數(shù)據(jù)中心的高速光互連技術(shù)

余建軍 方凱博

摘要：介紹了數(shù)據(jù)中心的高速光互連技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注新型調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。為了降低成本，需要采用低帶寬光電器件，高級(jí)QAM調(diào)制和直接檢測(cè)將可能用于高速光互連技術(shù)中。同時(shí)介紹了中興通訊近年來(lái)在這方面的研究進(jìn)展，包括最先采用直接檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了4x128 Gbit /s信號(hào)傳輸距離超過(guò)300 km的實(shí)驗(yàn)。

光互連；調(diào)制格式；直接檢測(cè)；相干檢測(cè)

In this paper， the recent progress on high-speed data center interconnection is summarized， and the modulation formats and detection schemes are introduced in detail. In order to reduce the bandwidth of the optical/electrical components， high-order quadrature amplitude modulation （QAM） modulation and direct detection will be employed in these high-speed systems. ZTEs recent research results on this area including a world record of 4x128 Gbit/s signal transmission over 300 km standard single model with direct detection are also introduced.

optical interconnect； modulation format； direct detection； coherent detection

隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能（AI）的涌現(xiàn)，互連網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)到了一個(gè)新的階段，其中大數(shù)據(jù)和云計(jì)算是2個(gè)最具有代表性的產(chǎn)物。作為信息資產(chǎn)，大數(shù)據(jù)正在越來(lái)越多的領(lǐng)域中體現(xiàn)出價(jià)值和重要性。云計(jì)算是與大數(shù)據(jù)密切相關(guān)的計(jì)算方式，通過(guò)這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備，使得原來(lái)難以在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上處理的大數(shù)據(jù)能夠得到充分挖掘和利用。作為云計(jì)算的核心支撐平臺(tái)，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展需求變得越來(lái)越迫切?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心無(wú)論是數(shù)量還是性能，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今社會(huì)的需求。絕大多數(shù)大數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算都是在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行的。根據(jù)《Cisco全球云計(jì)算指數(shù)白皮書(shū)》，到2019年，全球通信流量的99%都是和數(shù)據(jù)中心相關(guān)的。其中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)通信依然集中在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部[1-6]。

由于數(shù)據(jù)量的爆發(fā)和網(wǎng)絡(luò)流量的迅速增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心正在從10 G/40 G朝25 G/100 G/400 G架構(gòu)升級(jí)。傳統(tǒng)的電互連難以滿足數(shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的傳輸帶寬和傳輸速率的要求，這就為光互連帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。光傳輸具有大帶寬和長(zhǎng)距離傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，它的主要應(yīng)用場(chǎng)景是在兩點(diǎn)之間提供大帶寬的信息傳輸通道，所以在誕生之初，主要應(yīng)用領(lǐng)域是長(zhǎng)途干線網(wǎng)。在數(shù)據(jù)中心之間以及數(shù)據(jù)中心內(nèi)部采用光互連，將極大地提升數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力。在如今的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，幾乎每個(gè)連接都采用了光互連技術(shù)，包括數(shù)據(jù)中心內(nèi)部距離幾米的服務(wù)器和交換機(jī)之間的連接[5]。

而單純只是數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)并不能讓物聯(lián)網(wǎng)真正受益，只有眾多的數(shù)據(jù)中心之間形成互連互通才有可能造福于物聯(lián)網(wǎng)下的數(shù)據(jù)傳輸?？蓴U(kuò)展數(shù)據(jù)中心架構(gòu)滿足了現(xiàn)代化超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心架構(gòu)東西向流量的增長(zhǎng)，使得數(shù)據(jù)中心互連成為可能。大量的數(shù)據(jù)流量將利用光傳輸進(jìn)入到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心之間共享信息云端數(shù)據(jù)，使得光傳輸將不僅用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，也將用于數(shù)據(jù)中心之間的互連。由此光傳輸在數(shù)據(jù)中心光互連市場(chǎng)上的規(guī)模將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商。

1 數(shù)據(jù)中心內(nèi)的光互連技術(shù)

對(duì)于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連來(lái)說(shuō)，最理想的互連方式是每一臺(tái)服務(wù)器都與所有的其他服務(wù)器相連接，這樣一來(lái)應(yīng)用層的軟件就不需要與負(fù)責(zé)計(jì)算任務(wù)調(diào)度的中心機(jī)進(jìn)行通信。然而，這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會(huì)極為復(fù)雜而且成本異常高昂。在實(shí)際中，數(shù)據(jù)中心采用的是拓?fù)浞謱咏Y(jié)構(gòu)，集群之間的互連通過(guò)分組交換網(wǎng)絡(luò)匯聚而成。并行光傳輸技術(shù)是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信的重要方式，這種傳輸方式不僅能夠大大提高通信速率，而且結(jié)合了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的并行數(shù)據(jù)通道結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理速度也有很大的提升。短距離的光連接通常采用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。與其他類(lèi)型的激光器相比，VCSEL具有低成本和低功耗的優(yōu)勢(shì)，容易實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和光信號(hào)的速率匹配，而不需要昂貴的高功耗器件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換。這種方式的缺點(diǎn)是：媒體傳輸協(xié)議（MTP）/多光纖連接跳線（MPO）光纖終端器件相對(duì)比較昂貴，而且需要帶狀光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)和外部的互連。為了達(dá)到更高的傳輸速率，降低單位比特的傳輸成本，光集成電路（PIC）和波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的應(yīng)用逐漸成為主流。

為了滿足數(shù)據(jù)中心持續(xù)增長(zhǎng)的帶寬需求，數(shù)據(jù)速率、器件功耗和空間密度都需要有大規(guī)模的提升。在未來(lái)的幾年內(nèi)，數(shù)據(jù)中心的光收發(fā)機(jī)速率將會(huì)提升4倍，而功耗和空間占用則保持不變。傳統(tǒng)的二進(jìn)制啟閉鍵控（OOK）調(diào)制方式在VCSEL中可以達(dá)到20 Gbit/s或以上的速率。為了實(shí)現(xiàn)更高速率的傳輸，需要對(duì)光電器件的帶寬和色散性能提出更高的要求，同時(shí)需要新的技術(shù)應(yīng)用于短距離光連接中。這些新的技術(shù)包括色散補(bǔ)償、低功耗集成硅光電路，以及新的并行多通道技術(shù)的演進(jìn)。

并行通道技術(shù)包括多纖技術(shù)和多波長(zhǎng)技術(shù)。在發(fā)射端，電信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)對(duì)激光器陣列進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生并行多路光信號(hào)，然后這些光信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合后送入光纖中進(jìn)行傳輸。在接收端，光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器陣列轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由接收機(jī)電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。一般來(lái)說(shuō)，短距離100 Gbit/s的光互連可以采用了4 x 25 Gbit/s的并行通道，主要包括3種技術(shù)：短距離光模塊（SR4）、4級(jí)脈幅調(diào)制（PSM4）和粗波分復(fù)用系統(tǒng)（CWDM4）。其中SR4和CWDM4是多模傳輸技術(shù)，SR4應(yīng)用于850 nm的VCSEL激光器陣列中，使用MPO多模光纖作為傳輸通道，包括8根雙向多模光纖；PSM4同樣使用8根雙向光纖，但均為單模光纖，基于分布式反饋激光器（DFB）的PSM4系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)到500 m；CWDM4則使用4個(gè)不同的波長(zhǎng)作為并行數(shù)據(jù)通道，同樣基于DFB激光器和單模光纖，但傳輸距離可以達(dá)到2 km。這種方式減少了光纖的數(shù)量，降低了鏈路的成本；但對(duì)激光器的特性提出了更高的要求，且光收發(fā)機(jī)需要波分復(fù)用（WDM）復(fù)用器和解復(fù)用器?？傮w來(lái)說(shuō)，光互連的成本包括光收發(fā)機(jī)的成本和光纖鏈路的成本。在以上的幾種技術(shù)中，SR4具有最低的光收發(fā)機(jī)成本，但光纖鏈路的成本最高；CWDM4則將光纖鏈路的成本降到了最低，但光收發(fā)機(jī)成本最高。單模技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，但光收發(fā)機(jī)比較昂貴；多模技術(shù)則能夠使用成本低廉的收發(fā)機(jī)，但傳輸距離會(huì)受到限制。具體使用哪種技術(shù)需要綜合考慮多種因素，除了性能和成本之外，空間大小、使用壽命以及對(duì)未來(lái)技術(shù)的兼容性都是非常重要的幾個(gè)方面。

100 Gbit/s之后的下一個(gè)以太網(wǎng)速率很有可能是400 Gbit/s。IEEE 802.3在2014年啟動(dòng)了400 Gbit/s以太網(wǎng)研究組，定義400 Gbit/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。400 Gbit/s以太網(wǎng)物理層對(duì)多模光纖以及單模光纖的距離目標(biāo)和100 Gbit/s一樣。有多種方法可以使光通道達(dá)到400 Gbit/s：一是可以增加通道速率，如提高符號(hào)速率或調(diào)制階數(shù)，50 Gbaud的PAM4信號(hào)可以不改變現(xiàn)有通道數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)400 Gbit/s；二是增加光纖數(shù)，如在現(xiàn)有25 Gbit/s通道速率的基礎(chǔ)上，采用16根光纖可以達(dá)到400 Gbit/s；三是增加波長(zhǎng)，如在PSM4基礎(chǔ)上，每根光纖4個(gè)波長(zhǎng)就可以實(shí)現(xiàn)400 Gbit/s。不論采用哪種方法，400 Gbit/s的單位比特的成本和功耗應(yīng)該比100 Gbit/s的低。

2 調(diào)制和探測(cè)技術(shù)

先進(jìn)的調(diào)制格式、數(shù)字信號(hào)處理算法（DSP）以及編碼技術(shù)將會(huì)成為光通信網(wǎng)絡(luò)下一步發(fā)展的趨勢(shì)[7-13]。然而，對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，由于面對(duì)的場(chǎng)所和需求有所不同，面臨的工程問(wèn)題與長(zhǎng)距離光纖通信網(wǎng)絡(luò)不一樣，因此需要特殊的光互連解決方案。例如：數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用對(duì)于物理層的時(shí)延要求較高，通常少于100 ns，這就限制了前向糾錯(cuò)碼（FEC）和DSP算法的應(yīng)用；數(shù)據(jù)中心通常擁有數(shù)量龐大的高速率接口，因此要求光器件具有低能耗、小尺寸；在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部大量地部署光纖鏈路，則要求成本在可以接受的范圍。所有這些因素的考慮都將會(huì)影響數(shù)據(jù)中心光互連技術(shù)的選擇和應(yīng)用。

對(duì)于光信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制的物理量有4個(gè)：強(qiáng)度、相位、頻率和極化模式，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的調(diào)制方式主要有強(qiáng)度調(diào)制、正交幅度調(diào)制（QAM）以及極化復(fù)用的強(qiáng)度/相位調(diào)制[13]。最簡(jiǎn)單的強(qiáng)度調(diào)制格式是二進(jìn)制強(qiáng)度調(diào)制即OOK，每個(gè)傳輸符號(hào)攜帶1 bit信息。隨著光器件的發(fā)展，高階的強(qiáng)度調(diào)制格式已經(jīng)應(yīng)用于光通信中，如PAM中的PAM4、PAM8，部分響應(yīng)PAM（PR-PAM）和離散多音調(diào)制（DMT）等，這些高階的調(diào)制格式具有更高的頻譜效率，每個(gè)符號(hào)可以攜帶更多信息，因此能夠減小帶寬的開(kāi)銷(xiāo)，適用于高速率的業(yè)務(wù)需求。QAM則是一種強(qiáng)度-相位聯(lián)合調(diào)制格式，根據(jù)調(diào)制生成的星座點(diǎn)數(shù)可以分為正交相移鍵控（QPSK）、8-QAM、16-QAM、64-QAM等，目前已可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 024-QAM的調(diào)制[12]。在高階的QAM調(diào)制中，每個(gè)符號(hào)所包含的信息量遠(yuǎn)大于高階強(qiáng)度調(diào)制格式，因此將有巨大的應(yīng)用前景。另一種常用的強(qiáng)度-相位聯(lián)合調(diào)制是無(wú)載波幅相調(diào)制（CAP），它是以QAM技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一種調(diào)制技術(shù)，主要應(yīng)用于短距離的高速數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)中[9]。

接收端的探測(cè)或檢測(cè)技術(shù)是將光信號(hào)變換為電信號(hào)的技術(shù)，一般在接收端使用光電二極管（PD）來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程[7-13]。根據(jù)接收端是否使用本震光源與接收光信號(hào)進(jìn)行拍頻，可以將光檢測(cè)技術(shù)分為直接檢測(cè)和相干檢測(cè)。直接檢測(cè)僅僅對(duì)接收光信號(hào)的幅度信息進(jìn)行檢測(cè)，而相干檢測(cè)能夠?qū)⒐庑盘?hào)攜帶的幅度和相位信息完整地恢復(fù)出來(lái)。

對(duì)于直接檢測(cè)方案，相對(duì)應(yīng)的調(diào)制格式為強(qiáng)度調(diào)制，因此形成強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）的結(jié)構(gòu)[7]。圖1是一種基于直接調(diào)制激光器（DML）的100 GE IM/DD光傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。IM/DD系統(tǒng)具有低成本、低功耗、小尺寸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，易于集成在光模塊中，對(duì)于短距離光通信是理想的選擇。數(shù)據(jù)中心的城域網(wǎng)和內(nèi)部互連主要采用的是直接檢測(cè)方案，目前已經(jīng)比較成熟。

相干檢測(cè)的方案適用于所有的調(diào)制格式，而且能夠?qū)φ粯O化調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，大大提高了頻譜效率[2]。由于使用本震光載波，接收機(jī)的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直接檢測(cè)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。更重要的是：可以對(duì)發(fā)送端和接收端的信號(hào)使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的線性和非線性損傷進(jìn)行補(bǔ)償，如色散補(bǔ)償、信道預(yù)均衡和非線性補(bǔ)償?shù)?，從而提升了系統(tǒng)性能。另外，在系統(tǒng)中使用復(fù)雜的編解碼技術(shù)成為可能，系統(tǒng)的容量可以接近香農(nóng)極限。由于復(fù)雜的編解碼技術(shù)成本較高，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，一般應(yīng)用于長(zhǎng)距離骨干通信網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)中心的城域網(wǎng)使用相干檢測(cè)技術(shù)能夠大大延長(zhǎng)通信距離，而且高階調(diào)制格式的應(yīng)用使得單位比特的傳輸成本得以降低。使用相干通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單載波400 Gbit/s的速率，是下一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的重要候選方案[7]。

3 相關(guān)研究進(jìn)展

中興通訊在高速DMT、PAM4以及無(wú)載波幅相調(diào)制（CAP）技術(shù)的直接檢測(cè)和相干檢測(cè)方面進(jìn)行了多年的研究。采用DMT調(diào)制和直接檢測(cè)，我們實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的320 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸；采用鏡像取消算法，我們實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的300 Gbit/s DMT信號(hào)產(chǎn)生和直接檢測(cè)；采用非線性補(bǔ)償和多輸入多輸出（MIMO）算法，我們實(shí)現(xiàn)了200 Gbit/s DMT信號(hào)傳輸超過(guò)160 km。我們也系統(tǒng)地比較了112 Gbit/s的DMT、PAM4和CAP信號(hào)在器件帶寬受限和不受限情況下的傳輸性能，結(jié)果顯示：在光電器件帶寬不受限的情況下它們的傳輸性能基本一致；但當(dāng)帶寬受限時(shí)，DMT性能略微好一些。我們采用先進(jìn)的MIMO算法實(shí)現(xiàn)了CAP信號(hào)傳輸超過(guò)480 km的傳輸紀(jì)錄。在高級(jí)QAM DMT信號(hào)產(chǎn)生和直接檢測(cè)方面，我們采用～10 GHz的光電器件實(shí)現(xiàn)了128 QAM 120 Gbit/s的DMT信號(hào)產(chǎn)生和直接檢測(cè)，這是業(yè)界最先采用10 G器件實(shí)現(xiàn)100 G信號(hào)產(chǎn)生和直接檢測(cè)，基于這個(gè)結(jié)果OFC2017組委會(huì)專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了一個(gè)3頁(yè)的新聞進(jìn)行報(bào)道我們的進(jìn)展。表1總結(jié)了最近數(shù)據(jù)中心光互連的創(chuàng)紀(jì)錄結(jié)果。

4 未來(lái)展望

作為數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵因素，光模塊具有廣闊的發(fā)展前景。40 G到100 G的互連迫在眉睫，與此同時(shí)，超100 G的標(biāo)準(zhǔn)制定也進(jìn)行得如火如荼，而且一些可行方案也隨之提出。為確保這些方案能滿足未來(lái)數(shù)據(jù)中心在成本和功率方面的需求，更多的光模塊新理念是必須的。目前，生產(chǎn)制造光模塊的成本上，封裝成本和光電芯片成本占了整個(gè)光模塊80%～90%的比例。使用開(kāi)放光模塊，可以很大程度上降低成本。另一方面，把光模塊變成一個(gè)不與系統(tǒng)設(shè)備捆綁在一起的獨(dú)立部件，可使數(shù)據(jù)中心客戶(hù)能夠選擇一個(gè)最適合自己的互連方案，有利于找光模塊廠家做定制化的特性，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的運(yùn)維管理。

到了下一代100 G和400 G的網(wǎng)絡(luò)，高速信號(hào)的實(shí)現(xiàn)變得越來(lái)越難?？傮w來(lái)說(shuō)，在光纖鏈路中提升帶寬的方式有2種：第1種是提高每個(gè)通道的比特速率，第2種是增加通道數(shù)。提升比特速率有2種方式：第1種是直接提升波特率；第2種是保持波特率不變，使用更高階的調(diào)制編碼格式。到了10 G以上的速率，由于色散和非線性的影響，提升波特率較為困難，因此，使用高階調(diào)制編碼格式成為首選方案。增加通道數(shù)的方式有增加波長(zhǎng)通道和增加光纖通道，而這會(huì)帶來(lái)成本的增加。

根據(jù)阿里巴巴在開(kāi)放數(shù)據(jù)中心委員會(huì)（ODCC）2016年峰會(huì)上的報(bào)告，未來(lái)的100 G接入方案大概會(huì)有3代的演進(jìn)過(guò)程：第1代即為目前階段的100 GE以太網(wǎng)，為4×25 G實(shí)現(xiàn)方式；隨著下一代IC芯片的發(fā)展，第2代將會(huì)變成2×50 G的方式；到了第3代，將能夠直接實(shí)現(xiàn)單通道100 G。

到400 G的解決方案，發(fā)展分為4代，通常來(lái)說(shuō)光的速率提升比電快一點(diǎn)：1代現(xiàn)在已經(jīng)有產(chǎn)品出現(xiàn)，就是用低功耗聯(lián)盟接口8（CPF8）這樣的光模塊封裝，電信號(hào)采用16×25 G，而光信號(hào)采用16×25 G和8×50 G的FR8和L8的方案。第2代電信號(hào)速率升級(jí)到50 G，采用8通道。光信號(hào)傳輸采用單模光纖的FR8和LOR8方案，電信號(hào)和光的速率完全配合上。第3代的電信號(hào)還是50 G，光可以提升到100 G，將有3種方案。第4代從電到光都提升到單通道100 G。為了實(shí)現(xiàn)單通道400 G甚至更高速率，相干探測(cè)技術(shù)將會(huì)有廣泛的應(yīng)用需求。目前光聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF） 已經(jīng)開(kāi)始立項(xiàng)研究這一標(biāo)準(zhǔn)并命名它為400 ZR，估計(jì)這一立項(xiàng)內(nèi)容很快成為標(biāo)準(zhǔn)。

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