FRシーンでの4x200Gテクノロジーの分析

800GFRシナリオでの技術要件分析

シングルチャネル4Gに基づくPAM200テクノロジーは、光強度変調と直接検出相互接続の次世代テクノロジーの主要部分です。 これは、4チャネル800G光接続の基盤となり、将来の1.6Tb/s相互接続の重要な基盤となります。

次の図に示すように、MSAワーキンググループは、完全なPMDとPMAレイヤー仕様の一部を定義します。 仕様には、モデムのネットコーディングゲイン（NCG）を改善するために、112Gテレコム入力信号KP4FECに加えてパッケージとして新しい低電力で低遅延のFECが含まれています。

図1：PMDおよびPMA仕様の定義

MSAアライアンスの主な目標の200つは、デジタル-アナログ（DAC）およびアナログ-デジタル（ADC）コンバーターを含む、送信機および受信機コンポーネント用の新しい広帯域電圧電子および光学アナログコンポーネントを開発することです。 プラグ可能なモジュールの低消費電力目標を達成するために、4G PAMXNUMX DSPチップは低nmノードのCMOSプロセスで設計され、チャネルは低電力信号処理アルゴリズムによってバランスが取られます。

LAN-WDMには温度コントローラー（TEC）が必要ですが、チャネルごとの200Gソリューションには必要ありません。 これを考慮して、4x200G800GソリューションのパワーバジェットはCWDM4に基づいて分析されます。 パワーバジェットに関連する要因には、リンク挿入損失、マルチパス干渉（MPI）、異なる群遅延（DGD）、送信機と分散のペナルティ（TDP）が含まれます。

IEEE規格で公開されているモデルに従って、MPIとDGDのペナルティは次の表に示すように計算されます。 チャネルあたりのボーレートが200Gに増加すると、その分散コストはチャネルあたり100Gの分散ペナルティよりも大きくなります。 送信機分散ペナルティ（TDP）の妥当な推奨値は3.9dBです。 したがって、受信機の経年劣化と結合損失の許容値、および送信機の一般的な放射光パワーを考慮すると、MSAワーキンググループは、200GPAM4に必要な受信機の感度は約-5dBmであると考えています。

表1：MPIとDGDのペナルティ計算

OSNR は 3G から 100 倍のボーレートにより約 XNUMX dB 悪化します。 200G. したがって、受信感度 (-5dBm) とエラー フロアを維持するには、より強力な FEC エラー訂正コードが必要です。 前述のように、光モジュールは、KP4 の上に低電力、低遅延の FEC の追加レイヤーをカプセル化する必要があります。 新しい FEC のエラー訂正しきい値は、リンク パフォーマンスと電力バジェットの要件に従って決定できます。

MSAは、シミュレーションと実験を通じて、200Gの単一チャネルのリンクパフォーマンスを提案しています。 次の表に、リンクで使用されるデバイスのパラメーターを示します。

表2：シングルチャネル200Gリンクで使用されるデバイスのパラメータ

実験結果は、新しい FEC 下図(a)のようにしきい値を2E-3に設定すると、受信感度は目標値に到達することができます。 ただし、この実験では、チャネル帯域幅の制約によって引き起こされる過度のシンボル間干渉を補償するために、最尤シーケンス推定 (MLSE) が必要です。

図2：シングルチャネル200Gの実験とシミュレーション結果

a）シングルチャネル200Gの実験とエミュレーションの結果は互いに一致しています。

（b）採用されたデバイス帯域幅が改善されると、シングルチャネル200Gエミュレーションが得られます。FFEイコライゼーションを使用すると、電力バジェットの要件を満たすことができます。

上の図（a）の点線は、実験で使用したデバイスの測定パラメータに基づくエミュレーションの結果を示しています。 実験結果と組み合わせると、エミュレーションは、システムがAD / DA、ドライバー、E/O変調器などのコンポーネントの帯域幅によって制限されることを示しています。 エミュレーションの結果を上の図（b）に示します。これは、今後数年間でより高い帯域幅を提供すると予想されるコンポーネントを考慮した、同じシステムモデル（帯域幅拡張）に基づいています。 結果は、DSPユニットにFFEの等化があれば、受信機の感度2E-3の要件を満たすことができることを示しています。これは、理論上の期待に沿ったものです。

上記の分析に基づいて、800G-FR4スキームでは、コンプライアンステストでTDECQに従うことをお勧めします。 ただし、TDECQ測定では、基準受信機のFFEタップ数を妥当な値に増やす必要がある場合があり、具体的な量についてはさらに検討する必要があります。 さらに、100Gbaud光デバイスの機能が予想よりも低い場合は、FR4スキームでより複雑なアルゴリズム（MLSEなど）を使用する必要がある場合があることに注意してください。

4x200Gパッケージスキームの分析

4x200G光モジュールの場合、ナイキスト周波数ポイント（56GHz）の範囲内でシグナルインテグリティを確保するために、送信機と受信機のパッケージを再検討する必要があります。 次の図は、送信機のXNUMXつの可能な解決策を示しています。 スキームAは、変調器ドライバー（DRV）が変調器（EMLなど）に密接に接続されている従来のスキームです。 スキームBでは、フリップチップ設計に基づくDRVチップがDSPユニットと一緒にパッケージ化され、RF伝送ラインのシグナルインテグリティを最適化します。 両方の解決策は、従来技術によって達成することができる。

図3：送信機のXNUMXつの可能な解決策

予備的なエミュレーションは、スキームBが良好な結果を達成し、帯域幅が56GHzを超えることを保証できることを示しています。 スキームAの曲線S21のリップルは、DRVによる入力信号の反射によって引き起こされる可能性があります。これは、DRVのマッチング設計によって最適化され、スキームAの全体的なパフォーマンスを向上させることができます。

RXでは、受信機の帯域幅性能を確保するために、寄生容量の少ない高帯域幅フォトダイオード（PD）と高帯域幅トランスインピーダンスアンプ（TIA）が必要です。 現在、最先端の半導体技術でこれらの部品を実現する上での障害はありません。 私たちの知る限り、業界はこれらのコンポーネントの開発に多くのエネルギーを投資しており、1〜2年以内に発売されることが期待されています。 一方、PDとTIAの関係も重要です。 接続の寄生効果はモジュールのパフォーマンスを低下させるため、注意深い分析と最適化も必要です。

シングルチャネル200Gの前方誤り訂正コーディング（FEC）

200G PAM受信機の感度要件を満たすには、より強力なFECが必要であると前述しました。つまり、事前訂正エラーコードのしきい値パフォーマンスは2E-3です。 次の図は、終了スキームと連結スキームの比較を示しています。

Fイグレ4：終了したFECスキームと連結されたFECスキームの比較

最初のオプションでは、KP4が終了し、オーバーヘッドの高い新しいFECに置き換えられます。 このスキームには、NCGとオーバーヘッドに利点があります。 4番目のオプションでは、直列連結スキームはKP800を外部コードとして保持し、それを新しい内部コードとマージします。 このカスケード直列方式は、遅延と消費電力の点でより多くの利点があるため、4G-FRXNUMXアプリケーションにも適しています。