MSA的800G光模塊-FR場景下的4x200G技術(shù)分析

  ICC訊 基于單通道200G的PAM4 技術(shù)，是光強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測互連的下一代技術(shù)的主要階段，它將成為4通道800G光連接的基礎(chǔ)，也是未來1.6Tb/s 互連的重要構(gòu)建基礎(chǔ)。如下圖所示，MSA工作組將定義完整的PMD 和部分PMA層規(guī)范，包括新的低功耗、低延遲FEC 作為112G電信輸入信號(hào)KP4 FEC頂部的封裝，以提高調(diào)制解調(diào)器的凈編碼增益 (NCG)。

  MSA聯(lián)盟的主要目標(biāo)之一是為發(fā)射機(jī)和接收器組件開發(fā)新的寬帶寬電壓電子和光學(xué)模擬元件，包括數(shù)字到模擬(DAC)和模擬到數(shù)字(ADC) 轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)可插拔模塊的低功耗目標(biāo)，200G PAM4 DSP芯片將會(huì)采用更低的nm節(jié)點(diǎn)的在CMOS工藝來設(shè)計(jì)，并通過低功耗的信號(hào)處理算法對(duì)通道進(jìn)行均衡。

  考慮到LAN-WDM 中需要溫度控制器(TEC)，這在每通道200G方案中是不需要的，因此4x200G的800G方案的功率預(yù)算將基于CWDM4 來分析功。與功率預(yù)算有關(guān)的因素包括鏈路插入損耗、多徑干擾(MPI)、差分時(shí)延遲(DGD) 、發(fā)射器和色散代價(jià)(TDP) 。

  根據(jù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)布的模型，MPI和DGD 的代價(jià)計(jì)算如下表所示。鑒于每通道的波特率增加為200G，其色散代價(jià)將大于每通道100G的色散代價(jià)。關(guān)于發(fā)射機(jī)分散罰球 (TDP)的合理建議是 .9 dB。因此，考慮接收器老化和耦合損耗的裕量，以及發(fā)射機(jī)的典型發(fā)射光功率值，MSA工作組認(rèn)為200G PAM4所需的接收器靈敏度應(yīng)在-5dBm左右。

  由于從100G到200G， 波特率翻倍，OSNR將惡化約 3 dB。因此需要更強(qiáng)大的 FEC 糾錯(cuò)碼來保持接收器靈敏度(-5dBm) 和誤差底差。因此，如上所述，光模塊需要考慮在 KP4 的頂部，封裝一層額外的低功耗、低延遲的FEC。新的FEC 的糾錯(cuò)門限閾值可以根據(jù)鏈路性能和功率預(yù)算的要求來確定。關(guān)于新的FEC將在后文說到。

  MSA利用仿真和實(shí)驗(yàn)，提出了單通道200G的鏈路性能。如下表列出了鏈接中所采用器件的參數(shù)。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)新的FEC閾值設(shè)置為2E-3如下圖(a)所示，接收機(jī)靈敏度可以達(dá)到目標(biāo)值。但是在本實(shí)驗(yàn)中，需要最大可能性序列估計(jì)(MLSE)來補(bǔ)償通道帶寬限制引起的過度的符號(hào)間干擾。

  a) 單通道200G實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果相互匹配;(b) 采用的器件帶寬得到改善時(shí)，單通道200G的仿真結(jié)果：利用FFE均衡可以滿足功率預(yù)算的要求

  上圖(a)中的虛線顯示基于采用實(shí)驗(yàn)中使用器件的測量參數(shù)仿真的結(jié)果。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真表明，該系統(tǒng)受AD/DA、驅(qū)動(dòng)器和E/O調(diào)制器等元件帶寬的限制。考慮到未來幾年有望提供更高帶寬的組件，并基于同一系統(tǒng)模型(帶寬擴(kuò)展)的仿真結(jié)果上圖(b)所示。結(jié)果表明，DSP單元中只有FFE均衡，就可以滿足接收機(jī)靈敏度2E-3的要求，符合理論預(yù)期。

  基于上述分析，在800G-FR4方案中，仍建議在合規(guī)性測試中遵循TDECQ。然而，在TDECQ測量中，采用的參考接收器的FFE抽頭數(shù)，需要考慮增加到一個(gè)合理的值，具體是多少需要進(jìn)一步討論。此外，應(yīng)該注意的是，如果未來針對(duì)100Gbaud 光器件的能力低于預(yù)期，那么在FR4方案中就可能需要使用更復(fù)雜的算法(例如 MLSE)，也就意味著必須要新的合規(guī)方案來800G-FR4。

  4x200G封裝方案分析

  對(duì)于4x200G光模塊，需要重新考慮其發(fā)射器和接收器的封裝，以確保在奈奎斯特頻率點(diǎn) (56GHz)下范圍內(nèi)的信號(hào)完整性。下圖顯示了發(fā)射器的兩種可能的解決方案。方案A是傳統(tǒng)方案，調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器(DRV)與調(diào)制器(如EML)緊靠在一起;在方案B中，則是基于倒裝設(shè)計(jì)的 DRV芯片與DSP 單元共同封裝在一起，以優(yōu)化 RF 傳輸線路上的信號(hào)完整性。這兩種解決方案都可以通過現(xiàn)有的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

  初步仿真表明，方案B可以取得良好效果，并確保帶寬大于56GHz。方案A的S21 曲線上的紋波可能是由于DRV 對(duì)輸入信號(hào)的反射造成的，可通過DRV 的匹配設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而來提升方案A的整體性能。

  在接收端，需要具有較少寄生電容的高帶寬光電二極管(PD)和高帶寬跨阻抗放大器 (TIA)來確保接收器的帶寬性能。當(dāng)前通過最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)這些組件沒有任何障礙。據(jù)我們所知，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)在開發(fā)這些組件方面投入了大量精力，有希望在1到2年內(nèi)推出。另一方面，PD 和TIA之間的連接也至關(guān)重要。連接中的寄生效應(yīng)會(huì)降低模塊的性能，因經(jīng)也需要仔細(xì)分析和優(yōu)化。

  單通道200G中的前向糾錯(cuò)編碼(FEC)

  在上文中我們提到，為了滿足200G PAM接收器的靈敏度要求，即糾前誤碼具有2E-3的閾值性能，就需要更強(qiáng)大的 FEC。下圖說明了terminated方案和串聯(lián)concatenated方案之間的比較。

  800G FEC: Terminated FEC方案對(duì)比Concatenated FEC方案

  在第一個(gè)選項(xiàng)中，KP4將被終止，并被替換為具有較大開銷的新FEC，這個(gè)方案在NCG 和開銷方面具有優(yōu)勢。在第二個(gè)選項(xiàng)中，串聯(lián)concatenated方案將KP4 保留為外部編碼，并將其與新的內(nèi)部編碼合并，這種級(jí)聯(lián)串聯(lián)方式更具有延遲和功耗優(yōu)勢，因此也更適合800G-FR4 應(yīng)用方案。

  以上文章為MSA 800G光模塊技術(shù)白皮書的4x200G 800G-FR方案解讀。