Prueba de señalización óptica modulada directa 800G

Los sistemas de comunicaciones ópticas han sido un facilitador clave para la construcción de nuestra infraestructura de información. Muchos centros de datos utilizados para almacenar y transmitir información tienen kilómetros de fibra y miles de receptores láser/fotodetectores para enviar y recibir información a través de la fibra. Existe una presión comercial implacable para aumentar la capacidad y continúa el proceso para desarrollar nuevos sistemas que operen a velocidades de datos más altas. Este no es un proceso de simplemente diseñar sistemas que muevan más información. El costo de estos sistemas debe bajar. Los centros de datos a veces se describen en términos de acres y megavatios, lo que indica que la potencia necesaria para hacer funcionar el centro de datos es enorme. Existe una fuerte motivación para encontrar formas de no solo operar a mayores capacidades, sino hacerlo utilizando menos energía.

El sistema básico de comunicaciones ópticas tiene un transmisor láser que convierte los datos eléctricos en luz modulada, una fibra óptica y un receptor de fotodiodo para convertir la luz modulada nuevamente en una señal eléctrica. El diseño del sistema de comunicaciones ópticas es complicado por el hecho de que, en el entorno del centro de datos, rara vez existe el requisito de que el enlace óptico sea fabricado por un solo proveedor. Es probable que el transmisor, la fibra y el receptor sean fabricados por tres empresas diferentes. Este concepto, conocido como interoperabilidad, brinda flexibilidad al diseñador del centro de datos y facilita la competencia entre los proveedores, lo que genera más innovación y costos más bajos. La desventaja de esto es que diseñar el sistema y especificar los componentes dentro de ese sistema se vuelve más complejo.

Una organización de estándares como IEEE 802.3 ofrece un foro público para definir los sistemas de comunicaciones. Las reuniones están abiertas a todos y asisten diseñadores de centros de datos, así como fabricantes de equipos de red, transceptores y fibra. Dado que la norma definirá el rendimiento y cómo se verifica, también participan empresas de prueba y medición. Uno de los resultados esenciales del grupo de estándares es un conjunto de especificaciones para los transmisores y un conjunto de especificaciones para los receptores. Nuevamente, los dos conjuntos existen para promover la interoperabilidad. Más recientemente, el grupo de trabajo IEEE 802.3cu ha publicado el borrador del documento de 100 Gbps por longitud de onda, que será la especificación clave para futuras interconexiones basadas en fibra.

Las especificaciones generalmente comienzan con el receptor, donde los límites de la intensidad de la señal determinarán la confiabilidad con la que un fotodetector puede convertir la señal óptica en datos eléctricos. Si el nivel de la señal cae por debajo de la sensibilidad recomendada, el receptor cometerá demasiados errores, que normalmente se consideran errores de bits. Este umbral se conoce como límite de sensibilidad del receptor.

Por lo general, habrá un objetivo para la distancia que debe recorrer la señal, tal vez tan solo 100 metros o tan largo como 40 kilómetros. La atenuación causada por la fibra es bien conocida, por lo que trabajando hacia atrás desde el receptor, teniendo en cuenta la pérdida esperada de la fibra, se define el nivel mínimo de potencia de la señal que debe producir un transmisor. En realidad, es más complicado ya que hay una variedad de mecanismos que pueden causar que un sistema genere errores de bits más allá de simplemente que la potencia caiga por debajo del límite de sensibilidad del receptor.

Desde la perspectiva de un receptor, dos láseres que funcionan al mismo nivel de potencia pueden generar señales muy diferentes. Hoy en día, los sistemas de última generación funcionan a más de 50 Gbaudios (PAM4). Es decir, la luz debe encenderse y apagarse en el transmisor a una velocidad de hasta 50 mil millones de veces por segundo. El receptor debe detectar si la luz está encendida o apagada, y un transmisor de menor calidad puede ser lento. El láser puede generar una señal que no es estable cuando el receptor toma una decisión. Por lo tanto, la calidad de la señal láser debe alcanzar un nivel mínimo. De manera similar, no podemos esperar tener transmisores perfectos, por lo que los receptores deben tener cierta tolerancia para las señales de entrada no ideales. Esto lleva a algunos requisitos importantes para transmisores y receptores:

Evaluación del transmisor óptico

• Amplitud de modulación óptica (OMA):la diferencia entre los niveles lógicos del transmisor.

• Ruido de intensidad relativa (RIN):una medida de la cantidad de ruido que genera un transmisor.

• Dispersión del transmisor y cierre del ojo:TDEC o TDECQ (para modulación PAM4) es una medida estadística de la calidad de la señal, que indica la probabilidad de que la señal genere errores en el receptor (Figura 1).

• Overshoot/Undershoot:Nuevas métricas recientemente definidas en IEEE 802.3cu para proteger a los receptores de transitorios severos en la señal de entrada.

Señales dañadas del receptor óptico

Sensibilidad del receptor estresado (SRS):la tasa de error de bits o la tasa de pérdida de trama esperada por debajo del nivel esperado cuando la señal que ingresa al receptor es la señal esperada del transmisor (y el canal) en el peor de los casos.

Los instrumentos de prueba se han desarrollado para ofrecer degradaciones ópticas de grado de instrumento (para objetivos específicos de TDECQ, ER y OMA) para pruebas de receptores estresados. La figura 2 ilustra una señal SRS óptica típica que se generaría con fines de prueba.

Los transmisores generalmente se prueban con un osciloscopio analizador de comunicaciones digitales especializado. Estos instrumentos tienen receptores de referencia ópticos incorporados y firmware para ejecutar las mediciones requeridas por estos estándares. De manera similar, para los receptores, los sistemas de prueba SRS (Figura 3), que incluyen una señal "deteriorada" calibrada y un probador de proporción de bits erróneos (BERT), están disponibles para verificar la conformidad con los estándares.

El rendimiento del enlace a 100 Gbps, ya sea eléctrico u óptico, ambos funcionan con tasas de error de bit más altas que sus contrapartes de menor velocidad de 25 o 50 Gbps. Las interfaces actuales de 100 Gbps funcionan con tasas de error de enlace nativas de hasta 2E-4 BER y se basan en técnicas modernas de corrección de errores de reenvío Reed-Solomon (RS-FEC) para corregir errores de bits aleatorios y aislados que ocurren naturalmente en la transmisión.

La codificación de errores de reenvío es un proceso que comienza con los datos en la subcapa de codificación física (PCS) antes de que los datos pasen a la conexión de medios físicos (PMA). Esta interfaz PCS/PMA gestiona las contribuciones de codificación de errores de datos, entrelazado, codificación y alineación. Este sistema de codificación PCS/PMA plantea desafíos de análisis de la tasa de error, ya que el proceso de observación de la causa raíz que genera el error de bit físico ahora está oscurecido por una cantidad considerable de corrección de errores digital y circuitos entrelazados. El deseo de examinar los errores físicos en una transmisión óptica que conduce a tramas de datos irrecuperables es un proceso complejo, y los proveedores de instrumentación de prueba están avanzando activamente en la actualidad. Las herramientas especializadas como los sistemas de análisis multipuerto Layer1 BERT y KP4 FEC ahora juegan una parte integral de la tolerancia del receptor y las herramientas generales de depuración conscientes de FEC (Figura 4).

La brecha PCS/PMA que existe entre una señal óptica corregida por FEC y su transmisión física sin procesar real puede salvarse con el sistema de prueba de receptor compatible con FEC 400G de Keysight, que analiza los flujos de datos codificados por FEC y puede dirigir un osciloscopio para localizar (disparar) la señal física. interfaz óptica en ubicaciones donde se producen errores y ofrece a los diseñadores de sistemas una herramienta por primera vez que conecta el análisis de errores posterior a la FEC con el análisis y la visualización de la transmisión física en paralelo.

Resumen

Actualmente, los sistemas de comunicación de datos de modulación directa de mayor capacidad funcionan a 400 Gbps. Estos sistemas tienen múltiples carriles de 100 Gbps, ya sea usando cuatro transmisores y cuatro fibras o teniendo cuatro transmisores de longitud de onda y una sola fibra. Los enlaces de 800 Gbps de primera generación serán sistemas de 400 Gbps ampliados al doble a través de conectores de mayor densidad, como las interconexiones QSFP-DD y OSFP. En este escenario, con solo más carriles de 100 Gbps para agregar a 800 Gbps, las especificaciones y los métodos de prueba seguirán siendo similares a los de los sistemas de 400 Gbps. Los enlaces nativos de 4 carriles de 800 Gbps de ancho dependerán de los avances en las especificaciones eléctricas y ópticas que se están realizando actualmente. Esta próxima clase de velocidad de 800 Gbps muy probablemente avanzará a una velocidad nativa de 200 Gbps por carril, tanto eléctrica como ópticamente, mientras se adhiere a las fuertes necesidades del mercado para reducir el consumo y el costo general de energía.

Cuando se logre la transmisión de un solo carril de 200 Gbps, es probable que se aprovechen mucho los métodos y técnicas de prueba de 100 Gbps; sin embargo, es probable que el campo de 200 Gbps emplee avances en métodos de modulación como un enfoque en una mayor eficiencia de transmisión y la gestión de cuellos de botella de ancho de banda conocidos son puntos clave de presión en esta industria Los socios de medición de Keysight son contribuyentes integrales a estos esfuerzos de estándares de vanguardia para garantizar que las soluciones de prueba efectivas continúen disponibles a medida que estas tecnologías evolucionan a 800 Gbps y 1,6 Tbps para las arquitecturas de centros de datos de próxima generación.

Este artículo fue escrito por Greg D. Le Cheminant, especialista en aplicaciones de medición, análisis de comunicaciones digitales, soluciones de infraestructura de Internet; y John Calvin, planificador estratégico y líder de tecnología de comunicación de datos, IP Wireline Solutions; Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Para obtener más información, visite aquí .