導讀 相幹光技術在數據中心的應用 By Fiber Mall 相幹光學技術的研究起源於20世紀80年代。與傳統的IM-DD系統（強度調制-直接檢測）相比，相幹光通信具有靈敏度高、中繼距離遠、選擇性好、通信...
相幹光技術在數據中心的應用
By Fiber Mall
相幹光學技術的研究起源於20世紀80年代。與傳統的IM-DD系統（強度調制-直接檢測）相比，相幹光通信具有靈敏度高、中繼距離遠、選擇性好、通信容量大、調制方式靈活等優點。在互聯網數據中心，技術重點正日益從DCN轉向DCI發展，而國家“通道計算資源由東向西轉移”战略的實施，也意味着數據中心的遠距離互聯網絡更加重要。因此，相幹光技術是這一過程中的關鍵環節。
調制技術
光通信的過程實際上就是信號的調制和解調。爲了能更清楚地了解相幹光通信，下面介紹兩種與相位相關的調制方法：
相移鍵控調制
PSK又稱“相移鍵控”，通過改變載波的相位值來傳輸不同的數字信號流。PSK調制廣泛應用於光通信中。
相移鍵控信號
根據兩個不同載波的相位關系，PSK分爲BPSK（反相）和QPSK（正交），對於一個符號可以分別表示1bit和2bit數據。
QAM調制
除了上述調制方式外，光通信中還經常使用QAM（正交幅度）調制，即同時利用載波的相位和幅度來傳輸數據。象限中有m個點，對應於mQAM調制，其中m=2ⁿ，也就是說在mQAM調制中，一個載波符號傳輸n比特數據，這也是經常提到的星座圖的概念。
在這些調制方式中，實際業務場景中往往會添加一些其他技術，以增加單通道的承載能力、降低信號波特率等。例如常見的PDM（偏振復用）技術將光信號分爲兩個偏振方向單獨調制，傳輸2倍數據。PSK調制和QAM調制都是利用載波的相位來傳遞信息，在接收端都需要進行相幹解調。
相幹解調
相幹是光學中的一種現象：強的地方總是強，弱的地方總是弱，相幹光是指與光源頻率相同的光波（這裏以零差檢測爲例），恆定的相位差，且疊加點處質點振動方向相同。相幹光通信的一般過程如下：
相幹解調
基帶信號在發送端進行調制，通過光纖傳輸後，在接收端進行相幹解調，最後在接收端得到原始電信號。這個過程中有很多關鍵器件，比如數字信號處理器（DSP），其發揮着巨大的作用。整個過程中信號變化如下：
整個過程信號變化
通過以上介紹，對於相幹光通信有了基本的了解。相幹傳輸的誕生改變了光傳輸網絡的發展。其推出的電子數字信號處理器(DSP)，已成爲城域和長途波分復用網絡容量提升的關鍵驅動因素。相幹光技術可以說是實現遠距離、大容量光傳輸的基礎。
400 GZR
相幹光學技術並不是一項新技術，其經歷了長期的技術積累。最早的相幹光收發器系統集成在通信設備线卡中，但隨着技術的進一步成熟，對精密設備的控制能力的提高，以及對光通信帶寬需求的不斷增加，對可插拔相幹光模塊的研究逐漸提上了日程。在互聯網行業尤其如此。基於同一設備系統，可插拔光模塊可以滿足不同的業務需求。可以說，可插拔光模塊一直是互聯網數據中心發展的重要組成部分。可插拔相幹光模塊已經在100G/200G速率上規模化，但在400G速率下才真正迎來蓬勃發展。
OIF（光互聯論壇）推出了針對城域網互連場景的400G ZR DCO行業標准，越來越多的設備制造商和光模塊制造商开始採用該標准，並實現異構互聯互通。
OIF（光互聯論壇）
OIF 400G ZR規範採用密集波分復用（DWDM）和DP-16QAM相結合的解決方案，可在80~120km的數據中心互連鏈路上傳輸400G（純裸光纖可達40km，光放大器可達120km）。在本標准中，有三個適用的MSA封裝標准，即QSFP-DD、OSFP和CFP2。在互聯網數據中心中，最常用的是QSFP-DD封裝標准。需要說明的是，OIF 400G ZR定義了DCO（數字相幹光）模塊，在此之前，還存在ACO（模擬相幹光）模塊。兩者的主要區別如下：
ACO和DCO模塊
從圖中可以看出，DCO模塊與ACO模塊的核心區別在於，DCO將DSP芯片直接集成在光器件上，模塊與主機系統之間採用數字通信。這樣做的好處是可以實現異構交換機/路由器廠商之間的通信。
數字信號處理器(DSP)
DSP芯片作爲DCO模塊的一部分，至關重要。DSP是如何誕生的？簡而言之，光信號在遠距離傳輸時很容易失真，導致接收端很難准確地恢復數據。但數字信號比光信號更容易處理，可以抵消和補償失真，從而減少失真對系統誤碼率的影響。可以說，DSP的出現开啓了光通信的數字化時代，DSP是相幹光通信的重要支撐。下面通過一張圖來看看DSP在DCO模塊中的作用：
DCO模塊中的DSP
如圖所示，棕紅色背景的功能模塊均由DSP芯片承載。以下總結了DSP的一些核心功能：
- IQ正交：補償調制器、混頻器造成的IQ非正交
- 時鐘恢復：補償採樣誤差
- 色散補償
- 極化均衡:補償與極化相關的損傷，極化解復用
- 頻率估計：發射機和接收機之間的載波頻率偏移估計和補償
- 相位估計：載波相位噪聲估計和補償
- 決策輸出：軟/硬決策、信道解碼、信源解碼、誤碼率估計
由於DSP承載的功能過多，最初的DSP也面臨着體積大、功耗高等問題。因此，圍繞DSP芯片的技術進步也在不斷探索：
- 現階段DSP大多採用7nm，DCO模塊主要封裝形式有QSFP-DD、OSFP、CFP2，速率爲400G/200G l
- 2022-2025階段將推出5nmDSP，目標速率爲1.6T/800G
標題：相幹光技術在數據中心的應用
地址：https://www.utechfun.com/post/306176.html