FR场景下的4x200G技术分析

800G FR场景下的技术需求分析

基于单通道200G的PAM4 技术，是光强度调制和直接检测互连的下一代技术的主要阶段，它将成为4通道800G光连接的基础，也是未来1.6Tb/s 互连的重要构建基础。如下图所示，MSA工作组将定义完整的PMD 和部分PMA层规范，包括新的低功耗、低延迟FEC 作为112G电信输入信号KP4 FEC顶部的封装，以提高调制解调器的净编码增益 （NCG）。

MSA联盟的主要目标之一是为发射机和接收器组件开发新的宽带宽电压电子和光学模拟元件，包括数字到模拟（DAC）和模拟到数字（ADC） 转换器。为了实现可插拔模块的低功耗目标，200G PAM4 DSP芯片将会采用更低的nm节点的在CMOS工艺来设计，并通过低功耗的信号处理算法对通道进行均衡。

考虑到LAN-WDM 中需要温度控制器（TEC），这在每通道200G方案中是不需要的，因此4x200G的800G方案的功率预算将基于CWDM4 来分析功。与功率预算有关的因素包括链路插入损耗、多径干扰（MPI）、差分时延迟（DGD） 、发射器和色散代价（TDP） 。

根据 IEEE 标准中发布的模型，MPI和DGD 的代价计算如下表所示。鉴于每通道的波特率增加为200G，其色散代价将大于每通道100G的色散代价。关于发射机分散罚球 （TDP）的合理建议是 .9 dB。因此，考虑接收器老化和耦合损耗的裕量，以及发射机的典型发射光功率值，MSA工作组认为200G PAM4所需的接收器灵敏度应在-5dBm左右。

由于从100G到200G， 波特率翻倍，OSNR将恶化约 3 dB。因此需要更强大的 FEC 纠错码来保持接收器灵敏度（-5dBm） 和误差底差。因此，如上所述，光模块需要考虑在 KP4 的顶部，封装一层额外的低功耗、低延迟的FEC。新的FEC 的纠错门限阈值可以根据链路性能和功率预算的要求来确定。关于新的FEC将在后文说到。

MSA利用仿真和实验，提出了单通道200G的链路性能。如下表列出了链接中所采用器件的参数。

实验结果表明，当新的FEC阈值设置为2E-3如下图（a）所示，接收机灵敏度可以达到目标值。但是在本实验中，需要最大可能性序列估计（MLSE）来补偿通道带宽限制引起的过度的符号间干扰。

a） 单通道200G实验和仿真结果相互匹配;（b） 采用的器件带宽得到改善时，单通道200G的仿真结果：利用FFE均衡可以满足功率预算的要求

上图（a）中的虚线显示基于采用实验中使用器件的测量参数仿真的结果。结合实验结果，仿真表明，该系统受AD/DA、驱动器和E/O调制器等元件带宽的限制。考虑到未来几年有望提供更高带宽的组件，并基于同一系统模型（带宽扩展）的仿真结果上图（b）所示。结果表明，DSP单元中只有FFE均衡，就可以满足接收机灵敏度2E-3的要求，符合理论预期。

基于上述分析，在800G-FR4方案中，仍建议在合规性测试中遵循TDECQ。然而，在TDECQ测量中，采用的参考接收器的FFE抽头数，需要考虑增加到一个合理的值，具体是多少需要进一步讨论。此外，应该注意的是，如果未来针对100Gbaud 光器件的能力低于预期，那么在FR4方案中就可能需要使用更复杂的算法（例如 MLSE），也就意味着必须要新的合规方案来800G-FR4。

4x200G封装方案分析

对于4x200G光模块，需要重新考虑其发射器和接收器的封装，以确保在奈奎斯特频率点 （56GHz）下范围内的信号完整性。下图显示了发射器的两种可能的解决方案。方案A是传统方案，调制器驱动器（DRV）与调制器（如EML）紧靠在一起；在方案B中，则是基于倒装设计的 DRV芯片与DSP 单元共同封装在一起，以优化 RF 传输线路上的信号完整性。这两种解决方案都可以通过现有的技术来实现。

初步仿真表明，方案B可以取得良好效果，并确保带宽大于56GHz。方案A的S21 曲线上的纹波可能是由于DRV 对输入信号的反射造成的，可通过DRV 的匹配设计进行优化，从而来提升方案A的整体性能。

在接收端，需要具有较少寄生电容的高带宽光电二极管（PD）和高带宽跨阻抗放大器 （TIA）来确保接收器的带宽性能。当前通过最先进的半导体技术实现这些组件没有任何障碍。据我们所知，行业内已经在开发这些组件方面投入了大量精力，有希望在1到2年内推出。另一方面，PD 和TIA之间的连接也至关重要。连接中的寄生效应会降低模块的性能，因经也需要仔细分析和优化。

单通道200G中的前向纠错编码（FEC）

在上文中我们提到，为了满足200G PAM接收器的灵敏度要求，即纠前误码具有2E-3的阈值性能，就需要更强大的 FEC。下图说明了terminated方案和串联concatenated方案之间的比较。

800G FEC: Terminated FEC方案对比Concatenated FEC方案

在第一个选项中，KP4将被终止，并被替换为具有较大开销的新FEC，这个方案在NCG 和开销方面具有优势。在第二个选项中，串联concatenated方案将KP4 保留为外部编码，并将其与新的内部编码合并，这种级联串联方式更具有延迟和功耗优势，因此也更适合800G-FR4 应用方案。