Análisis de la Tecnología 4x200G en Escena FR

Análisis de requisitos técnicos en el escenario 800G FR

La tecnología PAM4 basada en un solo canal 200G es la parte principal de la tecnología de próxima generación de modulación de intensidad de luz e interconexión de detección directa. Se convertirá en la base de una conexión óptica 4G de 800 canales y una base importante para la futura interconexión de 1.6 Tb/s.

Como se muestra en la figura a continuación, el grupo de trabajo de MSA definirá las especificaciones de la capa PMD completa y parte de la PMA. Las especificaciones incluyen el nuevo FEC de baja potencia y baja latencia como un paquete además de la señal de entrada de telecomunicaciones 112G KP4 FEC para mejorar la ganancia neta de codificación (NCG) del módem.

Figura 1: Definiciones de las especificaciones PMD y PMA

Uno de los objetivos principales de MSA Alliance es desarrollar nuevos componentes analógicos ópticos y electrónicos de voltaje de ancho de banda amplio para componentes transmisores y receptores, incluidos convertidores de digital a analógico (DAC) y de analógico a digital (ADC). Para lograr el objetivo de bajo consumo de energía de los módulos enchufables, el chip 200G PAM4 DSP se diseñará en un proceso CMOS con un nodo de nm más bajo, y los canales se equilibrarán a través de un algoritmo de procesamiento de señal de baja potencia.

Se requiere un controlador de temperatura (TEC) en LAN-WDM, que no se requiere en una solución 200G por canal. Teniendo esto en cuenta, el presupuesto de energía de una solución 4x200G 800G se analizará en función de CWDM4. Los factores relacionados con el presupuesto de energía incluyen la pérdida de inserción del enlace, la interferencia de trayectos múltiples (MPI), el retraso de grupo diferente (DGD) y la penalización por dispersión y transmisor (TDP).

Según el modelo publicado en el estándar IEEE, la penalización de MPI y DGD se calcula como se muestra en la siguiente tabla. Cuando la tasa de baudios por canal aumenta a 200G, su costo de dispersión será mayor que la penalización por dispersión de 100G por canal. La recomendación razonable para la penalización por dispersión del transmisor (TDP) es de 3.9 dB. Por lo tanto, teniendo en cuenta el envejecimiento del receptor y la pérdida de acoplamiento, y la potencia óptica emitida típica del transmisor, el grupo de trabajo de MSA cree que la sensibilidad del receptor requerida para 200G PAM4 debería ser de alrededor de -5dBm.

Tabla 1: Cálculo de sanciones para MPI y DGD

OSNR se deteriorará en aproximadamente 3 dB debido a una tasa de baudios doble de 100G a 200G. Por lo tanto, se requieren códigos de corrección de errores FEC más fuertes para mantener la sensibilidad del receptor (-5dBm) y el error mínimo. Como se mencionó anteriormente, el módulo óptico necesita encapsular una capa adicional de FEC de baja potencia y baja latencia encima del KP4. El umbral de corrección de errores para el nuevo FEC se puede determinar de acuerdo con los requisitos de rendimiento del enlace y el presupuesto de energía.

MSA propone el rendimiento del enlace de un solo canal de 200G a través de simulación y experimentos. La siguiente tabla enumera los parámetros de los dispositivos utilizados en el enlace.

Tabla 2: los parámetros de los dispositivos utilizados en el enlace de 200G de un solo canal

Los resultados experimentales muestran que cuando el nuevo FEC umbral se establece en 2E-3 como se muestra en la Figura (a) a continuación, la sensibilidad del receptor puede alcanzar el valor objetivo. Sin embargo, en este experimento, se requiere la estimación de secuencia de máxima verosimilitud (MLSE) para compensar la excesiva interferencia entre símbolos causada por las restricciones de ancho de banda del canal.

Figura 2: Experimento de 200G de un solo canal y resultados de simulación

a) Los resultados del experimento y la emulación de un solo canal de 200G coinciden entre sí;

(b) Cuando se mejora el ancho de banda del dispositivo adoptado, los resultados de la emulación de 200G de un solo canal: el uso de la ecualización FFE puede cumplir con los requisitos del presupuesto de energía.

La línea punteada de la figura (a) anterior muestra los resultados de la emulación en función de los parámetros de medición del dispositivo utilizado en el experimento. En combinación con los resultados experimentales, la emulación muestra que el sistema está limitado por el ancho de banda de componentes como AD/DA, controlador y modulador E/O. Los resultados de la emulación se muestran en la Figura (b) anterior, que se basan en el mismo modelo de sistema (expansión del ancho de banda), considerando los componentes que se espera que proporcionen un mayor ancho de banda en los próximos años. Los resultados muestran que los requisitos de sensibilidad del receptor 2E-3 se pueden cumplir si hay ecualización FFE en la unidad DSP, lo cual está en línea con las expectativas teóricas.

Con base en el análisis anterior, en el esquema 800G-FR4, todavía se recomienda seguir TDECQ en la prueba de cumplimiento. Sin embargo, en la medición de TDECQ, es posible que sea necesario aumentar el número de tomas FFE del receptor de referencia a un valor razonable, y la cantidad específica necesita más discusión. Además, debe tenerse en cuenta que si la capacidad para dispositivos ópticos de 100 Gbaudios es inferior a la esperada, es posible que sea necesario utilizar algoritmos más complejos (como MLSE) en el esquema FR4.

Análisis del esquema del paquete 4x200G

Para el módulo óptico 4x200G, se debe reconsiderar el paquete de su transmisor y receptor para garantizar la integridad de la señal dentro del rango del punto de frecuencia de Nyquist (56 GHz). La siguiente figura muestra dos posibles soluciones para el transmisor. El Esquema A es un esquema tradicional, donde el controlador del modulador (DRV) está estrechamente conectado al modulador (como EML). En el Esquema B, el chip DRV basado en un diseño flip-chip se empaqueta junto con la unidad DSP para optimizar la integridad de la señal en la línea de transmisión de RF. Ambas soluciones pueden lograrse mediante la técnica anterior.

Figura 3: Dos posibles soluciones para el transmisor

La emulación preliminar muestra que el esquema B puede lograr buenos resultados y garantizar que el ancho de banda sea superior a 56 GHz. La ondulación en la curva S21 del esquema A puede ser causada por el reflejo de la señal de entrada por parte del DRV, que puede optimizarse mediante el diseño coincidente del DRV para mejorar el rendimiento general del esquema A.

En RX, se necesita un fotodiodo (PD) de gran ancho de banda con menos capacitancia parásita y un amplificador de transimpedancia (TIA) de gran ancho de banda para garantizar el rendimiento del ancho de banda del receptor. En la actualidad, no hay obstáculos para realizar estos componentes a través de la tecnología de semiconductores más avanzada. Hasta donde sabemos, la industria ha invertido mucha energía en el desarrollo de estos componentes y se espera que se lancen dentro de 1 a 2 años. Por otro lado, la conexión entre DP y AIT también es crucial. El efecto parásito en la conexión reducirá el rendimiento del módulo, por lo que también necesita un análisis y una optimización cuidadosos.

Codificación de corrección de errores de reenvío (FEC) en un solo canal 200G

Mencionamos anteriormente que se necesita un FEC más potente para cumplir con los requisitos de sensibilidad de los receptores PAM de 200G, es decir, el código de error de corrección previa tiene el umbral de rendimiento de 2E-3. La siguiente figura ilustra la comparación entre el esquema terminado y el esquema concatenado.

Ffigura4：Comparación del esquema FEC terminado y el esquema FEC concatenado

En la primera opción, KP4 terminará y será reemplazado por un nuevo FEC con una sobrecarga más alta. Este esquema tiene ventajas en NCG y sobrecarga. En la segunda opción, el esquema concatenado en serie conserva KP4 como código externo y lo fusiona con el nuevo código interno. Este método de serie en cascada tiene más ventajas en el retraso y el consumo de energía, por lo que también es más adecuado para aplicaciones 800G-FR4.