相干光技術在數(shù)據(jù)中心的應用

　　By Fiber Mall

　　相干光學技術的研究起源于20世紀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、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，技術重點正日益從DCN轉向DCI發(fā)展，而國家“通道計算資源由東向西轉移”戰(zhàn)略的實施，也意味著數(shù)據(jù)中心的遠距離互聯(lián)網(wǎng)絡更加重要。因此，相干光技術是這一過程中的關鍵環(huán)節(jié)。

　　調(diào)制技術

　　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)務場景中往往會添加一些其他技術，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(偏振復用)技術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，在接收端都需要進行相干解調(diào)。

　　相干解調(diào)

　　相干是光學中的一種現(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)送端進行調(diào)制，通過光纖傳輸后，在接收端進行相干解調(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用網(wǎng)絡容量提升的關鍵驅動因素。相干光技術可以說是實現(xiàn)遠距離、大容量光傳輸?shù)幕�礎。

　　400 GZR

　　相干光學技術并不是一項新技術，其經(jīng)歷了長期的技術積累。最早的相干光收發(fā)器系統(tǒng)集成在通信設備線卡中，但隨著技術的進一步成熟，對精密設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�；�于同一設備系統(tǒng)，可插拔光模塊可以滿足不同的業(yè)務需求�？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�？刹灏蜗喔晒饽�塊已經(jīng)在100G/200G速率上規(guī)模化，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)標準，越來越多的設備制造商和光模塊制造商開始采用該標準，并實現(xiàn)異構互聯(lián)互通。

　　OIF(光互聯(lián)論壇)

　　OIF 400G ZR規(guī)范采用密集波分復用(DWDM)和DP-16QAM相結合的解決方案，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40km，光放大器可達120km)。在本標準中，有三個適用的MSA封裝標準，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封裝標準。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，至關重要。DSP是如何誕生的?簡而言之，光信號在遠距離傳輸時很容易失真，導致接收端很難準確地恢復數(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�？梢哉f，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：補償采樣誤差

　　色散補償

　　極化均衡:補償與極化相關的損傷，極化解復用

　　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芯片的技術進步也在不斷探索：

　　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，目標速率為1.6T/800G