Menguji Sinyal Optik Termodulasi Langsung 800G

Sistem komunikasi optik telah menjadi pendorong utama untuk pembangunan infrastruktur informasi kami. Banyak pusat data yang digunakan untuk menyimpan dan mengirimkan informasi memiliki bermil-mil serat dan ribuan penerima laser/fotodetektor untuk mengirim dan menerima informasi melalui serat. Ada tekanan komersial tanpa henti untuk meningkatkan kapasitas dan proses untuk mengembangkan sistem baru yang beroperasi pada kecepatan data yang lebih tinggi terus berlanjut. Ini bukan proses merancang sistem yang memindahkan lebih banyak informasi. Biaya sistem ini harus turun. Pusat data kadang-kadang digambarkan dalam ukuran hektar dan megawatt, yang menunjukkan bahwa daya yang dibutuhkan untuk menjalankan pusat data sangat besar. Ada motivasi yang kuat untuk menemukan cara agar tidak hanya beroperasi pada kapasitas yang lebih tinggi, tetapi juga melakukannya dengan menggunakan lebih sedikit energi.

Sistem komunikasi optik dasar memiliki pemancar laser yang mengubah data listrik menjadi cahaya termodulasi, serat optik, dan penerima fotodioda untuk mengubah cahaya termodulasi kembali menjadi sinyal listrik. Merancang sistem komunikasi optik diperumit oleh fakta bahwa di lingkungan pusat data, jarang ada persyaratan bahwa tautan optik dibuat oleh satu vendor. Pemancar, serat, dan penerima kemungkinan akan diproduksi oleh tiga perusahaan yang berbeda. Konsep ini, yang dikenal sebagai interoperabilitas, memberikan fleksibilitas perancang pusat data, dan memfasilitasi persaingan di antara vendor yang menghasilkan lebih banyak inovasi dan biaya yang lebih rendah. Kelemahannya adalah merancang sistem dan menentukan komponen di dalam sistem itu menjadi lebih kompleks.

Sebuah organisasi standar seperti IEEE 802.3 menawarkan forum publik untuk mendefinisikan sistem komunikasi. Rapat terbuka untuk semua dan dihadiri oleh perancang pusat data, serta produsen peralatan jaringan, transceiver, dan serat. Karena standar akan menentukan kinerja dan bagaimana hal itu diverifikasi, perusahaan pengujian dan pengukuran juga berpartisipasi. Salah satu keluaran penting dari kelompok standar adalah satu set spesifikasi untuk pemancar dan satu set spesifikasi untuk penerima. Sekali lagi, dua set ada untuk mempromosikan interoperabilitas. Baru-baru ini kelompok kerja IEEE 802.3cu telah merilis dokumen draft 100Gbps per panjang gelombang, yang akan menjadi spesifikasi utama untuk interkoneksi berbasis serat di masa depan.

Spesifikasi biasanya dimulai dengan penerima, di mana batas kekuatan sinyal akan menentukan seberapa andal detektor foto dapat mengubah sinyal optik menjadi data listrik. Jika level sinyal turun di bawah sensitivitas yang direkomendasikan, penerima akan membuat terlalu banyak kesalahan, yang biasanya dianggap sebagai kesalahan bit. Ambang batas ini dikenal sebagai batas sensitivitas penerima.

Biasanya akan ada tujuan untuk jarak yang harus ditempuh sinyal, mungkin sesingkat 100 meter atau sepanjang 40 kilometer. Redaman yang disebabkan oleh serat sudah diketahui dengan baik, jadi bekerja mundur dari penerima, memperhitungkan hilangnya serat yang diharapkan, kemudian menentukan tingkat daya sinyal minimum yang harus dihasilkan pemancar. Pada kenyataannya, ini lebih rumit karena ada berbagai mekanisme yang dapat menyebabkan sistem menghasilkan kesalahan bit lebih dari sekadar penurunan daya di bawah batas sensitivitas penerima.

Dari perspektif penerima, dua laser yang beroperasi pada tingkat daya yang sama dapat menghasilkan sinyal yang sangat berbeda. Sistem canggih saat ini beroperasi lebih dari 50GBaud (PAM4). Artinya, lampu harus dinyalakan dan dimatikan pada pemancar dengan kecepatan hingga 50 miliar kali per detik. Penerima harus mendeteksi bahwa lampu menyala atau mati, dan kualitas pemancar yang lebih rendah mungkin lambat. Laser dapat menghasilkan sinyal yang tidak stabil ketika penerima membuat keputusan. Dengan demikian, kualitas sinyal laser harus memenuhi tingkat minimum. Demikian pula, kita tidak dapat mengharapkan untuk memiliki pemancar yang sempurna, sehingga penerima perlu memiliki toleransi untuk sinyal input yang tidak ideal. Ini mengarah pada beberapa persyaratan penting untuk pemancar dan penerima:

Evaluasi Pemancar Optik

• Optical Modulation Amplitude (OMA):Perbedaan antara tingkat logika pemancar.

• Kebisingan intensitas relatif (RIN):Ukuran jumlah kebisingan yang dihasilkan pemancar.

• Dispersi pemancar dan penutupan mata:TDEC atau TDECQ (untuk modulasi PAM4) adalah ukuran statistik kualitas sinyal, yang menunjukkan kemungkinan sinyal akan menghasilkan kesalahan pada penerima (Gambar 1).

• Overshoot/Undershoot:Metrik baru yang baru-baru ini ditetapkan dalam IEEE 802.3cu untuk melindungi receiver dari transien parah pada sinyal input.

Sinyal Gangguan Penerima Optik

Sensitivitas penerima yang tertekan (SRS):Rasio kesalahan bit atau rasio kerugian-bingkai yang diharapkan di bawah tingkat yang diharapkan ketika sinyal yang masuk ke penerima adalah sinyal terburuk yang diharapkan dari pemancar (dan saluran).

Instrumen uji telah dikembangkan untuk menawarkan gangguan optik tingkat instrumen (untuk target TDECQ, ER, dan OMA tertentu) untuk pengujian penerima yang tertekan. Gambar 2 mengilustrasikan sinyal SRS optik tipikal yang akan dihasilkan untuk tujuan pengujian.

Pemancar umumnya diuji dengan osiloskop penganalisis komunikasi digital khusus. Instrumen ini memiliki penerima referensi optik internal dan firmware untuk melakukan pengukuran yang diperlukan oleh standar ini. Demikian pula, untuk penerima, sistem uji SRS (Gambar 3), termasuk sinyal 'gangguan' yang dikalibrasi dan penguji rasio kesalahan bit (BERT), tersedia untuk memverifikasi kesesuaian standar.

Performa tautan pada 100Gbps—baik itu listrik atau optik—keduanya beroperasi pada tingkat kesalahan bit yang lebih tinggi daripada kecepatan yang lebih rendah 25 atau 50Gbps. Antarmuka 100Gbps saat ini beroperasi pada tingkat kesalahan tautan asli setinggi 2E-4 BER dan mengandalkan teknik koreksi kesalahan maju (RS-FEC) Reed-Solomon modern untuk mengoreksi kesalahan bit acak dan terisolasi yang secara alami terjadi dalam transmisi.

Forward error encoding adalah proses yang dimulai pada data di Physical Coding Sublayer (PCS) sebelum transisi data ke Physical Media Attachment (PMA). Antarmuka PCS/PMA ini mengelola kontribusi pengkodean kesalahan data, interleaving, pengacakan, dan penyelarasan. Sistem pengkodean PCS/PMA ini menimbulkan tantangan analisis tingkat kesalahan karena proses mengamati akar penyebab kesalahan bit fisik sekarang dikaburkan di bawah sejumlah besar koreksi kesalahan digital dan sirkuit interleaving. Keinginan untuk memeriksa kesalahan fisik dalam transmisi optik yang mengarah ke bingkai data yang tidak dapat dipulihkan adalah proses yang kompleks, dan salah satu yang menguji pemasok instrumentasi secara aktif maju hari ini. Alat khusus seperti sistem analisis multiport layer1 BERT dan KP4 FEC sekarang memainkan bagian integral dari toleransi penerima dan alat debug umum FEC sadar (Gambar 4).

Celah PCS/PMA yang ada antara sinyal optik yang dikoreksi FEC dan transmisi fisik mentah aktualnya dapat dijembatani dengan sistem uji penerima sadar FEC 400G Keysight, yang menganalisis aliran data yang dikodekan FEC dan dapat mengarahkan osiloskop untuk melokalisasi (memicu) fisik antarmuka optik di lokasi di mana kesalahan terjadi dan menawarkan kepada perancang sistem alat untuk pertama kalinya yang menghubungkan analisis kesalahan pasca FEC dengan analisis dan visualisasi transmisi fisik secara berdampingan.

Ringkasan

Saat ini, sistem komunikasi data termodulasi langsung berkapasitas tertinggi beroperasi pada 400Gbps. Sistem ini memiliki beberapa jalur 100Gbps, baik menggunakan empat pemancar dan empat serat atau memiliki empat pemancar panjang gelombang dan satu serat. Tautan 800Gbps generasi pertama akan ditingkatkan 2× sistem 400Gbps melalui konektor kepadatan lebih tinggi seperti interkoneksi QSFP-DD dan OSFP. Dalam skenario ini, dengan hanya lebih banyak jalur 100Gbps untuk digabungkan menjadi 800Gbps, spesifikasi dan metode pengujian akan tetap serupa dengan apa yang ada untuk sistem 400Gbps. Tautan 800Gbps lebar lajur asli ×4 akan bergantung pada kemajuan dalam spesifikasi listrik dan optik yang saat ini sedang berlangsung. Kelas kecepatan berikutnya pada 800Gbps ini kemungkinan besar akan meningkat ke kecepatan asli 200Gbps per lajur baik secara elektrik maupun optik sambil mengikuti kebutuhan pasar yang kuat untuk mengurangi konsumsi daya dan biaya secara keseluruhan.

Ketika transmisi jalur tunggal 200Gbps tercapai, metode dan teknik pengujian dari 100Gbps kemungkinan akan sangat dimanfaatkan, namun, bidang 200Gbps kemungkinan akan menggunakan kemajuan dalam metode modulasi sebagai fokus pada peningkatan efisiensi transmisi dan pengelolaan kemacetan bandwidth yang diketahui adalah titik tekanan utama pada industri ini. Mitra pengukuran di Keysight merupakan kontributor integral dari upaya standar mutakhir ini untuk memastikan bahwa solusi pengujian yang efektif terus tersedia seiring teknologi ini berkembang menjadi 800Gbps dan 1,6Tbps untuk arsitektur pusat data generasi berikutnya.

Artikel ini ditulis oleh Greg D. Le Cheminant, Spesialis Aplikasi Pengukuran, Analisis Komunikasi Digital, Solusi Infrastruktur Internet; dan John Calvin, Perencana Strategis dan Pimpinan Teknologi Datacom, IP Wireline Solutions; Teknologi Keysight (Santa Rosa, CA). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .