Оптический модуль 800G — Технический анализ 4x200G в сценарии FR

Анализ технических требований в сценариях 800G FR

Одноканальная технология PAM200 на базе 4G, являющаяся важным этапом технологии следующего поколения для модуляции оптической интенсивности и межсоединения прямого обнаружения, станет основой для 4-канальной оптической связи 800G и важным строительным блоком для будущих межсоединений 1.6 Тбит/с. . Как показано на рисунке ниже, рабочие группы MSA определят полную PMD и часть спецификации уровня PMA, включая новую маломощную FEC с малой задержкой в ​​качестве входного телекоммуникационного сигнала 112G KP4 FEC верхнего пакета для улучшения сетевого кодирования. усиления (NCG) модема.

Одной из основных целей MSA является разработка новых широкополосных, широкополосных электронных и оптических аналоговых компонентов для компонентов передатчика и приемника, включая преобразователи цифро-аналогового преобразования (ЦАП) и аналого-цифрового преобразования (АЦП). Для достижения цели по снижению энергопотребления подключаемых модулей чип DSP 200G PAM4 будет разработан с использованием узла с меньшим числом нм в процессе CMOS, а алгоритмы обработки сигналов с низким энергопотреблением будут выравнивать каналы.

Учитывая потребность в термоэлектрическом охладителе (TEC) в LAN-WDM, который не требуется в решении 200G на канал, бюджет мощности для решения 4x200G 800G будет основан на CWDM4 для анализа мощности. Факторы, связанные с бюджетом мощности, включают вносимые потери в канале, многолучевые помехи (MPI), дифференциальную групповую задержку (DGD) и штрафы за передатчик и дисперсию (TDP).

На основе модели, опубликованной в стандарте IEEE, штрафы MPI и DGD рассчитываются, как показано в таблице ниже. Учитывая, что скорость передачи увеличивается до 200G на канал, штраф за дисперсию будет больше, чем штраф за дисперсию в 100G на канал. Разумная рекомендация для штрафа за дисперсию передатчика (TDP) составляет 9 дБ. Таким образом, принимая во внимание пределы старения приемника, потери связи и типичные значения оптической мощности передатчика, рабочие группы MSA считают, что требуемая чувствительность приемника для 200G PAM4 должна составлять около -5 дБм.

Когда скорость удваивается со 100G до 200G, OSNR ухудшится примерно на 3 дБ. Следовательно, требуется более надежный код исправления ошибок FEC для поддержания чувствительности приемника (-5 дБм) и минимального уровня ошибок. Поэтому, как упоминалось выше, оптическому модулю необходимо рассмотреть возможность инкапсуляции дополнительного уровня маломощного FEC с малой задержкой поверх KP4. Порог исправления ошибок нового FEC может быть определен на основе производительности канала и требований к бюджету мощности. Новый FEC будет описан позже.

Используя моделирование и эксперименты, MSA представляет производительность канала для одного канала 200G. В следующей таблице перечислены параметры устройств, используемых в ссылке.

Экспериментальные результаты показывают, что чувствительность приемника может достигать целевого значения, когда новый порог FEC установлен на 2E-3, как показано на рисунке (a) ниже. Однако в этом эксперименте необходима оценка последовательности максимального правдоподобия (MLSE), чтобы компенсировать чрезмерную межсимвольную интерференцию, вызванную ограничением полосы пропускания канала.

а) результаты экспериментов и моделирования одноканальной сети 200G совпадают; (b) Результаты моделирования одноканальной сети 200G, когда полоса пропускания принятого устройства улучшена: бюджет мощности может быть удовлетворен с помощью выравнивания FFE.

Пунктирная линия на приведенном выше рисунке (а) показывает результаты моделирования с использованием измеренных параметров устройств, используемых в экспериментах. В сочетании с экспериментальными результатами моделирование показывает, что система ограничена пропускной способностью таких компонентов, как AD/DA, драйверы и модуляторы E/O. Результаты моделирования, основанные на той же модели системы (расширение полосы пропускания), показаны на рисунке (b) выше с учетом компонентов, которые, как ожидается, обеспечат более высокую пропускную способность в ближайшие годы и основаны на той же модели системы. Результаты показывают, что только с компенсацией FFE в блоке DSP можно обеспечить чувствительность приемника 2E-3, как и ожидалось из теории.

Основываясь на приведенном выше анализе, по-прежнему рекомендуется следовать TDECQ в тесте на соответствие в схеме 800G-FR4. Тем не менее, количество отводов FFE эталонного приемника, используемого в измерениях TDECQ, необходимо увеличить до разумного значения, что именно требует дальнейшего обсуждения. Кроме того, следует отметить, что если будущие возможности оптических устройств со скоростью 100 Гбод окажутся ниже ожидаемых, то в схеме FR4 может потребоваться использование более сложных алгоритмов (например, MLSE), а это означает, что новая схема соответствия для 800G-FR4 будет быть необходимым.

Анализ решения для упаковки 4x200G

Для оптического модуля 4x200G необходимо пересмотреть компоновку его передатчика и приемника, чтобы обеспечить целостность сигнала в диапазоне частот Найквиста (56 ГГц). На следующем рисунке показаны два возможных решения для эмиттера. Схема A является традиционной схемой, в которой драйвер модулятора (DRV) и модулятор (например, EML) расположены рядом друг с другом. В схеме B микросхема DRV, основанная на перевернутой конструкции, упакована вместе с блоком DSP для оптимизации целостности сигнала в радиочастотной линии передачи. Оба решения могут быть достигнуты с помощью существующих технологий.

Предварительное моделирование показывает, что схема B позволяет достичь хороших результатов и обеспечить полосу пропускания более 56 ГГц. Пульсации на кривой S21 схемы A могут быть вызваны отражением DRV на входном сигнале, который можно оптимизировать путем согласования конструкции DRV для улучшения общих характеристик схемы A.

В приемнике необходимы широкополосный фотодиод (PD) с меньшей паразитной емкостью и широкополосный трансимпедансный усилитель (TIA), чтобы обеспечить пропускную способность приемника. В настоящее время нет препятствий для реализации этих компонентов с помощью самой передовой полупроводниковой технологии. Насколько нам известно, промышленность приложила много усилий для разработки этих компонентов, и мы надеемся, что они будут доступны через 1-2 года. С другой стороны, связь между БП и ТИА также имеет решающее значение. Паразитные эффекты в соединении могут ухудшить производительность модуля, что также необходимо тщательно проанализировать и оптимизировать.

Кодирование с прямым исправлением ошибок (FEC) в одном канале 200G

Как упоминалось выше, более мощный FEC требуется для удовлетворения требований к чувствительности приемника PAM 200G, что соответствует пороговым характеристикам 2E-3 для исправления ошибок. На рисунке ниже показано сравнение схем с завершением и конкатенацией.

800G FEC: Завершенная схема FEC против каскадной схемы FEC

В первом варианте KP4 завершается и заменяется новым FEC с большей накладной частью, которая имеет преимущества с точки зрения NCG и накладных расходов. Во втором варианте тандемная конкатенированная схема сохраняет КП4 в качестве внешнего кода и объединяет его с новым внутренним кодом. Этот каскадный тандемный подход имеет больше преимуществ по задержке и мощности и поэтому больше подходит для приложений 800G-FR4.