相干光學(xué)照亮了高速數(shù)據(jù)通信的路徑

相干光學(xué)照亮了高速數(shù)據(jù)通信的路徑

相干光學(xué)在以前只有在極長(zhǎng)的洲際和海底連接中才體現(xiàn)出成本效益。最近，提高數(shù)據(jù)傳輸速度、延長(zhǎng)通道長(zhǎng)度和增加系統(tǒng)容量方案得到新的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)者更容易采用這類(lèi)解決方案。

高性能計(jì)算和電信設(shè)備的設(shè)計(jì)者，以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商，一直在尋找提高數(shù)據(jù)傳輸速度、擴(kuò)展信道長(zhǎng)度、增加系統(tǒng)容量、優(yōu)化信號(hào)保真度和降低功耗的方法。這一探索導(dǎo)致了更多采用光纖連接。

在其最簡(jiǎn)單的形式中，光信道由一個(gè)組件完成，它將信息轉(zhuǎn)換為一系列表示1或0的二進(jìn)制光脈沖。非歸零(NRZ)PAM2調(diào)制多年來(lái)一直是光數(shù)據(jù)通道的主導(dǎo)地位。

這種形式光通信被稱(chēng)為直接檢測(cè)(direct detect )，并已成為電信和數(shù)據(jù)中心光互連中的主要通信鏈路。

像這樣的簡(jiǎn)單鏈接對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)流是理想的，但是數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)需要盡可能高效地將大文件高速傳輸。

安裝更多光纖來(lái)擴(kuò)大容量是一種有效但代價(jià)昂貴的解決方案。并行多極光纖可增加總信道帶寬，但體積也增加了。光纖電纜可能包含1到3000多根光纖，這對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心的電纜托盤(pán)提出挑戰(zhàn)。獲得許可證、通行權(quán)的使用權(quán)和安裝新的外部光纜所需的成本和時(shí)間，使得尋求通過(guò)每根現(xiàn)有光纖傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)勢(shì)在必行。

數(shù)據(jù)信道的容量可以通過(guò)幾種方式來(lái)增加，例如增加每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)或信號(hào)變化，或增加每個(gè)符號(hào)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。增加每秒數(shù)據(jù)量需要增加頻率，這可到導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題，并限制了鏈路的有效范圍。

直接檢測(cè)光信令的性能可以通過(guò)使用先進(jìn)的振幅調(diào)制方案來(lái)提高。在給定的波特率下，通過(guò)加倍比特率來(lái)提高每個(gè)時(shí)鐘周期效率的能力使得PAM4調(diào)制被廣泛采用。

PAM4信令已成為在銅通道和光纖通道中實(shí)現(xiàn)56+Gb數(shù)據(jù)速率的首選機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)組織和MSA組織，包括OIF、PCIe、InfiniBand和Ethernet，已經(jīng)在最新規(guī)范中采用PAM4調(diào)制。

在許多數(shù)據(jù)中心，使用直接檢測(cè)技術(shù)的單個(gè)光纖傳輸帶寬已經(jīng)開(kāi)始達(dá)到實(shí)際極限。為了進(jìn)一步支持高速和高容量的連接性需求，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了先進(jìn)的光纖。

替代傳統(tǒng)單核光纖的一種方法是引入多核光纖(MCF)，它在一根光纖中集成了多個(gè)并行光纖。

多芯光纖允許在同一包層下通過(guò)不同的芯同時(shí)傳輸不同信號(hào)。其結(jié)果是增加了每個(gè)光纖的數(shù)據(jù)傳輸密度。

多核光纖制造和終端方面的進(jìn)步使其成為傳統(tǒng)單芯光纖更經(jīng)濟(jì)可行的替代方案。

包括中空芯光纖的光纖結(jié)構(gòu)正在發(fā)展，比如，用空氣填充毛細(xì)管取代標(biāo)準(zhǔn)玻璃芯。由于光在空氣中傳播速度快50%，這種獨(dú)特的光纖是正在尋找極低信號(hào)延遲應(yīng)用的理想方案。

提高各光纖的光譜效率已成為提高光信道數(shù)據(jù)容量的一個(gè)重點(diǎn)。波分多路復(fù)用(WDM)已被證明是一種高效的解決方案。而不是通過(guò)光纖發(fā)送單一波長(zhǎng)的光，而是通過(guò)對(duì)每個(gè)通道使用稍微不同的波長(zhǎng)(顏色)的光來(lái)同時(shí)發(fā)送多個(gè)信號(hào)。波分復(fù)用過(guò)程創(chuàng)建許多并行虛擬光纖，每個(gè)都能夠攜帶不同的信號(hào)。

光學(xué)發(fā)射機(jī)和接收器被調(diào)諧為只發(fā)送和檢測(cè)特定的波長(zhǎng)。組合后的光通過(guò)一根光纖發(fā)送。如果WDM可用于增加已安裝光纖的容量，則這一點(diǎn)特別有吸引力。

基于光帶寬的分離，波分復(fù)用被細(xì)化為過(guò)程和密集版本。通道波分多路復(fù)用(CWDM)可以在一根光纖上封裝18個(gè)信道，而密集波分多路復(fù)用(DWDM)可以在一根光纖上提供多達(dá)90個(gè)同步信道。

對(duì)增加信息傳輸?shù)某掷m(xù)追求促使設(shè)計(jì)師采取下一步，利用DWDM和相干光學(xué)技術(shù)。與傳統(tǒng)的振幅調(diào)制，如PAM2或PAM4傳輸單一數(shù)據(jù)流不同，相干檢測(cè)不僅可以調(diào)制光的振幅，還可以調(diào)制光的相位和偏振特性來(lái)提高光纖的數(shù)據(jù)傳輸能力。

使用集成的相干接收器和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片來(lái)恢復(fù)光信號(hào)的強(qiáng)度、相位和偏振，該芯片可以重建原始信號(hào)特性來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)位。

正交調(diào)幅器(QAM、8QAM或16QAM)提高了對(duì)現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，并降低了網(wǎng)絡(luò)成本。相干傳輸也提供了比直接檢測(cè)更高的靈敏度，可能減少了距離高達(dá)120公里的信道功率需求。

相干光傳輸?shù)氖褂貌⒎菦](méi)有挑戰(zhàn)。更高的比特率需要更復(fù)雜的調(diào)制方案，使符號(hào)更緊密地放在一起，使它們對(duì)噪聲更敏感。解決方案是使用集成在DSP中的強(qiáng)FEC(正向誤差校正)，這可以增加電力和熱量預(yù)算。目前缺乏一個(gè)統(tǒng)一的組織來(lái)確保競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間的互操作性，這也是一個(gè)問(wèn)題。

在過(guò)去，相干光學(xué)只有在極長(zhǎng)的洲際和海底連接中才體現(xiàn)成本效益。硅光子封裝的最新進(jìn)展和7nm DSPs的發(fā)展使制造包括DSP、激光、放大器光電探測(cè)器和射頻集成電路的模塊成為可能，大大降低了成本，并使相干光學(xué)集成到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可插拔連接器中。

線路卡正在被低功耗的CFP2、QSFP-DD和OSFP相干可插拔收發(fā)器所取代。更高功率的長(zhǎng)距離相干收發(fā)器也可作為嵌入式pcb安裝模塊，并可提供高達(dá)800Gb/s。

下一代設(shè)備設(shè)計(jì)者要求連貫的可插拔設(shè)備，提供遠(yuǎn)程診斷、自動(dòng)可調(diào)性和更高的發(fā)射能力來(lái)優(yōu)化他們的網(wǎng)絡(luò)。

將DWDM與相干調(diào)制相結(jié)合，將光網(wǎng)絡(luò)路線圖從100G擴(kuò)展到800G及更高。在這一點(diǎn)上，利用Open ROADM、400ZR、Open ZR+和Open XR等行業(yè)舉措的連貫插入設(shè)備正在匯聚到400G上，這可能在未來(lái)5到10年主導(dǎo)光網(wǎng)絡(luò)。使用400ZR的連貫QSFP-DD和OSFP可插拔設(shè)備，目前可提供高達(dá)400 Gb/s的80個(gè)通道，總?cè)萘繛?2 Tb/s。

數(shù)據(jù)中心正在從100G發(fā)展到400G，最終達(dá)到800+ Gb網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍可達(dá)1000+公里。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是相干可插拔和嵌入式相干收發(fā)器。QSFP-DD800配置文件中的幾個(gè)800G可插拔設(shè)備已經(jīng)被宣布用于早期客戶(hù)評(píng)估。

人們對(duì)相干光學(xué)的興趣并不局限于數(shù)據(jù)中心。有線電視運(yùn)營(yíng)商正在尋找使用光纖，從集線器到聚合節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相干鏈路都利用光纖的優(yōu)點(diǎn)。隨著組件價(jià)格的持續(xù)下降，相干技術(shù)將應(yīng)用到更短的地鐵和邊緣應(yīng)用中，成本是主要考慮因素。

持續(xù)的組件集成推動(dòng)了將400G相干光傳輸技術(shù)直接集成到路由器或交換機(jī)中的趨勢(shì)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和組件數(shù)量。信息論中的一個(gè)基本原理是香農(nóng)極限(Shannon Limit)，它定義了可以在受噪聲影響的信道上傳輸?shù)臒o(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的最大速率。對(duì)更快的波特率、更高的網(wǎng)絡(luò)容量和最大化范圍傳輸將繼續(xù)通過(guò)優(yōu)化光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)，使性能盡可能接近香農(nóng)極限。

~相干光學(xué)在以前只有在極長(zhǎng)的洲際和海底連接中才體現(xiàn)出成本效益。最近，提高數(shù)據(jù)傳輸速度、延長(zhǎng)通道長(zhǎng)度和增加系統(tǒng)容量方案得到新的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)者更容易采用這類(lèi)解決方案。

高性能計(jì)算和電信設(shè)備的設(shè)計(jì)者，以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商，一直在尋找提高數(shù)據(jù)傳輸速度、擴(kuò)展信道長(zhǎng)度、增加系統(tǒng)容量、優(yōu)化信號(hào)保真度和降低功耗的方法。這一探索導(dǎo)致了更多采用光纖連接。

在其最簡(jiǎn)單的形式中，光信道由一個(gè)組件完成，它將信息轉(zhuǎn)換為一系列表示1或0的二進(jìn)制光脈沖。非歸零(NRZ)PAM2調(diào)制多年來(lái)一直是光數(shù)據(jù)通道的主導(dǎo)地位。

這種形式光通信被稱(chēng)為直接檢測(cè)(direct detect )，并已成為電信和數(shù)據(jù)中心光互連中的主要通信鏈路。

像這樣的簡(jiǎn)單鏈接對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)流是理想的，但是數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)需要盡可能高效地將大文件高速傳輸。

安裝更多光纖來(lái)擴(kuò)大容量是一種有效但代價(jià)昂貴的解決方案。并行多極光纖可增加總信道帶寬，但體積也增加了。光纖電纜可能包含1到3000多根光纖，這對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心的電纜托盤(pán)提出挑戰(zhàn)。獲得許可證、通行權(quán)的使用權(quán)和安裝新的外部光纜所需的成本和時(shí)間，使得尋求通過(guò)每根現(xiàn)有光纖傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)勢(shì)在必行。

數(shù)據(jù)信道的容量可以通過(guò)幾種方式來(lái)增加，例如增加每秒傳輸?shù)姆?hào)數(shù)或信號(hào)變化，或增加每個(gè)符號(hào)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。增加每秒數(shù)據(jù)量需要增加頻率，這可到導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題，并限制了鏈路的有效范圍。 買(mǎi)電子元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

直接檢測(cè)光信令的性能可以通過(guò)使用先進(jìn)的振幅調(diào)制方案來(lái)提高。在給定的波特率下，通過(guò)加倍比特率來(lái)提高每個(gè)時(shí)鐘周期效率的能力使得PAM4調(diào)制被廣泛采用。

PAM4信令已成為在銅通道和光纖通道中實(shí)現(xiàn)56+Gb數(shù)據(jù)速率的首選機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)組織和MSA組織，包括OIF、PCIe、InfiniBand和Ethernet，已經(jīng)在最新規(guī)范中采用PAM4調(diào)制。

在許多數(shù)據(jù)中心，使用直接檢測(cè)技術(shù)的單個(gè)光纖傳輸帶寬已經(jīng)開(kāi)始達(dá)到實(shí)際極限。為了進(jìn)一步支持高速和高容量的連接性需求，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了先進(jìn)的光纖。

替代傳統(tǒng)單核光纖的一種方法是引入多核光纖(MCF)，它在一根光纖中集成了多個(gè)并行光纖。

多芯光纖允許在同一包層下通過(guò)不同的芯同時(shí)傳輸不同信號(hào)。其結(jié)果是增加了每個(gè)光纖的數(shù)據(jù)傳輸密度。

多核光纖制造和終端方面的進(jìn)步使其成為傳統(tǒng)單芯光纖更經(jīng)濟(jì)可行的替代方案。

包括中空芯光纖的光纖結(jié)構(gòu)正在發(fā)展，比如，用空氣填充毛細(xì)管取代標(biāo)準(zhǔn)玻璃芯。由于光在空氣中傳播速度快50%，這種獨(dú)特的光纖是正在尋找極低信號(hào)延遲應(yīng)用的理想方案。

提高各光纖的光譜效率已成為提高光信道數(shù)據(jù)容量的一個(gè)重點(diǎn)。波分多路復(fù)用(WDM)已被證明是一種高效的解決方案。而不是通過(guò)光纖發(fā)送單一波長(zhǎng)的光，而是通過(guò)對(duì)每個(gè)通道使用稍微不同的波長(zhǎng)(顏色)的光來(lái)同時(shí)發(fā)送多個(gè)信號(hào)。波分復(fù)用過(guò)程創(chuàng)建許多并行虛擬光纖，每個(gè)都能夠攜帶不同的信號(hào)。

光學(xué)發(fā)射機(jī)和接收器被調(diào)諧為只發(fā)送和檢測(cè)特定的波長(zhǎng)。組合后的光通過(guò)一根光纖發(fā)送。如果WDM可用于增加已安裝光纖的容量，則這一點(diǎn)特別有吸引力。

基于光帶寬的分離，波分復(fù)用被細(xì)化為過(guò)程和密集版本。通道波分多路復(fù)用(CWDM)可以在一根光纖上封裝18個(gè)信道，而密集波分多路復(fù)用(DWDM)可以在一根光纖上提供多達(dá)90個(gè)同步信道。

對(duì)增加信息傳輸?shù)某掷m(xù)追求促使設(shè)計(jì)師采取下一步，利用DWDM和相干光學(xué)技術(shù)。與傳統(tǒng)的振幅調(diào)制，如PAM2或PAM4傳輸單一數(shù)據(jù)流不同，相干檢測(cè)不僅可以調(diào)制光的振幅，還可以調(diào)制光的相位和偏振特性來(lái)提高光纖的數(shù)據(jù)傳輸能力。

使用集成的相干接收器和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片來(lái)恢復(fù)光信號(hào)的強(qiáng)度、相位和偏振，該芯片可以重建原始信號(hào)特性來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)位。

正交調(diào)幅器(QAM、8QAM或16QAM)提高了對(duì)現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，并降低了網(wǎng)絡(luò)成本。相干傳輸也提供了比直接檢測(cè)更高的靈敏度，可能減少了距離高達(dá)120公里的信道功率需求。

相干光傳輸?shù)氖褂貌⒎菦](méi)有挑戰(zhàn)。更高的比特率需要更復(fù)雜的調(diào)制方案，使符號(hào)更緊密地放在一起，使它們對(duì)噪聲更敏感。解決方案是使用集成在DSP中的強(qiáng)FEC(正向誤差校正)，這可以增加電力和熱量預(yù)算。目前缺乏一個(gè)統(tǒng)一的組織來(lái)確保競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間的互操作性，這也是一個(gè)問(wèn)題。

在過(guò)去，相干光學(xué)只有在極長(zhǎng)的洲際和海底連接中才體現(xiàn)成本效益。硅光子封裝的最新進(jìn)展和7nm DSPs的發(fā)展使制造包括DSP、激光、放大器光電探測(cè)器和射頻集成電路的模塊成為可能，大大降低了成本，并使相干光學(xué)集成到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可插拔連接器中。

線路卡正在被低功耗的CFP2、QSFP-DD和OSFP相干可插拔收發(fā)器所取代。更高功率的長(zhǎng)距離相干收發(fā)器也可作為嵌入式pcb安裝模塊，并可提供高達(dá)800Gb/s。

下一代設(shè)備設(shè)計(jì)者要求連貫的可插拔設(shè)備，提供遠(yuǎn)程診斷、自動(dòng)可調(diào)性和更高的發(fā)射能力來(lái)優(yōu)化他們的網(wǎng)絡(luò)。

將DWDM與相干調(diào)制相結(jié)合，將光網(wǎng)絡(luò)路線圖從100G擴(kuò)展到800G及更高。在這一點(diǎn)上，利用Open ROADM、400ZR、Open ZR+和Open XR等行業(yè)舉措的連貫插入設(shè)備正在匯聚到400G上，這可能在未來(lái)5到10年主導(dǎo)光網(wǎng)絡(luò)。使用400ZR的連貫QSFP-DD和OSFP可插拔設(shè)備，目前可提供高達(dá)400 Gb/s的80個(gè)通道，總?cè)萘繛?2 Tb/s。

數(shù)據(jù)中心正在從100G發(fā)展到400G，最終達(dá)到800+ Gb網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍可達(dá)1000+公里。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是相干可插拔和嵌入式相干收發(fā)器。QSFP-DD800配置文件中的幾個(gè)800G可插拔設(shè)備已經(jīng)被宣布用于早期客戶(hù)評(píng)估。

人們對(duì)相干光學(xué)的興趣并不局限于數(shù)據(jù)中心。有線電視運(yùn)營(yíng)商正在尋找使用光纖，從集線器到聚合節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相干鏈路都利用光纖的優(yōu)點(diǎn)。隨著組件價(jià)格的持續(xù)下降，相干技術(shù)將應(yīng)用到更短的地鐵和邊緣應(yīng)用中，成本是主要考慮因素。

持續(xù)的組件集成推動(dòng)了將400G相干光傳輸技術(shù)直接集成到路由器或交換機(jī)中的趨勢(shì)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和組件數(shù)量。信息論中的一個(gè)基本原理是香農(nóng)極限(Shannon Limit)，它定義了可以在受噪聲影響的信道上傳輸?shù)臒o(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的最大速率。對(duì)更快的波特率、更高的網(wǎng)絡(luò)容量和最大化范圍傳輸將繼續(xù)通過(guò)優(yōu)化光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)，使性能盡可能接近香農(nóng)極限。

來(lái)源：《國(guó)際線纜與連接》投稿人 馮文飛編譯

作者：Robert Hult

審核編輯黃宇