800G直接変調光シグナリングのテスト

光通信システムは、私たちの情報インフラストラクチャの構築を可能にする重要な要素です。情報の保存と送信に使用される多くのデータセンターには、数マイルのファイバーと、ファイバーを介して情報を送受信するための数千のレーザー/光検出器受信機があります。容量を増やすという絶え間ない商業的圧力があり、より高いデータレートで動作する新しいシステムを開発するプロセスが続いています。これは、より多くの情報を移動するシステムを単に設計するプロセスではありません。これらのシステムのコストを下げる必要があります。データセンターはエーカーとメガワットで表されることがあり、データセンターの運用に必要な電力が膨大であることを示しています。より高い容量で動作するだけでなく、より少ないエネルギーで動作する方法を見つけるという強い動機があります。

基本的な光通信システムには、電気データを変調光に変換するレーザー送信機、光ファイバー、および変調光を電気信号に変換するフォトダイオード受信機があります。光通信システムの設計は、データセンター環境では、光リンクを単一のベンダーが製造する必要があることはめったにないという事実によって複雑になっています。送信機、ファイバー、および受信機は、3つの異なる会社によって製造される可能性があります。相互運用性として知られるこの概念は、データセンターの設計者に柔軟性を与え、ベンダー間の競争を促進し、イノベーションの促進とコストの削減につながります。これの欠点は、システムの設計とそのシステム内のコンポーネントの指定がより複雑になることです。

IEEE 802.3などの標準化団体は、通信システムを定義するための公開フォーラムを提供しています。会議はすべての人が参加でき、データセンターの設計者だけでなく、ネットワーク機器、トランシーバー、ファイバーのメーカーも参加します。規格は性能とその検証方法を定義するため、テストおよび測定会社も参加します。標準グループの重要な出力の1つは、送信機の一連の仕様と受信機の一連の仕様です。この場合も、相互運用性を促進するために2つのセットが存在します。ごく最近、IEEE 802.3cuワーキンググループは、波長あたり100Gbpsのドラフトドキュメントをリリースしました。これは、将来のファイバーベースの相互接続の主要な仕様になります。

仕様は通常、受信機から始まります。信号強度の制限により、光検出器が光信号を電気データに変換できる信頼性が決まります。信号レベルが推奨感度を下回ると、受信機は多くのミスを犯します。これは通常、ビットエラーと見なされます。このしきい値は、レシーバー感度制限と呼ばれます。

通常、信号が移動しなければならない距離には、おそらく100メートルから40キロメートルまでの目標があります。ファイバによって引き起こされる減衰はよく知られているため、受信機から逆方向に動作し、ファイバの予想損失を考慮して、送信機が生成する必要のある最小信号電力レベルを定義します。実際には、電力が受信機の感度限界を下回るだけでなく、システムがビットエラーを生成する可能性のあるさまざまなメカニズムがあるため、より複雑になります。

受信機の観点からは、同じ電力レベルで動作する2つのレーザーが非常に異なる信号を生成する場合があります。今日の最先端のシステムは、50GBaud（PAM4）を超えて動作します。つまり、送信機で1秒間に最大500億回の速度でライトのオンとオフを切り替える必要があります。受信機はライトがオンまたはオフになっていることを検出する必要があり、低品質の送信機は低速である可能性があります。レーザーは、受信機が決定を下すときに安定していない信号を生成する場合があります。したがって、レーザー信号の品質は最低レベルを満たす必要があります。同様に、完全な送信機を期待することはできないため、受信機は理想的でない入力信号に対してある程度の許容誤差を持っている必要があります。これは、送信機と受信機のいくつかの重要な要件につながります：

光送信機の評価

• 光変調振幅（OMA）：送信機のロジックレベルの違い。

• 相対強度ノイズ（RIN）：送信機が生成するノイズの量の尺度。

• 送信機の分散とアイクロージャー：TDECまたはTDECQ（PAM4変調の場合）は信号品質の統計的尺度であり、信号が受信機でエラーを生成する可能性を示します（図1）。

• オーバーシュート/アンダーシュート：入力信号の重大な過渡現象から受信機を保護するために、IEEE802.3cuで最近定義された新しいメトリック。

光受信機の障害信号

ストレス受信機感度（SRS）：受信機に入る信号が送信機（およびチャネル）からの最悪の場合の予想信号である場合に、予想レベルを下回るビットエラー率または予想フレーム損失率。

テスト機器は、ストレスを受けた受信機テスト用の機器グレードの光学的障害（特定のTDECQ、ER、およびOMAターゲットに対して）を提供するために開発されました。図2は、テスト目的で生成される典型的な光SRS信号を示しています。

送信機は通常、専用のデジタル通信アナライザオシロスコープでテストされます。これらの機器には、これらの規格に必要な測定を実行するための光リファレンスレシーバーとファームウェアが組み込まれています。同様に、受信機の場合、校正された「障害のある」信号とビット誤り率テスター（BERT）を含むSRSテストシステム（図3）を使用して、規格への適合性を検証できます。

100Gbpsでのリンクパフォーマンスは、電気的であれ光的であれ、どちらも低速の25または50Gbpsの対応物よりも高いビットエラーレートで動作します。現在の100Gbpsインターフェースは、2E-4 BERという高いネイティブリンクエラーレートで動作し、伝送中に自然に発生するランダムで孤立したビットエラーを修正するために最新のリードソロモン前方誤り訂正（RS-FEC）技術に依存しています。

フォワードエラーエンコーディングは、データがフィジカルメディアアタッチメント（PMA）に移行する前に、フィジカルコーディングサブレイヤー（PCS）のデータで開始されるプロセスです。このPCS/PMAインターフェースは、データエラーコーディング、インターリーブ、スクランブリング、およびアライメントの寄与を管理します。このPCS/PMAエンコーディングシステムは、物理ビットエラーを生成する根本原因を監視するプロセスが、かなりの量のデジタルエラー訂正およびインターリーブ回路の下で不明瞭になっているため、エラーレート分析の課題を提起します。回復不能なデータフレームにつながる光伝送の物理的エラーを調査したいという要望は複雑なプロセスであり、今日、計装サプライヤのテストが積極的に進んでいます。 layer1BERTやKP4FECマルチポート分析システムなどの特殊なツールが、受信機の許容誤差と一般的なFEC対応のデバッグツールに不可欠な役割を果たします（図4）。

FEC訂正された光信号とその実際の生の物理的伝送の間に存在するPCS/PMAギャップは、FECエンコードされたデータストリームを分析し、オシロスコープに物理的位置を特定（トリガー）するように指示できるKeysightの400GFEC対応レシーバーテストシステムで埋めることができますエラーが発生している場所の光インターフェースであり、システム設計者に、FEC後のエラー分析と物理的な伝送の分析および視覚化を並べて接続するツールを初めて提供します。

概要

現在、最大容量の直接変調データ通信システムは400Gbpsで動作します。これらのシステムには、4つの送信機と4つのファイバーを使用するか、4つの波長の送信機と1つのファイバーを使用する、100Gbpsの複数のレーンがあります。第1世代の800Gbpsリンクは、QSFP-DDやOSFP相互接続などの高密度コネクタを介して2倍にスケールアップされた400Gbpsシステムになります。このシナリオでは、100Gbpsのレーンを800Gbpsに集約するだけで、仕様とテスト方法は400Gbpsシステムの場合と同じままになります。ネイティブ×4レーン幅の800Gbpsリンクは、現在進行中の電気的および光学的仕様の両方の進歩に依存します。 800Gbpsのこの次の速度クラスは、電気的および光学的の両方でレーンあたりネイティブの200Gbpsに進む可能性が高く、全体的な電力消費とコストを削減するための強力な市場ニーズを順守します。

200Gbpsのシングルレーン伝送が達成されると、100Gbpsからのテスト方法と技術が大いに活用される可能性がありますが、200Gbpsの分野では、伝送効率の向上と既知の帯域幅のボトルネックの管理に重点を置くため、変調方式の進歩が採用される可能性があります。この業界。キーサイトの測定パートナーは、これらのテクノロジーが次世代データセンターアーキテクチャ向けに800Gbpsおよび1.6Tbpsに進化しても、効果的なテストソリューションを引き続き利用できるようにするための、これらの最先端の標準化の取り組みに不可欠な貢献者です。

この記事は、インターネットインフラストラクチャソリューションのデジタル通信分析の測定アプリケーションスペシャリストであるGreg D.LeCheminantによって書かれました。戦略プランナー兼データコムテクノロジーリード、IPワイヤーラインソリューションのジョンカルヴァン。 Keysight Technologies（カリフォルニア州サンタローザ）。詳細については、をご覧ください。 ここ 。