FR Scene의 4x200G 기술 분석

800G FR 시나리오의 기술 요구 사항 분석

단일 채널 4G를 기반으로 하는 PAM200 기술은 광 강도 변조 및 직접 감지 상호 연결의 차세대 기술의 주요 부분입니다. 이는 4채널 800G 광 연결의 기반이 될 것이며 향후 1.6Tb/s 상호 연결을 위한 중요한 기반이 될 것입니다.

아래 그림과 같이 MSA 작업 그룹은 전체 PMD와 PMA 레이어 사양의 일부를 정의합니다. 사양에는 모뎀의 NCG(Net Coding Gain)를 개선하기 위해 112G 통신 입력 신호 KP4 FEC 위에 패키지로 새로운 저전력, 저지연 FEC가 포함됩니다.

그림1: PMD 및 PMA 사양의 정의

MSA Alliance의 주요 목표 중 하나는 DAC(디지털-아날로그) 및 ADC(아날로그-디지털) 변환기를 포함하여 송신기 및 수신 부품을 위한 새로운 광대역 전압 전자 및 광학 아날로그 부품을 개발하는 것입니다. 플러그형 모듈의 저전력 소비 목표를 달성하기 위해 200G PAM4 DSP 칩은 더 낮은 nm 노드의 CMOS 프로세스로 설계되고 채널은 저전력 신호 처리 알고리즘을 통해 균형을 이룹니다.

LAN-WDM에는 TEC(온도 조절기)가 필요하며 채널당 200G 솔루션에는 필요하지 않습니다. 이를 고려하여 4x200G 800G 솔루션의 전력 예산은 CWDM4를 기반으로 분석합니다. 전력 예산과 관련된 요소에는 링크 삽입 손실, MPI(다중 경로 간섭), DGD(다른 그룹 지연), TDP(송신기 및 분산 페널티)가 포함됩니다.

IEEE 표준에 발표된 모델에 따르면 MPI 및 DGD의 패널티는 다음 표와 같이 계산됩니다. 채널당 전송 속도가 200G로 증가하면 분산 비용이 채널당 100G의 분산 패널티보다 커집니다. 송신기 분산 페널티(TDP)에 대한 합리적인 권장 사항은 3.9dB입니다. 따라서 수신기 노후화 및 결합 손실에 대한 허용과 송신기의 일반적인 방출 광 전력을 고려할 때 MSA 작업 그룹은 200G PAM4에 필요한 수신기 감도가 약 -5dBm이어야 한다고 생각합니다.

표1：MPI 및 DGD에 대한 페널티 계산

OSNR은 3G에서 100배 전송률로 인해 약 XNUMXdB 저하됩니다. 200G. 따라서 수신기 감도(-5dBm)와 오류 플로어를 유지하려면 더 강력한 FEC 오류 수정 코드가 필요합니다. 위에서 언급했듯이 광학 모듈은 KP4 위에 저전력, 저지연 FEC의 추가 레이어를 캡슐화해야 합니다. 새로운 FEC에 대한 오류 정정 임계값은 링크 성능 및 전력 예산의 요구 사항에 따라 결정될 수 있습니다.

MSA는 시뮬레이션과 실험을 통해 200G 단일 채널의 링크 성능을 제안합니다. 다음 표는 링크에 사용된 장치의 매개변수를 나열합니다.

Table2: 단일 채널 200G 링크에 사용되는 장치의 매개변수

실험 결과는 새로운 독립 단기 치료소 임계값이 아래 그림 (a)와 같이 2E-3으로 설정되면 수신기 감도가 목표 값에 도달할 수 있습니다. 그러나 이 실험에서는 채널 대역폭 제약으로 인한 과도한 심볼 간 간섭을 보상하기 위해 최대 우도 시퀀스 추정(MLSE)이 필요합니다.

그림 2: 단일 채널 200G 실험 및 시뮬레이션 결과

a) 단일 채널 200G 실험과 에뮬레이션 결과는 서로 일치합니다.

(b) 채택된 장치 대역폭이 개선되면 단일 채널 200G 에뮬레이션 결과: FFE 등화를 사용하면 전력 예산의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

위 그림 (a)의 점선은 실험에 사용된 디바이스의 측정 파라미터를 기반으로 에뮬레이션한 결과를 보여준다. 실험 결과와 결합하여 에뮬레이션은 시스템이 AD/DA, 드라이버 및 E/O 모듈레이터와 같은 구성 요소의 대역폭에 의해 제한됨을 보여줍니다. 에뮬레이션 결과는 위의 그림 (b)에 나와 있으며, 이는 향후 몇 년 동안 더 높은 대역폭을 제공할 것으로 예상되는 구성 요소를 고려하여 동일한 시스템 모델(대역폭 확장)을 기반으로 합니다. 결과는 수신기 감도 2E-3의 요구 사항이 DSP 장치에 FFE 이퀄라이제이션이 있는 경우 충족될 수 있음을 보여주며 이는 이론적 기대치와 일치합니다.

위의 분석을 기반으로 800G-FR4 체계에서 여전히 적합성 테스트에서 TDECQ를 따르는 것이 좋습니다. 그러나 TDECQ 측정에서 기준 수신기의 FFE 탭 수는 합리적인 값으로 증가해야 할 수 있으며 구체적인 양은 추가 논의가 필요합니다. 또한 100Gbaud 광학 장치에 대한 성능이 예상보다 낮으면 FR4 체계에서 더 복잡한 알고리즘(예: MLSE)을 사용해야 할 수도 있습니다.

4x200G 패키지 방식 분석

4x200G 광 모듈의 경우 Nyquist 주파수 포인트(56GHz) 범위 내에서 신호 무결성을 보장하기 위해 송신기 및 수신기 패키지를 재고해야 합니다. 다음 그림은 트랜스미터에 대한 두 가지 가능한 솔루션을 보여줍니다. 방식 A는 변조기 드라이버(DRV)가 변조기(예: EML)에 밀접하게 연결된 전통적인 방식입니다. Scheme B에서는 플립칩 설계 기반의 DRV 칩을 DSP 유닛과 함께 패키징하여 RF 전송 라인에서 신호 무결성을 최적화합니다. 두 솔루션 모두 선행 기술에 의해 달성될 수 있습니다.

그림 3: 송신기에 대한 두 가지 가능한 솔루션

예비 에뮬레이션은 방식 B가 좋은 결과를 달성하고 대역폭이 56GHz보다 크다는 것을 보장할 수 있음을 보여줍니다. 방식 A의 곡선 S21 상의 리플은 DRV에 의한 입력 신호의 반사에 의해 야기될 수 있으며, 이는 방식 A의 전반적인 성능을 향상시키기 위해 DRV의 매칭 설계에 의해 최적화될 수 있다.

RX에서는 수신기의 대역폭 성능을 보장하기 위해 기생 커패시턴스가 적은 고대역폭 광다이오드(PD)와 고대역폭 트랜스임피던스 증폭기(TIA)가 필요하다. 현재 가장 앞선 반도체 기술을 통해 이러한 구성 요소를 구현하는 데 장애물이 없습니다. 우리가 아는 한 업계는 이러한 구성 요소의 개발에 많은 에너지를 투자했으며 1~2년 내에 출시될 것으로 기대하고 있습니다. 한편 PD와 TIA의 연결도 중요하다. 연결의 기생 효과는 모듈의 성능을 저하시키므로 신중한 분석과 최적화도 필요합니다.

단일 채널 200G의 FEC(Forward Error Correction Coding)

우리는 위에서 200G PAM 수신기의 감도 요구 사항을 충족하기 위해 더 강력한 FEC가 필요하다고 언급했습니다. 즉, 사전 수정 오류 코드는 2E-3의 임계 성능을 갖습니다. 다음 그림은 종료된 체계와 연결 체계 간의 비교를 보여줍니다.

F그림4：Terminated FEC Scheme과 Concatenated FEC Scheme의 비교

첫 번째 옵션에서 KP4는 종료되고 오버헤드가 더 높은 새 FEC로 대체됩니다. 이 방식은 NCG 및 오버헤드 측면에서 장점이 있습니다. 두 번째 옵션에서 직렬 연결된 체계는 KP4를 외부 코드로 유지하고 이를 새 내부 코드와 병합합니다. 이 캐스케이드 직렬 방식은 지연 및 전력 소비 측면에서 더 많은 이점이 있으므로 800G-FR4 애플리케이션에도 더 적합합니다.