800G 光モジュール – FR シナリオでの 4x200G テクニカル分析

800G FR シナリオにおける技術要件の分析

シングルチャネル 200G ベースの PAM4 技術は、光強度変調および直接検出相互接続の次世代技術の重要な段階であり、4 チャネル 800G 光接続の基盤となり、将来の 1.6Tb/s 相互接続に不可欠なビルディング ブロックとなります。 . 下の図に示すように、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。これには、ネット コーディングを改善するための 112G テレコム入力信号 KP4 FEC トップ パッケージとしての新しい低電力、低遅延 FEC が含まれます。モデムのゲイン (NCG)。

MSA の主な目標の 200 つは、デジタル アナログ変換 (DAC) およびアナログ デジタル変換 (ADC) コンバーターを含む、トランスミッターおよびレシーバー コンポーネント用の新しいブロードバンド、広電圧の電子および光アナログ 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電力目標を達成するために、4G PAMXNUMX DSP チップは、CMOS プロセスでより低い nm ノードを使用して設計され、低電力信号処理アルゴリズムがチャネルをイコライズします。

LAN-WDM での熱電冷却器 (TEC) の必要性を考慮すると、200G/チャネル ソリューションでは必要ありません。4x200G 800G ソリューションの電力バジェットは、CWDM4 に基づいて電力を分析します。 電力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)、微分群遅延 (DGD)、送信機および分散ペナルティ (TDP) などがあります。

IEEE 標準で公開されているモデルに基づいて、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。 ボーがチャネルあたり 200G に増加すると、分散ペナルティはチャネルあたり 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 9 dB です。 したがって、レシーバの経年劣化、結合損失、および一般的なトランスミッタの光パワー値のマージンを考慮すると、MSA ワーキング グループは、200G PAM4 に必要なレシーバ感度は約 -5 dBm であると考えています。

ボーが 100G から 200G に 3 倍になると、OSNR は約 5 dB 低下します。 したがって、受信感度 (-4 dBm) とエラー フロアを維持するには、より堅牢な FEC エラー訂正コードが必要です。 したがって、前述のように、光モジュールは、KPXNUMX 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ことを検討する必要があります。 新しい FEC のエラー訂正しきい値は、リンクのパフォーマンスと電力バジェットの要件に基づいて決定できます。 新FECについては後述する。

シミュレーションと実験を使用して、MSA は単一チャネル 200G のリンク パフォーマンスを示します。 次の表に、リンクで使用されるデバイスのパラメータを示します。

実験結果は、下の図 (a) に示すように、新しい FEC しきい値を 2E-3 に設定すると、受信感度が目標値に到達できることを示しています。 ただし、この実験では、チャネル帯域幅の制限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、最尤系列推定 (MLSE) が必要です。

(a) 単一チャネル 200G の実験結果とシミュレーション結果は互いに一致します。 (b) 採用デバイスの帯域幅を改善した場合のシングル チャネル 200G のシミュレーション結果: FFE 等化を使用することで電力バジェットを満足できます。

上図（a）の破線は、実験で使用したデバイスの測定パラメータを使用したシ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、シミュレーションは、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。 同じシステム モデル (帯域幅拡張) に基づくシミュレーション結果は、上の図 (b) に示されています。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、同じシステム モデルに基づいています。 その結果、DSP部のFFEイコライズのみで、理論通り2E-3の受信感度を確保できることがわかりました。

上記の分析に基づいて、800G-FR4 方式のコンプライアンス テストで TDECQ に従うことが引き続き推奨されます。 ただし、TDECQ 測定で使用される基準受信機の FFE タップの数は、妥当な値まで増加することを考慮する必要があり、正確にはさらに議論する必要があります。 さらに、100Gbaud 光デバイスの将来の機能が予想よりも低い場合、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可能性があることに注意してください。これは、800G-FR4 の新しい準拠スキームが必要があります。

4x200G パッケージング ソリューション分析

4x200G 光モジュールの場合、送信機と受信機のパッケージングを再検討して、ナイキスト周波数ポイント (56GHz) の範囲で信号の完全性を確保する必要があります。 次の図は、エミッタの XNUMX つの可能なソリューションを示しています。 方式 A は従来の方式で、変調器ドライバー (DRV) と変調器 (EML など) が隣り合っています。 方式 B では、フリップ設計に基づく DRV チップが DSP ユニットと一緒にパッケージ化され、RF 伝送ライン上のシグナル インテグリティが最適化されます。 どちらのソリューションも、既存のテクノロジーで実現できます。

予備的なシミュレーションでは、スキーム B が良好な結果を達成し、56 GHz を超える帯域幅を確保できることが示されています。 方式 A の S21 曲線のリップルは、DRV の入力信号への反射によって引き起こされる可能性があり、これは DRV 設計を一致させることで最適化し、方式 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。

受信機では、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のフォトダイオード (PD) と高帯域幅の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を使用してこれらのコンポーネントを実装するのに何の障害もありません。 私たちが知る限り、業界はこれらのコンポーネントの開発に多大な努力を払っており、うまくいけば1〜2年で利用可能になるでしょう. 一方、PD と TIA の接続も重要です。 接続の寄生効果によってモジュールの性能が低下する可能性があるため、これも慎重に分析して最適化する必要があります。

単一チャネル 200G の前方誤り訂正符号化 (FEC)

前述のように、200G PAM レシーバーの感度要件を満たすには、より強力な FEC が必要です。これは、エラー訂正の 2E-3 しきい値性能です。 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。

800G FEC: 終了 FEC 方式と連結 FEC 方式

最初のオプションでは、KP4 が終了し、より大きなオーバーヘッドを持つ新しい FEC に置き換えられます。これは、NCG とオーバーヘッドの点で利点があります。 4 番目のオプションでは、タンデム連結スキームが 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 タンデム アプローチには、より多くのレイテンシと電力の利点があるため、4G-FRXNUMX アプリケーションにより適しています。