Module optique 800G - Analyse technique 4x200G dans le scénario FR

Analyse des exigences techniques dans les scénarios 800G FR

La technologie PAM200 basée sur 4G à canal unique, une phase importante de la technologie de nouvelle génération pour la modulation d'intensité optique et l'interconnexion de détection directe, sera la base de la connectivité optique 4G à 800 canaux et un élément essentiel pour les futures interconnexions 1.6 Tb/s. . Comme le montre la figure ci-dessous, les groupes de travail MSA définiront le PMD complet et une partie de la spécification de la couche PMA, y compris le nouveau FEC à faible puissance et à faible latence en tant que signal d'entrée télécom 112G KP4 FEC top package pour améliorer le codage net gain (NCG) du modem.

L'un des principaux objectifs de MSA est de développer de nouveaux composants analogiques électroniques et optiques à large bande et à large tension pour les composants d'émetteur et de récepteur, y compris les convertisseurs de conversion numérique-analogique (DAC) et de conversion analogique-numérique (ADC). Afin d'atteindre l'objectif de faible puissance des modules enfichables, la puce DSP PAM200 4G sera conçue à l'aide d'un nœud nm inférieur dans le processus CMOS, et des algorithmes de traitement du signal à faible puissance égaliseront les canaux.

Compte tenu de la nécessité d'un refroidisseur thermoélectrique (TEC) en LAN-WDM, qui n'est pas requis dans la solution 200G par canal, le budget de puissance pour la solution 4x200G 800G sera basé sur CWDM4 pour analyser la puissance. Les facteurs liés au bilan de puissance comprennent la perte d'insertion de liaison, les interférences par trajets multiples (MPI), le retard de groupe différentiel (DGD) et la pénalité d'émission et de dispersion (TDP).

Sur la base du modèle publié dans la norme IEEE, les pénalités MPI et DGD sont calculées comme indiqué dans le tableau ci-dessous. Étant donné que le baud augmente à 200G par canal, la pénalité de dispersion sera supérieure à la pénalité de dispersion de 100G par canal. Une recommandation raisonnable pour la pénalité de dispersion de l'émetteur (TDP) est de 9 dB. Par conséquent, compte tenu des marges de vieillissement du récepteur, des pertes de couplage et des valeurs typiques de puissance optique de l'émetteur, les groupes de travail MSA estiment que la sensibilité requise du récepteur pour 200G PAM4 devrait être d'environ -5 dBm.

Comme le baud double de 100G à 200G, l'OSNR se détériorera d'environ 3 dB. Par conséquent, un code de correction d'erreur FEC plus robuste est nécessaire pour maintenir la sensibilité du récepteur (-5 dBm) et le seuil d'erreur. Par conséquent, comme mentionné ci-dessus, le module optique doit envisager d'encapsuler une couche supplémentaire de FEC à faible puissance et à faible latence au-dessus du KP4. Le seuil de correction d'erreurs du nouveau FEC peut être déterminé en fonction des performances de liaison et des exigences de budget de puissance. La nouvelle FEC sera décrite ultérieurement.

À l'aide de simulations et d'expériences, MSA présente les performances de la liaison pour un seul canal 200G. Le tableau suivant répertorie les paramètres des appareils utilisés dans le lien.

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

(a) Les résultats expérimentaux et de simulation du 200G monocanal se correspondent ; (b) Les résultats de la simulation du 200G monocanal lorsque la bande passante de l'appareil adopté est améliorée : le budget de puissance peut être satisfait en utilisant l'égalisation FFE

La ligne pointillée dans la figure ci-dessus (a) montre les résultats des simulations utilisant les paramètres mesurés des dispositifs utilisés dans les expériences. Combinée aux résultats expérimentaux, la simulation montre que le système est limité par la bande passante de composants tels que AD/DA, pilotes et modulateurs E/O. Les résultats de simulation basés sur le même modèle de système (expansion de la bande passante) sont présentés dans la figure (b) ci-dessus en tenant compte des composants qui devraient fournir une bande passante plus élevée dans les années à venir et basés sur le même modèle de système. Les résultats montrent qu'avec seulement l'égalisation FFE dans l'unité DSP, la sensibilité du récepteur de 2E-3 peut être atteinte, comme prévu par la théorie.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, il est toujours recommandé de suivre TDECQ dans le test de conformité du schéma 800G-FR4. Cependant, le nombre de prises FFE du récepteur de référence utilisé dans les mesures TDECQ doit être pris en compte pour augmenter jusqu'à une valeur raisonnable, ce qui doit être discuté plus en détail. En outre, il convient de noter que si les capacités futures des dispositifs optiques 100 Gbaud sont inférieures aux attentes, des algorithmes plus complexes (par exemple MLSE) devront peut-être être utilisés dans le schéma FR4, ce qui signifie qu'un nouveau schéma de conformité pour 800G-FR4 être nécessaire.

Analyse de la solution d'emballage 4x200G

Pour le module optique 4x200G, le conditionnement de son émetteur et de son récepteur doit être revu pour assurer l'intégrité du signal dans la gamme des points de fréquence de Nyquist (56 GHz). La figure suivante montre deux solutions possibles pour l'émetteur. Le schéma A est le schéma traditionnel, où le pilote de modulateur (DRV) et le modulateur (tel que EML) sont côte à côte. Dans le schéma B, la puce DRV basée sur une conception à retournement est conditionnée avec l'unité DSP pour optimiser l'intégrité du signal sur la ligne de transmission RF. Les deux solutions peuvent être réalisées avec les technologies existantes.

Des simulations préliminaires montrent que le schéma B peut obtenir de bons résultats et assurer une bande passante supérieure à 56 GHz. L'ondulation sur la courbe S21 du schéma A peut être causée par la réflexion du DRV sur le signal d'entrée, qui peut être optimisée en faisant correspondre la conception du DRV pour améliorer les performances globales du schéma A.

Au niveau du récepteur, 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 garantir les performances de bande passante du récepteur. Il n'y a actuellement aucun obstacle à la mise en œuvre de ces composants grâce à la technologie des semi-conducteurs la plus avancée. À notre connaissance, l'industrie a déployé beaucoup d'efforts pour développer ces composants et nous espérons qu'ils seront disponibles dans 1 à 2 ans. D'autre part, la connexion entre PD et TIA est également critique. Des effets parasites dans la connexion peuvent dégrader les performances du module, qui doit également être soigneusement analysé et optimisé.

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

Comme mentionné ci-dessus, un FEC plus puissant est nécessaire pour répondre à l'exigence de sensibilité du récepteur PAM 200G, qui est une performance de seuil 2E-3 pour la correction d'erreurs. La figure ci-dessous illustre une comparaison entre les schémas terminés et concaténés.

FEC 800G : schéma FEC terminé par rapport au schéma FEC concaténé

Dans la première option, KP4 est résilié et remplacé par un nouveau FEC avec un surdébit plus important, ce qui présente des avantages en termes de NCG et de surdébit. Dans la deuxième option, le schéma concaténé en tandem conserve KP4 comme code externe et le fusionne avec le nouveau code interne. Cette approche tandem en cascade présente plus d'avantages en termes de latence et de puissance et est donc plus adaptée aux applications 800G-FR4.