Evaluatie Van 800 Gbps Direct-gemoduleerde Optische Signaalprestaties

Optische communicatiesystemen zijn een sleutel facilitator geweest voor de opbouw van onze informatie-infrastructuur. Veel datacenters die gebruikt worden om informatie op te slaan en te transmitteren, hebben kilometers vezel en duizenden laser/fotodetector ontvangers om informatie over de vezel te verzenden en te ontvangen. Er is onherstelbare commerciële druk om de capaciteit te verhogen en het proces om nieuwe systemen te ontwikkelen die op hogere data rates opereren gaat door. Dit is niet een proces van simpelweg systemen ontwerpen die meer informatie verplaatsen. De kosten van deze systemen moeten dalen. Datacenters worden soms beschreven in termen van acres en megawatts, wat aangeeft dat de vermogens benodigd om het datacenter te draaien enorm is. Er is een sterke motivatie om manieren te vinden om niet alleen op hogere capaciteiten te opereren, maar dit te doen terwijl minder energie wordt gebruikt.

Het basale optische communicatiesysteem heeft een laser transmitter die elektrische data omzet in gemoduleerd licht, een optische vezel, en een fotodioden ontvanger om het gemoduleerde licht terug te converteren naar een elektrisch signaal. Het ontwerpen van het optische communicatiesysteem wordt gecompliceerd door het feit dat in de datacenter omgeving, er zelden een vereiste is dat de optische link geproduceerd wordt door een enkele leverancier. De transmitter, vezel, en ontvanger zijn waarschijnlijk geproduceerd door drie verschillende bedrijven. Dit concept, bekend als interoperabiliteit, geeft de datacenter ontwerper flexibiliteit, en het faciliteret concurrentie onder leveranciers wat leidt tot meer innovatie en lagere kosten. De keerseite is dat het ontwerpen van het systeem en het specificeren van de componenten binnen dat systeem complexer wordt.

Specificaties beginnen typisch met de ontvanger, waar limieten aan de signaalsterkte zullen bepalen hoe betrouwbaar een fotodetector het optische signaal kan converteren naar elektrische data. Als het signaalniveau daalt onder een aanbevolen gevoeligheid, zal de ontvanger te veel fouten maken, wat typisch als bit errors beschouwd wordt. Deze drempel is bekend als de ontvanger gevoeligheidslimiet.

Er zal doorgaans een objectief zijn voor de afstand die het signaal moet reizen, misschien zo kort als 100 meter of zo lang als 40 kilometer. De attenuatie veroorzaakt door de vezel is goed bekend, dus achterwaarts werkend vanaf de ontvanger, rekening houdend met de verwachte verlies van de vezel, definieert dan de minimale signaalvermogensniveau dat een transmitter moet produceren. In de realiteit is het gecompliceerder aangezien er een verscheidenheid aan mechanismen zijn die een systeem kunnen veroorzaken bit errors te genereren buiten het simpelweg hebben van het vermogen dat onder de ontvanger gevoeligheidslimiet daalt.

Van het perspectief van een ontvanger, kunnen twee lasers die op hetzelfde vermogensniveau opereren zeer verschillende signalen genereren. State-of-the-art systemen vandaag de dag opereren in overmaat van 50GBaud (PAM4). Dat is, het licht moet aan en uit geschakeld worden bij de transmitter met een snelheid van tot 50 miljard keer per seconde. De ontvanger moet detecteren dat het licht of aan of uit is, en een lagere kwaliteit transmitter kan traag zijn. De laser kan een signaal genereren dat niet stabiel is wanneer de ontvanger een beslissing neemt. Dus de kwaliteit van het lasersignaal moet een minimum niveau ontmoeten. Op dezelfde manier kunnen we niet verwachten perfecte transmitters te hebben, dus ontvangers moeten enige tolerantie hebben voor niet-ideale input signalen. Dit leidt tot een paar belangrijke vereisten voor transmitters en ontvangers:

Optische Transmitter Evaluatie

• Optical Modulation Amplitude (OMA): Het verschil tussen de transmitter logica niveaus.
• Relative intensity noise (RIN): Een maat voor de hoeveelheid ruis die een transmitter genereert.
• Transmitter dispersion and eye closure: TDEC of TDECQ (voor PAM4 modulatie) is een statistische maat voor de signaalkwaliteit, die de waarschijnlijkheid aangeeft dat het signaal fouten in de ontvanger zal genereren (Figuur 1).
• Overshoot/Undershoot: Nieuwe metrics recentelijk gedefinieerd in IEEE 802.3cu om ontvangers te beschermen van severe transiënten op het input signaal.

Optische Ontvanger Beïnvloede Signalen

Stressed receiver sensitivity (SRS): De bit-error-ratio of verwachte frame-loss-ratio onder het verwachte niveau wanneer het signaal dat in de ontvanger gaat het worst-case verwachte signaal is van de transmitter (en kanaal).

Testinstrumenten zijn ontwikkeld die instrument-grade optische verstoringen aanbieden (tot specifieke TDECQ, ER, en OMA doelen) voor gestresste ontvanger testen. Figuur 2 illustreert een typisch optisch SRS signaal dat voor testdoeleinden gegenereerd zou worden.

Transmitters worden doorgaans getest met een gespecialiseerde digitale communicatie analyzer oscilloscoop. Deze instrumenten hebben ingebouwde optische referentie ontvangers en firmware om de metingen uit te voeren die vereist zijn door deze standaarden. Op dezelfde manier, voor ontvangers, zijn SRS test systemen (Figuur 3), inclusief een gecalibreerd 'beïnvloed' signaal en een bit-error-ratio tester (BERT), beschikbaar om standaardsconformiteit te verifiëren.

Link prestaties bij 100Gbps — of het nu elektrisch of optisch is — opereren allebei bij hogere bit error rates dan hun lagere snelheid 25 of 50Gbps tegenhangers. Huidige 100Gbps interfaces opereren bij native link error rates zo hoog als 2E-4 BER en vertrouwen op moderne Reed-Solomon forward error correctie (RS-FEC) technieken om random en geïsoleerde bit errors die natuurlijk optreden in transmissie te corrigeren.

Forward error encoding is een proces dat begint op data op de Physical Coding Sublayer (PCS) voordat data overgaat in Physical Media Attachment (PMA). Deze PCS/PMA interface beheert data foutcodering, interleaving, scrambling en alignment bijdragen. Dit PCS/PMA encoding systeem stelt foutenanalyse uitdagingen voor aangezien het proces van het observeren van de fysieke bit error genererende root cause nu verscholen is onder een aanzienlijke hoeveelheid digitale foutcorrectie en interleaving circuitry. De wens om de fysieke fouten in een optische transmissie te onderzoeken die leiden tot onherstelbare data frames is een complex proces, en een waar testinstrumenten leveranciers actief vandaag de dag aan vorderen. Gespecialiseerde tools zoals layer1 BERT en KP4 FEC multiport analysesystemen spelen nu een integraal deel van ontvanger tolerantie en algemene FEC aware debug tools (Figuur 4).

De PCS/PMA gap die bestaat tussen een FEC gecorrigeerd optisch signaal en de daadwerkelijke ruwe fysieke transmissie kan overbrugd worden met Keysight's 400G FEC aware ontvanger test systeem, dat FEC gecodeerde datastromen analyseert en een oscilloscoop kan sturen om te localiseren (trigger op) de fysieke optische interface op locaties waar fouten optreden en systeemontwerpers een tool biedt voor de eerste keer die de post FEC foutanalyse verbindt met analyse en visualisatie van de fysieke transmissie zij aan zij.

Samenvatting

Momenteel opereren de hoogste capaciteit direct gemoduleerde data-communicatiesystemen op 400Gbps. Deze systemen hebben meerdere lanes van 100Gbps, ofwel door vier transmitters en vier vezels te gebruiken of door vier golfengte transmitters en een enkele vezel. Eerste generatie 800Gbps links zullen 2× geschaalde 400Gbps systemen zijn door hogere dichtheid connectors zoals QSFP-DD en OSFP interconnects. In dit scenario, met gewoon meer lanes van 100Gbps om te aggregateren tot 800Gbps, zullen de specificaties en testmethoden vergelijkbaar blijven met wat ze zijn voor 400Gbps systemen. Native ×4 lane brede 800Gbps links zullen afhangen van vooruitgang in zowel elektrische als optische specificaties die momenteel gaande zijn. Deze volgende snelheidsklasse op 800Gbps zal waarschijnlijk vorderen naar een native 200Gbps per lane snelheid zowel elektrisch als optisch terwijl zich houdt aan sterke marktbehoeftes om het algehele energieverbruik en kosten te reduceren.

Wanneer 200Gbps single lane transmissie bereikt is, zullen de testmethoden en technieken van 100Gbps waarschijnlijk sterk benut worden, echter, het 200Gbps veld zal waarschijnlijk vooruitgang in modulatiemethoden emploeren als een focus op verhoogde transmissie-efficiëntie en het managen van bekende bandbreedte knelpunten sleutel drukpunten zijn op deze industrie. De meetpartners bij Keysight zijn integrale bijdragers aan deze cutting-edge standaardinspanningen om ervoor te zorgen dat effectieve testoplossingen beschikbaar blijven naarmate deze technologieën evolueren naar 800Gbps en 1.6Tbps voor next generation datacenter architecturen.

Dit artikel is geschreven door Greg D. Le Cheminant, Measurement Applications Specialist, Digital Communications Analysis, Internet Infrastructure Solutions; en John Calvin, Strategic Planner and Datacom Technology Lead, IP Wireline Solutions; Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Voor meer informatie, bezoek hier.