMOS-Prozess mit einem niedrigeren nm-Knoten entworfen, und die Kanäle werden durch einen stromsparenden Signalverarbeitungsalgorithmus ausgeglichen.

In LAN-WDM ist ein Temperaturregler (TEC) erforderlich, der in einer 200G-Lösung pro Kanal nicht erforderlich ist. Vor diesem Hintergrund wird das Leistungsbudget einer 4x200G-800G-Lösung basierend auf CWDM4 analysiert. Zu den Faktoren im Zusammenhang mit dem Leistungsbudget gehören Verbindungseinfügungsdämpfung, Mehrwegeinterferenz (MPI), unterschiedliche Gruppenverzögerung (DGD) und Sender- und Dispersionsstrafe (TDP).

Gemäß dem im IEEE-Standard veröffentlichten Modell wird die Strafe von MPI und DGD wie in der folgenden Tabelle gezeigt berechnet. Wenn die Baudrate pro Kanal auf 200 G ansteigt, sind die Dispersionskosten größer als der Dispersionsnachteil von 100 G pro Kanal. Die vernünftige Empfehlung für den Sender-Dispersed Penalty (TDP) beträgt 3.9 dB. Daher ist die MSA-Arbeitsgruppe unter Berücksichtigung der Alterung des Empfängers und der Kopplungsverluste sowie der typischen emittierten optischen Leistung des Senders der Ansicht, dass die für 200G PAM4 erforderliche Empfängerempfindlichkeit bei etwa -5 dBm liegen sollte.

Tabelle 1: Strafberechnung für MPI und DGD

OSNR wird sich aufgrund einer doppelten Baudrate von 3G auf etwa 100 dB verschlechtern 200G. Daher sind stärkere FEC-Fehlerkorrekturcodes erforderlich, um die Empfängerempfindlichkeit (–5 dBm) und den Grundfehler aufrechtzuerhalten. Wie oben erwähnt, muss das optische Modul eine zusätzliche Schicht aus FEC mit geringer Leistung und niedriger Latenz auf dem KP4 einkapseln. Die Fehlerkorrekturschwelle für die neue FEC kann gemäß den Anforderungen der Verbindungsleistung und des Leistungsbudgets bestimmt werden.

MSA schlägt die Verbindungsleistung eines einzelnen Kanals von 200 G durch Simulation und Experimente vor. Die folgende Tabelle listet die Parameter der im Link verwendeten Geräte auf.

Tabelle 2: Die Parameter der Geräte, die in der Einkanal-200G-Verbindung verwendet werden

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass, wenn die neue FEC Schwellenwert auf 2E-3 eingestellt ist, wie in Abbildung (a) unten gezeigt, kann die Empfängerempfindlichkeit den Zielwert erreichen. In diesem Experiment ist jedoch die Maximum-Likelihood-Sequenzschätzung (MLSE) erforderlich, um übermäßige Intersymbolinterferenz zu kompensieren, die durch Kanalbandbreiteneinschränkungen verursacht wird.

Abbildung 2: Einkanal-200G-Experiment und Simulationsergebnisse

a) Das Einkanal-200G-Experiment und die Emulationsergebnisse stimmen überein;

(b) Wenn die angenommene Gerätebandbreite verbessert wird, ergibt sich die Einkanal-200G-Emulation: Die Verwendung von FFE-Entzerrung kann die Anforderungen des Leistungsbudgets erfüllen.

Die gepunktete Linie in Abbildung (a) oben zeigt die Ergebnisse der Emulation basierend auf den Messparametern des im Experiment verwendeten Geräts. Kombiniert mit den experimentellen Ergebnissen zeigt die Emulation, dass das System durch die Bandbreite von Komponenten wie AD/DA, Treiber und E/O-Modulator begrenzt ist. Die Emulationsergebnisse sind in Abbildung (b) oben dargestellt, die auf demselben Systemmodell (Bandbreitenerweiterung) basieren, wobei die Komponenten berücksichtigt werden, von denen erwartet wird, dass sie in den nächsten Jahren eine höhere Bandbreite bereitstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anforderungen an die Empfängerempfindlichkeit 2E-3 erfüllt werden können, wenn in der DSP-Einheit eine FFE-Entzerrung vorhanden ist, die den theoretischen Erwartungen entspricht.

Basierend auf der obigen Analyse wird im 800G-FR4-Schema weiterhin empfohlen, TDECQ im Konformitätstest zu folgen. Bei der TDECQ-Messung muss die Anzahl der FFE-Abgriffe des Referenzempfängers jedoch möglicherweise auf einen vernünftigen Wert erhöht werden, und die spezifische Menge bedarf weiterer Diskussion. Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass, wenn die Kapazität für optische 100-GBaud-Geräte geringer als erwartet ist, möglicherweise komplexere Algorithmen (wie MLSE) im FR4-Schema verwendet werden müssen.

Analyse des 4x200G-Paketschemas

Für das optische 4x200G-Modul muss das Paket von Sender und Empfänger überdacht werden, um die Signalintegrität im Bereich des Nyquist-Frequenzpunkts (56 GHz) zu gewährleisten. Die folgende Abbildung zeigt zwei mögliche Lösungen für den Sender. Schema A ist ein herkömmliches Schema, bei dem der Modulatortreiber (DRV) eng mit dem Modulator (wie EML) verbunden ist. In Schema B ist der auf einem Flip-Chip-Design basierende DRV-Chip zusammen mit der DSP-Einheit verpackt, um die Signalintegrität auf der HF-Übertragungsleitung zu optimieren. Beide Lösungen können nach dem Stand der Technik erreicht werden.

Abbildung 3: Zwei mögliche Lösungen für den Sender

Eine vorläufige Emulation zeigt, dass Schema B gute Ergebnisse erzielen und sicherstellen kann, dass die Bandbreite größer als 56 GHz ist. Die Welligkeit auf der Kurve S21 von Schema A kann durch die Reflexion des Eingangssignals durch den DRV verursacht werden, was durch das passende Design des DRV optimiert werden kann, um die Gesamtleistung von Schema A zu verbessern.

In RX wird eine Fotodiode (PD) mit hoher Bandbreite und geringerer parasitärer Kapazität und ein Transimpedanzverstärker (TIA) mit hoher Bandbreite benötigt, um die Bandbreitenleistung des Empfängers sicherzustellen. Der Realisierung dieser Komponenten durch modernste Halbleitertechnologie steht derzeit nichts im Wege. Soweit wir wissen, hat die Industrie viel Energie in die Entwicklung dieser Komponenten investiert und es ist zu hoffen, dass sie innerhalb von 1 bis 2 Jahren auf den Markt kommen. Andererseits ist auch die Verbindung zwischen PD und TIA entscheidend. Der parasitäre Effekt in der Verbindung verringert die Leistung des Moduls, daher bedarf es auch einer sorgfältigen Analyse und Optimierung.

Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung (FEC) in Single-Channel 200G

Wir haben oben erwähnt, dass eine leistungsfähigere FEC benötigt wird, um die Empfindlichkeitsanforderungen von 200G-PAM-Empfängern zu erfüllen, d. h. der Vorkorrektur-Fehlercode hat die Schwellenleistung von 2E-3. Die folgende Abbildung veranschaulicht den Vergleich zwischen dem terminierten Schema und dem verketteten Schema.

FAbbildung 4:Vergleich des abgeschlossenen FEC-Schemas und des verketteten FEC-Schemas

Bei der ersten Option wird KP4 beendet und durch eine neue FEC mit höherem Overhead ersetzt. Dieses Schema hat Vorteile in Bezug auf NCG und Overhead. Bei der zweiten Option behält das serienverkettete Schema KP4 als einen externen Code bei und verschmilzt ihn mit dem neuen internen Code. Dieses kaskadierte Serienverfahren hat mehr Vorteile in Bezug auf Verzögerung und Stromverbrauch und ist daher auch besser für 800G-FR4-Anwendungen geeignet.