800Gbps 직접 변조 광 신호 성능 평가

광통신 시스템은 우리 정보 인프라 구축의 핵심 인에이블러였습니다. 정보를 저장하고 전송하는 많은 데이터센터에는 마일의 광섬유와 수천 개의 레이저/포토디텍터 수신기가 있어 광섬유를 통해 정보를 주고받습니다. 용량을 늘리려는 끊임없는 상업적 압력이 있으며, 더 높은 데이터 속도에서 작동하는 새 시스템을 개발하는 과정은 계속됩니다. 이는 단순히 더 많은 정보를 이동하는 시스템을 설계하는 과정이 아닙니다. 이러한 시스템 비용도 낮춰야 합니다. 데이터센터는 에이커와 메가와트 단위로 설명되기도 하며, 데이터센터 운영에 필요한 전력이 엄청남을 나타냅니다. 더 높은 용량으로 작동하면서 더 적은 에너지를 사용하는 방법을 찾는 강한 동기가 있습니다.

기본 광통신 시스템은 전기 데이터를 변조된 빛으로 변환하는 레이저 송신기, 광섬유, 변조된 빛을 다시 전기 신호로 변환하는 포토다이오드 수신기로 구성됩니다. 데이터센터 환경에서는 광링크가 단일 공급업체에 의해 제조되어야 한다는 요구가 드물기 때문에 광통신 시스템 설계가 복잡합니다. 송신기, 광섬유, 수신기는 세 개의 다른 회사에서 생산될 가능성이 높습니다. 이 개념은 상호운용성으로 알려져 있으며, 데이터센터 설계자에게 유연성을 주고 공급업체 간 경쟁을 촉진하여 더 많은 혁신과 낮은 비용으로 이어집니다. 단점은 시스템 설계와 해당 시스템 내 구성 요소 지정이 더 복잡해진다는 것입니다.

IEEE 802.3 같은 표준화 기구는 통신 시스템을 정의하는 공개 포럼을 제공합니다. 회의는 모두에게 열려 있으며 데이터센터 설계자뿐만 아니라 네트워크 장비, 트랜시버, 광섬유 제조업체도 참석합니다. 표준이 성능과 검증 방법을 정의하므로 시험측정 회사도 참여합니다. 표준 그룹의 필수 산출물 중 하나는 송신기 사양 세트와 수신기 사양 세트입니다. 다시 말해 두 세트는 상호운용성을 촉진하기 위해 존재합니다. 가장 최근 IEEE 802.3cu 워킹그룹이 파장당 100Gbps 초안 문서를 발표했는데, 이는 미래 광섬유 기반 상호연결의 핵심 사양이 될 것입니다.

사양은 일반적으로 수신기에서 시작하며, 신호 강도 한계가 포토디텍터가 광신호를 전기 데이터로 얼마나 안정적으로 변환할 수 있는지 결정합니다. 신호 수준이 권장 감도 이하로 떨어지면 수신기가 너무 많은 실수(일반적으로 비트 오류로 간주)를 합니다. 이 임계값을 수신기 감도 한계라고 합니다.

신호가 이동해야 하는 거리 목표가 보통 있습니다. 100미터만큼 짧거나 40킬로미터만큼 길 수 있습니다. 광섬유로 인한 감쇠는 잘 알려져 있으므로 수신기에서 거꾸로 작업하여 예상 광섬유 손실을 고려하면 송신기가 생성해야 하는 최소 신호 전력 수준이 정의됩니다. 현실은 다양한 메커니즘이 단순히 전력이 수신기 감도 한계 아래로 떨어지는 것 이상으로 시스템이 비트 오류를 생성하게 할 수 있으므로 더 복잡합니다.

수신기 관점에서 동일한 전력 수준에서 작동하는 두 레이저는 매우 다른 신호를 생성할 수 있습니다. 최첨단 시스템은 현재 50GBaud(PAM4) 이상에서 작동합니다. 즉, 빛이 송신기에서 초당 최대 500억 번 켜지고 꺼져야 합니다. 수신기는 빛이 켜졌는지 꺼졌는지 감지해야 하며, 품질이 낮은 송신기는 느릴 수 있습니다. 레이저가 수신기가 결정을 내릴 때 안정적이지 않은 신호를 생성할 수 있습니다. 따라서 레이저 신호 품질은 최소 수준을 충족해야 합니다. 마찬가지로 완벽한 송신기를 기대할 수 없으므로 수신기는 비이상적 입력 신호에 대한 어느 정도 관용이 필요합니다. 이는 송신기와 수신기에 대한 몇 가지 중요한 요구사항으로 이어집니다:

광 송신기 평가

• 광 변조 진폭(OMA): 송신기 논리 레벨 간 차이.
• 상대 강도 잡음(RIN): 송신기가 생성하는 잡음 양 측정.
• 송신기 분산 및 아이 클로저: TDEC 또는 TDECQ(PAM4 변조용)는 신호 품질의 통계적 척도로, 신호가 수신기에서 오류를 생성할 가능성을 나타냅니다(그림 1).
• 오버슈트/언더슈트: IEEE 802.3cu에서 최근 정의된 새로운 메트릭으로, 입력 신호의 심각한 과도 현상으로부터 수신기 보호.

손상된 신호로 광 수신기 테스트

스트레스 수신기 감도(SRS): 송신기(및 채널)에서 예상되는 최악의 신호가 수신기로 들어갈 때 예상 수준 이하의 비트오류율 또는 예상 프레임손실율.

[그림 2]는 테스트 목적으로 생성된 일반적인 광학 SRS 신호를 보여줍니다.

송신기는 일반적으로 특수 디지털 통신 분석기 오실로스코프로 테스트됩니다. 이 기기에는 내장 광학 기준 수신기와 표준에서 요구하는 측정을 실행하는 펌웨어가 있습니다. 마찬가지로 수신기의 경우, 보정된 '손상된' 신호와 비트오류율 테스터(BERT)를 포함한 SRS 테스트 시스템(그림 3)을 사용하여 표준 준수를 검증할 수 있습니다.

[그림 3]은 SRS 테스트 시스템을 보여줍니다.

100Gbps 링크 성능(전기적이든 광학적이든)은 25 또는 50Gbps 같은 저속 대응 제품보다 높은 비트오류율에서 작동합니다. 현재 100Gbps 인터페이스는 기본 링크 오류율 2E-4 BER까지 작동하며, 전송 중 자연스럽게 발생하는 무작위 및 고립된 비트 오류를 수정하기 위해 최신 리드-솔로몬 순방향 오류 정정(RS-FEC) 기술에 의존합니다.

순방향 오류 인코딩은 데이터가 물리적 코딩 서브레이어(PCS)에서 시작하여 물리적 매체 부착(PMA)으로 전환되기 전 데이터에 대한 프로세스입니다. 이 PCS/PMA 인터페이스는 데이터 오류 코딩, 인터리빙, 스크램블링, 정렬 기여를 관리합니다. 이 PCS/PMA 인코딩 시스템은 물리적 비트 오류 생성 근본 원인을 관찰하는 과정이 이제 상당한 양의 디지털 오류 정정 및 인터리빙 회로 아래 가려지기 때문에 오류율 분석 과제를 제기합니다. 광 전송에서 복구 불가능한 데이터 프레임으로 이어지는 물리적 오류를 조사하려는 욕구는 복잡한 과정이며, 시험측정 장비 공급업체들이 오늘날 적극적으로 발전시키고 있습니다. 레이어 1 BERT와 KP4 FEC 멀티포트 분석 시스템 같은 특수 도구가 이제 수신기 내성 및 일반적인 FEC 인식 디버그 도구의 필수적인 부분이 되었습니다(그림 4).

[그림 4]는 FEC 인식 분석 시스템을 보여줍니다.

FEC 보정된 광학 신호와 실제 원시 물리적 전송 사이에 존재하는 PCS/PMA 간극은 Keysight의 400G FEC 인식 수신기 테스트 시스템으로 메울 수 있습니다. 이 시스템은 FEC 인코딩된 데이터 스트림을 분석하고 오류가 발생하는 위치에서 물리적 광학 인터페이스를 국지화(트리거)하도록 오실로스코프를 지시할 수 있으며, 시스템 설계자에게 포스트 FEC 오류 분석과 물리적 전송 측 분석 및 시각화를 나란히 연결하는 도구를 최초로 제공합니다.

요약

현재 최고 용량 직접 변조 데이터통신 시스템은 400Gbps에서 작동합니다. 이 시스템은 100Gbps 다중 레인을 가지며, 네 개의 송신기와 네 개의 광섬유를 사용하거나 네 개의 파장 송신기와 단일 광섬유를 사용합니다. 1세대 800Gbps 링크는 QSFP-DD 및 OSFP 상호연결 같은 고밀도 커넥터를 통해 400Gbps 시스템을 2배 확장한 것이 될 것입니다. 이 시나리오에서는 100Gbps 레인이 더 많아 800Gbps로 집계되므로 사양과 테스트 방법은 400Gbps 시스템과 유사하게 유지될 것입니다. 네이티브 ×4 레인 800Gbps 링크는 현재 진행 중인 전기 및 광학 사양 발전에 의존할 것입니다. 800Gbps의 이 다음 속도 클래스는 전체 전력 소비와 비용을 줄여야 하는 강한 시장 요구를 준수하면서 전기적 및 광학적으로 네이티브 200Gbps 레인 속도로 발전할 가능성이 가장 높습니다.

200Gbps 단일 레인 전송이 달성되면 100Gbps의 테스트 방법과 기술이 크게 활용될 가능성이 높습니다. 그러나 200Gbps 분야는 전송 효율 증가와 알려진 대역폭 병목 현상 관리에 초점을 맞춘 변조 방법 발전을 고용할 가능성이 높습니다. 이는 이 산업의 핵심 압력 포인트입니다. Keysight의 측정 파트너들은 이러한 최첨단 표준 작업에 필수적인 기여자로서, 효과적인 테스트 솔루션이 800Gbps와 1.6Tbps로 차세대 데이터센터 아키텍처를 향해 진화하는 기술에 계속해서 제공될 수 있도록 합니다.

이 기사는 Keysight Technologies(미국 캘리포니아주 산타로사)의 디지털 통신 분석 측정 애플리케이션 전문가 Greg D. Le Cheminant와 전략 기획자 겸 데이터컴 기술 리더 John Calvin이 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.