光通信系统是我们信息基础架构建设的关键推动者。用于存储和传输信息的许多数据中心具有数英里的光纤和数千个激光/光电探测器接收器,以在光纤上发送和接收信息。有无情的商业压力来提高能力和开发以更高数据速率运行的新系统的过程继续。这不是简单地设计移动更多信息的系统的过程。这些系统的成本需要下降。有时会根据ACRES和MEGAWATS描述数据中心,表明运行数据中心所需的电源是巨大的。有一个强大的动机可以找到不仅在更高的能力下运行的方法,而是在使用较少的能量时进行。

基本光通信系统具有激光发射器,其将电数据转换为调制光,光纤和光电二极管接收器以将调制光转换回电信号。设计光通信系统由于数据中心环境中的事实而复杂,很少需要由单个供应商制造的光链路。发射器,光纤和接收器可能由三家不同的公司生产。这种概念称为互操作性,提供了数据中心设计师的灵活性,并且促进了供应商之间的竞争,从而导致更多的创新和降低成本。缺点是设计系统并指定该系统内的组件变得更加复杂。

IEEE 802.3如IEEE 802.3的标准组织提供了一个公共论坛来定义通信系统。会议对所有人开放,并由数据中心设计师以及网络设备,收发器和纤维制造商参加。由于标准将定义性能以及如何验证,测试和测量公司也参与。标准组的一个基本输出之一是发射器的一组规范和接收器的一组规范。同样,两组存在以促进互操作性。最近,IEEE 802.3CU工作组已发布每个波长的文档100Gbps,这将是未来基于光纤互连的关键规范。

规范通常从接收器开始,信号强度的限制将决定光电探测器将光信号转换为电数据的可靠程度。如果信号电平低于建议的灵敏度,接收器就会犯很多错误,这通常被认为是误码。这个阈值称为接收灵敏度极限。

通常会有一个信号必须传播的距离的目标,可能短至100米或长至40公里。光纤造成的衰减是众所周知的,因此从接收机向后工作,考虑光纤的预期损耗,然后定义发射机必须产生的最小信号功率级。在现实中,它是更复杂的,因为有多种机制可以导致系统产生比特误差,而不仅仅是使功率降低于接收器的灵敏度限制。

从接收器的角度来看,在相同功率水平下工作的两个激光器可能产生非常不同的信号。目前最先进的系统运行在50GBaud (PAM4)以上。也就是说,光必须以每秒500亿次的速度在发射机上开启和关闭。接收器必须检测到灯是开着还是关着,质量较低的发射器可能会很慢。当接收机做出决定时,激光可能会产生一个不稳定的信号。因此,激光信号的质量需要达到最低水平。同样,我们不能期望有完美的发射器,所以接收器需要对非理想的输入信号有一定的容忍度。这就导致了对发射器和接收器的一些重要要求:

光发送机评价

  • 光调制振幅(OMA):发射机逻辑电平之间的差值。

  • 相对强度噪声(RIN):对发射机产生的噪声量的量度。

  • 发射机色散和闭眼:TDEC或TDECQ (PAM4调制)是信号质量的统计度量,表明信号在接收机中产生误差的可能性(图1)。

  • 超调/欠调:IEEE 802.3cu最近定义的新指标,用于保护接收端不受输入信号严重瞬变的影响。

光接收机受损信号

受压接收器灵敏度(SRS):当信号进入接收器时,比特误码率或预期帧丢失率低于预期水平,这是发射机(和信道)预期信号的最坏情况。

图2。应力接收器灵敏度(SRS)受损的光信号。

已开发的测试仪器提供仪器级光学损伤(针对特定的TDECQ、ER和OMA目标),用于应力接收机测试。图2显示了一个典型的用于测试的光学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来执行这些标准所需的测量。类似地,对于接收机,SRS测试系统(图3),包括校准的“受损”信号和误码率测试仪(BERT),可以验证标准的一致性。

图3。典型400G光电测试设置。

100gbps的链路性能——无论是电的还是光的——都比速度较低的25gbps或50Gbps的链路的误码率高。目前的100Gbps接口在本地链路误码率高达2E-4 BER的情况下工作,并依赖现代Reed-Solomon前向纠错(RS-FEC)技术来纠正传输中自然发生的随机和孤立的误码。

前向错误编码是在数据转换到物理媒体附件(PMA)之前,从物理编码子层(PCS)的数据开始的一个过程。这个PCS/PMA接口管理数据错误编码、交错、置乱和对齐贡献。这种PCS/PMA编码系统对误码率分析提出了挑战,因为观察物理比特错误产生的根本原因的过程现在被大量的数字错误校正和交错电路掩盖了。检测导致不可恢复数据帧的光传输中的物理错误是一个复杂的过程,今天测试仪器供应商正在积极推进这一过程。像layer1 BERT和KP4 FEC多端口分析系统这样的专门工具现在扮演了接收容错和通用FEC感知调试工具不可缺少的一部分(图4)。

图4。感知物理层分析。

存在于FEC校正光信号和其实际原始物理传输之间的PCS/PMA间隙可以通过Keysight的400G FEC感知接收机测试系统进行桥接,分析FEC编码数据流和可以直接一个示波器本地化(触发)物理光学接口位置发生错误和系统设计师提供一个工具连接后首次选举委员会的误差分析与物理传输的分析和可视化。

概括

目前,最大容量的直接调制数据通信系统运行在400Gbps。这些系统有多个100Gbps的通道,或者使用4个发射器和4根光纤,或者使用4个波长发射器和1根光纤。第一代800Gbps链路将通过QSFP-DD和OSFP互连等高密度连接器将400Gbps系统放大2倍。在这种情况下,将更多100Gbps的通道聚合到800Gbps,规范和测试方法将保持与400Gbps系统类似。本地×4通道宽800Gbps链路将取决于目前正在进行的电气和光学规格的进步。下一个速度等级为800Gbps,很有可能在电力和光学方面提高到每车道200Gbps的本地速度,同时坚持强劲的市场需求,以降低整体功耗和成本。

当实现200Gbps单通道传输时,100Gbps的测试方法和技术可能会得到高度利用,然而,200Gbps领域可能会采用先进的调制方法,以提高传输效率和管理已知带宽瓶颈,这是该行业的关键压力点。Keysight的测量合作伙伴对这些前沿标准的努力做出了不可或缺的贡献,以确保随着下一代数据中心架构的技术发展到800Gbps和1.6Tbps,有效的测试解决方案继续可用。

本文是由Greg D.Le Chaminant,测量应用专家,数字通信分析,互联网基础设施解决方案编写的;和John Calvin,战略规划师和Datacom技术领先,IP电缆解决方案;Keysight Technologies(Santa Rosa,CA)。有关更多信息,请访问在这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在5月,2021号问题光子学与成像技术杂志。

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