Bewertung der 800-Gbps-Direktmodulierten Optischen Signalübertragungsleistung

Optische Kommunikationssysteme waren ein Schlüssel für den Aufbau unserer Informationsinfrastruktur. Viele Rechenzentren, die Informationen speichern und übertragen, haben Meilen von Glasfaser und Tausende von Laser/Photodetektor-Empfängern, um Informationen über die Faser zu senden und zu empfangen. Es gibt unerbittlichen kommerziellen Druck, die Kapazität zu erhöhen, und der Prozess zur Entwicklung neuer Systeme, die bei höheren Datenraten arbeiten, geht weiter. Dies ist nicht einfach ein Prozess des Designs von Systemen, die mehr Informationen bewegen. Die Kosten dieser Systeme müssen sinken. Rechenzentren werden manchmal in Acres und Megawatt beschrieben, was anzeigt, dass der Strombedarf zum Betrieb des Rechenzentrums enorm ist. Es gibt eine starke Motivation, Wege zu finden, nicht nur bei höheren Kapazitäten zu operieren, sondern dies bei geringerem Energieverbrauch zu tun.

Das grundlegende optische Kommunikationssystem hat einen Laser-Transmitter, der elektrische Daten in moduliertes Licht umwandelt, eine optische Faser und einen Photodioden-Empfänger, der das modulierte Licht zurück in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Design des optischen Kommunikationssystems wird durch die Tatsache kompliziert, dass in der Rechenzentrumsumgebung selten die Anforderung besteht, dass der optische Link von einem einzigen Hersteller gefertigt wird. Transmitter, Faser und Empfänger werden wahrscheinlich von drei verschiedenen Unternehmen produziert. Dieses Konzept, bekannt als Interoperabilität, gibt dem Rechenzentrumdesigner Flexibilität und erleichtert den Wettbewerb unter Anbietern, was zu mehr Innovation und niedrigeren Kosten führt. Der Nachteil ist, dass das Design des Systems und die Spezifikation der Komponenten innerhalb dieses Systems komplexer werden.

Eine Standardisierungsorganisation wie IEEE 802.3 bietet ein öffentliches Forum zur Definition von Kommunikationssystemen. Sitzungen sind für alle offen und werden von Rechenzentrumdesignern sowie Herstellern von Netzwerkausrüstung, Transceivern und Fasern besucht. Da der Standard Leistung und deren Verifizierung definieren wird, nehmen auch Test- und Messunternehmen teil. Eine der wesentlichen Ausgaben der Standardisierungsgruppe ist ein Satz Spezifikationen für Transmitter und ein Satz Spezifikationen für Empfänger. Wiederum existieren die beiden Sätze, um Interoperabilität zu fördern. Kürzlich hat die IEEE 802.3cu Arbeitsgruppe das 100-Gbps-pro-Wellenlänge-Entwurfsdokument veröffentlicht, das die Schlüsselspezifikation für zukünftige faserbasierte Interconnects sein wird.

Spezifikationen beginnen typischerweise mit dem Empfänger, wo Grenzen der Signalstärke bestimmen, wie zuverlässig ein Photodetektor das optische Signal in elektrische Daten umwandeln kann. Wenn der Signalpegel unter eine empfohlene Empfindlichkeit fällt, macht der Empfänger zu viele Fehler, die typischerweise als Bitfehler betrachtet werden. Dieser Schwellenwert ist als Empfängerempfindlichkeitsgrenze bekannt.

Es gibt normalerweise ein Ziel für die Distanz, die das Signal zurücklegen muss, vielleicht so kurz wie 100 Meter oder so lang wie 40 Kilometer. Die durch die Faser verursachte Dämpfung ist gut bekannt, also arbeitet man rückwärts vom Empfänger aus, unter Berücksichtigung des erwarteten Faserverlusts, definiert dies die minimale Signalleistung, die ein Transmitter erzeugen muss. In der Realität ist es komplizierter, da es eine Vielzahl von Mechanismen gibt, die ein System dazu bringen können, Bitfehler zu generieren, jenseits des einfachen Abfalls der Leistung unter die Empfängerempfindlichkeitsgrenze.

Aus der Perspektive eines Empfängers können zwei Laser, die bei demselben Leistungspegel arbeiten, sehr unterschiedliche Signale erzeugen. State-of-the-Art-Systeme arbeiten heute mit über 50 GBaud (PAM4). Das heißt, das Licht muss am Transmitter mit einer Rate von bis zu 50 Milliarden Mal pro Sekunde ein- und ausgeschaltet werden. Der Empfänger muss detektieren, dass das Licht entweder an oder aus ist, und ein niedrigwertiger Transmitter kann langsam sein. Der Laser kann ein Signal erzeugen, das nicht stabil ist, wenn der Empfänger eine Entscheidung trifft. Daher muss die Qualität des Lasersignals ein Mindestniveau erfüllen. Ebenso können wir nicht perfekte Transmitter erwarten, daher müssen Empfänger eine gewisse Toleranz für nicht-ideale Eingangssignale haben. Dies führt zu wichtigen Anforderungen für Transmitter und Empfänger:

Optische Transmitter-Bewertung

• Optical Modulation Amplitude (OMA): Der Unterschied zwischen den Transmitter-Logikpegeln.
• Relative Intensity Noise (RIN): Ein Maß für die Menge an Rauschen, die ein Transmitter erzeugt.
• Transmitter Dispersion and Eye Closure: TDEC oder TDECQ (für PAM4-Modulation) ist ein statistisches Maß für die Signalqualität, das die Wahrscheinlichkeit angibt, dass das Signal Fehler im Empfänger generiert (Abbildung 1).
• Overshoot/Undershoot: Neue Metriken, kürzlich in IEEE 802.3cu definiert, um Empfänger vor schweren Transienten am Eingangssignal zu schützen.

Optische Empfänger-Beeinträchtigte Signale

Stressed Receiver Sensitivity (SRS): Das Bitfehlerverhältnis oder erwartete Frame-Verlustverhältnis unter dem erwarteten Niveau, wenn das in den Empfänger gehende Signal das Worst-Case-Signal vom Transmitter (und Kanal) ist.

Testinstrumente wurden entwickelt, um instrumentengradige optische Beeinträchtigungen (zu spezifischen TDECQ, ER und OMA-Zielen) für gestresste Empfängertests anzubieten. Abbildung 2 illustriert ein typisches optisches SRS-Signal, das für Testzwecke generiert würde.

Transmitter werden generell mit einem spezialisierten Digital Communications Analyzer Oszilloskop getestet. Diese Instrumente haben eingebaute optische Referenzempfänger und Firmware, um die von diesen Standards erforderlichen Messungen auszuführen. Ähnlich für Empfänger sind SRS-Testsysteme (Abbildung 3), einschließlich eines kalibrierten „beeinträchtigten“ Signals und eines Bit-Error-Ratio-Testers (BERT), verfügbar, um Standards-Konformität zu verifizieren.

Link-Performance bei 100 Gbps – sei es elektrisch oder optisch – arbeiten beide bei höheren Bitfehlerraten als ihre niedrigeren 25- oder 50-Gbps-Gegenstücke. Aktuelle 100-Gbps-Schnittstellen arbeiten bei nativen Link-Fehlerraten von bis zu 2E-4 BER und verlassen sich auf moderne Reed-Solomon Forward Error Correction (RS-FEC) Techniken, um zufällige und isolierte Bitfehler, die natürlich in der Übertragung auftreten, zu korrigieren.

Forward Error Encoding ist ein Prozess, der auf Daten auf der Physical Coding Sublayer (PCS) beginnt, bevor Daten in Physical Media Attachment (PMA) übergehen. Diese PCS/PMA-Schnittstelle verwaltet Datenfehlerkodierung, Interleaving, Scrambling und Alignment-Beiträge. Dieses PCS/PMA-Kodiersystem stellt Fehlerratenanalyse-Herausforderungen dar, da der Prozess der Beobachtung der physischen Bitfehler-erzeugenden Ursache nun unter einer beträchtlichen Menge an digitaler Fehlerkorrektur und Interleaving-Schaltungen verdeckt ist. Der Wunsch, die physischen Fehler in einer optischen Übertragung zu untersuchen, die zu nicht wiederherstellbaren Datenframes führen, ist ein komplexer Prozess, und einer, den Testinstrumentenlieferanten heute aktiv vorantreiben. Spezialisierte Tools wie Layer-1 BERT und KP4 FEC Multiport-Analysesysteme spielen jetzt einen integralen Teil bei Empfängertoleranz und allgemeinen FEC-bewussten Debug-Tools (Abbildung 4).

Der PCS/PMA-Gap, der zwischen einem FEC-korrigierten optischen Signal und seiner tatsächlichen rohen physischen Übertragung existiert, kann mit Keysights 400G FEC-bewusstem Empfängertestsystem überbrückt werden, das FEC-kodierte Datenströme analysiert und ein Oszilloskop anweisen kann, die physikalische optische Schnittstelle an Orten zu lokalisieren (Trigger auf), an denen Fehler auftreten, und Systemdesignern erstmals ein Werkzeug bietet, das die Post-FEC-Fehleranalyse mit Analyse und Visualisierung der physischen Übertragung nebeneinander verbindet.

Zusammenfassung

Derzeit arbeiten die höchstkapazitiven direkt modulierten Datenkommunikationssysteme bei 400 Gbps. Diese Systeme haben mehrere Lanes von 100 Gbps, entweder mit vier Transmittern und vier Fasern oder mit vier Wellenlängen-Transmittern und einer einzelnen Faser. Erste Generation 800-Gbps-Links werden 2× skalierte 400-Gbps-Systeme durch höhere Dichte-Steckverbinder wie QSFP-DD und OSFP-Interconnects sein. In diesem Szenario, mit einfach mehr Lanes von 100 Gbps zur Aggregation auf 800 Gbps, bleiben Spezifikationen und Testmethoden ähnlich wie für 400-Gbps-Systeme. Native ×4-Lane-breite 800-Gbps-Links werden von Fortschritten in sowohl elektrischen als auch optischen Spezifikationen abhängen, die derzeit im Gange sind. Diese nächste Geschwindigkeitsklasse bei 800 Gbps wird höchstwahrscheinlich zu einer nativen 200-Gbps-pro-Lane-Geschwindigkeit sowohl elektrisch als auch optisch voranschreiten, während sie starken Marktanforderungen zur Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs und der Kosten nachkommt.

Wenn 200-Gbps-Einzel-Lane-Übertragung erreicht wird, werden die Testmethoden und -techniken von 100 Gbps wahrscheinlich stark genutzt, jedoch wird der 200-Gbps-Bereich wahrscheinlich Fortschritte in Modulationsmethoden einsetzen, da ein Fokus auf erhöhte Übertragungseffizienz und das Management bekannter Bandbreitenengpässe Schlüssel-Druckpunkte in dieser Branche sind. Die Messpartner bei Keysight sind integrale Beitragende zu diesen Spitzentechnologie-Standardisierungsbemühungen, um sicherzustellen, dass effektive Testlösungen weiterhin verfügbar sind, während sich diese Technologien zu 800 Gbps und 1,6 Tbps für nächste Generation Rechenzentrumarchitekturen entwickeln.

Dieser Artikel wurde von Greg D. Le Cheminant, Measurement Applications Specialist, Digital Communications Analysis, Internet Infrastructure Solutions; und John Calvin, Strategic Planner and Datacom Technology Lead, IP Wireline Solutions; Keysight Technologies (Santa Rosa, CA) verfasst. Für weitere Informationen besuchen Sie hier.