Evaluando rendimiento de señalización óptica directo-modulada a 800 Gbps

Los sistemas de comunicaciones ópticas han sido un habilitador clave para la construcción de nuestra infraestructura de información. Muchos centros de datos usados para almacenar y transmitir información tienen millas de fibra y miles de receptores láser/fotodetectores para enviar y recibir información a través de la fibra. Hay una presión comercial implacable para aumentar la capacidad y el proceso para desarrollar nuevos sistemas que operen a tasas de datos más altas continúa. Este no es un proceso de simplemente diseñar sistemas que muevan más información. El costo de estos sistemas necesita bajar. Los centros de datos a veces se describen en términos de acres y megavatios, indicando que la potencia requerida para correr el centro de datos es enorme. Hay una fuerte motivación para encontrar formas de no solo operar a capacidades más altas, sino hacerlo usando menos energía.

El sistema básico de comunicaciones ópticas tiene un transmisor láser que convierte datos eléctricos en luz modulada, una fibra óptica, y un receptor fotodiodo para convertir la luz modulada de vuelta a una señal eléctrica. Diseñar el sistema de comunicaciones ópticas es complicado por el hecho de que en el ambiente del centro de datos, rara vez hay un requisito de que el enlace óptico sea fabricado por un solo proveedor. El transmisor, fibra y receptor son probablemente producidos por tres empresas diferentes. Este concepto, conocido como interoperabilidad, da flexibilidad al diseñador del centro de datos, y facilita la competencia entre proveedores llevando a 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 sistemas de comunicaciones. Las reuniones son abiertas a todos y son asistidas por diseñadores de centros de datos, así como fabricantes de equipos de red, transceptores y fibra. Desde que el estándar definirá rendimiento y cómo se verifica, compañías de prueba y medición también participan. Una de las salidas esenciales del grupo de estándares es un conjunto de especificaciones para los transmisores y un conjunto de especificaciones para los receptores. De nuevo, los dos conjuntos existen para promover interoperabilidad. Más recientemente, el grupo de trabajo IEEE 802.3cu ha publicado el documento borrador de 100Gbps por longitud de onda, que será la especificación clave para futuros interconectos basados en fibra.

Las especificaciones típicamente empiezan con el receptor, donde límites a la fuerza de señal determinarán qué tan fiablemente un fotodetector puede convertir la señal óptica a datos eléctricos. Si el nivel de señal cae por debajo de una sensibilidad recomendada, el receptor cometerá demasiados errores, que típicamente se consideran errores de bit. Este umbral se conoce como límite de sensibilidad del receptor.

Usualmente habrá un objetivo para la distancia que la señal debe viajar, quizás tan corta como 100 metros o tan larga como 40 kilómetros. La atenuación causada por la fibra es bien conocida, así que trabajando hacia atrás desde el receptor, contabilizando la pérdida esperada de la fibra, entonces define el nivel mínimo de potencia de señal que un transmisor debe producir. En realidad, es más complicado ya que hay una variedad de mecanismos que pueden causar que un sistema genere errores de bit más allá de simplemente tener la potencia caer por debajo del límite de sensibilidad del receptor.

Desde la perspectiva de un receptor, dos láseres operando al mismo nivel de potencia pueden generar señales muy diferentes. Los sistemas estado del arte hoy operan en exceso de 50GBaud (PAM4). Es decir, la luz debe encenderse y apagarse en el transmisor a una tasa de hasta 50 mil millones de veces por segundo. El receptor debe detectar que 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. Así, la calidad de la señal láser necesita cumplir un nivel mínimo. Similarmente, no podemos esperar tener transmisores perfectos, así que los receptores necesitan tener alguna tolerancia para señales de entrada no ideales. Esto lleva a algunos requisitos importantes para transmisores y receptores:

Evaluación de 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 un transmisor genera.
• Dispersión del transmisor y cierre de ojo: TDEC o TDECQ (para modulación PAM4) es una medida estadística de la calidad de la señal, indicando la probabilidad de que la señal genere errores en el receptor (Figura 1).
• Sobreimpulso/Subimpulso: Nuevas métricas recientemente definidas en IEEE 802.3cu para proteger receptores de transitorios severos en la señal de entrada.

Señales Deterioradas para Receptor Óptico

Sensibilidad de receptor estresada (SRS): La tasa de error de bit o ratio esperado de pérdida de trama por debajo del nivel esperado cuando la señal entrando al receptor es el peor caso de señal esperada del transmisor (y canal).

Instrumentos de prueba han sido desarrollados para ofrecer deterioros ópticos de grado instrumento (a objetivos específicos de TDECQ, ER y OMA) para pruebas de receptor estresado. La Figura 2 ilustra una señal SRS óptica típica que sería generada para propósitos de prueba.

Los transmisores son generalmente probados con un analizador de comunicaciones digitales osciloscopio especializado. Estos instrumentos tienen receptores de referencia ópticos integrados y firmware para ejecutar las mediciones requeridas por estos estándares. Similarmente, para receptores, sistemas de prueba SRS (Figura 3), incluyendo una señal 'deteriorada' calibrada y un probador de tasa de error de bit (BERT), están disponibles para verificar conformidad con estándares.

El rendimiento de enlace a 100Gbps — sea eléctrico u óptico — ambos operan a tasas de error de bit más altas que sus contrapartes de menor velocidad 25 o 50Gbps. Las interfaces 100Gbps actuales operan a tasas de error de enlace nativas tan altas como 2E-4 BER y dependen de técnicas modernas de corrección de error hacia adelante Reed-Solomon (RS-FEC) para corregir errores de bit aleatorios e aislados que ocurren naturalmente en transmisión.

La codificación de error hacia adelante es un proceso que empieza en datos en la Subcapa de Codificación Física (PCS) antes de que los datos transicionen a Adjuntamiento de Medios Físicos (PMA). Esta interfaz PCS/PMA gestiona codificación de error de datos, intercalado, scrambling y contribuciones de alineación. Este sistema de codificación PCS/PMA plantea desafíos de análisis de tasa de error ya que el proceso de observar la causa raíz física de generación de error de bit ahora está oscurecido bajo una cantidad considerable de circuitos de corrección de error digital e intercalado. El deseo de examinar los errores físicos en una transmisión óptica que lleva a tramas de datos irrecuperables es un proceso complejo, y uno que los proveedores de instrumentación de prueba están activamente avanzando hoy. Herramientas especializadas como BERT de capa 1 y sistemas de análisis multipuerto KP4 FEC ahora juegan una parte integral de herramientas de depuración tolerancia de receptor y FEC consciente en general (Figura 4).

El gap PCS/PMA que existe entre una señal óptica corregida FEC y su transmisión física real en bruto puede ser puenteado con el sistema de prueba de receptor 400G FEC consciente de Keysight, que analiza flujos de datos codificados FEC y puede dirigir un osciloscopio a localizar (disparar en) la interfaz óptica física en ubicaciones donde ocurren errores y ofrece a diseñadores de sistemas una herramienta por primera vez que conecta el análisis de error post-FEC con análisis y visualización de la transmisión física lado a lado.

Resumen

Actualmente, los sistemas de comunicaciones de datos de mayor capacidad directo-modulados operan a 400Gbps. Estos sistemas tienen múltiples carriles de 100Gbps, ya sea usando cuatro transmisores y cuatro fibras o teniendo cuatro transmisores de longitud de onda y una sola fibra. Los enlaces 800Gbps de primera generación serán sistemas 400Gbps escalados 2× a través de conectores de mayor densidad como interconectos QSFP-DD y OSFP. En este escenario, con solo más carriles de 100Gbps para agregar a 800Gbps, las especificaciones y métodos de prueba permanecerán similares a lo que son para sistemas 400Gbps. Enlaces nativos 800Gbps de ancho ×4 carriles dependerán de avances en ambas especificaciones eléctricas y ópticas que están actualmente en marcha. Esta próxima clase de velocidad a 800Gbps más probablemente avanzará a una velocidad nativa de 200Gbps por carril tanto eléctricamente como ópticamente mientras se adhiere a fuertes necesidades de mercado para reducir consumo general de potencia y costo.

Cuando se logre transmisión de 200Gbps por carril único, los métodos y técnicas de prueba de 100Gbps probablemente serán altamente aprovechados, sin embargo, el campo de 200Gbps probablemente empleará avances en métodos de modulación como un enfoque en eficiencia de transmisión aumentada y gestión de cuellos de botella de ancho de banda conocidos son puntos de presión clave en esta industria. Los socios de medición en Keysight son contribuyentes integrales a estos esfuerzos de estándares de vanguardia para asegurar que soluciones de prueba efectivas continúen disponibles a medida que estas tecnologías evolucionan a 800Gbps y 1.6Tbps para 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 Datacom, Soluciones IP Wireline; Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Para más información, visite aquí.