By Fiber Mall
相干光學(xué)技術(shù)的研究起源于20世紀(jì)80年代。與傳統(tǒng)的IM-DD系統(tǒng)(強度調(diào)制-直接檢測)相比,相干光通信具有靈敏度高、中繼距離遠(yuǎn)、選擇性好、通信容量大、調(diào)制方式靈活等優(yōu)點。在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心,技術(shù)重點正日益從DCN轉(zhuǎn)向DCI發(fā)展,而國家“通道計算資源由東向西轉(zhuǎn)移”戰(zhàn)略的實施,也意味著數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)距離互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加重要。因此,相干光技術(shù)是這一過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
調(diào)制技術(shù)
光通信的過程實際上就是信號的調(diào)制和解調(diào)。為了能更清楚地了解相干光通信,下面介紹兩種與相位相關(guān)的調(diào)制方法:
相移鍵控調(diào)制
PSK又稱“相移鍵控”,通過改變載波的相位值來傳輸不同的數(shù)字信號流。PSK調(diào)制廣泛應(yīng)用于光通信中。
相移鍵控信號
根據(jù)兩個不同載波的相位關(guān)系,PSK分為BPSK(反相)和QPSK(正交),對于一個符號可以分別表示1bit和2bit數(shù)據(jù)。
QAM調(diào)制
除了上述調(diào)制方式外,光通信中還經(jīng)常使用QAM(正交幅度)調(diào)制,即同時利用載波的相位和幅度來傳輸數(shù)據(jù)。象限中有m個點,對應(yīng)于mQAM調(diào)制,其中m=2ⁿ,也就是說在mQAM調(diào)制中,一個載波符號傳輸n比特數(shù)據(jù),這也是經(jīng)常提到的星座圖的概念。
在這些調(diào)制方式中,實際業(yè)務(wù)場景中往往會添加一些其他技術(shù),以增加單通道的承載能力、降低信號波特率等。例如常見的PDM(偏振復(fù)用)技術(shù)將光信號分為兩個偏振方向單獨調(diào)制,傳輸2倍數(shù)據(jù)。PSK調(diào)制和QAM調(diào)制都是利用載波的相位來傳遞信息,在接收端都需要進(jìn)行相干解調(diào)。
相干解調(diào)
相干是光學(xué)中的一種現(xiàn)象:強的地方總是強,弱的地方總是弱,相干光是指與光源頻率相同的光波(這里以零差檢測為例),恒定的相位差,且疊加點處質(zhì)點振動方向相同。相干光通信的一般過程如下:
相干解調(diào)
基帶信號在發(fā)送端進(jìn)行調(diào)制,通過光纖傳輸后,在接收端進(jìn)行相干解調(diào),最后在接收端得到原始電信號。這個過程中有很多關(guān)鍵器件,比如數(shù)字信號處理器(DSP),其發(fā)揮著巨大的作用。整個過程中信號變化如下:
整個過程信號變化
通過以上介紹,對于相干光通信有了基本的了解。相干傳輸?shù)恼Q生改變了光傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。其推出的電子數(shù)字信號處理器(DSP),已成為城域和長途波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)容量提升的關(guān)鍵驅(qū)動因素。相干光技術(shù)可以說是實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量光傳輸?shù)幕A(chǔ)。
400 GZR
相干光學(xué)技術(shù)并不是一項新技術(shù),其經(jīng)歷了長期的技術(shù)積累。最早的相干光收發(fā)器系統(tǒng)集成在通信設(shè)備線卡中,但隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟,對精密設(shè)備的控制能力的提高,以及對光通信帶寬需求的不斷增加,對可插拔相干光模塊的研究逐漸提上了日程。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)尤其如此;谕辉O(shè)備系統(tǒng),可插拔光模塊可以滿足不同的業(yè)務(wù)需求?梢哉f,可插拔光模塊一直是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重要組成部分。可插拔相干光模塊已經(jīng)在100G/200G速率上規(guī);,但在400G速率下才真正迎來蓬勃發(fā)展。
OIF(光互聯(lián)論壇)推出了針對城域網(wǎng)互連場景的400G ZR DCO行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),越來越多的設(shè)備制造商和光模塊制造商開始采用該標(biāo)準(zhǔn),并實現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)互通。
OIF(光互聯(lián)論壇)
OIF 400G ZR規(guī)范采用密集波分復(fù)用(DWDM)和DP-16QAM相結(jié)合的解決方案,可在80~120km的數(shù)據(jù)中心互連鏈路上傳輸400G(純裸光纖可達(dá)40km,光放大器可達(dá)120km)。在本標(biāo)準(zhǔn)中,有三個適用的MSA封裝標(biāo)準(zhǔn),即QSFP-DD、OSFP和CFP2。在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心中,最常用的是QSFP-DD封裝標(biāo)準(zhǔn)。需要說明的是,OIF 400G ZR定義了DCO(數(shù)字相干光)模塊,在此之前,還存在ACO(模擬相干光)模塊。兩者的主要區(qū)別如下:
ACO和DCO模塊
從圖中可以看出,DCO模塊與ACO模塊的核心區(qū)別在于,DCO將DSP芯片直接集成在光器件上,模塊與主機系統(tǒng)之間采用數(shù)字通信。這樣做的好處是可以實現(xiàn)異構(gòu)交換機/路由器廠商之間的通信。
數(shù)字信號處理器(DSP)
DSP芯片作為DCO模塊的一部分,至關(guān)重要。DSP是如何誕生的?簡而言之,光信號在遠(yuǎn)距離傳輸時很容易失真,導(dǎo)致接收端很難準(zhǔn)確地恢復(fù)數(shù)據(jù)。但數(shù)字信號比光信號更容易處理,可以抵消和補償失真,從而減少失真對系統(tǒng)誤碼率的影響。可以說,DSP的出現(xiàn)開啟了光通信的數(shù)字化時代,DSP是相干光通信的重要支撐。下面通過一張圖來看看DSP在DCO模塊中的作用:
DCO模塊中的DSP
如圖所示,棕紅色背景的功能模塊均由DSP芯片承載。以下總結(jié)了DSP的一些核心功能:
IQ正交:補償調(diào)制器、混頻器造成的IQ非正交
時鐘恢復(fù):補償采樣誤差
色散補償
極化均衡:補償與極化相關(guān)的損傷,極化解復(fù)用
頻率估計:發(fā)射機和接收機之間的載波頻率偏移估計和補償
相位估計:載波相位噪聲估計和補償
決策輸出:軟/硬決策、信道解碼、信源解碼、誤碼率估計
由于DSP承載的功能過多,最初的DSP也面臨著體積大、功耗高等問題。因此,圍繞DSP芯片的技術(shù)進(jìn)步也在不斷探索:
現(xiàn)階段DSP大多采用7nm,DCO模塊主要封裝形式有QSFP-DD、OSFP、CFP2,速率為400G/200G l
2022-2025階段將推出5nmDSP,目標(biāo)速率為1.6T/800G
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