Módulo Óptico 800G – Análise Técnica 4x200G no Cenário FR

Análise de requisitos técnicos em cenários 800G FR

A tecnologia PAM200 baseada em 4G de canal único, uma fase significativa da tecnologia de próxima geração para modulação de intensidade óptica e interconexão de detecção direta, será a base para conectividade óptica de 4G de 800 canais e um bloco de construção essencial para futuras interconexões de 1.6 Tb/s . Conforme mostrado na figura abaixo, os grupos de trabalho da MSA definirão o PMD completo e parte da especificação da camada PMA, incluindo o novo FEC de baixa potência e baixa latência como um pacote superior de sinal de entrada de telecomunicações 112G KP4 FEC para melhorar a codificação de rede ganho (NCG) do modem.

Um dos principais objetivos da MSA é desenvolver novos componentes analógicos ópticos e eletrônicos de banda larga e de alta tensão para componentes transmissores e receptores, incluindo conversores de conversão digital-analógica (DAC) e conversão analógica-digital (ADC). Para atingir a meta de baixo consumo de energia dos módulos conectáveis, o chip 200G PAM4 DSP será projetado usando um nó de nm mais baixo no processo CMOS, e algoritmos de processamento de sinal de baixo consumo equalizarão os canais.

Considerando a necessidade de um Thermo Electric Cooler (TEC) em LAN-WDM, que não é necessário na solução de 200G por canal, o orçamento de energia para a solução 4x200G 800G será baseado no CWDM4 para análise de potência. Fatores relacionados ao orçamento de energia incluem perda de inserção de link, interferência multicaminho (MPI), atraso de grupo diferencial (DGD) e penalidade de transmissor e dispersão (TDP).

Com base no modelo publicado no padrão IEEE, as penalidades MPI e DGD são calculadas conforme a tabela abaixo. Dado que o baud aumenta para 200G por canal, a penalidade de dispersão será maior que a penalidade de dispersão de 100G por canal. Uma recomendação razoável para a penalidade de dispersão do transmissor (TDP) é 9 dB. Portanto, considerando as margens de envelhecimento do receptor, perdas de acoplamento e os valores típicos de potência óptica do transmissor, os Grupos de Trabalho da MSA acreditam que a sensibilidade necessária do receptor para 200G PAM4 deve ser em torno de -5 dBm.

À medida que o baud dobra de 100G para 200G, o OSNR se deteriorará em cerca de 3 dB. Portanto, é necessário um código de correção de erro FEC mais robusto para manter a sensibilidade do receptor (-5 dBm) e o piso de erro. Portanto, como mencionado acima, o módulo óptico precisa considerar o encapsulamento de uma camada adicional de FEC de baixa latência e baixa potência no topo do KP4. O limite de correção de erros do novo FEC pode ser determinado com base no desempenho do link e nos requisitos de orçamento de energia. O novo FEC será descrito mais adiante.

Usando simulações e experimentos, a MSA apresenta o desempenho do link para um único canal 200G. A tabela a seguir lista os parâmetros dos dispositivos usados ​​no link.

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

(a) Os resultados experimentais e de simulação de 200G de canal único coincidem; (b) Os resultados da simulação de 200G de canal único quando a largura de banda do dispositivo adotado é melhorada: o orçamento de energia pode ser satisfeito usando equalização FFE

A linha tracejada na figura (a) acima mostra os resultados das simulações utilizando os parâmetros medidos dos dispositivos utilizados nos experimentos. Combinado com os resultados experimentais, a simulação mostra que o sistema é limitado pela largura de banda de componentes como AD/DA, drivers e moduladores E/O. Os resultados da simulação com base no mesmo modelo de sistema (expansão de largura de banda) são mostrados na figura (b) acima considerando os componentes que devem fornecer maior largura de banda nos próximos anos e com base no mesmo modelo de sistema. Os resultados mostram que apenas com equalização FFE na unidade DSP, a sensibilidade do receptor de 2E-3 pode ser atendida, conforme esperado pela teoria.

Com base na análise acima, ainda é recomendado seguir o TDECQ no teste de conformidade no esquema 800G-FR4. No entanto, o número de taps FFE do receptor de referência usado nas medições TDECQ precisa ser considerado para aumentar para um valor razoável, o que exatamente precisa ser mais discutido. Além disso, deve-se notar que, se os recursos futuros para dispositivos ópticos de 100 Gbaud forem menores do que o esperado, algoritmos mais complexos (por exemplo, MLSE) podem precisar ser usados ​​no esquema FR4, o que significa que um novo esquema de conformidade para 800G-FR4 será ser necessário.

Análise da solução de embalagem 4x200G

Para o módulo óptico 4x200G, a embalagem de seu transmissor e receptor precisa ser reconsiderada para garantir a integridade do sinal na faixa de pontos de frequência Nyquist (56GHz). A figura a seguir mostra duas soluções possíveis para o emissor. Esquema A é o esquema tradicional, onde o driver do modulador (DRV) e o modulador (como EML) estão próximos um do outro. No esquema B, o chip DRV baseado em um design flip 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 com as tecnologias existentes.

Simulações preliminares mostram que o Esquema B pode alcançar bons resultados e garantir uma largura de banda superior a 56 GHz. A ondulação na curva S21 do Esquema A pode ser causada pela reflexão do DRV no sinal de entrada, que pode ser otimizado combinando o design do DRV para melhorar o desempenho geral do Esquema A.

No receptor, é necessário um fotodiodo de alta largura de banda (PD) com menos capacitância parasita e um amplificador de transimpedância de alta largura de banda (TIA) para garantir o desempenho da largura de banda do receptor. Atualmente, não há obstáculos para a implementação desses componentes por meio da mais avançada tecnologia de semicondutores. Até onde sabemos, a indústria se esforçou muito para desenvolver esses componentes e esperamos que estejam disponíveis em 1 a 2 anos. Por outro lado, a conexão entre PD e TIA também é crítica. Efeitos parasitas na conexão podem degradar o desempenho do módulo, que também precisa ser cuidadosamente analisado e otimizado.

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

Como mencionado acima, é necessário um FEC mais poderoso para atender ao requisito de sensibilidade do receptor PAM 200G, que é um desempenho de limite 2E-3 para correção de erros. A figura abaixo ilustra uma comparação entre os esquemas terminados e concatenados.

800G FEC: esquema FEC encerrado vs. esquema FEC concatenado

Na primeira opção, o KP4 é encerrado e substituído por um novo FEC com maior overhead, que apresenta vantagens em termos de NCG e overhead. Na segunda opção, o esquema concatenado em tandem mantém o KP4 como um código externo e o mescla com o novo código interno. Essa abordagem tandem em cascata tem mais vantagens de latência e energia e, portanto, é mais adequada para aplicativos 800G-FR4.