【導讀】相干光學在以前只有在極長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、延長通道長度和增加系統(tǒng)容量方案得到新的發(fā)展，使得設(shè)計者更容易采用這類解決方案。
高性能計算和電信設(shè)備的設(shè)計者，以及互聯(lián)網(wǎng)服務提供商，一直在尋找提高數(shù)據(jù)傳輸速度、擴展信道長度、增加系統(tǒng)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。
在其最簡單的形式中，光信道由一個組件完成，它將信息轉(zhuǎn)換為一系列表示1或0的二進制光脈沖。非歸零(NRZ)PAM2調(diào)制多年來一直是光數(shù)據(jù)通道的主導地位。
這種形式光通信被稱為直接檢測(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。
像這樣的簡單鏈接對于單個數(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。
安裝更多光纖來擴大容量是一種有效但代價昂貴的解決方案。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(shù)據(jù)中心的電纜托盤提出挑戰(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間，使得尋求通過每根現(xiàn)有光纖傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)勢在必行。
數(shù)據(jù)信道的容量可以通過幾種方式來增加，例如增加每秒傳輸?shù)姆枖?shù)或信號變化，或增加每個符號傳輸?shù)谋忍財?shù)。增加每秒數(shù)據(jù)量需要增加頻率，這可到導致信號完整性問題，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使用先進的振幅調(diào)制方案來提高。在給定的波特率下，通過加倍比特率來提高每個時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現(xiàn)56+Gb數(shù)據(jù)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(guī)范中采用PAM4調(diào)制。
在許多數(shù)據(jù)中心，使用直接檢測技術(shù)的單個光纖傳輸帶寬已經(jīng)開始達到實際極限。為了進一步支持高速和高容量的連接性需求，已經(jīng)開發(fā)出了先進的光纖。
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并行光纖。
多芯光纖允許在同一包層下通過不同的芯同時傳輸不同信號。其結(jié)果是增加了每個光纖的數(shù)據(jù)傳輸密度。
多核光纖制造和終端方面的進步使其成為傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)容量的一個重點。波分多路復用(WDM)已被證明是一種高效的解決方案。而不是通過光纖發(fā)送單一波長的光，而是通過對每個通道使用稍微不同的波長(顏色)的光來同時發(fā)送多個信號。波分復用過程創(chuàng)建許多并行虛擬光纖，每個都能夠攜帶不同的信號。
光學發(fā)射機和接收器被調(diào)諧為只發(fā)送和檢測特定的波長。組合后的光通過一根光纖發(fā)送。如果WDM可用于增加已安裝光纖的容量，則這一點特別有吸引力。
基于光帶寬的分離，波分復用被細化為過程和密集版本。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個同步信道。
對增加信息傳輸?shù)某掷m(xù)追求促使設(shè)計師采取下一步，利用DWDM和相干光學技術(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)字信號處理器(DSP)芯片來恢復光信號的強度、相位和偏振，該芯片可以重建原始信號特性來恢復數(shù)據(jù)位。
正交調(diào)幅器(QAM、8QAM或16QAM)提高了對現(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?shù)氖褂貌⒎菦]有挑戰(zhàn)。更高的比特率需要更復雜的調(diào)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。目前缺乏一個統(tǒng)一的組織來確保競爭產(chǎn)品之間的互操作性，這也是一個問題。
在過去，相干光學只有在極長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，并使相干光學集成到行業(yè)標準可插拔連接器中。
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(shè)備設(shè)計者要求連貫的可插拔設(shè)備，提供遠程診斷、自動可調(diào)性和更高的發(fā)射能力來優(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擴展到800G及更高。在這一點上，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(shè)備，目前可提供高達400 Gb/s的80個通道，總?cè)萘繛?2 Tb/s。
數(shù)據(jù)中心正在從100G發(fā)展到400G，最終達到800+ Gb網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍可達1000+公里。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的一個關(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800G可插拔設(shè)備已經(jīng)被宣布用于早期客戶評估。
人們對相干光學的興趣并不局限于數(shù)據(jù)中心。有線電視運營商正在尋找使用光纖，從集線器到聚合節(jié)點的點對點相干鏈路都利用光纖的優(yōu)點。隨著組件價格的持續(xù)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(xù)的組件集成推動了將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(shù)量。信息論中的一個基本原理是香農(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錯誤數(shù)據(jù)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(xù)通過優(yōu)化光纖來實現(xiàn)，使性能盡可能接近香農(nóng)極限。
~相干光學在以前只有在極長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、延長通道長度和增加系統(tǒng)容量方案得到新的發(fā)展，使得設(shè)計者更容易采用這類解決方案。
高性能計算和電信設(shè)備的設(shè)計者，以及互聯(lián)網(wǎng)服務提供商，一直在尋找提高數(shù)據(jù)傳輸速度、擴展信道長度、增加系統(tǒng)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。
在其最簡單的形式中，光信道由一個組件完成，它將信息轉(zhuǎn)換為一系列表示1或0的二進制光脈沖。非歸零(NRZ)PAM2調(diào)制多年來一直是光數(shù)據(jù)通道的主導地位。
這種形式光通信被稱為直接檢測(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。
像這樣的簡單鏈接對于單個數(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。
安裝更多光纖來擴大容量是一種有效但代價昂貴的解決方案。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(shù)據(jù)中心的電纜托盤提出挑戰(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間，使得尋求通過每根現(xiàn)有光纖傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)勢在必行。
數(shù)據(jù)信道的容量可以通過幾種方式來增加，例如增加每秒傳輸?shù)姆枖?shù)或信號變化，或增加每個符號傳輸?shù)谋忍財?shù)。增加每秒數(shù)據(jù)量需要增加頻率，這可到導致信號完整性問題，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使用先進的振幅調(diào)制方案來提高。在給定的波特率下，通過加倍比特率來提高每個時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現(xiàn)56+Gb數(shù)據(jù)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(guī)范中采用PAM4調(diào)制。
在許多數(shù)據(jù)中心，使用直接檢測技術(shù)的單個光纖傳輸帶寬已經(jīng)開始達到實際極限。為了進一步支持高速和高容量的連接性需求，已經(jīng)開發(fā)出了先進的光纖。
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并行光纖。
多芯光纖允許在同一包層下通過不同的芯同時傳輸不同信號。其結(jié)果是增加了每個光纖的數(shù)據(jù)傳輸密度。
多核光纖制造和終端方面的進步使其成為傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)容量的一個重點。波分多路復用(WDM)已被證明是一種高效的解決方案。而不是通過光纖發(fā)送單一波長的光，而是通過對每個通道使用稍微不同的波長(顏色)的光來同時發(fā)送多個信號。波分復用過程創(chuàng)建許多并行虛擬光纖，每個都能夠攜帶不同的信號。
光學發(fā)射機和接收器被調(diào)諧為只發(fā)送和檢測特定的波長。組合后的光通過一根光纖發(fā)送。如果WDM可用于增加已安裝光纖的容量，則這一點特別有吸引力。
基于光帶寬的分離，波分復用被細化為過程和密集版本。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個同步信道。
對增加信息傳輸?shù)某掷m(xù)追求促使設(shè)計師采取下一步，利用DWDM和相干光學技術(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)字信號處理器(DSP)芯片來恢復光信號的強度、相位和偏振，該芯片可以重建原始信號特性來恢復數(shù)據(jù)位。
正交調(diào)幅器(QAM、8QAM或16QAM)提高了對現(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?shù)氖褂貌⒎菦]有挑戰(zhàn)。更高的比特率需要更復雜的調(diào)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。目前缺乏一個統(tǒng)一的組織來確保競爭產(chǎn)品之間的互操作性，這也是一個問題。
在過去，相干光學只有在極長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，并使相干光學集成到行業(yè)標準可插拔連接器中。
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(shè)備設(shè)計者要求連貫的可插拔設(shè)備，提供遠程診斷、自動可調(diào)性和更高的發(fā)射能力來優(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擴展到800G及更高。在這一點上，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(shè)備，目前可提供高達400 Gb/s的80個通道，總?cè)萘繛?2 Tb/s。
數(shù)據(jù)中心正在從100G發(fā)展到400G，最終達到800+ Gb網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍可達1000+公里。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的一個關(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800G可插拔設(shè)備已經(jīng)被宣布用于早期客戶評估。
人們對相干光學的興趣并不局限于數(shù)據(jù)中心。有線電視運營商正在尋找使用光纖，從集線器到聚合節(jié)點的點對點相干鏈路都利用光纖的優(yōu)點。隨著組件價格的持續(xù)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(xù)的組件集成推動了將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(shù)量。信息論中的一個基本原理是香農(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錯誤數(shù)據(jù)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(xù)通過優(yōu)化光纖來實現(xiàn)，使性能盡可能接近香農(nóng)極限。
來源：《國際線纜與連接》投稿人 馮文飛編譯
作者：Robert Hult
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