Módulo óptico 800G – Análisis técnico 4x200G en escenario FR

Análisis de requisitos técnicos en escenarios 800G FR

La tecnología PAM200 de un solo canal basada en 4G, una fase importante de la tecnología de próxima generación para la modulación de intensidad óptica y la interconexión de detección directa, será la base para la conectividad óptica de 4G de 800 canales y un componente esencial para las futuras interconexiones de 1.6 Tb/s. . Como se muestra en la figura a continuación, los grupos de trabajo de MSA definirán el PMD completo y parte de la especificación de la capa PMA, incluido el nuevo FEC de baja potencia y baja latencia como una señal de entrada de telecomunicaciones 112G Paquete superior KP4 FEC para mejorar la codificación de red ganancia (NCG) del módem.

Uno de los principales objetivos de MSA es desarrollar nuevos componentes analógicos ópticos y electrónicos de banda ancha y voltaje amplio para componentes de transmisores y receptores, incluidos los convertidores de conversión digital a analógica (DAC) y de conversión analógica a digital (ADC). Para lograr el objetivo de baja potencia de los módulos enchufables, el chip 200G PAM4 DSP se diseñará utilizando un nodo de nm más bajo en el proceso CMOS, y los algoritmos de procesamiento de señales de baja potencia igualarán los canales.

Teniendo en cuenta la necesidad de un enfriador termoeléctrico (TEC) en LAN-WDM, que no se requiere en la solución de 200 G por canal, el presupuesto de energía para la solución 4x200 G 800 G se basará en CWDM4 para analizar la energía. Los factores relacionados con el presupuesto de energía incluyen la pérdida de inserción del enlace, la interferencia de trayectos múltiples (MPI), el retardo de grupo diferencial (DGD) y la penalización por dispersión y transmisor (TDP).

Según el modelo publicado en el estándar IEEE, las penalizaciones de MPI y DGD se calculan como se muestra en la siguiente tabla. Dado que los baudios aumentan a 200G por canal, la penalización por dispersión será mayor que la penalización por dispersión de 100G por canal. Una recomendación razonable para la penalización por dispersión del transmisor (TDP) es 9 dB. Por lo tanto, teniendo en cuenta los márgenes para el envejecimiento del receptor, las pérdidas de acoplamiento y los valores típicos de potencia óptica del transmisor, los grupos de trabajo de MSA creen que la sensibilidad requerida del receptor para 200G PAM4 debería ser de alrededor de -5 dBm.

A medida que los baudios se duplican de 100G a 200G, la OSNR se deteriorará en aproximadamente 3 dB. Por lo tanto, se requiere un código de corrección de errores FEC más robusto para mantener la sensibilidad del receptor (-5 dBm) y el error mínimo. Por lo tanto, como se mencionó anteriormente, el módulo óptico debe considerar encapsular una capa adicional de FEC de baja potencia y baja latencia encima del KP4. El umbral de corrección de errores del nuevo FEC se puede determinar en función de los requisitos de rendimiento del enlace y presupuesto de potencia. El nuevo FEC se describirá más adelante.

Usando simulaciones y experimentos, MSA presenta el rendimiento del enlace para un solo canal 200G. La siguiente tabla enumera los parámetros de los dispositivos utilizados en el enlace.

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

(a) Los resultados experimentales y de simulación de 200G de un solo canal coinciden entre sí; (b) Los resultados de la simulación de 200G de un solo canal cuando se mejora el ancho de banda del dispositivo adoptado: el presupuesto de energía se puede satisfacer utilizando la ecualización FFE

La línea discontinua en la figura anterior (a) muestra los resultados de las simulaciones utilizando los parámetros medidos de los dispositivos utilizados en los experimentos. En combinación con los resultados experimentales, la simulación muestra que el sistema está limitado por el ancho de banda de componentes como AD/DA, controladores y moduladores E/O. Los resultados de la simulación basados ​​en el mismo modelo de sistema (expansión de ancho de banda) se muestran en la figura (b) anterior considerando los componentes que se espera que proporcionen un mayor ancho de banda en los próximos años y basados ​​en el mismo modelo de sistema. Los resultados muestran que con solo la ecualización FFE en la unidad DSP, se puede cumplir la sensibilidad del receptor de 2E-3, como se esperaba de la teoría.

Con base en el análisis anterior, todavía se recomienda seguir TDECQ en la prueba de cumplimiento en el esquema 800G-FR4. Sin embargo, se debe considerar que el número de derivaciones FFE del receptor de referencia utilizado en las mediciones de TDECQ aumente a un valor razonable, lo que se debe analizar más a fondo. Además, debe tenerse en cuenta que si las capacidades futuras para los dispositivos ópticos de 100 Gbaudios son más bajas de lo esperado, es posible que se deban usar algoritmos más complejos (por ejemplo, MLSE) en el esquema FR4, lo que significa que un nuevo esquema de cumplimiento para 800G-FR4 ser necesario.

Análisis de la solución de embalaje 4x200G

Para el módulo óptico 4x200G, se debe reconsiderar el empaque de su transmisor y receptor para garantizar la integridad de la señal en el rango de puntos de frecuencia de Nyquist (56 GHz). La siguiente figura muestra dos posibles soluciones para el emisor. El Esquema A es el esquema tradicional, donde el controlador del modulador (DRV) y el modulador (como EML) están uno al lado del otro. En el esquema B, el chip DRV basado en un diseño plegable se empaqueta junto con la unidad DSP para optimizar la integridad de la señal en la línea de transmisión de RF. Ambas soluciones se pueden lograr con las tecnologías existentes.

Las simulaciones preliminares muestran que el esquema B puede lograr buenos resultados y garantizar un ancho de banda superior a 56 GHz. La ondulación en la curva S21 del Esquema A puede ser causada por el reflejo del DRV en la señal de entrada, que se puede optimizar haciendo coincidir el diseño del DRV para mejorar el rendimiento general del Esquema A.

En el receptor, se necesita un fotodiodo (PD) de ancho de banda alto con menos capacitancia parásita y un amplificador de transimpedancia (TIA) de ancho de banda alto para garantizar el rendimiento del ancho de banda del receptor. Actualmente no existen obstáculos para implementar estos componentes a través de la tecnología de semiconductores más avanzada. Hasta donde sabemos, la industria se ha esforzado mucho en desarrollar estos componentes y esperamos que estén disponibles en 1 o 2 años. Por otro lado, la conexión entre PD y TIA también es crítica. Los efectos parásitos en la conexión pueden degradar el rendimiento del módulo, que también debe analizarse y optimizarse cuidadosamente.

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

Como se mencionó anteriormente, se requiere un FEC más potente para cumplir con el requisito de sensibilidad del receptor PAM 200G, que es un umbral de rendimiento 2E-3 para la corrección de errores. La siguiente figura ilustra una comparación entre los esquemas terminados y concatenados.

800G FEC: esquema FEC terminado frente a esquema FEC concatenado

En la primera opción, KP4 se termina y se reemplaza por un nuevo FEC con una sobrecarga mayor, lo que tiene ventajas en términos de NCG y sobrecarga. En la segunda opción, el esquema concatenado en tándem mantiene KP4 como código externo y lo fusiona con el nuevo código interno. Este enfoque en tándem en cascada tiene más ventajas de latencia y potencia y, por lo tanto, es más adecuado para aplicaciones 800G-FR4.