Análise da Tecnologia 4x200G em Cena FR

Análise de Requisitos Técnicos no Cenário 800G FR

A tecnologia PAM4 baseada em canal único 200G é a parte principal da tecnologia de próxima geração de modulação de intensidade de luz e interconexão de detecção direta. Ele se tornará a base de uma conexão óptica 4G de 800 canais e uma base importante para a futura interconexão de 1.6 Tb / s.

Conforme mostrado na figura abaixo, o grupo de trabalho da MSA definirá o PMD completo e parte das especificações da camada PMA. As especificações incluem o novo FEC de baixa potência e baixa latência como um pacote em cima do sinal de entrada de telecomunicações 112G KP4 FEC para melhorar o Net Coding Gain (NCG) do modem.

Figura 1: Definições das especificações PMD e PMA

Um dos principais objetivos da MSA Alliance é desenvolver novos componentes eletrônicos e analógicos ópticos de tensão de banda larga para componentes transmissores e receptores, incluindo conversores digital-analógico (DAC) e analógico-digital (ADC). Para atingir a meta de baixo consumo de energia dos módulos conectáveis, o chip 200G PAM4 DSP será projetado em um processo CMOS com um nó de nm menor e os canais serão balanceados por meio de um algoritmo de processamento de sinal de baixa potência.

Um controlador de temperatura (TEC) é necessário em LAN-WDM, o que não é necessário em uma solução de 200 G por canal. Considerando isso, o orçamento de energia de uma solução 4x200G 800G será analisado com base no CWDM4. Fatores relacionados ao orçamento de energia incluem perda de inserção de link, interferência multicaminho (MPI), atraso de grupo diferente (DGD) e penalidade de transmissão e dispersão (TDP).

De acordo com o modelo publicado no padrão IEEE, a penalidade de MPI e DGD é calculada conforme a tabela a seguir. Quando a taxa de transmissão por canal aumenta para 200G, seu custo de dispersão será maior que a penalidade de dispersão de 100G por canal. A recomendação razoável para a penalidade dispersa do transmissor (TDP) é de 3.9 dB. Portanto, considerando a tolerância para o envelhecimento do receptor e perda de acoplamento, e a potência óptica emitida típica do transmissor, o MSA Working Group acredita que a sensibilidade do receptor necessária para 200G PAM4 deve ser em torno de -5dBm.

Tabela 1: Cálculo de penalidade para MPI e DGD

O OSNR se deteriorará em cerca de 3 dB devido a uma taxa de transmissão dupla de 100G para 200G. Portanto, códigos de correção de erro FEC mais fortes são necessários para manter a sensibilidade do receptor (-5dBm) e o piso de erro. Como mencionado acima, o módulo óptico precisa encapsular uma camada adicional de FEC de baixa latência e baixa potência na parte superior do KP4. O limite de correção de erros para o novo FEC pode ser determinado de acordo com os requisitos de desempenho do link e orçamento de energia.

A MSA propõe o desempenho do link de um único canal de 200G por meio de simulação e experimentos. A tabela a seguir lista os parâmetros dos dispositivos usados ​​no link.

Tabela 2: os parâmetros dos dispositivos usados ​​no link 200G de canal único

Os resultados experimentais mostram que quando o novo FEC limite é definido para 2E-3 como mostrado na Figura (a) abaixo, a sensibilidade do receptor pode atingir o valor alvo. No entanto, neste experimento, a estimativa de seqüência de máxima verossimilhança (MLSE) é necessária para compensar a interferência inter-símbolo excessiva causada por restrições de largura de banda do canal.

Figura 2： Experiência de 200G de canal único e resultados de simulação

a) O experimento de 200G de canal único e os resultados da emulação coincidem;

(b) Quando a largura de banda do dispositivo adotada é melhorada, a emulação de 200G de canal único resulta: o uso de equalização FFE pode atender aos requisitos do orçamento de energia.

A linha pontilhada na figura (a) acima mostra os resultados da emulação com base nos parâmetros de medição do dispositivo utilizado no experimento. Combinado com os resultados experimentais, a emulação mostra que o sistema é limitado pela largura de banda de componentes como AD/DA, driver e modulador E/O. Os resultados da emulação são mostrados na Figura (b) acima, que são baseados no mesmo modelo de sistema (expansão de largura de banda), considerando os componentes que devem fornecer maior largura de banda nos próximos anos. Os resultados mostram que os requisitos de sensibilidade do receptor 2E-3 podem ser atendidos se houver equalização FFE na unidade DSP, o que está de acordo com as expectativas teóricas.

Com base na análise acima, no esquema 800G-FR4, ainda é recomendado seguir o TDECQ no teste de conformidade. No entanto, na medição TDECQ, o número de derivações FFE do receptor de referência pode precisar ser aumentado para um valor razoável, e a quantidade específica precisa ser discutida. Além disso, deve-se notar que, se a capacidade para dispositivos ópticos de 100 Gbaud for menor do que o esperado, algoritmos mais complexos (como MLSE) podem precisar ser usados ​​no esquema FR4.

Análise do Esquema de Pacote 4x200G

Para o módulo óptico 4x200G, o pacote de seu transmissor e receptor precisa ser reconsiderado para garantir a integridade do sinal dentro da faixa do ponto de frequência Nyquist (56GHz). A figura a seguir mostra duas soluções possíveis para o transmissor. Esquema A é um esquema tradicional, onde o driver do modulador (DRV) está intimamente conectado ao modulador (como EML). No Esquema B, o chip DRV baseado em um design flip-chip é empacotado junto com a unidade DSP para otimizar a integridade do sinal na linha de transmissão de RF. Ambas as soluções podem ser alcançadas pela técnica anterior.

Figura 3： Duas soluções possíveis para o transmissor

A emulação preliminar mostra que o esquema B pode alcançar bons resultados e garantir que a largura de banda seja maior que 56GHz. A ondulação na curva S21 do esquema A pode ser causada pela reflexão do sinal de entrada pelo DRV, que pode ser otimizado pelo design correspondente do DRV para melhorar o desempenho geral do esquema A.

Em RX, é necessário um fotodiodo (PD) de alta largura de banda com menos capacitância parasita e um amplificador de transimpedância (TIA) de alta largura de banda para garantir o desempenho da largura de banda do receptor. Atualmente, não há obstáculos para a realização desses componentes através da mais avançada tecnologia de semicondutores. Até onde sabemos, a indústria investiu muita energia no desenvolvimento desses componentes e espera-se que sejam lançados dentro de 1 a 2 anos. Por outro lado, a conexão entre PD e TIA também é crucial. O efeito parasita na conexão reduzirá o desempenho do módulo, por isso também precisa de análise e otimização cuidadosa.

Codificação de correção de erro de encaminhamento (FEC) em canal único 200G

Mencionamos acima que é necessário um FEC mais potente para atender aos requisitos de sensibilidade dos receptores 200G PAM, ou seja, o código de erro de pré-correção tem o desempenho limite de 2E-3. A figura a seguir ilustra a comparação entre o esquema terminado e o esquema concatenado.

Figura4：Comparação do Esquema FEC Terminado e Esquema FEC Concatenado

Na primeira opção, KP4 será encerrado e substituído por um novo FEC com maior overhead. Este esquema tem vantagens em NCG e overhead. Na segunda opção, o esquema concatenado em série retém KP4 como um código externo e o mescla com o novo código interno. Este método de série em cascata tem mais vantagens em atraso e consumo de energia, por isso também é mais adequado para aplicações 800G-FR4.