800G 광 모듈 – FR 시나리오에서 4x200G 기술 분석

800G FR 시나리오의 기술 요구 사항 분석

광도 변조 및 직접 감지 상호 연결을 위한 차세대 기술의 중요한 단계인 단일 채널 200G 기반 PAM4 기술은 4채널 800G 광 연결의 기반이 될 것이며 미래의 1.6Tb/s 상호 연결을 위한 필수 빌딩 블록이 될 것입니다. . 아래 그림과 같이 MSA 작업 그룹은 112G 통신 입력 신호 KP4 FEC 상단 패키지로 네트 코딩을 개선하는 새로운 저전력, 저지연 FEC를 포함하여 전체 PMD 및 PMA 계층 사양의 일부를 정의합니다. 모뎀의 이득(NCG).

MSA의 주요 목표 중 하나는 DAC(디지털-아날로그 변환) 및 ADC(아날로그-디지털 변환) 변환기를 포함하여 송신기 및 수신기 구성 요소를 위한 새로운 광대역, 광대역 전압 전자 및 광학 아날로그 구성 요소를 개발하는 것입니다. 플러그형 모듈의 저전력 목표를 달성하기 위해 200G PAM4 DSP 칩은 CMOS 프로세스에서 더 낮은 nm 노드를 사용하여 설계되고 저전력 신호 처리 알고리즘은 채널을 균등화합니다.

채널당 200G 솔루션에서는 필요하지 않은 LAN-WDM의 TEC(Thermo Electric Cooler)의 필요성을 고려하여 4x200G 800G 솔루션의 전력 예산은 전력 분석을 위해 CWDM4를 기반으로 합니다. 전력 예산과 관련된 요소에는 링크 삽입 손실, 다중 경로 간섭(MPI), 차동 그룹 지연(DGD), 송신기 및 분산 패널티(TDP)가 포함됩니다.

IEEE 표준에 게시된 모델을 기반으로 MPI 및 DGD 페널티는 아래 표와 같이 계산됩니다. 보오(baud)가 채널당 200G로 증가한다는 점을 감안할 때 분산 패널티는 채널당 100G의 분산 패널티보다 클 것입니다. 송신기 분산 패널티(TDP)에 대한 합리적인 권장 사항은 9dB입니다. 따라서 수신기 노후화, 결합 손실 및 일반적인 송신기 광 전력 값에 대한 마진을 고려할 때 MSA 작업 그룹은 200G PAM4에 필요한 수신기 감도가 -5dBm 정도가 되어야 한다고 생각합니다.

baud가 100G에서 200G로 두 배로 증가함에 따라 OSNR은 약 3dB 저하됩니다. 따라서 수신기 감도(-5dBm) 및 오류 플로어를 유지하려면 보다 강력한 FEC 오류 수정 코드가 필요합니다. 따라서 위에서 언급한 것처럼 광 모듈은 KP4 위에 저전력, 저지연 FEC의 추가 레이어를 캡슐화하는 것을 고려해야 합니다. 새로운 FEC의 오류 수정 임계값은 링크 성능 및 전력 예산 요구 사항을 기반으로 결정할 수 있습니다. 새로운 FEC에 대해서는 나중에 설명한다.

시뮬레이션과 실험을 사용하여 MSA는 단일 채널 200G에 대한 링크 성능을 제시합니다. 다음 표는 링크에 사용된 장치의 매개변수를 나열합니다.

실험 결과는 아래 그림 (a)와 같이 새로운 FEC 임계값이 2E-3으로 설정되었을 때 수신기 감도가 목표 값에 도달할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 이 실험에서는 채널 대역폭 제한으로 인한 과도한 심볼 간 간섭을 보상하기 위해 최대 우도 시퀀스 추정(MLSE)이 필요합니다.

(a) 단일 채널 200G의 실험 및 시뮬레이션 결과는 서로 일치합니다. (b) 단일 채널 200G를 채택한 디바이스의 대역폭이 향상되었을 때의 시뮬레이션 결과: FFE 등화를 사용하여 전력 예산을 충족할 수 있음

위 그림(a)의 점선은 실험에 사용된 소자의 측정된 매개변수를 사용하여 시뮬레이션한 결과입니다. 실험 결과와 결합하여 시뮬레이션은 시스템이 AD/DA, 드라이버 및 E/O 변조기와 같은 구성 요소의 대역폭에 의해 제한됨을 보여줍니다. 동일한 시스템 모델(대역폭 확장)을 기반으로 한 시뮬레이션 결과는 동일한 시스템 모델을 기반으로 하고 향후 더 높은 대역폭을 제공할 것으로 예상되는 구성 요소를 고려하여 위의 그림 (b)에 나와 있습니다. 결과는 DSP 장치에서 FFE 등화만 있으면 이론에서 예상한 대로 2E-3의 수신기 감도를 충족할 수 있음을 보여줍니다.

위의 분석을 바탕으로 800G-FR4 체계의 적합성 테스트에서 TDECQ를 따르는 것이 여전히 권장됩니다. 그러나 TDECQ 측정에 사용되는 기준 수신기의 FFE 탭 수는 합리적인 값으로 증가하는 것으로 간주되어야 하며 정확히 추가 논의가 필요한 사항입니다. 또한 100Gbaud 광 장치의 미래 기능이 예상보다 낮으면 FR4 체계에서 더 복잡한 알고리즘(예: MLSE)을 사용해야 할 수 있습니다. 이는 800G-FR4에 대한 새로운 규정 준수 체계가 필요하다.

4x200G 패키징 솔루션 분석

4x200G 광 모듈의 경우 Nyquist 주파수 포인트(56GHz) 범위에서 신호 무결성을 보장하기 위해 송신기와 수신기의 패키징을 다시 고려해야 합니다. 다음 그림은 이미터에 대한 두 가지 가능한 솔루션을 보여줍니다. 방식 A는 변조기 드라이버(DRV)와 변조기(예: EML)가 서로 옆에 있는 전통적인 방식입니다. 방식 B에서 플립 디자인을 기반으로 하는 DRV 칩은 DSP 유닛과 함께 패키징되어 RF 전송 라인에서 신호 무결성을 최적화합니다. 두 솔루션 모두 기존 기술로 달성할 수 있습니다.

예비 시뮬레이션은 계획 B가 좋은 결과를 얻을 수 있고 56GHz보다 큰 대역폭을 보장할 수 있음을 보여줍니다. Scheme A의 S21 곡선의 리플은 입력 신호에 대한 DRV의 반사로 인해 발생할 수 있으며, 이는 Scheme A의 전체 성능을 개선하기 위해 DRV 설계를 일치시켜 최적화할 수 있습니다.

수신기에서 수신기의 대역폭 성능을 보장하려면 기생 커패시턴스가 적은 고대역폭 광다이오드(PD)와 고대역폭 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)가 필요합니다. 현재 가장 앞선 반도체 기술을 통해 이러한 구성 요소를 구현하는 데 장애물이 없습니다. 우리가 아는 한 업계는 이러한 구성 요소를 개발하기 위해 많은 노력을 기울였으며 1~2년 내에 사용할 수 있기를 바랍니다. 한편 PD와 TIA의 연결도 중요하다. 연결의 기생 효과는 모듈의 성능을 저하시킬 수 있으며 신중하게 분석하고 최적화해야 합니다.

단일 채널 200G의 순방향 오류 수정 코딩(FEC)

위에서 언급했듯이 오류 수정을 위한 200E-2 임계값 성능인 3G PAM 수신기의 감도 요구 사항을 충족하려면 더 강력한 FEC가 필요합니다. 아래 그림은 종료된 체계와 연결된 체계를 비교한 것입니다.

800G FEC: 종료된 FEC 방식과 연결된 FEC 방식

첫 번째 옵션에서 KP4는 종료되고 더 큰 오버헤드가 있는 새로운 FEC로 대체되며, 이는 NCG 및 오버헤드 측면에서 이점이 있습니다. 두 번째 옵션에서 직렬 연결 방식은 KP4를 외부 코드로 유지하고 이를 새 내부 코드와 병합합니다. 이 계단식 탠덤 접근 방식은 대기 시간과 전력 이점이 더 많기 때문에 800G-FR4 애플리케이션에 더 적합합니다.