Оценка производительности прямомодулированной оптической сигнализации 800 Гбит/с

Оптические коммуникационные системы были ключевым фактором построения нашей информационной инфраструктуры. Многие центры обработки данных, используемые для хранения и передачи информации, имеют мили волокна и тысячи лазерных/фотодетекторных приемников для отправки и получения информации через волокно. Существует безжалостное коммерческое давление на увеличение пропускной способности, и процесс разработки новых систем, работающих на более высоких скоростях передачи данных, продолжается. Это не процесс простого проектирования систем, перемещающих больше информации. Стоимость этих систем должна снижаться. Центры обработки данных иногда описываются в акрах и мегаваттах, указывая на то, что мощность, необходимая для работы центра обработки данных, огромна. Существует сильная мотивация найти способы не только работать на более высоких емкостях, но делать это, используя меньше энергии.

Базовая оптическая коммуникационная система имеет лазерный передатчик, преобразующий электрические данные в модулированный свет, оптическое волокно и фотодиодный приемник для преобразования модулированного света обратно в электрический сигнал. Проектирование оптической коммуникационной системы усложняется тем фактом, что в среде центра обработки данных редко есть требование, чтобы оптический линк производился одним вендором. Передатчик, волокно и приемник, вероятно, произведены тремя разными компаниями. Эта концепция, известная как интероперабельность, дает дизайнеру центра обработки данных гибкость и способствует конкуренции среди вендоров, ведущей к большей инновации и более низким затратам. Негативная сторона этого в том, что проектирование системы и спецификация компонентов внутри этой системы становится более сложным.

Стандартизирующая организация такая как IEEE 802.3 предлагает публичный форум для определения коммуникационных систем. Встречи открыты для всех и посещаются дизайнерами центров обработки данных, а также производителями сетевого оборудования, трансиверов и волокна. Поскольку стандарт определит производительность и то, как она верифицируется, тестовые и измерительные компании также участвуют. Один из основных выходов группы стандартов — набор спецификаций для передатчиков и набор спецификаций для приемников. Опять же, два набора существуют для продвижения интероперабельности. Недавно рабочая группа IEEE 802.3cu выпустила черновик документа 100 Гбит/с на длину волны, который будет ключевой спецификацией для будущих волоконных интерконнектов.

Спецификации обычно начинаются с приемника, где лимиты силы сигнала определяют, насколько надежно фото-детектор может конвертировать оптический сигнал в электрические данные. Если уровень сигнала падает ниже рекомендуемой чувствительности, приемник будет совершать слишком много ошибок, которые обычно рассматриваются как битовые ошибки. Этот порог известен как предел чувствительности приемника.

Обычно будет цель для расстояния, которое сигнал должен пройти, возможно, настолько короткое как 100 метров или настолько длинное как 40 километров. Аттенюация, вызванная волокном, хорошо известна, так что работая назад от приемника, учитывая ожидаемые потери волокна, затем определяется минимальный уровень мощности сигнала, который должен производить передатчик. В реальности это сложнее, так как есть множество механизмов, которые могут заставить систему 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 сверх 50 ГБод (PAM4). То есть свет должен включаться и выключаться на передатчике со скоростью до 50 миллиардов раз в секунду. Приемник должен детектировать, что свет либо включен, либо выключен, и более низкокачественный передатчик может быть медленным. Лазер может генерировать сигнал, который нестабилен, когда приемник принимает решение. Таким образом, качество лазерного сигнала должно соответствовать минимальному уровню. Подобно тому, мы не можем ожидать идеальных передатчиков, поэтому приемники должны иметь некоторую толерантность к неидеальным входным сигналам. Это ведет к некоторым важным требованиям для передатчиков и приемников:

Оценка оптического передатчика

• Оптическая амплитуда модуляции (OMA): Разница между логическими уровнями передатчика.

• Относительный интенсивностный шум (RIN): Мера количества шума, генерируемого передатчиком.

• Дисперсия передатчика и замыкание глаза: TDEC или TDECQ (для PAM4 модуляции) — статистическая мера качества сигнала, указывающая вероятность того, что сигнал сгенерирует ошибки в приемнике (Рисунок 1).

• Переизбыток/недоизбыток: Новые метрики, недавно определенные в IEEE 802.3cu для защиты приемников от серьезных переходных процессов на входном сигнале.

Оптический приемник с ухудшенными сигналами

Напряженная чувствительность приемника (SRS): Бит-ошибка-соотношение или ожидаемое соотношение потери кадров ниже ожидаемого уровня, когда сигнал, идущий в приемник, является худшим ожидаемым сигналом от передатчика (и канала).

Тестовые инструменты были разработаны для предложения инструментальных оптических ухудшений (до конкретных TDECQ, ER и OMA целей) для тестирования напряженного приемника. Рисунок 2 иллюстрирует типичный оптический SRS сигнал, который был бы сгенерирован для тестовых целей.

Передатчики обычно тестируются со специализированным цифровым анализатором коммуникаций осциллографом. Эти инструменты имеют встроенные оптические референсные приемники и прошивку для выполнения измерений, требуемых этими стандартами. Аналогично, для приемников, SRS тестовые системы (Рисунок 3), включая калиброванный «ухудшенный» сигнал и бит-ошибка-соотношение тестер (BERT), доступны для верификации соответствия стандартам.

Производительность линка на 100 Гбит/с — будь то электрическая или оптическая — обе работают на более высоких битовых ошибках, чем их более низкоскоростные аналоги 25 или 50 Гбит/с. Текущие 100 Гбит/с интерфейсы работают на нативных ошибках линка до 2E-4 BER и полагаются на современные техники Reed-Solomon прямой коррекции ошибок (RS-FEC) для исправления случайных и изолированных битовых ошибок, естественно возникающих в передаче.

Прямое кодирование ошибок — процесс, начинающийся на данных на Physical Coding Sublayer (PCS) до того, как данные переходят в Physical Media Attachment (PMA). Этот PCS/PMA интерфейс управляет кодированием ошибок данных, интерливингом, скремблированием и вкладами выравнивания. Эта PCS/PMA кодирующая система создает вызовы для анализа скорости ошибок, так как процесс наблюдения физических битовых ошибок, генерирующих невосстанавливаемые кадры данных, теперь затенен под значительным количеством цифровой коррекции ошибок и интерливинговой схемы. Желание изучить физические ошибки в оптической передаче, ведущие к невосстанавливаемым кадрам данных, — сложный процесс, и один, которым поставщики тестовой инструментарии активно продвигают сегодня. Специализированные инструменты такие как layer1 BERT и KP4 FEC мультипорт анализ системы теперь играют интегральную часть приемника толерантности и общих FEC-осведомленных инструментов отладки (Рисунок 4).

PCS/PMA разрыв, существующий между FEC-скорректированным оптическим сигналом и его фактической сырой физической передачей, может быть преодолен Keysight's 400G FEC-осведомленной системой тестирования приемника, которая анализирует FEC-закодированные потоки данных и может направить осциллограф на локализацию (триггер на) физический оптический интерфейс в локациях, где происходят ошибки, и предлагает системным дизайнерам инструмент впервые, который соединяет пост-FEC анализ ошибок с анализом и визуализацией физической передачи рядом.

Резюме

В настоящее время самые высокоемкие прямые модулированные системы передачи данных работают на 400 Гбит/с. Эти системы имеют множественные полосы 100 Гбит/с, либо используя четыре передатчика и четыре волокна или имея четырехдлинноволновых передатчиков и одно волокно. Первопоколенные 800 Гбит/с линки будут 2× масштабированными 400 Гбит/с системами через более высокие плотности коннекторов такие как QSFP-DD и OSFP интерконнекты. В этом сценарии, с просто большим количеством полос 100 Гбит/с для агрегации до 800 Гбит/с, спецификации и тестовые методы останутся похожими на то, что они для 400 Гбит/с систем. Нативные ×4 полосы широкая 800 Гбит/с линки будут зависеть от достижений в обеих электрических и оптических спецификациях, которые сейчас в процессе. Этот следующий класс скорости на 800 Гбит/с скорее всего продвинется к нативной 200 Гбит/с на полосу скорости как электрически, так и оптически, придерживаясь сильных рыночных потребностей снизить общее потребление энергии и стоимость.

Когда 200 Гбит/с однополосная передача будет достигнута, тестовые методы и техники от 100 Гбит/с, вероятно, будут сильно использованы, однако 200 Гбит/с поле, вероятно, будет использовать достижения в методах модуляции как фокус на повышении передаточной эффективности и управлении известными узкими местами пропускной способности — ключевые точки давления на этой индустрии. Измерительные партнеры Keysight являются интегральными участниками этих передовых стандартизационных усилий для обеспечения того, что эффективные тестовые решения продолжают быть доступны по мере эволюции этих технологий к 800 Гбит/с и 1.6 Тбит/с для архитектур следующего поколения центров обработки данных.

Статью написали Грег Д. Ле Шеминан, специалист по измерительным приложениям, Цифровой Анализ Коммуникаций, Интернет Инфраструктурные Решения; и Джон Келвин, стратегический планировщик и лидер Datacom Технологий, IP Wireline Solutions; Keysight Technologies (Санта Роза, штат Калифорния). Для получения дополнительной информации посетите here .