相干光技术在数据中心的应用

　　By Fiber Mall

　　相干光学技术的研究起源于20世纪80年代。与传统的IM-DD系统(强度调制-直接检测)相比，相干光通信具有灵敏度高、中继距离远、选择性好、通信容量大、调制方式灵活等优点。在互联网数据中心，技术重点正日益从DCN转向DCI发展，而国家“通道计算资源由东向西转移”战略的实施，也意味着数据中心的远距离互联网络更加重要。因此，相干光技术是这一过程中的关键环节。

　　调制技术

　　光通信的过程实际上就是信号的调制和解调。为了能更清楚地了解相干光通信，下面介绍两种与相位相关的调制方法：

　　相移键控调制

　　PSK又称“相移键控”，通过改变载波的相位值来传输不同的数字信号流。PSK调制广泛应用于光通信中。

　　相移键控信号

　　根据两个不同载波的相位关系，PSK分为BPSK(反相)和QPSK(正交)，对于一个符号可以分别表示1bit和2bit数据。

　　QAM调制

　　除了上述调制方式外，光通信中还经常使用QAM(正交幅度)调制，即同时利用载波的相位和幅度来传输数据。象限中有m个点，对应于mQAM调制，其中m=2ⁿ，也就是说在mQAM调制中，一个载波符号传输n比特数据，这也是经常提到的星座图的概念。

　　在这些调制方式中，实际业务场景中往往会添加一些其他技术，以增加单通道的承载能力、降低信号波特率等。例如常见的PDM(偏振复用)技术将光信号分为两个偏振方向单独调制，传输2倍数据。PSK调制和QAM调制都是利用载波的相位来传递信息，在接收端都需要进行相干解调。

　　相干解调

　　相干是光学中的一种现象：强的地方总是强，弱的地方总是弱，相干光是指与光源频率相同的光波(这里以零差检测为例)，恒定的相位差，且叠加点处质点振动方向相同。相干光通信的一般过程如下：

　　相干解调

　　基带信号在发送端进行调制，通过光纤传输后，在接收端进行相干解调，最后在接收端得到原始电信号。这个过程中有很多关键器件，比如数字信号处理器(DSP)，其发挥着巨大的作用。整个过程中信号变化如下：

　　整个过程信号变化

　　通过以上介绍，对于相干光通信有了基本的了解。相干传输的诞生改变了光传输网络的发展。其推出的电子数字信号处理器(DSP)，已成为城域和长途波分复用网络容量提升的关键驱动因素。相干光技术可以说是实现远距离、大容量光传输的基础。

　　400 GZR

　　相干光学技术并不是一项新技术，其经历了长期的技术积累。最早的相干光收发器系统集成在通信设备线卡中，但随着技术的进一步成熟，对精密设备的控制能力的提高，以及对光通信带宽需求的不断增加，对可插拔相干光模块的研究逐渐提上了日程。在互联网行业尤其如此。基于同一设备系统，可插拔光模块可以满足不同的业务需求。可以说，可插拔光模块一直是互联网数据中心发展的重要组成部分。可插拔相干光模块已经在100G/200G速率上规模化，但在400G速率下才真正迎来蓬勃发展。

　　OIF(光互联论坛)推出了针对城域网互连场景的400G ZR DCO行业标准，越来越多的设备制造商和光模块制造商开始采用该标准，并实现异构互联互通。

　　OIF(光互联论坛)

　　OIF 400G ZR规范采用密集波分复用(DWDM)和DP-16QAM相结合的解决方案，可在80~120km的数据中心互连链路上传输400G(纯裸光纤可达40km，光放大器可达120km)。在本标准中，有三个适用的MSA封装标准，即QSFP-DD、OSFP和CFP2。在互联网数据中心中，最常用的是QSFP-DD封装标准。需要说明的是，OIF 400G ZR定义了DCO(数字相干光)模块，在此之前，还存在ACO(模拟相干光)模块。两者的主要区别如下：

　　ACO和DCO模块

　　从图中可以看出，DCO模块与ACO模块的核心区别在于，DCO将DSP芯片直接集成在光器件上，模块与主机系统之间采用数字通信。这样做的好处是可以实现异构交换机/路由器厂商之间的通信。

　　数字信号处理器(DSP)

　　DSP芯片作为DCO模块的一部分，至关重要。DSP是如何诞生的?简而言之，光信号在远距离传输时很容易失真，导致接收端很难准确地恢复数据。但数字信号比光信号更容易处理，可以抵消和补偿失真，从而减少失真对系统误码率的影响。可以说，DSP的出现开启了光通信的数字化时代，DSP是相干光通信的重要支撑。下面通过一张图来看看DSP在DCO模块中的作用：

　　DCO模块中的DSP

　　如图所示，棕红色背景的功能模块均由DSP芯片承载。以下总结了DSP的一些核心功能：

　　IQ正交：补偿调制器、混频器造成的IQ非正交

　　时钟恢复：补偿采样误差

　　色散补偿

　　极化均衡:补偿与极化相关的损伤，极化解复用

　　频率估计：发射机和接收机之间的载波频率偏移估计和补偿

　　相位估计：载波相位噪声估计和补偿

　　决策输出：软/硬决策、信道解码、信源解码、误码率估计

　　由于DSP承载的功能过多，最初的DSP也面临着体积大、功耗高等问题。因此，围绕DSP芯片的技术进步也在不断探索：

　　现阶段DSP大多采用7nm，DCO模块主要封装形式有QSFP-DD、OSFP、CFP2，速率为400G/200G l

　　2022-2025阶段将推出5nmDSP，目标速率为1.6T/800G