800G 직접 변조 광 신호 테스트

광통신 시스템은 정보 인프라 구축의 핵심 요소였습니다. 정보를 저장하고 전송하는 데 사용되는 많은 데이터 센터에는 수 마일의 광섬유와 수천 개의 레이저/광검출기 수신기가 있어 광섬유를 통해 정보를 주고받습니다. 용량을 늘려야 한다는 끊임없는 상업적 압력이 있으며 더 높은 데이터 속도로 작동하는 새로운 시스템을 개발하는 프로세스가 계속되고 있습니다. 이것은 단순히 더 많은 정보를 이동시키는 시스템을 설계하는 과정이 아닙니다. 이러한 시스템의 비용은 낮아져야 합니다. 데이터 센터는 때때로 에이커와 메가와트로 설명되는데, 이는 데이터 센터를 운영하는 데 필요한 전력이 엄청나다는 것을 나타냅니다. 더 높은 용량으로 운영할 뿐만 아니라 더 적은 에너지를 사용하면서 운영할 수 있는 방법을 찾고자 하는 강한 동기가 있습니다.

기본적인 광통신 시스템은 전기 데이터를 변조광으로 변환하는 레이저 송신기, 광섬유, 변조된 빛을 다시 전기 신호로 변환하는 포토다이오드 수신기로 구성됩니다. 광통신 시스템 설계는 데이터 센터 환경에서 단일 벤더가 광 링크를 제조해야 하는 요구 사항이 거의 없다는 사실 때문에 복잡합니다. 송신기, 광섬유 및 수신기는 3개의 다른 회사에서 생산할 가능성이 높습니다. 상호 운용성으로 알려진 이 개념은 데이터 센터 설계자에게 유연성을 제공하고 공급업체 간의 경쟁을 촉진하여 더 많은 혁신과 더 낮은 비용으로 이어집니다. 이것의 단점은 시스템을 설계하고 해당 시스템 내의 구성 요소를 지정하는 것이 더 복잡해진다는 것입니다.

IEEE 802.3과 같은 표준 기구는 통신 시스템을 정의하기 위한 공개 포럼을 제공합니다. 회의는 모든 사람에게 열려 있으며 데이터 센터 설계자와 네트워크 장비, 트랜시버 및 광섬유 제조업체에 참석합니다. 표준은 성능과 검증 방법을 정의하므로 테스트 및 측정 회사도 참여합니다. 표준 그룹의 필수 출력 중 하나는 송신기에 대한 사양 집합과 수신기에 대한 사양 집합입니다. 다시 말하지만, 두 세트는 상호 운용성을 촉진하기 위해 존재합니다. 가장 최근에 IEEE 802.3cu 작업 그룹은 미래의 광섬유 기반 상호 연결을 위한 핵심 사양이 될 파장당 100Gbps 초안 문서를 발표했습니다.

사양은 일반적으로 수신기에서 시작합니다. 여기서 신호 강도의 제한은 광 검출기가 광학 신호를 전기 데이터로 얼마나 안정적으로 변환할 수 있는지를 결정합니다. 신호 레벨이 권장 감도 아래로 떨어지면 수신기는 일반적으로 비트 오류로 간주되는 너무 많은 실수를 범하게 됩니다. 이 임계값을 수신기 감도 한계라고 합니다.

일반적으로 신호가 이동해야 하는 거리에 대한 목표가 있습니다. 짧게는 100미터 또는 길게는 40킬로미터입니다. 광섬유로 인한 감쇠는 잘 알려져 있으므로 수신기에서 역방향으로 작업하여 예상되는 광섬유 손실을 고려한 다음 송신기가 생성해야 하는 최소 신호 전력 레벨을 정의합니다. 실제로는 단순히 수신기 감도 한계 아래로 전력 강하가 발생하는 것 이상으로 시스템에서 비트 오류를 ​​생성할 수 있는 다양한 메커니즘이 있기 때문에 더 복잡합니다.

수신기의 관점에서 보면 동일한 출력 수준에서 작동하는 두 개의 레이저가 매우 다른 신호를 생성할 수 있습니다. 오늘날 최첨단 시스템은 50GBaud(PAM4)를 초과하여 작동합니다. 즉, 송신기에서 초당 최대 500억번의 속도로 조명을 켜고 꺼야 합니다. 수신기는 조명이 켜져 있거나 꺼져 있음을 감지해야 하며 낮은 품질의 송신기는 느릴 수 있습니다. 레이저는 수신기가 결정을 내릴 때 안정적이지 않은 신호를 생성할 수 있습니다. 따라서 레이저 신호의 품질은 최소 수준을 충족해야 합니다. 마찬가지로 완벽한 송신기를 기대할 수는 없으므로 수신기는 이상적이지 않은 입력 신호에 대해 어느 정도 허용 오차가 있어야 합니다. 이는 송신기 및 수신기에 대한 몇 가지 중요한 요구 사항으로 이어집니다.

광 송신기 평가

• 광학 변조 진폭(OMA):송신기 논리 레벨 간의 차이입니다.

• 상대 강도 잡음(RIN):송신기가 생성하는 잡음의 양을 측정한 것입니다.

• 송신기 분산 및 아이 클로저:TDEC 또는 TDECQ(PAM4 변조의 경우)는 신호 품질의 통계적 측정으로, 신호가 수신기에서 오류를 생성할 가능성을 나타냅니다(그림 1).

• 오버슈트/언더슈트:입력 신호의 심각한 과도 현상으로부터 수신기를 보호하기 위해 최근 IEEE 802.3cu에 정의된 새로운 메트릭입니다.

광 수신기 손상 신호

스트레스 받는 수신기 감도(SRS):수신기로 들어가는 신호가 송신기(및 채널)에서 예상되는 최악의 신호일 때 예상 수준보다 낮은 비트 오류 비율 또는 예상 프레임 손실 비율입니다.

테스트 기기는 스트레스 수신기 테스트를 위해 기기 등급 광학 손상(특정 TDECQ, ER 및 OMA 대상)을 제공하도록 개발되었습니다. 그림 2는 테스트 목적으로 생성되는 일반적인 광학 SRS 신호를 보여줍니다.

송신기는 일반적으로 특수 디지털 통신 분석기 오실로스코프로 테스트됩니다. 이러한 기기에는 이러한 표준에서 요구하는 측정을 실행하기 위한 내장형 광학 기준 수신기와 펌웨어가 있습니다. 마찬가지로 수신기의 경우 보정된 '손상된' 신호와 비트 오류율 테스터(BERT)를 포함한 SRS 테스트 시스템(그림 3)을 사용하여 표준 준수를 확인할 수 있습니다.

100Gbps의 링크 성능(전기적이든 광학적이든)은 둘 다 저속 25Gbps 또는 50Gbps에 비해 더 높은 비트 오류율로 작동합니다. 현재의 100Gbps 인터페이스는 2E-4 BER만큼 높은 기본 링크 오류율에서 작동하고 최신 RS-FEC(Reed-Solomon 순방향 오류 수정) 기술에 의존하여 전송에서 자연적으로 발생하는 무작위 및 격리된 비트 오류를 ​​수정합니다.

순방향 오류 인코딩은 데이터가 PMA(Physical Media Attachment)로 전환되기 전에 PCS(Physical Coding Sublayer)에서 데이터에서 시작하는 프로세스입니다. 이 PCS/PMA 인터페이스는 데이터 오류 코딩, 인터리빙, 스크램블링 및 정렬 기여를 관리합니다. 이 PCS/PMA 인코딩 시스템은 물리적 비트 오류 생성 근본 원인을 관찰하는 프로세스가 현재 상당한 양의 디지털 오류 수정 및 인터리빙 회로 아래에서 모호하기 때문에 오류율 분석 문제를 제기합니다. 복구할 수 없는 데이터 프레임으로 이어지는 광 전송의 물리적 오류를 검사하려는 요구는 복잡한 프로세스이며 테스트 장비 공급업체가 오늘날 적극적으로 발전하고 있는 프로세스입니다. layer1 BERT 및 KP4 FEC 다중 포트 분석 시스템과 같은 특수 도구는 이제 수신기 허용 오차 및 일반 FEC 인식 디버그 도구의 필수적인 부분을 담당합니다(그림 4).

FEC 수정된 광 신호와 실제 원시 물리적 전송 사이에 존재하는 PCS/PMA 갭은 FEC로 인코딩된 데이터 스트림을 분석하고 오실로스코프가 물리적 위치를 찾아내도록 지시할 수 있는 키사이트의 400G FEC 인식 수신기 테스트 시스템과 연결될 수 있습니다. 오류가 발생하는 위치에서 광학 인터페이스를 제공하고 시스템 설계자에게 최초로 FEC 이후 오류 분석과 물리적 전송의 분석 및 시각화를 나란히 연결하는 도구를 제공합니다.

요약

현재 최고 용량의 직접 변조 데이터 통신 시스템은 400Gbps에서 작동합니다. 이러한 시스템에는 4개의 송신기와 4개의 광섬유를 사용하거나 4개의 파장 송신기와 단일 광섬유를 사용하는 100Gbps의 다중 레인이 있습니다. 1세대 800Gbps 링크는 QSFP-DD 및 OSFP 상호 연결과 같은 고밀도 커넥터를 통해 2배 확장된 400Gbps 시스템이 될 것입니다. 이 시나리오에서 100Gbps의 레인을 추가하여 800Gbps로 집계하면 사양 및 테스트 방법은 400Gbps 시스템과 유사하게 유지됩니다. 기본 ×4 레인 폭 800Gbps 링크는 현재 진행 중인 전기 및 광학 사양의 발전에 따라 달라집니다. 800Gbps의 이 다음 속도 등급은 전체 전력 소비와 비용을 줄이기 위한 강력한 시장 요구 사항을 준수하면서 전기적으로나 광학적으로 모두 기본 레인당 200Gbps 속도로 발전할 것입니다.

200Gbps 단일 레인 전송이 달성되면 100Gbps의 테스트 방법 및 기술이 크게 활용될 가능성이 높지만 200Gbps 필드는 전송 효율성 증가에 초점을 맞추고 알려진 대역폭 병목 현상을 관리하는 것이 핵심 압력 포인트이므로 변조 방법의 발전을 채택할 가능성이 높습니다. 이 산업. 키사이트의 측정 파트너는 이러한 기술이 차세대 데이터 센터 아키텍처를 위해 800Gbps 및 1.6Tbps로 발전함에 따라 효과적인 테스트 솔루션을 계속 사용할 수 있도록 하기 위한 이러한 첨단 표준 노력에 필수적인 기여자입니다.

이 기사는 인터넷 인프라 솔루션의 디지털 통신 분석, 측정 애플리케이션 전문가인 Greg D. Le Cheminant가 작성했습니다. 및 John Calvin, 전략 기획자 및 Datacom 기술 책임자, IP 유선 솔루션; 키사이트테크놀로지스(캘리포니아주 산타로사). 자세한 내용은 을 참조하십시오. 여기 .