相干光技术推动数据中心互连变革

集成光子学和新标准推动新一代 DCI 向前发展

消费者对更多数据和更快数据传输的需求持续增长。云服务、视频流传输、物联网(IoT) 器件、5G 连接等新技术给通信网络带来了巨大压力。网络基础设施――特别是数据中心互连 (DCI)――必须进一步发展和转型，以便满足这些需求。当今的 DCI不仅需要提供更高带宽的传输速率，还要保持高能效。

相干光技术已经广泛应用于远程通信网络，但由于成本过高，在 DCI 等短程网络中并不实用。集成光子技术和标准（如 400ZR）的发展将会助力 DCI 的速度迈上新台阶。DCI 使用相干光技术可以在单条光纤线路上传输太比特级信息，并且能灵活地满足不断增长的数据需求。

相干光技术进军数据中心互连

分布式数据中心需要互相通信，以便共享数据，平衡工作负载，提供备份并在需要时扩展数据中心容量。DCI 之间的距离通常不到 80 千米。传统的方法是使用开关键控 (OOK) 调制通过光信令来传输数据，这样能够实现 100 吉比特每秒 (Gb/s) 的速度。如今，校园或市区的许多分布式数据中心需要大幅提升互连容量。这催生了对更快、更高效 DCI 传输的需求。相干光传输技术可提供极快和极高效的 DCI 传输。过去，相干光技术仅适用于长距离通信网络，从距离因素考虑，每比特的传输成本在这样的网络中是可以接受的。集成光子学和 400ZR 标准的新发展使相干光技术成为首选的高速 DCI 解决方案。

相干光器件速度更快、效率更高

对于网络提供商而言，安装光纤线路的投资通常过于庞大。相干光技术通过使用正交幅度调制 (QAM) 等高阶调制方法，可在现有光纤线路上实现更高的数据传输速率。QAM 对光信号进行幅度调制和相位调制来传输信号。如此可以提高相关的光谱效率，进而极大地提高光缆的容量。QAM 是一种调制信号相位和幅度的二维调制制式。它通过将两个光频率相同但相移 90° 的载波组合在一起来实现调制。这两个载波称为同相 (I) 和正交 (Q)，它们的幅度单独进行调制。标准符号是 2n -QAM，每个符号传输 n 个比特。例如，16-QAM 表示每个符号发送 4 个比特，64-QAM 表示每个符号发送 6 个比特。比特率使用以下公式确定 ：

比特率 = 符号率（符号数/秒）x 编码（比特数/符号）x 偏振（通常为 2）

使用 16-QAM 的话，具有 64 吉波特 (Gbaud) 原始符号率（或 50 Gbaud，无开销）的收发信机可在单个光载波上以 400 Gb/s 速度传输信息。 

集成光子学实现太比特级速度

光学器件中通常采用分立元器件，即元器件在物理上是分离的，通过不同的耦合过程相互作用来产生完整的光学电路。集成光子学使用光子集成电路 (PIC) 简化了这一过程。与电子集成电路类似，PIC 在单个器件中集成多个光子功能，并使用光代替电来传输信号。相比传统电路而言，PIC 有很多优势，例如带宽更高、扩展的波分复用、尺寸更小、功耗更低和可靠性更高。

PIC 与摩尔定律的终结

摩尔定律表示，集成电路硅芯片上可容纳的晶体管数量每两年就会翻一番。但现在很多人认为，摩尔定律将趋近终结。传统的芯片技术不能支持芯片尺寸继续缩小，也满足不了数据中心所需处理速度的指数级增长，无法为 5G、物联网和自动驾驶汽车等新兴技术提供支持。然而，PIC 提供了一种替代方案，可以突破硅芯片技术的极限。

PIC 工艺使用晶圆级技术和光刻技术在底板材料 ( 如硅、磷化铟、二氧化硅或铌酸锂）上生成电路的三维图像。例如，在硅光子学中，可直接在硅芯片上实现光子功能。硅光子学是一项激动人心的技术，它旨在通过光子集成，充分利用成熟 CMOS 工艺技术的高良率和高吞吐量优势，实现低成本、大规模的光学元器件生产。

Facebook、谷歌、微软和其他提供超大规模数据中心的企业都计划升级到太比特级速度。他们也需要找到一种方法来降低数据中心运营和散热的功耗。尤其是对校园或市区中的数据中心更需如此。采用 PIC 和光学调制技术（如 QAM）的集成光子技术使数据中心能够以极快的开关速度支持太比特速率的数据流量，并且能够降低功耗。 

400ZR 提供了一个经济高效的替代方案

过去，光相干技术只有在远程传输网络这样的长距离时场景中使用才具有成本效益。然而，400ZR 和 400GBASE-ZR 等新标准使相干光技术也能用于数据中心互连。光互联论坛 (OIF)目前在制定 400ZR 实施协议。它将使用密集波分复用 (DWDM) 和更高阶调制技术，在最远距离达到 80 km 的数据中心互连链路上传输 400 千兆以太网 (GE) 净荷。400ZR 规范建议在符号速率大约为 60 Gbaud 时使用 16-QAM。这一速率的最大功耗为 15W，并且在目标外形尺寸方面存在空间限制。要实现这一速率，光收发信机需要紧密的光电集成，所有元器件的技术指标和性能裕量要求都非常严格。这些小外形尺寸需要采用小元器件，并且电功耗要低。这样的限制给数字信号处理器 (DSP) 和元器件供应商带来了棘手的问题。虽然 400ZR 规范没有明确定义，但光收发信机应采用小客户端外形设计，如八进制小尺寸可插拔 (OSFP) 或双密度四重小尺寸可插拔 (DD-QSFP)。

电气和电子工程师协会 (IEEE) 正在开发一套标准，用于定义有线以太网的物理 层和数据链路层。IEEE 802.3ct 项目会利用 OIF 400ZR 规范，为在 DWDM 系统中不超过 80 km 的单一 波 长 上 进 行 400 Gb/s 传输制定 400GBASE-ZR 标 准。OIF 400ZR 和 IEEE 802.3ct 标准都有助于降低高带宽数据中心互连的成本和复杂性，并确保光模块制造商之间实现互操作性。 

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