相干光学照亮了高速数据通信的路径-相干光学原理及应用

相干光学照亮了高速数据通信的路径

相干光学在以前只有在极长的洲际和海底连接中才体现出成本效益。最近，提高数据传输速度、延长通道长度和增加系统容量方案得到新的发展，使得设计者更容易采用这类解决方案。

高性能计算和电信设备的设计者，以及互联网服务提供商，一直在寻找提高数据传输速度、扩展信道长度、增加系统容量、优化信号保真度和降低功耗的方法。这一探索导致了更多采用光纤连接。

在其最简单的形式中，光信道由一个组件完成，它将信息转换为一系列表示1或0的二进制光脉冲。非归零(NRZ)PAM2调制多年来一直是光数据通道的主导地位。

这种形式光通信被称为直接检测(direct detect )，并已成为电信和数据中心光互连中的主要通信链路。

像这样的简单链接对于单个数据流是理想的，但是数据中心和电信网络需要尽可能高效地将大文件高速传输。

安装更多光纤来扩大容量是一种有效但代价昂贵的解决方案。并行多极光纤可增加总信道带宽，但体积也增加了。光纤电缆可能包含1到3000多根光纤，这对于大型数据中心的电缆托盘提出挑战。获得许可证、通行权的使用权和安装新的外部光缆所需的成本和时间，使得寻求通过每根现有光纤传输尽可能多的数据势在必行。

数据信道的容量可以通过几种方式来增加，例如增加每秒传输的符号数或信号变化，或增加每个符号传输的比特数。增加每秒数据量需要增加频率，这可到导致信号完整性问题，并限制了链路的有效范围。

直接检测光信令的性能可以通过使用先进的振幅调制方案来提高。在给定的波特率下，通过加倍比特率来提高每个时钟周期效率的能力使得PAM4调制被广泛采用。

PAM4信令已成为在铜通道和光纤通道中实现56+Gb数据速率的首选机制。标准组织和MSA组织，包括OIF、PCIe、InfiniBand和Ethernet，已经在最新规范中采用PAM4调制。

在许多数据中心，使用直接检测技术的单个光纤传输带宽已经开始达到实际极限。为了进一步支持高速和高容量的连接性需求，已经开发出了先进的光纤。

替代传统单核光纤的一种方法是引入多核光纤(MCF)，它在一根光纤中集成了多个并行光纤。

多芯光纤允许在同一包层下通过不同的芯同时传输不同信号。其结果是增加了每个光纤的数据传输密度。

多核光纤制造和终端方面的进步使其成为传统单芯光纤更经济可行的替代方案。

包括中空芯光纤的光纤结构正在发展，比如，用空气填充毛细管取代标准玻璃芯。由于光在空气中传播速度快50%，这种独特的光纤是正在寻找极低信号延迟应用的理想方案。

提高各光纤的光谱效率已成为提高光信道数据容量的一个重点。波分多路复用(WDM)已被证明是一种高效的解决方案。而不是通过光纤发送单一波长的光，而是通过对每个通道使用稍微不同的波长(颜色)的光来同时发送多个信号。波分复用过程创建许多并行虚拟光纤，每个都能够携带不同的信号。

光学发射机和接收器被调谐为只发送和检测特定的波长。组合后的光通过一根光纤发送。如果WDM可用于增加已安装光纤的容量，则这一点特别有吸引力。

基于光带宽的分离，波分复用被细化为过程和密集版本。通道波分多路复用(CWDM)可以在一根光纤上封装18个信道，而密集波分多路复用(DWDM)可以在一根光纤上提供多达90个同步信道。

对增加信息传输的持续追求促使设计师采取下一步，利用DWDM和相干光学技术。与传统的振幅调制，如PAM2或PAM4传输单一数据流不同，相干检测不仅可以调制光的振幅，还可以调制光的相位和偏振特性来提高光纤的数据传输能力。

使用集成的相干接收器和数字信号处理器(DSP)芯片来恢复光信号的强度、相位和偏振，该芯片可以重建原始信号特性来恢复数据位。

正交调幅器(QAM、8QAM或16QAM)提高了对现有光纤基础设施的利用率，并降低了网络成本。相干传输也提供了比直接检测更高的灵敏度，可能减少了距离高达120公里的信道功率需求。

相干光传输的使用并非没有挑战。更高的比特率需要更复杂的调制方案，使符号更紧密地放在一起，使它们对噪声更敏感。解决方案是使用集成在DSP中的强FEC(正向误差校正)，这可以增加电力和热量预算。目前缺乏一个统一的组织来确保竞争产品之间的互操作性，这也是一个问题。

在过去，相干光学只有在极长的洲际和海底连接中才体现成本效益。硅光子封装的最新进展和7nm DSPs的发展使制造包括DSP、激光、放大器光电探测器和射频集成电路的模块成为可能，大大降低了成本，并使相干光学集成到行业标准可插拔连接器中。

线路卡正在被低功耗的CFP2、QSFP-DD和OSFP相干可插拔收发器所取代。更高功率的长距离相干收发器也可作为嵌入式pcb安装模块，并可提供高达800Gb/s。

下一代设备设计者要求连贯的可插拔设备，提供远程诊断、自动可调性和更高的发射能力来优化他们的网络。

将DWDM与相干调制相结合，将光网络路线图从100G扩展到800G及更高。在这一点上，利用Open ROADM、400ZR、Open ZR+和Open XR等行业举措的连贯插入设备正在汇聚到400G上，这可能在未来5到10年主导光网络。使用400ZR的连贯QSFP-DD和OSFP可插拔设备，目前可提供高达400 Gb/s的80个通道，总容量为32 Tb/s。

数据中心正在从100G发展到400G，最终达到800+ Gb网络，覆盖范围可达1000+公里。实现这种转变的一个关键技术是相干可插拔和嵌入式相干收发器。QSFP-DD800配置文件中的几个800G可插拔设备已经被宣布用于早期客户评估。

人们对相干光学的兴趣并不局限于数据中心。有线电视运营商正在寻找使用光纤，从集线器到聚合节点的点对点相干链路都利用光纤的优点。随着组件价格的持续下降，相干技术将应用到更短的地铁和边缘应用中，成本是主要考虑因素。

持续的组件集成推动了将400G相干光传输技术直接集成到路由器或交换机中的趋势，从而降低了网络的复杂性和组件数量。信息论中的一个基本原理是香农极限(Shannon Limit)，它定义了可以在受噪声影响的信道上传输的无错误数据的最大速率。对更快的波特率、更高的网络容量和最大化范围传输将继续通过优化光纤来实现，使性能尽可能接近香农极限。

~相干光学在以前只有在极长的洲际和海底连接中才体现出成本效益。最近，提高数据传输速度、延长通道长度和增加系统容量方案得到新的发展，使得设计者更容易采用这类解决方案。

高性能计算和电信设备的设计者，以及互联网服务提供商，一直在寻找提高数据传输速度、扩展信道长度、增加系统容量、优化信号保真度和降低功耗的方法。这一探索导致了更多采用光纤连接。

在其最简单的形式中，光信道由一个组件完成，它将信息转换为一系列表示1或0的二进制光脉冲。非归零(NRZ)PAM2调制多年来一直是光数据通道的主导地位。

这种形式光通信被称为直接检测(direct detect )，并已成为电信和数据中心光互连中的主要通信链路。

像这样的简单链接对于单个数据流是理想的，但是数据中心和电信网络需要尽可能高效地将大文件高速传输。

安装更多光纤来扩大容量是一种有效但代价昂贵的解决方案。并行多极光纤可增加总信道带宽，但体积也增加了。光纤电缆可能包含1到3000多根光纤，这对于大型数据中心的电缆托盘提出挑战。获得许可证、通行权的使用权和安装新的外部光缆所需的成本和时间，使得寻求通过每根现有光纤传输尽可能多的数据势在必行。

数据信道的容量可以通过几种方式来增加，例如增加每秒传输的符号数或信号变化，或增加每个符号传输的比特数。增加每秒数据量需要增加频率，这可到导致信号完整性问题，并限制了链路的有效范围。 买电子元器件现货上唯样商城

直接检测光信令的性能可以通过使用先进的振幅调制方案来提高。在给定的波特率下，通过加倍比特率来提高每个时钟周期效率的能力使得PAM4调制被广泛采用。

PAM4信令已成为在铜通道和光纤通道中实现56+Gb数据速率的首选机制。标准组织和MSA组织，包括OIF、PCIe、InfiniBand和Ethernet，已经在最新规范中采用PAM4调制。

在许多数据中心，使用直接检测技术的单个光纤传输带宽已经开始达到实际极限。为了进一步支持高速和高容量的连接性需求，已经开发出了先进的光纤。

替代传统单核光纤的一种方法是引入多核光纤(MCF)，它在一根光纤中集成了多个并行光纤。

多芯光纤允许在同一包层下通过不同的芯同时传输不同信号。其结果是增加了每个光纤的数据传输密度。

多核光纤制造和终端方面的进步使其成为传统单芯光纤更经济可行的替代方案。

包括中空芯光纤的光纤结构正在发展，比如，用空气填充毛细管取代标准玻璃芯。由于光在空气中传播速度快50%，这种独特的光纤是正在寻找极低信号延迟应用的理想方案。

提高各光纤的光谱效率已成为提高光信道数据容量的一个重点。波分多路复用(WDM)已被证明是一种高效的解决方案。而不是通过光纤发送单一波长的光，而是通过对每个通道使用稍微不同的波长(颜色)的光来同时发送多个信号。波分复用过程创建许多并行虚拟光纤，每个都能够携带不同的信号。

光学发射机和接收器被调谐为只发送和检测特定的波长。组合后的光通过一根光纤发送。如果WDM可用于增加已安装光纤的容量，则这一点特别有吸引力。

基于光带宽的分离，波分复用被细化为过程和密集版本。通道波分多路复用(CWDM)可以在一根光纤上封装18个信道，而密集波分多路复用(DWDM)可以在一根光纤上提供多达90个同步信道。

对增加信息传输的持续追求促使设计师采取下一步，利用DWDM和相干光学技术。与传统的振幅调制，如PAM2或PAM4传输单一数据流不同，相干检测不仅可以调制光的振幅，还可以调制光的相位和偏振特性来提高光纤的数据传输能力。

使用集成的相干接收器和数字信号处理器(DSP)芯片来恢复光信号的强度、相位和偏振，该芯片可以重建原始信号特性来恢复数据位。

正交调幅器(QAM、8QAM或16QAM)提高了对现有光纤基础设施的利用率，并降低了网络成本。相干传输也提供了比直接检测更高的灵敏度，可能减少了距离高达120公里的信道功率需求。

相干光传输的使用并非没有挑战。更高的比特率需要更复杂的调制方案，使符号更紧密地放在一起，使它们对噪声更敏感。解决方案是使用集成在DSP中的强FEC(正向误差校正)，这可以增加电力和热量预算。目前缺乏一个统一的组织来确保竞争产品之间的互操作性，这也是一个问题。

在过去，相干光学只有在极长的洲际和海底连接中才体现成本效益。硅光子封装的最新进展和7nm DSPs的发展使制造包括DSP、激光、放大器光电探测器和射频集成电路的模块成为可能，大大降低了成本，并使相干光学集成到行业标准可插拔连接器中。

线路卡正在被低功耗的CFP2、QSFP-DD和OSFP相干可插拔收发器所取代。更高功率的长距离相干收发器也可作为嵌入式pcb安装模块，并可提供高达800Gb/s。

下一代设备设计者要求连贯的可插拔设备，提供远程诊断、自动可调性和更高的发射能力来优化他们的网络。

将DWDM与相干调制相结合，将光网络路线图从100G扩展到800G及更高。在这一点上，利用Open ROADM、400ZR、Open ZR+和Open XR等行业举措的连贯插入设备正在汇聚到400G上，这可能在未来5到10年主导光网络。使用400ZR的连贯QSFP-DD和OSFP可插拔设备，目前可提供高达400 Gb/s的80个通道，总容量为32 Tb/s。

数据中心正在从100G发展到400G，最终达到800+ Gb网络，覆盖范围可达1000+公里。实现这种转变的一个关键技术是相干可插拔和嵌入式相干收发器。QSFP-DD800配置文件中的几个800G可插拔设备已经被宣布用于早期客户评估。

人们对相干光学的兴趣并不局限于数据中心。有线电视运营商正在寻找使用光纤，从集线器到聚合节点的点对点相干链路都利用光纤的优点。随着组件价格的持续下降，相干技术将应用到更短的地铁和边缘应用中，成本是主要考虑因素。

持续的组件集成推动了将400G相干光传输技术直接集成到路由器或交换机中的趋势，从而降低了网络的复杂性和组件数量。信息论中的一个基本原理是香农极限(Shannon Limit)，它定义了可以在受噪声影响的信道上传输的无错误数据的最大速率。对更快的波特率、更高的网络容量和最大化范围传输将继续通过优化光纤来实现，使性能尽可能接近香农极限。

来源：《国际线缆与连接》投稿人 冯文飞编译

作者：Robert Hult

审核编辑黄宇