相干光學照亮了高速數據通信的路徑

相干光學在以前只有在極長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、延長通道長度和增加系統容量方案得到新的發展，使得設計者更容易采用這類解決方案。

高性能計算和電信設備的設計者，以及互聯網服務提供商，一直在尋找提高數據傳輸速度、擴展信道長度、增加系統容量、優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，它將信息轉換為一系列表示1或0的二進制光脈沖。非歸零(NRZ)PAM2調制多年來一直是光數據通道的主導地位。

這種形式光通信被稱為直接檢測(direct detect )，并已成為電信和數據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據流是理想的，但是數據中心和電信網絡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，這對于大型數據中心的電纜托盤提出挑戰。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間，使得尋求通過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幾種方式來增加，例如增加每秒傳輸的符號數或信號變化，或增加每個符號傳輸的比特數。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調制被廣泛采用。

PAM4信令已成為在銅通道和光纖通道中實現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，使用直接檢測技術的單個光纖傳輸帶寬已經開始達到實際極限。為了進一步支持高速和高容量的連接性需求，已經開發出了先進的光纖。

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。其結果是增加了每個光纖的數據傳輸密度。

多核光纖制造和終端方面的進步使其成為傳統單芯光纖更經濟可行的替代方案。

包括中空芯光纖的光纖結構正在發展，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)的光來同時發送多個信號。波分復用過程創建許多并行虛擬光纖，每個都能夠攜帶不同的信號。

光學發射機和接收器被調諧為只發送和檢測特定的波長。組合后的光通過一根光纖發送。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。

對增加信息傳輸的持續追求促使設計師采取下一步，利用DWDM和相干光學技術。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，并降低了網絡成本。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。目前缺乏一個統一的組織來確保競爭產品之間的互操作性，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成本效益。硅光子封裝的最新進展和7nm DSPs的發展使制造包括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相干可插拔收發器所取代。更高功率的長距離相干收發器也可作為嵌入式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、自動可調性和更高的發射能力來優化他們的網絡。

將DWDM與相干調制相結合，將光網絡路線圖從100G擴展到800G及更高。在這一點上，利用Open ROADM、400ZR、Open ZR+和Open XR等行業舉措的連貫插入設備正在匯聚到400G上，這可能在未來5到10年主導光網絡。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個通道，總容量為32 Tb/s。

數據中心正在從100G發展到400G，最終達到800+ Gb網絡，覆蓋范圍可達1000+公里。實現這種轉變的一個關鍵技術是相干可插拔和嵌入式相干收發器。QSFP-DD800配置文件中的幾個800G可插拔設備已經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據中心。有線電視運營商正在尋找使用光纖，從集線器到聚合節點的點對點相干鏈路都利用光纖的優點。隨著組件價格的持續下降，相干技術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了將400G相干光傳輸技術直接集成到路由器或交換機中的趨勢，從而降低了網絡的復雜性和組件數量。信息論中的一個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錯誤數據的最大速率。對更快的波特率、更高的網絡容量和最大化范圍傳輸將繼續通過優化光纖來實現，使性能盡可能接近香農極限。

~相干光學在以前只有在極長的洲際和海底連接中才體現出成本效益。最近，提高數據傳輸速度、延長通道長度和增加系統容量方案得到新的發展，使得設計者更容易采用這類解決方案。

高性能計算和電信設備的設計者，以及互聯網服務提供商，一直在尋找提高數據傳輸速度、擴展信道長度、增加系統容量、優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，它將信息轉換為一系列表示1或0的二進制光脈沖。非歸零(NRZ)PAM2調制多年來一直是光數據通道的主導地位。

這種形式光通信被稱為直接檢測(direct detect )，并已成為電信和數據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據流是理想的，但是數據中心和電信網絡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，這對于大型數據中心的電纜托盤提出挑戰。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間，使得尋求通過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幾種方式來增加，例如增加每秒傳輸的符號數或信號變化，或增加每個符號傳輸的比特數。增加每秒數據量需要增加頻率，這可到導致信號完整性問題，并限制了鏈路的有效范圍。 買電子元器件現貨上唯樣商城

直接檢測光信令的性能可以通過使用先進的振幅調制方案來提高。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調制被廣泛采用。

PAM4信令已成為在銅通道和光纖通道中實現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，使用直接檢測技術的單個光纖傳輸帶寬已經開始達到實際極限。為了進一步支持高速和高容量的連接性需求，已經開發出了先進的光纖。

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。其結果是增加了每個光纖的數據傳輸密度。

多核光纖制造和終端方面的進步使其成為傳統單芯光纖更經濟可行的替代方案。

包括中空芯光纖的光纖結構正在發展，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)的光來同時發送多個信號。波分復用過程創建許多并行虛擬光纖，每個都能夠攜帶不同的信號。

光學發射機和接收器被調諧為只發送和檢測特定的波長。組合后的光通過一根光纖發送。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。

對增加信息傳輸的持續追求促使設計師采取下一步，利用DWDM和相干光學技術。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，并降低了網絡成本。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。目前缺乏一個統一的組織來確保競爭產品之間的互操作性，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成本效益。硅光子封裝的最新進展和7nm DSPs的發展使制造包括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相干可插拔收發器所取代。更高功率的長距離相干收發器也可作為嵌入式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、自動可調性和更高的發射能力來優化他們的網絡。

將DWDM與相干調制相結合，將光網絡路線圖從100G擴展到800G及更高。在這一點上，利用Open ROADM、400ZR、Open ZR+和Open XR等行業舉措的連貫插入設備正在匯聚到400G上，這可能在未來5到10年主導光網絡。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個通道，總容量為32 Tb/s。

數據中心正在從100G發展到400G，最終達到800+ Gb網絡，覆蓋范圍可達1000+公里。實現這種轉變的一個關鍵技術是相干可插拔和嵌入式相干收發器。QSFP-DD800配置文件中的幾個800G可插拔設備已經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據中心。有線電視運營商正在尋找使用光纖，從集線器到聚合節點的點對點相干鏈路都利用光纖的優點。隨著組件價格的持續下降，相干技術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了將400G相干光傳輸技術直接集成到路由器或交換機中的趨勢，從而降低了網絡的復雜性和組件數量。信息論中的一個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錯誤數據的最大速率。對更快的波特率、更高的網絡容量和最大化范圍傳輸將繼續通過優化光纖來實現，使性能盡可能接近香農極限。

來源：《國際線纜與連接》投稿人 馮文飛編譯

作者：Robert Hult

審核編輯黃宇