Optische Bauelemente in Rechenzentren Ein ausgiebiger Test ist zwingend notwendig

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Die steigenden Anforderungen an Datenübertragungsraten in Rechenzentren stellen hohe Ansprüche an optische Komponenten. Doch wie gut werden sie wirklich getestet? Lücken in den Testverfahren gefährdet die Zuverlässigkeit und Leistung moderner Kommunikationsnetzwerke.

Optische Bauelemente erzeugen, übertragen, speichern oder können Licht in elektrische Signale umzuwandeln und umgekehrt. Sie spielen eine zentrale Rolle in der optischen Kommunikation. Unter anderen in Rechenzentren. Die steigende Nachfrage nach höheren Geschwindigkeiten, kleineren Abmessungen und optimiertem Datenverkehr treibt die Entwicklung von hochintegrierten optischen Bauelementen voran. Einige Bauelemente integrieren mehrere Funktionen und Komponenten in einer einzigen Einheit.

Der Test hochintegrierter optischer Komponenten erfordert eine beträchtliche Anzahl von Präzisionsstromquellen. Wie in Bild 1 dargestellt, erfordert beispielsweise der Test von integrierten Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge Präzisionsstromquellen für die Laserdioden, um eine stabile optische Leistung zu gewährleisten. Darüber hinaus sind Präzisionsstromquellen für jeden Heater erforderlich, um die Wellenlänge genau auf den optischen Halbleiterverstärker (SOA) abzustimmen.

Elektrische Signale in optische Signale umwandeln

Ebenso benötigen kohärente optische Transceiver mehrere Präzisionsstromquellen, die genau mit den Phasensteuerelektroden synchronisiert sind. Damit lassen sich elektrische Signale präzise in optische Signale umzuwandeln. Sie benötigen bis zu 50 Prozent weniger Hardware und ihr Aufbau ist einfacherer, da Full-Duplex-Systeme nur eine einzige Komponente für alle Anwendungsfälle benötigen. Um die optische Leistung und Wellenlänge von abstimmbaren Lasern und kohärenten Empfängern zu testen, ist eine detaillierte Charakterisierung mit sehr feinen Bias-Sweep-Schritten erforderlich.

Daraus ergeben sich Probleme wie eine erhebliche Verlängerung der Testzeit und unbeabsichtigte Wellenlängenverschiebungen aufgrund von thermischen Effekten. Eine wirksame Lösung besteht darin, die Dauer der einzelnen Sweep-Schritte zu minimieren und so ein schnelleres Sweeping zu ermöglichen, um diese Probleme zu entschärfen.

Der Bedarf an Tests für optische Komponenten

Optische Komponenten sind das Herzstück von Systemen zur Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. Von Empfängern, die optische Signale in elektrische Signale umwandeln, bis hin zu Modulatoren, die Daten auf optischen Trägern formen und kodieren, bilden diese Komponenten das Rückgrat moderner Kommunikationsnetzwerke. Der kontinuierliche Trend zu höheren Datenübertragungsraten und die Nachfrage nach größerer Bandbreite in Rechenzentren stellen eine immense Belastung für diese optischen Komponenten dar. Die entscheidende Bedeutung des Tests dieser Komponenten liegt in der Sicherstellung ihrer Zuverlässigkeit, Leistung und Kompatibilität innerhalb der dynamischen Umgebungen von Rechenzentren.

Der Test optischer Komponenten gewährleistet, dass die Komponenten den harten Anforderungen des Dauerbetriebs standhalten können. Strenge Tests helfen dabei, potenzielle Schwachstellen, Anfälligkeiten oder Leistungseinschränkungen in diesen Komponenten zu erkennen, sodass Entwickler ihre Designs verfeinern und Verbesserungen umsetzen können. Da sich die Architekturen von Rechenzentren weiterentwickeln und die Anforderungen an die Energieeffizienz steigen, wird das Testen zu einem entscheidenden Faktor bei der Optimierung des Energieverbrauchs und der thermischen Eigenschaften von optischen Bauelementen.

Entwickler müssen sich auf die Hardware verlassen können

Präzise Tests tragen auch dazu bei, theoretische Modelle und Simulationen zu validieren und sicherzustellen, dass das Verhalten dieser Komponenten in realen Szenarien den Erwartungen entspricht. Die Entwickler müssen sich darauf verlassen können, dass die optischen Komponenten unter verschiedenen Bedingungen wie Temperaturschwankungen, Leistungsschwankungen und Signalverzerrungen zuverlässig funktionieren.

Tests stellen nicht nur die Robustheit der einzelnen Komponenten sicher, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Integration des Gesamtsystems. Es ist hilfreich, Kompatibilitätsprobleme, Probleme mit der Signalintegrität und Interoperabilitätsprobleme bereits in der Testphase zu erkennen und zu lösen, um mögliche Fallstricke in späteren Phasen des Einsatzes im Rechenzentrum zu vermeiden.

Die Einhaltung von Industriestandards und -vorschriften ist von größter Bedeutung, und gründliche Tests sind der Schlüssel zur Erfüllung und Übererfüllung dieser Standards. Ob es sich um Standards für optische Leistungspegel, Signal-Rausch-Verhältnisse oder Bitfehlerraten handelt, Tests stellen sicher, dass optische Komponenten die strengen Kriterien der Industrie erfüllen.

Die Bedeutung des Tests optischer Komponenten geht weit über die bloße Qualitätskontrolle hinaus – er ist ein strategischer Schritt, um die Leistungsfähigkeit von Netzwerken in Rechenzentren zu verbessern. Indem diese Komponenten strengen Testverfahren unterzogen werden, ebnen die Entwickler den Weg für Innovationen, die die Effizienz, Zuverlässigkeit und Gesamtleistung der Infrastruktur des Rechenzentrums in der Zukunft vorantreiben.

Der DC-Test optischer Komponenten im Rechenzentrum

Die komplexe Landschaft des DC-Testens optischer Komponenten in einem Rechenzentrum stellt Entwickler vor verschiedene technische Herausforderungen:

• Anforderungen an die Genauigkeit: Ein großes Problem ist die Genauigkeit, die für die Kontrolle der Versorgungsspannung und des Versorgungsstroms erforderlich ist. Optische Komponenten reagieren empfindlicher auf Spannungsschwankungen. Notwendig ist ein Maß an Präzision, das die Grenzen herkömmlicher Prüfgeräte überschreitet. Damit die erforderliche Genauigkeit erreicht und aufrecht erhalten bleibt, ist aufgrund der geringen Toleranzen und der dynamischen Natur optischer Komponenten eine Herausforderung.

• Dynamische Betriebsbedingungen: Die Umgebungen von Rechenzentren sind dynamisch. Es kommt zu Schwankungen bei Temperatur, Leistung und Signalbedingungen. Eine stabile DC-Spannung unter diesen dynamischen Betriebsbedingungen zu gewährleisten ist nicht trivial. Optische Komponenten müssen zuverlässig und konsistent funktionieren, auch wenn sie schnellen Änderungen der Spannung ausgesetzt sind, und die Notwendigkeit, diese zu testen, ist von größter Bedeutung.

• Nichtlineares Verhalten von Modulatoren: Modulatoren sind eine wichtige Komponente in optischen Kommunikationssystemen. Sie zeigen ein nichtlineares Verhalten, das den Testprozess erschwert. Herkömmliche Prüfgeräte benötigen möglicherweise Unterstützung, um die komplexen Modulationseigenschaften genau zu erfassen und zu reproduzieren, was zu potenziellen Ungenauigkeiten bei der Bewertung der Leistung von Modulatoren unter realistischen Betriebsbedingungen führen kann.

• Empfindlichkeit der Empfänger: Optische Empfänger wandeln optische Signale in elektrische Signale. Sie reagieren empfindlich auf Schwankungen der Versorgungsspannung. Eine stabile und genaue Versorgung der Empfänger ist eine heikle Aufgabe, da schon geringe Abweichungen die Signalqualität und damit die Zuverlässigkeit des gesamten Kommunikationssystems beeinträchtigen können. Die genaue Erfassung der signifikanten Stromschwankungen, die dem Licht entsprechen, ist ebenfalls eine große Herausforderung.

• Erhöhte Kanaldichte: Hochintegrierte optische Bauelemente haben mehr Testanschlüsse und Komponenten für zahlreiche hochpräzise Stromversorgungen. Integrierte abstimmbare Laser benötigen beispielsweise Präzisions-Stromquellen für die Laserdioden. Sie garantieren eine stabile optische Leistung und Präzisions-Stromquellen für jeden Heizer, um die Wellenlänge präzise einzustellen. Kohärente optische Modulatoren benötigen mehrere Präzisions-Stromquellen, die genau mit den Phasensteuerungselektroden synchronisiert sind, um elektrische Signale präzise in optische Signale umzuwandeln.

• Realitätsnahe Simulation: Die Entwickler in einer Laborumgebung müssen sicherstellen, dass die Testbedingungen die Komplexität des Betriebs im Rechenzentrum genau widerspiegeln. Dazu gehört die Simulation der unterschiedlichen Bedingungen, denen optische Komponenten in einem Rechenzentrum ausgesetzt sind, von Laständerungen bis hin zu Schwankungen der Umgebungstemperatur.

Test optischer Bauelemente mit Präzision und Dichte

Um die vielfältigen Herausforderungen beim DC-Bias-Test für optische Komponenten in Rechenzentren zu meistern, setzen Entwickler auf vielseitige SMUs. Im Folgenden werden spezifische Details erläutert, die verdeutlichen, warum SMUs für die Bewältigung der einzelnen Herausforderungen entscheidend sind.

SMUs bieten eine hohe Präzision bei Versorgungsspannung und -strom. Sie verfügen über ultrapräzise Funktionen, um den Vorspannungspegel sehr exakt einzustellen und beizubehalten. SMUs sind stabil, damit optische Komponenten konsistente und zuverlässige Versorgungsbedingungen erhalten. Mit rauscharmen Gleichstromsignalen verringern SMUs das Risiko unerwünschter Störungen, welche die Genauigkeit der Testergebnisse beeinträchtigen könnten.

Eine SMU zeichnet sich durch eine dynamische Stromregelung aus. Werden optische Komponenten unter dynamischen Bedingungen im Rechenzentrum betrieben, ist eine dynamische Stromregelung von entscheidender Bedeutung. Einige SMUs verfügen über zusätzliche Funktionen, wie beispielsweise ein intelligentes Triggersystem für Hochgeschwindigkeits-Timing-Steuerungen (Bild 2). Die dynamischen Fähigkeiten der SMUs ermöglichen es den Entwicklern, schnelle Änderungen der Versorgungsspannung zu simulieren und so die realen Szenarien nachzubilden, denen optische Komponenten in Umgebungen mit Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ausgesetzt sind. Auf diese Weise wird nicht nur die Genauigkeit der Tests gewährleistet, sondern es werden auch Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich optische Komponenten unter dynamischen Betriebsbedingungen verhalten.

Nichtlineares Verhalten von Modulatoren

Eine SMU beherrscht das nichtlineare Verhalten von Modulatoren. Die Programmierbarkeit und Genauigkeit von SMUs ermöglicht es Entwicklern, die Modulationseigenschaften von Modulatoren genau zu erfassen und zu reproduzieren. Durch die Bereitstellung einer stabilen und kontrollierten Stromversorgung ermöglichen SMUs eine detaillierte Analyse der Modulatorleistung und stellen sicher, dass die Testergebnisse mit den Erwartungen in der Praxis übereinstimmen.

Eine der Stärken von SMUs ist die Kontrolle der Empfängerempfindlichkeit, da sie die fein abgestimmte Steuerung bieten, die für stabile Versorgungsbedingungen der Empfänger erforderlich ist. Mit SMUs können Entwickler die Versorgungsparameter an die Empfindlichkeit optischer Empfänger anpassen, um Genauigkeit über einen großen Strombereich und reproduzierbare Tests zu gewährleisten. Die Genauigkeit von SMUs ist besonders wichtig in Szenarien, in denen bereits geringe Schwankungen der Versorgungsspannung die Leistung optischer Empfänger beeinträchtigen können.

Kompakter Formfaktor mit hoher Dichte

Mit einem SMU-Formfaktor mit hoher Kanaldichte (Bild 3) lässt sich Platz im Rack einsparen. Einige flexible SMUs ermöglichen eine beliebige gemischte Modulkonfiguration für flexible Skalierbarkeit. Eine All-in-One-SMU mit integrierter Pulsar- und Digitizer-Funktionalität kann die erforderlichen Messgeräte und den Platzbedarf des Systems reduzieren. Die SMU bietet beim Test optischer Bauelemente eine mehrkanalige, hochpräzise Versorgung auf kleinstem Raum. Die Präzision und die einfachen Integrationsmöglichkeiten optimieren den Evaluierungsprozess für den Test von optischen Bauelementen, sparen viel Platz und verbessern die Testeffizienz. (heh)

Optische Datenübertragung

Weltrekord: 22,9 Petabit pro Sekunde über eine Glasfaser

Mikrowellentechnik

Full-Duplex-Übertragung mit 10 GBit/s im Up- und Downlink

* Gobinath Tamil Vanan ist Product Marketing Manager bei Keysight Technologies.

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