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具有100G PAM4 QSFP28模块的4 Tb/s密集波分复用城域网系统的演示和性能分析
Mark Filer 1 , Steven Searcy 2 , Yang Fu 3 , Radhakrishnan Nagarajan 3 , and Sorin Tibuleac
摘要:我们演示了一个4Tb/s的城域DCI系统，它带有商用QSFP28模块(40x100G双波长56Gb/s PAM4)。我们详细介绍了80公里以上的系统性能，并量化了各种光纤类型的色散和非线性容差。
1.意义 及说明
在过去几年中，数据中心互连(DCI)空间已成为传统密集波分复用系统供应商日益关注的领域。提供SaaS、PaaS和IaaS功能的云服务提供商(CSP)不断增长的带宽需求反过来推动了对连接CSP内部数据中心网络不同层的交换机和路由器的光学解决方案的需求。如今，这通常需要100 Gb/s的解决方案，在给定的数据中心内，可以使用直接连接铜缆、有源光缆或100G灰色光纤来满足这一要求。
然而，与更传统的数据中心设施都位于单一园区的数据中心模式相比，许多电信运营商已经融合到分布式区域架构中，以便能够充分扩展并提供高可用性的云服务。在同一地理区域内互连物理上不同的数据中心建筑物带来了自身的挑战，即灰色光学的光谱效率太低。
在100G时代，这一问题通常通过密集波分复用(DWDM)相干QPSK转发器来解决，该转发器提供能使OSNR（光信噪比）低至11 dB的软判决FEC技术、250000 ps/nm的海底色散(CD)补偿、每100G约100瓦的功率效率以及每对光纤8 9.6 Tb/s的信道容量。对于通常延迟限制在80公里或更短(lt; 1600 ps/nm)的DCI链路，线路系统可以在最低30秒内轻松交付光网络资源。在这些设施中，机架空间和功率通常是有限且昂贵的，这使得功率和空间效率成为关键的设计目标。虽然光纤在这些城域环境中不如在数据中心本身中丰富，但通常有几十对光纤就合理的成本来说是可接受的，这放宽了作为主要设计标准的最终频谱效率。考虑到这些因素，目前的一致解决方案并不适合DCI应用。
相应地，采用PAM4调制格式设计了一种低功耗、低占用空间的直接检测解决方案。利用硅光子技术，研制了一种双载波收发机，该收发机采用PAM4专用集成电路，集成了数字信号处理和前向纠错功能，并封装成一个QSFP28形状模块。由此产生的可插拔开关模块支持典型DCI链路上的密集波分复用传输，每对光纤的传输速率为4 Tb/s，功耗为4.5瓦/100G。
虽然先前的工作已经表明了这种PAM4传输用于城域网的可行性[1-3]，但是这些研究是基于具有一个或几个信道的实验室系统。本文旨在演示在典型的DCI部署场景中使用的商用系统的光学性能。该系统完全由直接插入2/3层交换机的PAM4 QSFP28模块组成，并与以开放方式运行的适当线路系统配对。首先，给出了PAM4模块和线路系统的描述。接下来，介绍模块和线路系统光学性能的各个方面，特别注意适当色散补偿的需要。最后，给出了多种ITUT G652 G655光纤类型的性能总结，以说明在城域环境中可能遇到的光纤类型的多样性。
2.PAM4模块的说明
PAM4 QSFP28模块基于高度集成的硅光子学光学芯片。该芯片在输出光路中包含一对集成行波硅基马赫-曾德尔调制器(MZM)，在接收光路中包含一对高速锗光电探测器(PD)。MZM和PD都有超过25千兆赫的小信号带宽。发射信号使用2:1多路复用器来组合，类似的结构用于多路分解器。接收路径具有偏振分化。这是通过使用低损耗偏振分束器来实现的。MZM驱动放大器和PD跨阻放大器（TIA）都通过引线键合到硅光子芯片。DFB激光器是外部的，边缘耦合到硅光子芯片。
该模块包含一个实时PAM4专用集成电路[4，5]，它还提供了到交换机的CAUI 4主机接口。将4x25 Gb / s输入数据转换为使用Inphi专有编码FEC（IFEC）的2x28Gbaud PAM4码流，编码增益为10.5分贝。在接收端，TIA的输出在PAM专用集成电路中使用28GS/s采样率模数转换器进行采样。接收数字信号处理器具有FFE(前馈均衡器)和DFE(判决反馈均衡器)功能来恢复PAM4信号。均衡器抽头使用最小二乘(LMS)算法自动调整。IFEC解码器随后纠正错误并生成原始以太网数据。
Fig. 1. (a) Experimental setup with PAM4 modules and line system; (b) Measured receive spectrum for system fully loaded with 4-Tb/s PAM4.
3.实验条件
图1(a)所示的实验链路由一个带ADVA线路系统的单光纤段组成，包括一个100千兆赫阵列波导光栅多路复用器/多路分解器、一对掺铒光纤放大器、基于标准具的可调色散补偿模块(TDCM)和可调的色散补偿光纤(DCF)。该系统满载40个Inphi QSFP28收发器；36个模块(192.2195.7太赫兹)在Arista 7500E系列L2/L3交换机的单个线路卡上运行，4个模块(192.0192.1、195.8195.9太赫兹)在独立评估板上运行。所有40个模块(80lambda;)的接收光谱如图2(b)所示。为了评估性能，同时监控Arista线路卡上的信道的预处理器误码率、信噪比和接收光功率。在下面的所有结果中，因子是根据报告的预取误码率计算的。一台光学频谱分析仪(OSA)使用极化调零方法测量了每通道接收的OSNR(通过前置放大器输出抽头)。
系统性能是在背靠背(无纤)和不同光纤跨度下测试的。一条线路包括一段80公里(16分贝)的康宁SMF28光纤，60公里的色散补偿光纤。另一条链路由40公里长的SMF28光纤组成，其后是一个可变光衰减器(VOA)，具有40公里长的DCF。在五种不同的光纤类型上测试了光纤非线性容限：OFS AllWave, TrueWave-RS, and TrueWave-Classic, and Corning LEAF and MetroCor.。这些跨度从50到60公里产生了11到13分贝的损耗(包括连接器)，这样平均接收OSNR是在相同的范围内(约34到35分贝，取决于发射功率)。对于全波光纤，使用了40公里的DCF，而对于其他类型，没有使用DCF，TDCM进行了所有补偿。对于每个测试，TDCM设置和放大器倾斜补偿都进行了优化。后置放大器的增益是固定的，发射功率使用内置在放大器中的VOA进行调整。前置放大器增益根据发射功率和跨距损耗进行调整，以实现 2 dBm/lambda;的平均接收功率。
Fig. 2. (a) Tolerance to residual CD; Distribution of per-channel (b) Q 2 factors and (c) receive OSNR values on 80 km SMF link
4.结果和讨论
通过扫描在没有光纤的背对背(网络回送损耗为10 dB)条件下的TDCM来测试收发器对残余色散的容限。图2(a)显示了所有被监控信道的平均品质因数损失。对于误差为 /-100 ps/nm的TDCM设置，平均补偿代价小于1分贝(最差情况补偿代价小于2分贝)。应该注意的是，这些结果包括来自其他光学元件的少量残留色散，以及覆盖整个C波带的色散的微小误差和变化。
在80公里的SMF光纤线路上进行了长期验证测试。预取误码率记录了15个小时，所有信道在此期间无错误运行。图2(b)示出了每个被监控信道的平均品质因数的分布。每个信道具有1.5到4分贝的，实际的前向纠错阈值约为8分贝(误码率= 6)。图2(c)示出了相应的OSNR值分布。
对五种广泛使用的光纤类型进行了一系列测试，以量化非线性的影响。这些结果显示在图3(a)中，其中绘制了所有被监控信道的平均补偿代价与进入光纤跨度的每波长平均发射功率的关系。当从最低发射功率移动到最高发射功率时，接收到的OSNR有大约1 dB的小幅增加。对于AllWave光纤，在最大发射功率为 4 dBm/lambda;时，光纤非线性的影响可以忽略不计。这种非线性容限比以前报道的类似系统的容限要高，尽管要很多的双通道的数量 [3]。其他NZ-DSF类型在较高发射功率下都表现出一些非线性损失。LEAF、MetroCor和TrueWaveRS都表现出类似的性能，非线性影响从发射功率 2 dBm/lambda;开始变得显著。TrueWaveClassic显示出最强的非线性，因为它的有效模面积小，光纤色散非常低。发射功率为0 dBm/lambda;时开始产生显著影响，但即使在这种情况下，所有通道的补偿均大于1 dB。长时测试LEAF (15小时) 和TrueWaveRS (64小时)显示了超越NZ-DSF稳定、无误差的性能。
最后，进行了一项测试，以确定增加跨度损失时的系统性能变化。跨度包括40公里SMF光纤，带有可调光衰减器，发射功率为 4 dBm/lambda;光信号进入光纤。结果总结在图3(b)中，其中示出了跨度损失范围从9 dB到22 dB的平均和 OSNR，这是在这些测试中可实现的最大跨度损失。如图3(b)所示，在接收端，由于较低的OSNR和放大器增益限制导致在18 dB跨度损耗以上开始显著下降。在18 dB跨度损失下，所有通道仍有gt; 1 dB的。在最大跨度损耗为22 dB的最差情况下，信道具有零，在实际的FEC限制附近工作(尽管在短期测试中所有信道都没有错误)。这突出了该系统的稳健性能，能够适应DCI链路的典型最大跨距损耗。通过使用分布式拉曼放大或进一步的系统优化，也可以支持更长的链路。
Fig. 3. (a) Nonlinear tolerance over five commonly deployed fiber types; (b) Q 2 and OSNR results for increasing span loss (40 km SMF VOA).
5.结论
我们已经展示了第一个使用商用收发器和线路系统的全配充系统演示，该系统可以使用PAM4调制支持80公里以上的4Tb/s容量。测试结果显示了系统对关键损伤(包括色散和光纤非线性)的容限，并表明这种类型的系统对于支持DCI链路的大规模部署是鲁棒的。
6.参考文献
[1] S. Yin, et al., IEEE PTL 27(24), 2531-2534 (2015).
[2] J. Lee, et al., ECOCrsquo;16, M.2.D.3 (2016).
[3] N. Eiselt, et al., OFCrsquo;16, W1K.5 (2016).
[4] K. Gopalakrishnan, et al., Proc. ISSCC, 3.4 (2016).
[5] F. Chang, et al., OFCrsquo;16, Th1G.2 (2016).
一种高准直容差的4的光接收模块的光解复用器的尺寸容差分析
Joon Ki Lee, 1,2 Joon Young Huh, 1 Sae-Kyoung Kang, 1 and Youn-Seon Jang 2,*
摘要:我们为100千兆以太网光收发器开发了一个4 times; 25 Gb/s的接收光组件模块。这种ROSA模块在光DMUX(解复用器)和四个光电二极管之间具有超过250微米的非常大的对准容差，因为它具有易于组装的优点。大的对准容差可归因于尺寸容差光学DMUX，其由附着于平行四边形光学块的四个薄膜滤光器组成。由于确定光学块尺寸的制造规格很重要，我们使用三维模拟来分析光学块的尺寸容差。这种平行四边形光学DMUX允许长度容差为300米，角度容差为0.1。所制造的光学DMUX估计具有小于0.09的角度误差。
1.介绍
数据流量的快速增长推动了对更大容量的光通信系统和更快端口速度的网元的需求。为了适应快速增长的互联网数据流量，40G/100G以太网于2010年6月实现了标准化，而IEEE 802.3目前正在致力于下一代100G以太网标准化。采用4 times; 25 Gb/s局域网-WDM(局域网-波分复用)方法(100GBASE-LR4)作为100G以太网标准，通过单模光纤传输10 km。四个通道的中心波长是1295.56纳米(通道0)、1300.05纳米(通道1)、1304.58纳米(通道2)和1309.14纳米(通道3) [1，2]。
由于数据中心的空间有限，需要小尺寸的收发器模块来增加高容量路由器和交换机中线路卡的端口密度。小型化的关键问题之一是如何将各种分立元件集成到一个模块中，例如与光学DMUX(解复用器)集成的ROSA(接收器光学子组件)模块。为了在组装ROSA模块的过程中节省封装成本和时间，重要的是实现光输入信号和PDs(光电二极管)的有源区之间的高对准容差。到目前为止，对于最大4 times; 25 Gb/s的基于可编程逻辑控制器(平面光波电路)的光学DMUX [3，4]的ROSA，已报道的对准容差仅在几微米的范围内。我们已经为100千兆以太网光收发器开发了一个4 times; 25千兆/秒的ROSA模块，该ROSA模块在光DMUX和四个PDs之间显示出超过250米的非常大的对准容差[5]。据我们所知，这是4times;25gb/s Rosa中最大的
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