光通信系统是我们信息基础设施建设的关键促成因素。许多用于存储和传输信息的数据中心都有长达数英里的光纤和数千个激光/光电探测器接收器,通过光纤发送和接收信息。不断增加容量的商业压力,开发以更高数据速率运行的新系统的过程仍在继续。这不是一个简单的设计系统来移动更多信息的过程。这些系统的成本需要降低。数据中心有时用英亩和兆瓦来描述,这表明运行数据中心所需的电力是巨大的。人们有强烈的动机去寻找方法,不仅要以更高的能力运行,而且要在使用更少的能源的情况下运行。

基本的光通信系统有一个激光发射器,将电数据转换成调制光,一个光纤,和一个光电二极管接收器,将调制光转换回电信号。在数据中心环境中,很少要求光链路由单一供应商制造,这使得光通信系统的设计变得复杂。发射器、光纤和接收器可能由三家不同的公司生产。这个被称为互操作性的概念为数据中心设计者提供了灵活性,它促进了供应商之间的竞争,从而带来更多的创新和更低的成本。这样做的缺点是,设计系统和指定系统内的组件会变得更加复杂。

像IEEE 802.3这样的标准组织提供了一个定义通信系统的公共论坛。会议对所有人开放,数据中心设计人员以及网络设备、收发器和光纤制造商都参加了会议。由于该标准将定义绩效及其如何验证,测试和测量公司也参与其中。标准组的一个基本输出是发射机的一套规范和接收器的一套规范。同样,这两个集合的存在是为了促进互操作性。最近,IEEE 802.3cu工作组发布了每波长100Gbps的草案文件,这将是未来基于光纤的互连的关键规范。

规格通常从接收器开始,其中信号强度的限制将决定光电探测器将光信号转换为电子数据的可靠程度。如果信号电平下降到建议的灵敏度以下,接收器将会犯很多错误,这通常被认为是误码。这个阈值被称为接收器灵敏度限制。

对于信号必须传播的距离,通常会有一个目标,可能短至100米,也可能长至40公里。由光纤引起的衰减是众所周知的,所以从接收端向后工作,考虑到光纤的预期损耗,然后定义发射机必须产生的最小信号功率水平。在现实中,情况更为复杂,因为有多种机制可以导致系统产生比特错误,而不仅仅是简单地使功率降低于接收机灵敏度限制。

从接收器的角度来看,在相同功率水平下操作的两个激光器可能产生非常不同的信号。今天最先进的系统运营超过50GBaud(PAM4)。也就是说,光必须以高达500亿次的速度在发射器上打开和关闭。接收器必须检测到光是打开或关闭的,并且较低的质量变送器可能会慢。当接收器做出决定时,激光器可以产生不稳定的信号。因此,激光信号的质量需要满足最小水平。同样,我们不能期望具有完美的发射器,因此接收器需要对非理想输入信号具有一些容差。这导致发射器和接收器的一些重要要求:

光发射器评估

  • 光调制幅度(OMA):发射器逻辑电平之间的差异。

  • 相对强度噪声(RIN):测量发射机产生的噪声量。

  • 发射机弥散和眼闭:TDEC或TDECQ(用于PAM4调制)是信号质量的统计度量,表明信号在接收器中产生错误的可能性(图1)。

  • 过冲/下冲:最近在IEEE 802.3CU中定义的新度量,以保护接收器免受输入信号上的严重瞬变。

光接收器受损信号

压力接收机灵敏度(SRS):当信号进入接收机时低于预期水平的误码率或预期丢帧率是来自发射机(和信道)的最坏情况的预期信号。

图2。应力接收器灵敏度(SRS)受损的光信号。

已经开发了测试仪器,为仪器级光学损伤(对特定的TDECQ,ER和OMA目标)提供了用于压力的接收器测试。图2示出了将产生用于测试目的的典型光学SRS信号。

发射机通常用专门的数字通信分析仪示波器进行测试。这些仪器有内置的光学参考接收器和固件执行这些标准所要求的测量。同样,对于接收机,SRS测试系统(图3),包括一个校准的“受损”信号和一个比特误码率测试仪(BERT),可用来验证标准的一致性。

图3。典型的400G光电测试设置。

连接性能为100Gbps-be电气或光学 - 两者以比其较低速度25或50Gbps对应物更高的误差率操作。当前100Gbps接口以高达2E-4 BER的本机链路误差速率运行,依赖于现代簧片的前向纠错(RS-FEC)技术来校正自然地发生在传输中的随机和隔离位错误。

前向错误编码是在数据转换到物理媒体附件(PMA)之前在物理编码子层(PC)处的数据开始的进程。此PC / PMA接口管理数据错误编码,交织,扰扰和对准贡献。该PC / PMA编码系统突出了错误率分析挑战,因为观察物理位误差产生根本原因的过程现在在相当大量的数字纠错和交织电路下模糊。希望在导致不可恢复的数据帧的光传输中检查物理误差是复杂的过程,并且测试仪器供应商今天正在积极推进。Player1 Bert和KP4 FEC多端口分析系统等专业工具现在播放接收器公差和通用FEC感知调试工具的组成部分(图4)。

图4. FEC意识到物理层分析。

FEC校正光信号与其实际原始物理传输之间存在的PCS / PMA间隙可以桥接Keysight的400G FEC感知接收器测试系统,该测试系统分析FEC编码的数据流,并可以将示波器指向本质中的(触发器)在发生错误的位置处的光学接口,并为第一次提供系统设计人员的工具,该工具将Post FEC错误分析与物理传输并排的分析和可视化连接。

总结

目前,直接调制数据通信系统的最高容量为400Gbps。这些系统有多个100Gbps的通道,或者使用四个发射器和四个光纤,或者使用四个波长发射器和一个光纤。第一代800Gbps链路将通过更高密度的连接器(如QSFP-DD和OSFP互连)扩大到400Gbps系统的2倍。在这种情况下,只有更多的100Gbps通道聚合到800Gbps,规范和测试方法将保持与400Gbps系统相似。本地×4车道宽800Gbps链路将取决于目前正在进行的电气和光学规格的进步。下一个800Gbps的速度级别很可能会提升到原生的200Gbps /道的电和光速度,同时坚持强大的市场需求,以降低整体能耗和成本。

当实现200Gbps单线传输时,从100Gbps的测试方法和技术可能会高度杠杆,然而,200Gbps场可能在调制方法中采用进步,因为对增加的传输效率并管理已知的带宽瓶颈是关键压力点这个行业。Keysight的测量合作伙伴是这些尖端标准的一体的贡献者,以确保这些技术继续提供有效的测试解决方案,因为这些技术在800Gbps进化到下一代数据中心架构中的800Gbps和1.6Tbps。

本文由Greg D. Le Cheminant撰写,测量应用专家,数字通信分析,互联网基础设施解决方案;IP有线解决方案战略规划师和数据通信技术主管John Calvin;Keysight Technologies (Santa Rosa, CA)。欲了解更多信息,请访问在这里


光子与成像技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号光子与成像技术杂志。

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