Analyse de la technologie 4x200G dans la scène FR

Analyse des exigences techniques dans le scénario 800G FR

La technologie PAM4 basée sur un seul canal 200G est la partie principale de la technologie de nouvelle génération de modulation d'intensité lumineuse et d'interconnexion de détection directe. Il deviendra la base d'une connexion optique 4G à 800 canaux et une base importante pour la future interconnexion 1.6 Tb / s.

Comme le montre la figure ci-dessous, le groupe de travail MSA définira la PMD complète et une partie des spécifications de la couche PMA. Les spécifications incluent le nouveau FEC à faible puissance et à faible latence en tant que package au-dessus du signal d'entrée de télécommunication 112G KP4 FEC pour améliorer le gain de codage net (NCG) du modem.

Figure 1 : Définitions des spécifications PMD et PMA

L'un des principaux objectifs de l'Alliance MSA est de développer de nouveaux composants analogiques électroniques et optiques à large bande passante pour les composants d'émission et de réception, y compris les convertisseurs numérique-analogique (DAC) et analogique-numérique (ADC). Pour atteindre l'objectif de faible consommation d'énergie des modules enfichables, la puce DSP PAM200 4G sera conçue dans un processus CMOS avec un nœud nm inférieur, et les canaux seront équilibrés via un algorithme de traitement du signal à faible puissance.

Un contrôleur de température (TEC) est requis dans LAN-WDM, ce qui n'est pas requis dans une solution 200G par canal. Compte tenu de cela, le bilan de puissance d'une solution 4x200G 800G sera analysé sur la base de CWDM4. Les facteurs liés au budget de puissance comprennent la perte d'insertion de liaison, les interférences par trajets multiples (MPI), le retard de groupe différent (DGD) et la pénalité d'émetteur et de dispersion (TDP).

Selon le modèle publié dans la norme IEEE, la pénalité de MPI et DGD est calculée comme indiqué dans le tableau suivant. Lorsque le débit en bauds par canal augmente à 200G, son coût de dispersion sera supérieur à la pénalité de dispersion de 100G par canal. La recommandation raisonnable pour la pénalité dispersée de l'émetteur (TDP) est de 3.9 dB. Par conséquent, compte tenu de la tolérance pour le vieillissement du récepteur et la perte de couplage, et de la puissance optique émise typique de l'émetteur, le groupe de travail MSA estime que la sensibilité du récepteur requise pour 200G PAM4 devrait être d'environ -5 dBm.

Tableau 1：Calcul des pénalités pour MPI et DGD

L'OSNR se détériorera d'environ 3 dB en raison d'un double débit en bauds de 100G à 200G. Par conséquent, des codes de correction d'erreur FEC plus forts sont nécessaires pour maintenir la sensibilité du récepteur (-5dBm) et le plancher d'erreur. Comme mentionné ci-dessus, le module optique doit encapsuler une couche supplémentaire de FEC à faible puissance et à faible latence au-dessus du KP4. Le seuil de correction d'erreurs pour la nouvelle FEC peut être déterminé en fonction des exigences de performances de liaison et du budget de puissance.

MSA propose les performances de liaison d'un seul canal de 200G à travers des simulations et des expérimentations. Le tableau suivant répertorie les paramètres des appareils utilisés dans le lien.

Tableau 2：les paramètres des appareils utilisés dans la liaison 200G monocanal

Les résultats expérimentaux montrent que lorsque le nouveau FEC Si le seuil est défini sur 2E-3, comme illustré à la figure (a) ci-dessous, la sensibilité du récepteur peut atteindre la valeur cible. Cependant, dans cette expérience, l'estimation de séquence de vraisemblance maximale (MLSE) est nécessaire pour compenser les interférences inter-symboles excessives causées par les contraintes de bande passante du canal.

Figure 2： Résultats de l'expérience et de la simulation 200G monocanal

a) Les résultats de l'expérience 200G et de l'émulation à canal unique correspondent les uns aux autres ;

(b) Lorsque la bande passante de l'appareil adoptée est améliorée, l'émulation 200G monocanal en résulte : l'utilisation de l'égalisation FFE peut répondre aux exigences du budget de puissance.

La ligne pointillée de la figure (a) ci-dessus montre les résultats de l'émulation basée sur les paramètres de mesure de l'appareil utilisé dans l'expérience. Combiné avec les résultats expérimentaux, l'émulation montre que le système est limité par la bande passante des composants tels que AD/DA, pilote et modulateur E/O. Les résultats de l'émulation sont présentés dans la figure (b) ci-dessus, qui sont basés sur le même modèle de système (extension de bande passante), compte tenu des composants qui devraient fournir une bande passante plus élevée au cours des prochaines années. Les résultats montrent que les exigences de sensibilité du récepteur 2E-3 peuvent être satisfaites s'il y a une égalisation FFE dans l'unité DSP, ce qui est conforme aux attentes théoriques.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, dans le schéma 800G-FR4, il est toujours recommandé de suivre le TDECQ dans le test de conformité. Cependant, dans la mesure TDECQ, le nombre de prises FFE du récepteur de référence peut devoir être augmenté jusqu'à une valeur raisonnable, et la quantité spécifique nécessite une discussion plus approfondie. En outre, il convient de noter que si la capacité des dispositifs optiques à 100 Gbauds est inférieure aux prévisions, des algorithmes plus complexes (tels que MLSE) peuvent devoir être utilisés dans le schéma FR4.

Analyse du schéma de package 4x200G

Pour le module optique 4x200G, le package de son émetteur et de son récepteur doit être reconsidéré pour assurer l'intégrité du signal dans la plage du point de fréquence de Nyquist (56 GHz). La figure suivante montre deux solutions possibles pour le transmetteur. Le schéma A est un schéma traditionnel, où le pilote de modulateur (DRV) est étroitement connecté au modulateur (tel que EML). Dans le schéma B, la puce DRV basée sur une conception à puce retournée est conditionnée avec l'unité DSP pour optimiser l'intégrité du signal sur la ligne de transmission RF. Les deux solutions peuvent être réalisées par l'art antérieur.

Figure3： Deux solutions possibles pour l'émetteur

L'émulation préliminaire montre que le schéma B peut obtenir de bons résultats et garantir que la bande passante est supérieure à 56 GHz. L'ondulation sur la courbe S21 du schéma A peut être causée par la réflexion du signal d'entrée par le DRV, qui peut être optimisée par la conception correspondante du DRV pour améliorer les performances globales du schéma A.

En RX, une photodiode à large bande passante (PD) avec moins de capacité parasite et un amplificateur à transimpédance à large bande passante (TIA) sont nécessaires pour assurer les performances de la bande passante du récepteur. À l'heure actuelle, il n'y a aucun obstacle à la réalisation de ces composants grâce à la technologie des semi-conducteurs la plus avancée. A notre connaissance, l'industrie a investi beaucoup d'énergie dans le développement de ces composants et on espère qu'ils seront lancés d'ici 1 à 2 ans. D'autre part, le lien entre PD et TIA est également crucial. L'effet parasite dans la connexion réduira les performances du module, il nécessite donc également une analyse et une optimisation minutieuses.

Codage de correction d'erreur directe (FEC) dans le monocanal 200G

Nous avons mentionné ci-dessus qu'un FEC plus puissant est nécessaire pour répondre aux exigences de sensibilité des récepteurs PAM 200G, c'est-à-dire que le code d'erreur de pré-correction a le seuil de performance de 2E-3. La figure suivante illustre la comparaison entre le schéma terminé et le schéma concaténé.

Ffigure4：Comparaison du schéma FEC terminé et du schéma FEC concaténé

Dans la première option, KP4 prendra fin et sera remplacé par un nouveau FEC avec un surcoût plus élevé. Ce schéma présente des avantages en NCG et en frais généraux. Dans la deuxième option, le schéma concaténé en série conserve KP4 comme code externe et le fusionne avec le nouveau code interne. Cette méthode série en cascade présente plus d'avantages en termes de retard et de consommation d'énergie, elle est donc également plus adaptée aux applications 800G-FR4.