Optisches 800G-Modul – Technische Analyse von 4x200G im FR-Szenario

Analyse der technischen Anforderungen in 800G FR-Szenarien

Die einkanalige 200G-basierte PAM4-Technologie, eine bedeutende Phase der Technologie der nächsten Generation für die optische Intensitätsmodulation und direkte Detektionsverbindung, wird die Grundlage für die optische 4-Kanal-800G-Konnektivität und einen wesentlichen Baustein für zukünftige 1.6-Tb/s-Verbindungen bilden . Wie in der Abbildung unten gezeigt, werden die MSA-Arbeitsgruppen die vollständige PMD und einen Teil der PMA-Layer-Spezifikation definieren, einschließlich des neuen Low-Power-, Low-Latency-FEC als KP112-FEC-Top-Paket für 4G-Telekommunikationseingangssignale, um die Netzcodierung zu verbessern Gain (NCG) des Modems.

Eines der Hauptziele von MSA ist die Entwicklung neuer elektronischer und optischer analoger Breitband-Weitspannungskomponenten für Sender- und Empfängerkomponenten, einschließlich Digital-Analog-Umwandlungs-(DAC)- und Analog-Digital-Umwandlungs-(ADC)-Wandlern. Um das Ziel steckbarer Module mit geringem Stromverbrauch zu erreichen, wird der 200G PAM4 DSP-Chip mit einem Knoten im unteren nm-Bereich im CMOS-Prozess entwickelt, und Signalverarbeitungsalgorithmen mit geringem Stromverbrauch gleichen die Kanäle aus.

In Anbetracht der Notwendigkeit eines thermoelektrischen Kühlers (TEC) in LAN-WDM, der in der 200G-Lösung pro Kanal nicht erforderlich ist, basiert das Leistungsbudget für die 4x200G-800G-Lösung auf CWDM4, um die Leistung zu analysieren. Zu den Faktoren im Zusammenhang mit dem Leistungsbudget gehören Verbindungseinfügungsdämpfung, Mehrwegeinterferenz (MPI), differentielle Gruppenverzögerung (DGD) und Sender- und Dispersionsstrafe (TDP).

Basierend auf dem im IEEE-Standard veröffentlichten Modell werden die MPI- und DGD-Strafen wie in der folgenden Tabelle gezeigt berechnet. Da die Baudrate auf 200 G pro Kanal ansteigt, ist der Dispersionsnachteil größer als der Dispersionsnachteil von 100 G pro Kanal. Eine vernünftige Empfehlung für die Senderdispersionsstrafe (TDP) ist 9 dB. Daher glauben die MSA-Arbeitsgruppen, dass die erforderliche Empfängerempfindlichkeit für 200G-PAM4 unter Berücksichtigung der Toleranzen für Empfängeralterung, Kopplungsverluste und typischer optischer Sendeleistungswerte etwa -5 dBm betragen sollte.

Wenn sich das Baud von 100G auf 200G verdoppelt, verschlechtert sich das OSNR um etwa 3 dB. Daher ist ein robusterer FEC-Fehlerkorrekturcode erforderlich, um die Empfängerempfindlichkeit (–5 dBm) und den Grundfehler aufrechtzuerhalten. Daher muss das optische Modul, wie oben erwähnt, die Einkapselung einer zusätzlichen Schicht aus FEC mit geringem Stromverbrauch und niedriger Latenz über dem KP4 in Betracht ziehen. Die Fehlerkorrekturschwelle des neuen FEC kann basierend auf den Anforderungen an die Verbindungsleistung und das Leistungsbudget bestimmt werden. Die neue FEC wird später beschrieben.

Anhand von Simulationen und Experimenten präsentiert MSA die Verbindungsleistung für einen 200G-Einzelkanal. Die folgende Tabelle listet die Parameter der im Link verwendeten Geräte auf.

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

(a) Die experimentellen und Simulationsergebnisse von Einkanal-200G stimmen überein; (b) Die Simulationsergebnisse von Einkanal-200G, wenn die Bandbreite des angenommenen Geräts verbessert wird: Das Leistungsbudget kann durch Verwendung der FFE-Entzerrung erfüllt werden

Die gestrichelte Linie in der obigen Abbildung (a) zeigt die Ergebnisse der Simulationen unter Verwendung der gemessenen Parameter der in den Experimenten verwendeten Geräte. Zusammen mit den experimentellen Ergebnissen zeigt die Simulation, dass das System durch die Bandbreite von Komponenten wie AD/DA, Treibern und E/O-Modulatoren begrenzt ist. Die Simulationsergebnisse, die auf demselben Systemmodell (Bandbreitenerweiterung) basieren, sind in Abbildung (b) oben dargestellt, wobei die Komponenten berücksichtigt werden, von denen in den kommenden Jahren eine höhere Bandbreite erwartet wird und die auf demselben Systemmodell basieren. Die Ergebnisse zeigen, dass mit nur einer FFE-Entzerrung in der DSP-Einheit die Empfängerempfindlichkeit von 2E-3 erreicht werden kann, wie von der Theorie erwartet.

Basierend auf der obigen Analyse wird weiterhin empfohlen, TDECQ im Konformitätstest im 800G-FR4-Schema zu folgen. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Anzahl der FFE-Abgriffe des Referenzempfängers, die in den TDECQ-Messungen verwendet werden, auf einen vernünftigen Wert erhöht wird, was genau weiter diskutiert werden muss. Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass, wenn zukünftige Kapazitäten für optische 100-GBaud-Geräte geringer als erwartet sind, möglicherweise komplexere Algorithmen (z. B. MLSE) im FR4-Schema verwendet werden müssen, was bedeutet, dass ein neues Konformitätsschema für 800G-FR4 erforderlich ist nötig sein.

4x200G-Verpackungslösungsanalyse

Für das optische 4x200G-Modul muss die Verpackung von Sender und Empfänger überdacht werden, um die Signalintegrität im Bereich der Nyquist-Frequenzpunkte (56 GHz) zu gewährleisten. Die folgende Abbildung zeigt zwei mögliche Lösungen für den Emitter. Schema A ist das herkömmliche Schema, bei dem der Modulatortreiber (DRV) und der Modulator (wie EML) nebeneinander liegen. In Schema B ist der auf einem Flip-Design basierende DRV-Chip zusammen mit der DSP-Einheit verpackt, um die Signalintegrität auf der HF-Übertragungsleitung zu optimieren. Beide Lösungen können mit bestehenden Technologien erreicht werden.

Vorläufige Simulationen zeigen, dass Schema B gute Ergebnisse erzielen und eine Bandbreite von mehr als 56 GHz gewährleisten kann. Die Welligkeit auf der S21-Kurve von Schema A kann durch die Reflexion des DRV auf dem Eingangssignal verursacht werden, was durch Anpassen des DRV-Designs optimiert werden kann, um die Gesamtleistung von Schema A zu verbessern.

Am Empfänger 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 Umsetzung dieser Komponenten durch modernste Halbleitertechnologie steht derzeit nichts im Wege. Soweit wir wissen, hat die Industrie viel Mühe in die Entwicklung dieser Komponenten gesteckt und sie werden hoffentlich in 1 bis 2 Jahren verfügbar sein. Andererseits ist auch die Verbindung zwischen PD und TIA kritisch. Parasitäre Effekte in der Verbindung können die Leistung des Moduls beeinträchtigen, was ebenfalls sorgfältig analysiert und optimiert werden muss.

Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung (FEC) in Single Channel 200G

Wie oben erwähnt, ist eine leistungsfähigere FEC erforderlich, um die Empfindlichkeitsanforderungen des 200G-PAM-Empfängers zu erfüllen, was eine 2E-3-Schwellenwertleistung für die Fehlerkorrektur ist. Die folgende Abbildung veranschaulicht einen Vergleich zwischen den terminierten und verketteten Schemata.

800G FEC: Abgeschlossenes FEC-Schema vs. verkettetes FEC-Schema

Bei der ersten Option wird KP4 terminiert und durch eine neue FEC mit größerem Overhead ersetzt, was Vorteile hinsichtlich NCG und Overhead hat. Bei der zweiten Option behält das verkettete Tandemschema KP4 als einen externen Code bei und verschmilzt ihn mit dem neuen internen Code. Dieser kaskadierte Tandem-Ansatz hat mehr Latenz- und Leistungsvorteile und ist daher besser für 800G-FR4-Anwendungen geeignet.