Testen van 800G directe gemoduleerde optische signalering

Optische communicatiesystemen zijn een belangrijke factor geweest bij de uitbouw van onze informatie-infrastructuur. Veel datacenters die worden gebruikt om informatie op te slaan en te verzenden, hebben kilometerslange glasvezel en duizenden laser-/fotodetectorontvangers om informatie over de glasvezel te verzenden en te ontvangen. Er is een niet-aflatende commerciële druk om de capaciteit te vergroten en het proces om nieuwe systemen te ontwikkelen die met hogere datasnelheden werken, gaat door. Dit is niet een proces van simpelweg het ontwerpen van systemen die meer informatie verplaatsen. De kosten van deze systemen moeten omlaag. Datacenters worden soms beschreven in termen van acres en megawatt, wat aangeeft dat het vermogen dat nodig is om het datacenter te laten draaien enorm is. Er is een sterke motivatie om manieren te vinden om niet alleen met hogere capaciteiten te werken, maar ook om dit te doen met minder energie.

Het basis optische communicatiesysteem heeft een laserzender die elektrische gegevens omzet in gemoduleerd licht, een optische vezel en een fotodiode-ontvanger om het gemoduleerde licht terug om te zetten in een elektrisch signaal. Het ontwerpen van het optische communicatiesysteem wordt gecompliceerd door het feit dat er in de datacenteromgeving zelden een vereiste is dat de optische verbinding door één enkele leverancier wordt vervaardigd. De zender, vezel en ontvanger worden waarschijnlijk door drie verschillende bedrijven geproduceerd. Dit concept, ook wel interoperabiliteit genoemd, geeft de ontwerper van datacenters flexibiliteit en bevordert de concurrentie tussen leveranciers, wat leidt tot meer innovatie en lagere kosten. Het nadeel hiervan is dat het ontwerpen van het systeem en het specificeren van de componenten binnen dat systeem complexer wordt.

Een standaardorganisatie zoals IEEE 802.3 biedt een publiek forum om communicatiesystemen te definiëren. Vergaderingen zijn voor iedereen toegankelijk en worden bijgewoond door datacenterontwerpers, evenals de fabrikanten van netwerkapparatuur, transceivers en glasvezel. Aangezien de norm de prestaties en de verificatie ervan zal bepalen, nemen ook test- en meetbedrijven deel. Een van de essentiële outputs van de normgroep is een set specificaties voor de zenders en een set specificaties voor de ontvangers. Nogmaals, de twee sets bestaan ​​om interoperabiliteit te bevorderen. Onlangs heeft de IEEE 802.3cu-werkgroep het ontwerpdocument van 100 Gbps per golflengte vrijgegeven, dat de belangrijkste specificatie zal zijn voor toekomstige glasvezelverbindingen.

Specificaties beginnen meestal met de ontvanger, waar grenzen aan de signaalsterkte bepalen hoe betrouwbaar een fotodetector het optische signaal kan omzetten in elektrische gegevens. Als het signaalniveau onder een aanbevolen gevoeligheid komt, maakt de ontvanger te veel fouten, die doorgaans als bitfouten worden beschouwd. Deze drempel staat bekend als de gevoeligheidslimiet van de ontvanger.

Er zal meestal een doelstelling zijn voor de afstand die het signaal moet afleggen, misschien zo kort als 100 meter of zo lang als 40 kilometer. De verzwakking die door de vezel wordt veroorzaakt, is algemeen bekend, dus achteruit werken vanaf de ontvanger, rekening houdend met het verwachte verlies van de vezel, definieert vervolgens het minimale signaalvermogensniveau dat een zender moet produceren. In werkelijkheid is het ingewikkelder omdat er verschillende mechanismen zijn die ervoor kunnen zorgen dat een systeem bitfouten genereert die verder gaan dan alleen een stroomonderbreking tot onder de gevoeligheidslimiet van de ontvanger.

Vanuit het perspectief van een ontvanger kunnen twee lasers die op hetzelfde vermogensniveau werken, zeer verschillende signalen genereren. State-of-the-art systemen werken tegenwoordig meer dan 50 GBaud (PAM4). Dat wil zeggen, het licht moet bij de zender met een snelheid van maximaal 50 miljard keer per seconde worden in- en uitgeschakeld. De ontvanger moet detecteren dat het licht aan of uit is, en een zender van mindere kwaliteit kan traag zijn. De laser kan een signaal genereren dat niet stabiel is wanneer de ontvanger een beslissing neemt. De kwaliteit van het lasersignaal moet dus aan een minimumniveau voldoen. Evenzo kunnen we niet verwachten dat we perfecte zenders hebben, dus ontvangers moeten enige tolerantie hebben voor niet-ideale ingangssignalen. Dit leidt tot enkele belangrijke vereisten voor zenders en ontvangers:

Evaluatie optische zender

• Optical Modulation Amplitude (OMA):Het verschil tussen de logische niveaus van de zender.

• Relatieve intensiteitsruis (RIN):Een maat voor de hoeveelheid ruis die een zender genereert.

• Zenderspreiding en oogsluiting:TDEC of TDECQ (voor PAM4-modulatie) is een statistische maatstaf voor de signaalkwaliteit, die de waarschijnlijkheid aangeeft dat het signaal fouten in de ontvanger zal genereren (Figuur 1).

• Overshoot/undershoot:nieuwe meetwaarden die recentelijk zijn gedefinieerd in IEEE 802.3cu om ontvangers te beschermen tegen ernstige transiënten op het ingangssignaal.

Optische ontvanger gestoorde signalen

Beklemtoonde ontvangergevoeligheid (SRS):de bit-error-ratio of verwachte frame-loss-ratio onder het verwachte niveau wanneer het signaal dat naar de ontvanger gaat, het in het slechtste geval verwachte signaal van de zender (en kanaal) is.

Testinstrumenten zijn ontwikkeld om optische stoornissen van instrumentkwaliteit te bieden (voor specifieke TDECQ-, ER- en OMA-doelen) voor het testen van ontvangers onder spanning. Afbeelding 2 illustreert een typisch optisch SRS-signaal dat zou worden gegenereerd voor testdoeleinden.

Zenders worden over het algemeen getest met een gespecialiseerde oscilloscoop voor digitale communicatie-analysatoren. Deze instrumenten hebben ingebouwde optische referentie-ontvangers en firmware om de door deze normen vereiste metingen uit te voeren. Evenzo zijn voor ontvangers SRS-testsystemen (Figuur 3) beschikbaar, inclusief een gekalibreerd 'verslechterd' signaal en een bit-error-ratio tester (BERT), om de conformiteit met de normen te verifiëren.

Linkprestaties bij 100 Gbps, of het nu elektrisch of optisch is, werken beide met hogere bitfoutenpercentages dan hun tegenhangers met een lagere snelheid van 25 of 50 Gbps. De huidige 100 Gbps-interfaces werken met native link-foutpercentages tot wel 2E-4 BER en vertrouwen op moderne Reed-Solomon forward error correction (RS-FEC)-technieken om willekeurige en geïsoleerde bitfouten te corrigeren die van nature optreden bij verzending.

Forward error-codering is een proces dat begint op gegevens in de Physical Coding Sublayer (PCS) voordat gegevens overgaan in Physical Media Attachment (PMA). Deze PCS/PMA-interface beheert gegevensfoutcodering, interleaving, scrambling en uitlijningsbijdragen. Dit PCS/PMA-coderingssysteem vormt een uitdaging voor het analyseren van foutenpercentages, aangezien het proces van het observeren van de fysieke bitfout-genererende hoofdoorzaak nu wordt verdoezeld door een aanzienlijke hoeveelheid digitale foutcorrectie en interleaving-schakelingen. De wens om de fysieke fouten in een optische transmissie te onderzoeken die tot onherstelbare dataframes leiden, is een complex proces en een proces dat leveranciers van testinstrumenten tegenwoordig actief bevorderen. Gespecialiseerde tools zoals layer1 BERT en KP4 FEC multiport-analysesystemen spelen nu een integraal onderdeel van de ontvangertolerantie en algemene FEC-bewuste debugtools (Figuur 4).

De PCS/PMA-kloof die bestaat tussen een FEC-gecorrigeerd optisch signaal en de feitelijke onbewerkte fysieke transmissie ervan kan worden overbrugd met Keysight's 400G FEC-bewuste ontvangertestsysteem, dat FEC-gecodeerde gegevensstromen analyseert en een oscilloscoop kan sturen om de fysieke optische interface op locaties waar fouten optreden en biedt systeemontwerpers voor het eerst een tool die de post-FEC-foutanalyse verbindt met analyse en visualisatie van de fysieke transmissie naast elkaar.

Samenvatting

Momenteel werken de direct gemoduleerde datacommunicatiesystemen met de hoogste capaciteit op 400 Gbps. Deze systemen hebben meerdere rijstroken van 100 Gbps, ofwel met vier zenders en vier vezels of met vier golflengtezenders en een enkele vezel. De 800 Gbps-koppelingen van de eerste generatie zijn 2× opgeschaalde 400 Gbps-systemen via connectoren met een hogere dichtheid, zoals QSFP-DD en OSFP-interconnects. In dit scenario, met net meer rijstroken van 100 Gbps om te aggregeren tot 800 Gbps, blijven de specificaties en testmethoden vergelijkbaar met wat ze zijn voor 400 Gbps-systemen. Native × 4-baans brede 800 Gbps-links zijn afhankelijk van de vorderingen in zowel elektrische als optische specificaties die momenteel aan de gang zijn. Deze volgende snelheidsklasse van 800 Gbps zal hoogstwaarschijnlijk evolueren naar een native snelheid van 200 Gbps per rijstrook, zowel elektrisch als optisch, terwijl wordt vastgehouden aan de sterke marktbehoeften om het algehele stroomverbruik en de kosten te verlagen.

Wanneer 200Gbps single-lane transmissie wordt bereikt, zullen de testmethoden en technieken van 100Gbps waarschijnlijk sterk worden benut, maar het 200Gbps-veld zal waarschijnlijk vooruitgang in modulatiemethoden gebruiken als een focus op verhoogde transmissie-efficiëntie en het beheren van bekende bandbreedteknelpunten zijn belangrijke drukpunten op deze industrie. De meetpartners bij Keysight leveren een integrale bijdrage aan deze geavanceerde standaardinspanningen om ervoor te zorgen dat effectieve testoplossingen beschikbaar blijven terwijl deze technologieën evolueren naar 800 Gbps en 1,6 Tbps voor datacenterarchitecturen van de volgende generatie.

Dit artikel is geschreven door Greg D. Le Cheminant, specialist in meettoepassingen, analyse van digitale communicatie, oplossingen voor internetinfrastructuur; en John Calvin, Strategisch Planner en Datacom Technology Lead, IP Wireline Solutions; Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Ga voor meer informatie naar hier .