800Gbps直接変調光信号性能の評価

光通信システムは、情報インフラ構築の鍵となってきました。情報を格納・伝送する多くのデータセンターには、数マイルのファイバーと数千のレーザー/フォトディテクターレシーバーがあり、ファイバーを介して情報を送受信します。容量増大への絶え間ない商業的圧力があり、より高データレートで動作する新システム開発プロセスが継続しています。これは単に情報をより多く移動するシステム設計プロセスではありません。これら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語られることがあり、データセンター運用に必要な電力が巨大であることを示しています。より高容量で動作しながら、より少ないエネルギーでそれを実現する方法を見つける強い動機があります。

基本光通信システムは、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、変調光を電気信号に戻すフォトダイオード受信機で構成されます。データセンター環境では、光リンクが単一ベンダー製である要件が稀であるため、光通信システム設計は複雑です。送信機、ファイバー、受信機は三社異なる会社で製造されている可能性が高いです。この概念、相互運用性はデータセンター設計者に柔軟性を与え、ベンダー間競争を促進し、更なるイノベーションとコスト削減につながります。欠点は、システム設計とそのコンポーネント仕様がより複雑になることです。

IEEE 802.3のような標準化団体が通信システム定義の公開フォーラムを提供します。会議は公開で、データセンター設計者、ネットワーク機器・トランシーバー・ファイバーメーカーが出席します。標準が性能とその検証方法を定義するため、試験測定会社も参加します。標準グループの必須成果物の一つは、送信機仕様セットと受信機仕様セットです。再び、二つのセットが存在するのは相互運用性促進のためです。最近、IEEE 802.3cuワーキンググループが100Gbps/波長ドラフト文書をリリースしました。これが将来のファイバーベース相互接続の鍵仕様になります。

仕様は通常受信機から始まり、信号強度限界がフォトディテクターの光信号→電気データ変換信頼性を決定します。信号レベルが推奨感度以下に下がると、受信機は過剰ミスを犯し、通常ビットエラーと見なされます。この閾値を受信機感度限界と呼びます。

信号が移動すべき距離目標があり、100メートル程度から40キロメートル程度まで様々です。ファイバー減衰はよく知られているため、受信機から逆算し、予想ファイバー損失を考慮すると、送信機が生成しなければならない最小信号出力レベルが定まります。現実には、受信機感度限界以下への電力低下以外にも、システムがビットエラーを生成する多様なメカニズムがあるため、より複雑です。

受信機視点から、同出力レベルで動作する二つのレーザーが全く異なる信号を生成する可能性があります。最先端システムは今日50GBaud（PAM4）超で動作します。つまり、送信機で光を1秒間に最大500億回オン/オフしなければなりません。受信機は光がオンかオフかを検知しなければならず、品質劣る送信機は遅いかもしれません。レーザーが受信機判断時に不安定な信号を生成する可能性があります。したがってレーザー信号品質は最低レベルを満たす必要があります。同様に、完璧な送信機は期待できないため、受信機は非理想入力信号への許容度を持つ必要があります。これにより送信機と受信機に重要な要件が生じます：

光送信機評価

• 光変調振幅（OMA）：送信機ロジックレベル間の差
• 相対強度雑音（RIN）：送信機が生成する雑音量の尺度
• 送信機分散とアイクロージャ：TDECまたはTDECQ（PAM4変調用）は信号品質の統計的尺度で、受信機でのエラー生成可能性を示す（図1）
• オーバーシュート/アンダーシュート：IEEE 802.3cuで新規定義されたメトリクスで、入力信号の深刻な過渡現象から受信機を保護

光受信機障害信号

ストレスト受信機感度（SRS）：送信機（とチャネル）からの最悪ケース想定信号が受信機に入力されたとき、期待レベル以下のビットエラー率またはフレーム損失率。

特定TDECQ、ER、OMAターゲットへの機器グレード光障害を提供するテスト機器が開発され、ストレスト受信機テスト用に使用されます。図2はテスト目的で生成される典型的光SRS信号を示します。

送信機は一般に専用デジタル通信アナライザーオシロスコープでテストされます。これら機器には内蔵光リファレンスレシーバーと、これら標準で要求される測定を実行するファームウェアがあります。同様に受信機には、SRSテストシステム（図3）、キャリブレーション済み「障害」信号とビットエラーレシオテスター（BERT）が含まれ、標準準拠検証に利用可能です。

100Gbpsでのリンク性能（電気・光両方）は、25または50Gbpsの低速対応より高いビットエラー率で動作します。現在の100Gbpsインターフェースはネイティブリンクエラー率2E-4 BERまでで動作し、モダンなリードソロモン順方向誤り訂正（RS-FEC）技術に依存して、伝送中に自然発生するランダム・孤立ビットエラーを訂正します。

順方向誤り符号化は、データがPhysical Coding Sublayer（PCS）でPhysical Media Attachment（PMA）へ移行する前に開始されます。このPCS/PMAインターフェースはデータエラー符号化、インターリービング、スクランブリング、アライメント寄与を管理します。このPCS/PMA符号化システムは、物理ビットエラー生成根因観察プロセスが、相当量のデジタル誤り訂正・インターリービング回路の下に隠蔽されるため、エラーレート分析課題を提示します。 光伝送における物理エラーで回復不能データフレームに至るものを調べる欲求は複雑プロセスで、テスト機器サプライヤーが今日積極的に推進しています。レイヤー1 BERTやKP4 FECマルチポート分析システムのような専門ツールが、受信機許容度と一般的FEC対応デバッグツールの不可欠な一部となっています（図4）。

FEC訂正済み光信号とその実際の生物理伝送の間に存在するPCS/PMAギャップは、Keysightの400G FEC対応受信機テストシステムで橋渡しできます。これはFEC符号化データストリームを分析し、エラー発生箇所で物理光インターフェースを局在化（トリガー）するようオシロスコープを指示でき、システム設計者に、ポストFECエラー分析と物理伝送側分析・可視化を並べて接続するツールを初めて提供します。

まとめ

現在、最高容量直接変調データ通信システムは400Gbpsで動作します。これらシステムは100Gbpsの複数レーンを持ち、4送信機・4ファイバー、または4波長送信機・単一ファイバーを使用します。第一世代800Gbpsリンクは、QSFP-DDやOSFP相互接続のような高密度コネクタを通じて、400Gbpsシステムを2倍スケールアップしたものになります。このシナリオでは、100Gbpsレーンをさらに増やして800Gbpsに集約するだけなので、仕様とテスト方法は400Gbpsシステムと類似したままです。ネイティブ×4レーン幅800Gbpsリンクは、現在進行中の電気・光両仕様進歩に依存します。この次速度クラス800Gbpsは、電気・光両面でネイティブ200Gbps/レーン速度に進む可能性が高く、全体消費電力とコスト削減という強い市場ニーズに準拠します。

200Gbps単一レーン伝送が達成されれば、100Gbpsからのテスト手法・技術が高度に活用される可能性がありますが、200Gbps分野では伝送効率向上と既知ボトルネック管理が業界の重要圧力点であるため、変調手法進歩が焦点として採用されるでしょう。Keysightの測定パートナーたちは、これら最先端標準化努力への不可欠な貢献者として、これら技術が800Gbpsと1.6Tbpsへ進化する次世代データセンターアーキテクチャに向け、効果的テストソリューションが継続利用可能になるよう確保しています。

本記事は、Keysight Technologies（カリフォルニア州サンタローザ）デジタル通信分析測定アプリケーションスペシャリストGreg D. Le Cheminant氏と、戦略プランナー兼Datacom技術リードJohn Calvin氏によって執筆されました。詳細については、こちらをご覧ください。