Тестирование оптической сигнализации с прямой модуляцией 800G

Системы оптической связи сыграли ключевую роль в построении нашей информационной инфраструктуры. Многие центры обработки данных, используемые для хранения и передачи информации, имеют километры оптоволокна и тысячи лазерных/фотодетекторных приемников для отправки и получения информации по оптоволокну. Существует непрекращающееся коммерческое давление с целью увеличения пропускной способности, и процесс разработки новых систем, работающих с более высокими скоростями передачи данных, продолжается. Это не просто процесс проектирования систем, которые передают больше информации. Стоимость этих систем должна снизиться. Центры обработки данных иногда описываются в терминах акров и мегаватт, что указывает на то, что мощность, необходимая для работы центра обработки данных, огромна. Существует сильная мотивация найти способы не только работать с более высокой производительностью, но и делать это с меньшим потреблением энергии.

Базовая система оптической связи имеет лазерный передатчик, который преобразует электрические данные в модулированный свет, оптическое волокно и фотодиодный приемник для обратного преобразования модулированного света в электрический сигнал. Проектирование системы оптической связи осложняется тем, что в среде центра обработки данных редко требуется, чтобы оптический канал производился одним поставщиком. Передатчик, оптоволокно и приемник, скорее всего, будут производиться тремя разными компаниями. Эта концепция, известная как интероперабельность, дает разработчику центра обработки данных гибкость и способствует конкуренции между поставщиками, что приводит к большему количеству инноваций и снижению затрат. Недостатком этого является то, что проектирование системы и определение компонентов внутри этой системы становятся более сложными.

Организация по стандартизации, такая как IEEE 802.3, предлагает общественный форум для определения систем связи. Встречи открыты для всех, в них принимают участие проектировщики центров обработки данных, а также производители сетевого оборудования, приемопередатчиков и оптоволокна. Поскольку стандарт будет определять производительность и способы ее проверки, в нем также участвуют компании, занимающиеся испытаниями и измерениями. Одним из основных результатов группы стандартов является набор спецификаций для передатчиков и набор спецификаций для приемников. Опять же, два набора существуют для обеспечения функциональной совместимости. Совсем недавно рабочая группа IEEE 802.3cu выпустила проект документа со скоростью 100 Гбит/с на длину волны, который станет ключевой спецификацией для будущих межсоединений на основе оптоволокна.

Спецификации обычно начинаются с приемника, где пределы мощности сигнала будут определять, насколько надежно фотодетектор может преобразовывать оптический сигнал в электрические данные. Если уровень сигнала упадет ниже рекомендуемой чувствительности, приемник сделает слишком много ошибок, которые обычно расцениваются как битовые ошибки. Этот порог известен как предел чувствительности приемника.

Обычно существует цель для расстояния, которое должен пройти сигнал, возможно, от 100 метров до 40 километров. Затухание, вызванное волокном, хорошо известно, поэтому работа в обратном направлении от приемника с учетом ожидаемых потерь в волокне определяет минимальный уровень мощности сигнала, который должен создавать передатчик. На самом деле все сложнее, так как существует множество механизмов, которые могут привести к тому, что система будет генерировать битовые ошибки, помимо простого падения мощности ниже предела чувствительности приемника.

С точки зрения приемника два лазера, работающие на одном уровне мощности, могут генерировать очень разные сигналы. Современные системы сегодня работают со скоростью более 50 Гбод (PAM4). То есть свет должен включаться и выключаться на передатчике со скоростью до 50 миллиардов раз в секунду. Приемник должен обнаруживать, что свет либо включен, либо выключен, а передатчик более низкого качества может работать медленно. Лазер может генерировать сигнал, который не является стабильным, когда приемник принимает решение. Таким образом, качество лазерного сигнала должно соответствовать минимальному уровню. Точно так же мы не можем рассчитывать на идеальные передатчики, поэтому приемники должны иметь некоторую устойчивость к неидеальным входным сигналам. Это приводит к некоторым важным требованиям к передатчикам и приемникам:

Оценка оптического передатчика

• Амплитуда оптической модуляции (OMA):разница между логическими уровнями передатчика.

• Шум относительной интенсивности (RIN):мера количества шума, создаваемого передатчиком.

• Дисперсия передатчика и закрытие глаза:TDEC или TDECQ (для модуляции PAM4) — это статистическая мера качества сигнала, указывающая вероятность того, что сигнал будет генерировать ошибки в приемнике (рис. 1).

• Перерегулирование/недорегулирование:новые показатели, недавно определенные в IEEE 802.3cu для защиты приемников от серьезных переходных процессов во входном сигнале.

Сигналы с искажениями оптического приемника

Стрессовая чувствительность приемника (SRS):коэффициент битовых ошибок или ожидаемый коэффициент потери кадров ниже ожидаемого уровня, когда сигнал, поступающий в приемник, представляет собой наихудший ожидаемый сигнал от передатчика (и канала).

Тестовые приборы были разработаны, чтобы предложить оптические искажения приборного уровня (для конкретных целей TDECQ, ER и OMA) для испытаний приемника в условиях стресса. На рис. 2 показан типичный оптический сигнал SRS, который будет генерироваться в целях тестирования.

Передатчики обычно проверяются с помощью специального осциллографа-анализатора цифровой связи. Эти приборы имеют встроенные оптические эталонные приемники и встроенное программное обеспечение для выполнения измерений, требуемых этими стандартами. Аналогичным образом, для приемников доступны тестовые системы SRS (рис. 3), в том числе откалиброванный сигнал с искажениями и тестер коэффициента битовых ошибок (BERT), которые позволяют проверить соответствие стандартам.

Производительность соединения на скорости 100 Гбит/с — будь то электрическая или оптическая — оба работают с более высокой частотой ошибок по битам, чем их аналоги с более низкой скоростью 25 или 50 Гбит/с. Существующие интерфейсы 100 Гбит/с работают с собственной частотой ошибок канала, достигающей 2E-4 BER, и полагаются на современные методы прямой коррекции ошибок Рида-Соломона (RS-FEC) для исправления случайных и отдельных битовых ошибок, которые естественным образом возникают при передаче.

Упреждающее кодирование ошибок — это процесс, который начинается с данных на подуровне физического кодирования (PCS) до того, как данные перейдут в присоединение к физическому носителю (PMA). Этот интерфейс PCS/PMA управляет кодированием ошибок данных, чередованием, скремблированием и выравниванием. Эта система кодирования PCS/PMA создает проблемы при анализе частоты появления ошибок, поскольку процесс наблюдения за основной причиной возникновения физической ошибки в битах теперь скрыт из-за значительного количества цифровых схем исправления ошибок и перемежения. Стремление исследовать физические ошибки в оптической передаче, которые приводят к невосстановимым кадрам данных, является сложным процессом, и поставщики контрольно-измерительного оборудования активно продвигают его сегодня. Специализированные инструменты, такие как системы многопортового анализа BERT уровня 1 и KP4 FEC, теперь играют неотъемлемую часть средств допусков приемника и общих инструментов отладки с учетом FEC (рис. 4).

Разрыв PCS/PMA, существующий между оптическим сигналом, скорректированным с помощью FEC, и его фактической необработанной физической передачей, может быть устранен с помощью системы тестирования приемника Keysight 400G FEC, которая анализирует потоки данных, закодированных с помощью FEC, и может направлять осциллограф для локализации (запуска) физического сигнала. оптический интерфейс в местах, где возникают ошибки, и предлагает разработчикам систем инструмент, который впервые объединяет анализ ошибок после FEC с анализом и визуализацией физической передачи бок о бок.

Обзор

В настоящее время самые мощные системы передачи данных с прямой модуляцией работают на скорости 400 Гбит/с. Эти системы имеют несколько полос 100 Гбит/с либо с использованием четырех передатчиков и четырех волокон, либо с четырьмя передатчиками длины волны и одним волокном. Каналы 800 Гбит/с первого поколения будут увеличены в 2 раза для систем 400 Гбит/с с помощью разъемов с более высокой плотностью, таких как межсоединения QSFP-DD и OSFP. В этом сценарии, когда для агрегирования до 800 Гбит/с требуется всего несколько полос 100 Гбит/с, спецификации и методы тестирования останутся такими же, как и для систем 400 Гбит/с. Собственные четырехполосные каналы со скоростью 800 Гбит/с будут зависеть от усовершенствований как электрических, так и оптических характеристик, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. Этот следующий класс скорости на уровне 800 Гбит/с, скорее всего, повысится до исходной скорости 200 Гбит/с на полосу как по оптическим, так и по электрическим сетям, при этом в соответствии с сильными потребностями рынка по снижению общего энергопотребления и стоимости.

Когда будет достигнута скорость передачи по одной полосе 200 Гбит/с, методы и приемы тестирования, относящиеся к 100 Гбит/с, скорее всего, будут широко использоваться, однако в области 200 Гбит/с, вероятно, будут использоваться усовершенствованные методы модуляции, поскольку основное внимание будет уделяться повышению эффективности передачи, а управление известными узкими местами в полосе пропускания является ключевыми точками давления. эта отрасль. Партнеры по измерениям в компании Keysight вносят неотъемлемый вклад в разработку этих передовых стандартов, чтобы обеспечить постоянную доступность эффективных решений для тестирования по мере развития этих технологий до 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с для архитектур центров обработки данных следующего поколения.

Эта статья была написана Грегом Д. Ле Шеминантом (Greg D. Le Cheminant), специалистом по измерительным приложениям, анализу цифровых коммуникаций, Internet Infrastructure Solutions; и Джон Кальвин, специалист по стратегическому планированию и ведущий специалист по технологиям передачи данных, IP Wireline Solutions; Keysight Technologies (Санта-Роза, Калифорния). Для получения дополнительной информации посетите здесь .