【導讀】相干光學(xué)在以前只有在極長(cháng)的洲際和海底連接中才體現出成本效益。最近，提高數據傳輸速度、延長(cháng)通道長(cháng)度和增加系統容量方案得到新的發(fā)展，使得設計者更容易采用這類(lèi)解決方案。
高性能計算和電信設備的設計者，以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商，一直在尋找提高數據傳輸速度、擴展信道長(cháng)度、增加系統容量、優(yōu)化信號保真度和降低功耗的方法。這一探索導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，它將信息轉換為一系列表示1或0的二進(jìn)制光脈沖。非歸零(NRZ)PAM2調制多年來(lái)一直是光數據通道的主導地位。
這種形式光通信被稱(chēng)為直接檢測(direct detect )，并已成為電信和數據中心光互連中的主要通信鏈路。
像這樣的簡(jiǎn)單鏈接對于單個(gè)數據流是理想的，但是數據中心和電信網(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，這對于大型數據中心的電纜托盤(pán)提出挑戰。獲得許可證、通行權的使用權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)每根現有光纖傳輸盡可能多的數據勢在必行。
數據信道的容量可以通過(guò)幾種方式來(lái)增加，例如增加每秒傳輸的符號數或信號變化，或增加每個(gè)符號傳輸的比特數。增加每秒數據量需要增加頻率，這可到導致信號完整性問(wèn)題，并限制了鏈路的有效范圍。
直接檢測光信令的性能可以通過(guò)使用先進(jìn)的振幅調制方案來(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56+Gb數據速率的首選機制。標準組織和MSA組織，包括OIF、PCIe、InfiniBand和Ethernet，已經(jīng)在最新規范中采用PAM4調制。
在許多數據中心，使用直接檢測技術(shù)的單個(gè)光纖傳輸帶寬已經(jīng)開(kāi)始達到實(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。其結果是增加了每個(gè)光纖的數據傳輸密度。
多核光纖制造和終端方面的進(jìn)步使其成為傳統單芯光纖更經(jīng)濟可行的替代方案。
包括中空芯光纖的光纖結構正在發(fā)展，比如，用空氣填充毛細管取代標準玻璃芯。由于光在空氣中傳播速度快50%，這種獨特的光纖是正在尋找極低信號延遲應用的理想方案。
提高各光纖的光譜效率已成為提高光信道數據容量的一個(gè)重點(diǎn)。波分多路復用(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(cháng)的光，而是通過(guò)對每個(gè)通道使用稍微不同的波長(cháng)(顏色)的光來(lái)同時(shí)發(fā)送多個(gè)信號。波分復用過(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。
光學(xué)發(fā)射機和接收器被調諧為只發(fā)送和檢測特定的波長(cháng)。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，波分復用被細化為過(guò)程和密集版本。通道波分多路復用(CWDM)可以在一根光纖上封裝18個(gè)信道，而密集波分多路復用(DWDM)可以在一根光纖上提供多達90個(gè)同步信道。
對增加信息傳輸的持續追求促使設計師采取下一步，利用DWDM和相干光學(xué)技術(shù)。與傳統的振幅調制，如PAM2或PAM4傳輸單一數據流不同，相干檢測不僅可以調制光的振幅，還可以調制光的相位和偏振特性來(lái)提高光纖的數據傳輸能力。
使用集成的相干接收器和數字信號處理器(DSP)芯片來(lái)恢復光信號的強度、相位和偏振，該芯片可以重建原始信號特性來(lái)恢復數據位。
正交調幅器(QAM、8QAM或16QAM)提高了對現有光纖基礎設施的利用率，并降低了網(wǎng)絡(luò )成本。相干傳輸也提供了比直接檢測更高的靈敏度，可能減少了距離高達120公里的信道功率需求。
相干光傳輸的使用并非沒(méi)有挑戰。更高的比特率需要更復雜的調制方案，使符號更緊密地放在一起，使它們對噪聲更敏感。解決方案是使用集成在DSP中的強FEC(正向誤差校正)，這可以增加電力和熱量預算。目前缺乏一個(gè)統一的組織來(lái)確保競爭產(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(cháng)的洲際和海底連接中才體現成本效益。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)標準可插拔連接器中。
線(xiàn)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(cháng)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800Gb/s。
下一代設備設計者要求連貫的可插拔設備，提供遠程診斷、自動(dòng)可調性和更高的發(fā)射能力來(lái)優(yōu)化他們的網(wǎng)絡(luò )。
將DWDM與相干調制相結合，將光網(wǎng)絡(luò )路線(xiàn)圖從100G擴展到800G及更高。在這一點(diǎn)上，利用Open ROADM、400ZR、Open ZR+和Open XR等行業(yè)舉措的連貫插入設備正在匯聚到400G上，這可能在未來(lái)5到10年主導光網(wǎng)絡(luò )。使用400ZR的連貫QSFP-DD和OSFP可插拔設備，目前可提供高達400 Gb/s的80個(gè)通道，總容量為32 Tb/s。
數據中心正在從100G發(fā)展到400G，最終達到800+ Gb網(wǎng)絡(luò )，覆蓋范圍可達1000+公里。實(shí)現這種轉變的一個(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可插拔設備已經(jīng)被宣布用于早期客戶(hù)評估。
人們對相干光學(xué)的興趣并不局限于數據中心。有線(xiàn)電視運營(yíng)商正在尋找使用光纖，從集線(xiàn)器到聚合節點(diǎn)的點(diǎn)對點(diǎn)相干鏈路都利用光纖的優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)組件價(jià)格的持續下降，相干技術(shù)將應用到更短的地鐵和邊緣應用中，成本是主要考慮因素。
持續的組件集成推動(dòng)了將400G相干光傳輸技術(shù)直接集成到路由器或交換機中的趨勢，從而降低了網(wǎng)絡(luò )的復雜性和組件數量。信息論中的一個(gè)基本原理是香農極限(Shannon Limit)，它定義了可以在受噪聲影響的信道上傳輸的無(wú)錯誤數據的最大速率。對更快的波特率、更高的網(wǎng)絡(luò )容量和最大化范圍傳輸將繼續通過(guò)優(yōu)化光纖來(lái)實(shí)現，使性能盡可能接近香農極限。
~相干光學(xué)在以前只有在極長(cháng)的洲際和海底連接中才體現出成本效益。最近，提高數據傳輸速度、延長(cháng)通道長(cháng)度和增加系統容量方案得到新的發(fā)展，使得設計者更容易采用這類(lèi)解決方案。
高性能計算和電信設備的設計者，以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商，一直在尋找提高數據傳輸速度、擴展信道長(cháng)度、增加系統容量、優(yōu)化信號保真度和降低功耗的方法。這一探索導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，它將信息轉換為一系列表示1或0的二進(jìn)制光脈沖。非歸零(NRZ)PAM2調制多年來(lái)一直是光數據通道的主導地位。
這種形式光通信被稱(chēng)為直接檢測(direct detect )，并已成為電信和數據中心光互連中的主要通信鏈路。
像這樣的簡(jiǎn)單鏈接對于單個(gè)數據流是理想的，但是數據中心和電信網(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，這對于大型數據中心的電纜托盤(pán)提出挑戰。獲得許可證、通行權的使用權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)每根現有光纖傳輸盡可能多的數據勢在必行。
數據信道的容量可以通過(guò)幾種方式來(lái)增加，例如增加每秒傳輸的符號數或信號變化，或增加每個(gè)符號傳輸的比特數。增加每秒數據量需要增加頻率，這可到導致信號完整性問(wèn)題，并限制了鏈路的有效范圍。
直接檢測光信令的性能可以通過(guò)使用先進(jìn)的振幅調制方案來(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56+Gb數據速率的首選機制。標準組織和MSA組織，包括OIF、PCIe、InfiniBand和Ethernet，已經(jīng)在最新規范中采用PAM4調制。
在許多數據中心，使用直接檢測技術(shù)的單個(gè)光纖傳輸帶寬已經(jīng)開(kāi)始達到實(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。其結果是增加了每個(gè)光纖的數據傳輸密度。
多核光纖制造和終端方面的進(jìn)步使其成為傳統單芯光纖更經(jīng)濟可行的替代方案。
包括中空芯光纖的光纖結構正在發(fā)展，比如，用空氣填充毛細管取代標準玻璃芯。由于光在空氣中傳播速度快50%，這種獨特的光纖是正在尋找極低信號延遲應用的理想方案。
提高各光纖的光譜效率已成為提高光信道數據容量的一個(gè)重點(diǎn)。波分多路復用(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(cháng)的光，而是通過(guò)對每個(gè)通道使用稍微不同的波長(cháng)(顏色)的光來(lái)同時(shí)發(fā)送多個(gè)信號。波分復用過(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。
光學(xué)發(fā)射機和接收器被調諧為只發(fā)送和檢測特定的波長(cháng)。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，波分復用被細化為過(guò)程和密集版本。通道波分多路復用(CWDM)可以在一根光纖上封裝18個(gè)信道，而密集波分多路復用(DWDM)可以在一根光纖上提供多達90個(gè)同步信道。
對增加信息傳輸的持續追求促使設計師采取下一步，利用DWDM和相干光學(xué)技術(shù)。與傳統的振幅調制，如PAM2或PAM4傳輸單一數據流不同，相干檢測不僅可以調制光的振幅，還可以調制光的相位和偏振特性來(lái)提高光纖的數據傳輸能力。
使用集成的相干接收器和數字信號處理器(DSP)芯片來(lái)恢復光信號的強度、相位和偏振，該芯片可以重建原始信號特性來(lái)恢復數據位。
正交調幅器(QAM、8QAM或16QAM)提高了對現有光纖基礎設施的利用率，并降低了網(wǎng)絡(luò )成本。相干傳輸也提供了比直接檢測更高的靈敏度，可能減少了距離高達120公里的信道功率需求。
相干光傳輸的使用并非沒(méi)有挑戰。更高的比特率需要更復雜的調制方案，使符號更緊密地放在一起，使它們對噪聲更敏感。解決方案是使用集成在DSP中的強FEC(正向誤差校正)，這可以增加電力和熱量預算。目前缺乏一個(gè)統一的組織來(lái)確保競爭產(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(cháng)的洲際和海底連接中才體現成本效益。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)標準可插拔連接器中。
線(xiàn)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(cháng)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800Gb/s。
下一代設備設計者要求連貫的可插拔設備，提供遠程診斷、自動(dòng)可調性和更高的發(fā)射能力來(lái)優(yōu)化他們的網(wǎng)絡(luò )。
將DWDM與相干調制相結合，將光網(wǎng)絡(luò )路線(xiàn)圖從100G擴展到800G及更高。在這一點(diǎn)上，利用Open ROADM、400ZR、Open ZR+和Open XR等行業(yè)舉措的連貫插入設備正在匯聚到400G上，這可能在未來(lái)5到10年主導光網(wǎng)絡(luò )。使用400ZR的連貫QSFP-DD和OSFP可插拔設備，目前可提供高達400 Gb/s的80個(gè)通道，總容量為32 Tb/s。
數據中心正在從100G發(fā)展到400G，最終達到800+ Gb網(wǎng)絡(luò )，覆蓋范圍可達1000+公里。實(shí)現這種轉變的一個(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可插拔設備已經(jīng)被宣布用于早期客戶(hù)評估。
人們對相干光學(xué)的興趣并不局限于數據中心。有線(xiàn)電視運營(yíng)商正在尋找使用光纖，從集線(xiàn)器到聚合節點(diǎn)的點(diǎn)對點(diǎn)相干鏈路都利用光纖的優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)組件價(jià)格的持續下降，相干技術(shù)將應用到更短的地鐵和邊緣應用中，成本是主要考慮因素。
持續的組件集成推動(dòng)了將400G相干光傳輸技術(shù)直接集成到路由器或交換機中的趨勢，從而降低了網(wǎng)絡(luò )的復雜性和組件數量。信息論中的一個(gè)基本原理是香農極限(Shannon Limit)，它定義了可以在受噪聲影響的信道上傳輸的無(wú)錯誤數據的最大速率。對更快的波特率、更高的網(wǎng)絡(luò )容量和最大化范圍傳輸將繼續通過(guò)優(yōu)化光纖來(lái)實(shí)現，使性能盡可能接近香農極限。
來(lái)源：《國際線(xiàn)纜與連接》投稿人 馮文飛編譯
作者：Robert Hult
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