Transmission of PAM4 signals in intra-datacenters connections with direct-detection and multicore fibers limited by inter-core crosstalk

Abstract

Nowadays, traffic in datacenters has been dramatically increasing over the last few years. As such, it is necessary to scale the connections of the datacenters, to accommodate such increase of traffic. The solution proposed in this work is to use four-level pulse amplitude modulation (PAM4) and multicore fibers (MCFs) to support intra-datacenters connections. However, transmission in MCFs is significantly degraded by inter-core crosstalk (ICXT) between cores. In this work, the impact of ICXT on the performance of PAM4 transmission in short-haul directdetection links, emulating intra-datacenters connections, is analyzed. To evaluate the ICXT impact on the performance of the system, several metrics are used such as: bit error rate, eye-pattern analysis, power penalty and outage probability (OP). Our numerical results show that the ICXT levels that lead to 1 dB power penalty degradation with low skew-symbol rate product are at least 2.3 dB above the ones found with high skew-symbol rate product. For these crosstalk levels, the PAM4 system is probably unavailable with an OP above 102. To reach an acceptable reference OP of 3.8 103, the ICXT level must be reduced at least 5 dB, when compared to the ICXT level that leads to the 1 dB power penalty. Hence, the OP is an essential performance metric instead of the 1 dB power penalty to guarantee quality of service in PAM4 direct-detection systems supported by MCFs. Furthermore, comparing to OOK systems, a much higher ICXT level above 7.6 dB is required to achieve the same OP in the PAM4 system.

Actualmente, o tráfego nos centros de dados tem aumentado dramaticamente nos últimos anos. Como tal, é necessário uma grande evolução nas ligações dos centros de dados para acomodar esse aumento de tráfego. A solução proposta neste trabalho é usar a modulação de amplitude por impulsos com quatro níveis (PAM4) e fibras multinúcleo (MCFs) para suportar ligações dentro de centro de dados. Contudo, a transmissão nas MCFs é significativamente degradada pela diafonia entre núcleos (ICXT). Neste trabalho, o impacto da ICXT no desempenho de sistemas PAM4 correspondentes a ligações curtas com detecção direta, emulando ligações dentro de centros de dados é analisado. Para avaliar o impacto da ICXT no desempenho do sistema, várias métricas são usadas como: análise do diagrama de olho, taxa de erro bit, penalidade de potência e probabilidade de indisponibilidade (OP). Os resultados numéricos mostram que os níveis de ICXT que conduzem à degradação da penalidade de potência de 1 dB com um produto ritmo de símboloskew baixo estão, pelo menos, 2.3 dB acima dos valores encontrados com um produto ritmo de símbolo-skew elevado. Para estes níveis de ICXT, o sistema PAM4 apresenta-se indisponível com uma OP acima de 102. Assim demonstra-se que a OP é uma métrica de desempenho essencial relativamente à penalidade de potência de 1 dB para garantir a qualidade de serviço em sistemas PAM4 com deteção direta e suportados por fibras multinúcleo. Além disso, comparando com os sistemas OOK, é necessário um nível ICXT acima de 7.6 dB para obter a mesma OP no sistema PAM4.