相干光技術

相干光技術的研究最早起源于1980s，對比傳統(tǒng)的IM-DD系統(tǒng)(強度調(diào)制-直接檢測)，相干光通信具有靈敏度高中繼距離長、選擇性好通信容量大以及調(diào)制方式靈活等優(yōu)點。在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心中，技術重點投入方向越來越從DCN轉向DCI發(fā)展，而國家“東數(shù)西算”戰(zhàn)略的推行，也代表數(shù)據(jù)中心長距離互聯(lián)網(wǎng)絡愈加重要。因此，相干光技術是這個過程中的關鍵一環(huán)。

調(diào)制技術

光通信的過程其實就是對信號的調(diào)制與解調(diào)，為了讓大家對相干光通信有一個更清晰的認知，我們介紹兩種相位相關的調(diào)制方式：

PSK調(diào)制

PSK又稱“相移鍵控”，通過改變載波的相位值從而傳輸不同數(shù)字信號的碼流，PSK調(diào)制在光通信中是被廣泛使用的一種技術。

根據(jù)兩個不同載波的相位關系，PSK又分為BPSK(反相)和QPSK(正交)，一個符號分別可以代表1bit和2bit數(shù)據(jù)。

QAM調(diào)制

除了上述調(diào)制方式外，光通信中還會經(jīng)常用到QAM(正交振幅)調(diào)制，即同時使用載波的相位和幅度來傳輸數(shù)據(jù)。象限中一共有m個點位，那對應就是mQAM調(diào)制，m=2?，也就代表了在mQAM調(diào)制中，一個載波符號傳輸n bit數(shù)據(jù)，這也就是常說的星座圖的概念。

這些調(diào)制手段中，實際業(yè)務場景往往會附加一些其他技術去增加單波道的承載能力、降低信號波特率等等。比如常見的PDM(偏振復用)技術，就是將一個光信號分成兩個偏振方向分別進行調(diào)制，從而傳輸2倍的數(shù)據(jù)。

在PSK調(diào)制和QAM調(diào)制中都利用到了載波的相位傳遞信息，此時在接收端就需要相干解調(diào)。

相干解調(diào)

相干是光學中的一種現(xiàn)象：強處恒強，弱處恒弱，所謂相干光則是指與本光源頻率相同(這里以零差檢測為例)、相位差恒定、疊加處質點振動方向相同的光波。

相干光通信的大致過程如下：

原始電信號在發(fā)送端進行調(diào)制，經(jīng)光纖傳輸后于接收端進行相干解調(diào)，最終在接收端得到原始的電信號，這里邊存在許多關鍵的器件，比如數(shù)字信號處理器(DSP)發(fā)揮了巨大作用，后邊我們也會介紹到。整個過程中信號變化如下：

通過以上這些信息，想必大家對相干光通信有了一個基礎的認知，相干傳輸?shù)恼Q生改變了光傳輸網(wǎng)絡的發(fā)展，其引入的電子數(shù)字信號處理器(DSP)成為增加城域和長途W(wǎng)DM網(wǎng)絡容量的關鍵推動因素，相干光技術可以說是長距離大容量光傳輸?shù)幕尽?

400G ZR

正如開篇所講，相干光技術并非一門新技術，其經(jīng)歷了長時間的技術積累。最早的相干光收發(fā)系統(tǒng)集成于通信設備線卡中，但是隨著技術的進一步成熟、精密器件把控能力加強以及光通信帶寬需求不斷增大，可插拔相干光模塊的研究逐漸被提上日程。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)尤其如此，基于同一套設備系統(tǒng)，可插拔光模塊可以滿足不同的業(yè)務需求，可以說可插拔光模塊一直是伴隨互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的很重要一環(huán)?？刹灏蜗喔晒饽K在100G/200G速率就已經(jīng)規(guī)?；?，但真正迎來蓬勃發(fā)展是在400G速率。

400G ZR

OIF(光互聯(lián)網(wǎng)絡論壇)推出了面向城域網(wǎng)互聯(lián)場景的 400G ZR DCO行業(yè)標準，越來越多的設備廠商和光模塊廠商開始擁抱該標準并實現(xiàn)異構互聯(lián)互通。

OIF 400G ZR規(guī)范采用密集波分復用(DWDM)和DP-16QAM結合的方案，可以在80~120km(純裸纖到40km，光放加成可以到120km)的數(shù)據(jù)中心互連鏈路上傳輸400G。在該標準中有三種適用的MSA封裝標準，分別是：QSFP-DD、OSFP以及CFP2，在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心里，最為常用的是QSFP-DD封裝標準。

需要注意的是，OIF 400G ZR定義了DCO(數(shù)字相干光)模塊，在此之前還存在ACO(模擬相干光)模塊，兩者主要區(qū)別如下：

從圖中不難看出，DCO模塊與ACO模塊最核心的區(qū)別在于，DCO將DSP芯片直接集成在光器件上，模塊與主機系統(tǒng)之間采用數(shù)字通信方式，這樣做的好處是可以實現(xiàn)異構交換機/路由器廠商通信。利用ACO模塊，曾經(jīng)也涌現(xiàn)了大批量的“比薩盒”DWDM通信系統(tǒng)，大家感興趣的可以自行查閱。

數(shù)字信號處理器(DSP)

我們通篇都在談論DSP這個詞匯，DSP芯片作為DCO模塊中的一部分，可謂重中之重，DSP又是如何誕生的呢?通俗易懂得說，由于光信號在長距離傳輸時很容易產(chǎn)生失真，導致接收端無法準確還原數(shù)據(jù)，但是數(shù)字信號對比光信號更容易做處理，去對抗和補償失真從而降低失真對系統(tǒng)誤碼率的影響?？梢哉f，DSP的出現(xiàn)開創(chuàng)了光通信的數(shù)字時代，DSP是相干光通信的重要支撐。

我們先通過一張圖來看下DSP在DCO模塊中的作用：

如圖所示，棕紅色背景的功能模塊均是DSP芯片所承載的，我們總結下DSP的一些核心功能：

IQ正交：補償因調(diào)制器、混頻器造成的IQ欠正交

時鐘恢復：補償采樣誤差

色散補償

偏振均衡：補償偏正相關損傷、偏振解復用

頻率估計：發(fā)送端與接收端載波頻率頻移估計與補償

相位估計：載波相位噪聲估計與補償

判決輸出：軟/硬判決、信道解碼、信源解碼、誤碼率估計

正是因為DSP承載了太多功能，因此最初的DSP也面臨體積較大和功耗過高等問題，所以圍繞DSP芯片的工藝進步也在不斷探索：

當前階段DSP大多為7nm制程，DCO模塊主要封裝形式為QSFP-DD、OSFP、CFP2，速率為400G/200G

而2022-2025階段，將會推出5nm制程的DSP，屆時其瞄準的目標速率將是1.6T/800G

看到這，想必大家對相干光、400G ZR以及DCO模塊構造有了一個大致的認知。在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，400G DCO將是相干光大規(guī)模應用的典型場景，在400G領域占據(jù)頭把交椅的新華三，自然會積極推動相干光建設。事實上，在400G ZR誕生之初新華三便與業(yè)界頭部DCO廠商進行聯(lián)合測試，并推出了IPoverDWDM解決方案：

該方案在新華三交換機12500R上直接插入400G ZR/OpenZR+ QSFP-DD相干光模塊，通過光層傳輸，實現(xiàn)DCI的IPoverDWDM傳輸。該解決方案的推出，有助于降低數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的網(wǎng)絡復雜性，增加傳輸系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)大容量傳輸，降低系統(tǒng)功耗和成本。

新華三在相干光領域提前布局進行一系列開發(fā)優(yōu)化，并取得了顯著成果。本文的上半篇到這就結束了，下半篇我們將繼續(xù)學習OpenZR+以及新華三在相干光領域的成果，敬請期待!