余建軍

摘要：隨著網絡流量的爆發(fā)性增長，數(shù)據(jù)中心傳輸速率將從10/40 Gbit/s朝25/100/400 Gbit/s架構升級。這些速率的提升需要有新的信號光源、調制和探測技術滿足其要求。將介紹這些技術在數(shù)據(jù)中心應用的最新研究成果。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心;光互連;調制格式;相干探測

Abstract： Driven by fast growing Internet traffic， the bit rate between data center is upgraded to be from 10/40 Gbit/s to 25/100/400 Gbit/s. These high-speed signals will need new optical transmitter source， modulation formats and detection technologies.? These technologies and the latest research results are introduced in this paper.

Key words： data center; interconnection; modulation formats; coherent detection

1 數(shù)據(jù)中光互連速率增長迅速

隨著物聯(lián)網、人工智能（AI）和虛擬現(xiàn)實（VR）的涌現(xiàn)，互聯(lián)網已經到了一個新的發(fā)展階段，所產生的數(shù)據(jù)量也正在以指數(shù)量級爆發(fā)性地增長，對通信帶寬和計算能力也提出了新的需求。大數(shù)據(jù)是這個時代的顯著特征之一，作為信息資產，大數(shù)據(jù)正在越來越多的領域中發(fā)揮著重要作用。為了應對大數(shù)據(jù)時代的信息處理需要，云計算成為了必不可少的選項。云計算是一種基于互聯(lián)網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以提供給其他計算機和設備。依托云計算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫和云存儲、虛擬化技術，原來難以在單臺計算機上處理的大數(shù)據(jù)可以得到充分的挖掘和利用。數(shù)據(jù)中心是云計算的基礎設施，為云計算提供了支撐平臺。根據(jù)《Cisco全球云計算指數(shù)白皮書》的預測，從2016年到2021年，全球數(shù)據(jù)中心的IP流量將會以25%的年增長率從6.8 ZB迅速增長到20.6 ZB，如圖1所示;到2019年，99%的全球通信網絡流量都是和數(shù)據(jù)中心有關的，而大多數(shù)的流量發(fā)生于數(shù)據(jù)中心內部，如圖2所示[1] 。

由于網絡流量的爆發(fā)性增長，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心無論是在傳輸帶寬、傳輸速率還是時延、可擴展性等方面均無法滿足要求，因此未來的數(shù)據(jù)中心將從10/40 Gbit/s朝25/100/400 Gbit/s的架構升級。在這種情況下，傳統(tǒng)的電互連架構面臨著傳輸帶寬不足、通信距離有限、網絡復雜性過高、能耗過大等挑戰(zhàn)，難以滿足未來數(shù)據(jù)中心的需求，這就為光互連帶來了巨大的機遇。從1966年高錕發(fā)現(xiàn)了光纖用于通信的潛在可能性以來，光纖通信技術已經發(fā)展了50多年。第一個商用光纖通信系統(tǒng)由AT&T在1977年開發(fā)出來的，容量為45 Mbit/s，到了今天單模光纖的容量已經可以達到100 Tbit/s，傳輸距離跨越了1萬多千米，覆蓋了大多數(shù)的信息傳輸場景，成為了當今信息社會的基石。

數(shù)據(jù)中心可以看作是規(guī)模龐大的超級并行計算設備，它由成千上萬臺服務器以網絡連接的方式組合而成。一般來說，數(shù)據(jù)中心互連網絡（DCN）采用樹狀拓撲分層結構，每個機架的服務器集群與機架頂端（ToR）交換機互聯(lián)，ToR交換機則與匯聚層交換機相連，匯聚層交換機再與核心交換機連接，從而形成一個龐大的數(shù)據(jù)中心服務器網絡。服務器之間的通信需要超高速率和超低延遲，由于具有大容量、低時延、長距離傳輸和低功耗的優(yōu)勢，光纖傳輸已經成為了數(shù)據(jù)中心互聯(lián)方案的重要發(fā)展方向。在今天的數(shù)據(jù)中心網絡架構中，幾乎所有的交換機和路由器連接都采用了光互連，機柜頂端的交換機與服務器也使用了有源光纜（AOC）進行連接。目前大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心傳輸速率已經達到了40 Gbit/s，100 Gbit/s的架構正在部署，而下一代架構也將會跳過200 Gbit/s，直接升級到400 Gbit/s的速率。并行光傳輸是數(shù)據(jù)中心內部通信的重要方式，這種傳輸方式不僅能夠大大提高通信速率，而且能夠與大規(guī)模網絡架構中的并行數(shù)據(jù)通道結構結合在一起，使得數(shù)據(jù)處理的速度也有很大的提升。在40 G的架構中，通常采用的是多模傳輸方案，使用垂直腔面激光器（VCSEL）作為發(fā)射源，多模光纖（MMF）作為傳輸介質，這種方案不僅具有低成本、低功耗的優(yōu)勢，而且易于實現(xiàn)電信號與光信號的速率匹配;對于升級到100 G及更高速率的架構，由于多模光纖傳輸距離的限制和模式色散的影響，基于VCSEL-MMF的方案難以突破速率的瓶頸，因此主要采用單模光纖（SMF），同時廣泛地采用波分復用（WDM）技術。目前的100 G傳輸技術主要包括3種類型：并行單模4通道（PSM4）、粗波分復用系統(tǒng)（CWDM4），以及短距離光模塊（SR4），這幾種類型都是4個通道，每個通道25 Gbit/s，其中前2種是基于分布式反饋（DFB）激光器和單模光纖的技術，SR4仍然采用VCSEL和多模光纖[2-6]。

對于下一代400 Gbit/s的速率標準，需要對光電器件的帶寬提出更高的要求，同時需要新的技術應用于光互連中。這些新的技術包括先進的信號調制技術、色散補償?shù)?，也包括并行多通道技術的演進。從實現(xiàn)方式上看，可以通過提高通道速率、增加并行光纖數(shù)目和增加波長通道數(shù)的方法來提高現(xiàn)有網絡的容量，使之達到400 Gbit/s的標準，但無論采用哪種方式，400 Gbit/s的單位比特成本和功耗都不應該高于100 Gbit/s。電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）于2017年12月完成了400 G以太網的標準化，但在此之前業(yè)界已經進行了一系列的技術研發(fā)。400 G升級目前存在著2個主要的挑戰(zhàn)，一個是100 G到400 G的4倍速率提升該以何種方式實現(xiàn)，另一個是信號編碼的方式從不歸零碼（NRZ）到4電平脈沖幅度調制（PAM4）帶來的信號完整性問題。目前支持數(shù)據(jù)中心400 G的傳輸技術有多模的SR4.2和單模的長距離光模塊（DR4），其中SR4.2采用4對多模光纖，較為適合100 m以內的傳輸，而DR4則可以達到500 m，采用8×50 Gbit/s的PAM4。

數(shù)據(jù)中心內部網絡承載了大部分的網絡流量，在數(shù)據(jù)中心服務器上部署的應用程序大多數(shù)都使用了并行計算架構，分布式計算節(jié)點和存儲節(jié)點之間存在著大批量的數(shù)據(jù)吞吐，服務器之間的通信異常頻繁;與此同時，高性能服務器已經具有了支持10 Gbit/s速率的數(shù)據(jù)接口。當這些服務器協(xié)同工作時，需要的交換機接口速率很輕易就能超過100 Gbit/s。因此，提升數(shù)據(jù)中心內部網絡的傳輸能力是一件迫在眉睫的事情，同時也成為了近期學術界和工業(yè)界相關研究團隊的一個研究熱點。

與長距離光纖傳輸網絡不同，數(shù)據(jù)中心內部網絡通常是光纖密集、傳輸距離從幾米到幾十千米的短程通信網絡，信號的損耗較小，因此主要使用強度調制-直接檢測（IM-DD），能夠降低復雜度、功耗和成本，提升系統(tǒng)的集成度。在其他國家的研究中，2011年IBM沃森研究中心基于VCSEL激光器在多芯多模光纖上實現(xiàn)6通道120 Gbit/s的傳輸，傳輸距離達到了100 m [7]，首次實現(xiàn)多模光纖超過100 Gbit/s速率的傳輸;同年查爾姆斯理工大學完成了基于VCSEL的PAM4信號傳輸實驗，工作波長為850 nm，在30 Gbit/s的速率下傳輸了200 m多模光纖[8];2014年，菲尼薩公司（Finisar）使用了25 GHz帶寬的VCSEL傳輸了離散多音頻（Discrete Multi-tone）調制的信號，在200 m 光模式3（OM3）多模光纖上達到了56 Gbit/s的速率[9];2015年康普公司（CommsCope）實現(xiàn)了4×28 Gbit/s的WDM信號在多模光纖上傳輸100 m的距離[10]，該系統(tǒng)同樣使用了VCSEL激光器，工作在850～980 nm的波長范圍內;2014年，以色列研究人員使用了工作在1 310 nm和1 550 nm的馬赫-曾德爾調制器（MZM）實現(xiàn)了PAM4信號在單模光纖上的傳輸[11]，通過簡化的最大似然序列估計（MLSE）算法來消除碼間干擾（ISI）和非線性失真，該系統(tǒng)可達到56 Gbaud的速率，其比特率為112 Gbit/s，傳輸距離為2～80 km;2016年，丹麥技術大學使用了MZM在1 544 nm的波長上實現(xiàn)了PAM4和離散多音調制（DMT）調制信號傳輸[12]，其中殘留邊帶（VSB）DMT信號在無色散補償?shù)那闆r下傳輸了80 km單模光纖，速率可達56 Gbit/s。

在中國，已經有多家企業(yè)和高校對短距離的數(shù)據(jù)中心光通信展開了研究，并取得了一系列進展。中興通訊基于10 GHz帶寬的分布式反饋激光器（DFB），在無色散補償和預均衡的情況下實現(xiàn)了56 Gbit/s的單模光纖10 km傳輸[13];2016年，中興通訊和復旦大學聯(lián)合團隊進行了4×128 Gbit/s的基于傅里葉變換擴展的（DFT-S）正交頻分復用（OFDM）信號傳輸實驗[14]，在單模光纖上的傳輸距離達到了320 km，創(chuàng)造了IM-DD系統(tǒng)在超100 Gbit/s速率上的傳輸距離記錄;同年，該團隊基于獨立單邊帶（ISB）技術實現(xiàn)了單波長240 Gbit/s的DFT-S OFDM信號傳輸[15]，傳輸距離達160 km，創(chuàng)造了IM-DD系統(tǒng)在該距離上的傳輸速率記錄;2017年，北京大學基于18 GHz帶寬的VCSEL和多模光纖鏈路實現(xiàn)了70 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，通過使用前饋均衡（FFE）與MLSE抑制了激光器帶寬不足造成的碼間串擾[16];2018年，中興通訊和復旦大學實現(xiàn)了單波長112 Gbit/s的無載波幅度相位調制（CAP）信號在480 km單模光纖上的傳輸[17]，這是超100 Gbit/s的CAP-16信號在IM-DD系統(tǒng)上的最遠傳輸距離的記錄。

在商用發(fā)展方面，以百度和阿里巴巴為代表的中國互聯(lián)網運營商在數(shù)據(jù)中心光互連架構的部署上和應用上處于領跑地位。2017年百度數(shù)據(jù)中心的交換機連接采用了基于4通道小型可插拔（QSFP）28 SR4和CWDM4模塊，速率為100 Gbit/s，服務器與交換機采用25 G 有源光纜 SFP28連接。2017年，阿里的服務器規(guī)模部署25 G AOC SFP28連接;2019年開始嘗試100 G模塊，使用SFP-雙密度（DD）和100 G AOC線纜的方案，以2個50 G通道提供了100 G的接入能力;而交換機的互連早在2013年就部署了QSFP+40 G的光模塊，2017年規(guī)模部署了QSFP的100 G的光模塊，2019年則開始嘗試QSFD-DD的400 G的光模塊，以8×50 Gbit/s的8通道方式提供了400 Gbit/s的接口速率。

2 需要新的信號光源、調制和探測技術滿足帶寬需求

2.1 信號光源

數(shù)據(jù)中心光傳輸系統(tǒng)與長距離光傳輸系統(tǒng)不同，由于短距離網絡的大規(guī)模部署，對成本非常敏感。因此，低成本的光收發(fā)器以及強度調制和直接檢測已被采納為主流技術。 在IM-DD系統(tǒng)中，直接調制激光器（DML）、電吸收調制激光器（EML）和MZM是發(fā)射機的主要選擇。其中，DML具有體積小、輸出功率高、功耗低等優(yōu)勢，用作數(shù)據(jù)中心光互連發(fā)射機可以降低部署成本。但是，DML在高速直接調制過程中會有很強的啁啾，導致信號光譜變寬，使得信號在傳輸過程中更容易受到光纖色散的影響。通常采用光濾波和DML組成啁啾管理激光器（CML）實現(xiàn)對直調信號的啁啾抑制，從而增加輸出光信號的消光比，延長光纖傳輸距離。在數(shù)據(jù)中心光互連中，接收光功率靈敏度是考核系統(tǒng)的重要指標，較高的接收靈敏度通常需要提高進入光纖的光功率。但當入纖光功率較高時，光線中的非線性效應會導致信號畸變，系統(tǒng)性能會下降?；贒ML的直接調制信號的載波直流分量較低，基于EML和MZM的外調制信號光譜具有較強的載波直流分量，外調制信號可以承受的入纖功率低于直接調制信號;因此，DML具有較高的光接收靈敏度。此外，隨著數(shù)字信號處理（DSP）技術的發(fā)展，為了解決調制帶寬限制和調制過程中的非線性損傷問題，許多DSP方法被提出用以解決這2種限制，例如判決反饋均衡、非線性Volttera均衡和查找表（LUT）預畸變等非線性補償方案。

近年來，高速率、低功耗和小尺寸的全硅基電光調制器受到全球廣泛研究，它的應用與成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容，便于實現(xiàn)光子、光電子集成。超過100 G 的高速硅光調制器已經有實驗報道。北京大學在2019年光纖通信博覽會及研討會（OFC2019）報告了基于馬赫-曾德爾結構的傳統(tǒng)硅光調制器[18]，結合先進DSP技術，實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的200 Gbit/s （PAM4）和 176 Gbit/s （PAM4）傳輸1千米標準單模光纖;加拿大拉瓦爾大學在OFC2019報告了基于行波電極的兩個MZM全硅I/Q調制器[19]，采用先進的DSP技術，實現(xiàn)了100 Gbaud 32 正交振幅調制（QAM）相干接收，傳輸凈速率高達單偏振416.7 Gbit/s?；诠璨牧系碾姽庹{制器，有望在大容量、大帶寬、低成本的數(shù)據(jù)中心光互連技術的相關方面發(fā)揮著重要的作用。

2.2 信號調制

在數(shù)據(jù)中心高速光互連中，研究先進調制碼信號的產生、探測和恢復，可以實現(xiàn)更高頻譜效率、更高系統(tǒng)容量。傳統(tǒng)的二進制強度調制（OOK）是最簡單的調制格式，每個傳輸符號攜帶1 bit信息;但隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，其對器件的帶寬要求以及對光纖色散匹配的要求也越來越高，已經不再適應發(fā)展的需要。隨著光電器件的不斷發(fā)展，多種高價的調制碼方案被提出。其中，主流的調制碼有脈PAM、CAP和DMT。

（1）PAM技術。PAM4通過4電平幅度調制，每個電平值可以承載2 bit信息，電平從低到高代表00、01、10、11。PAM4格式對系統(tǒng)帶寬的要求比OOK降低一半，對色散的容忍性可以比OOK提高4倍，相比于DMT和CAP等高級調制格式，結構簡單、易于實施，是目前受到推崇的調制格式。

（2）CAP技術。在發(fā)射端，原始數(shù)據(jù)比特序列首先被映射成復數(shù)符號，然后將映射后的符號上采樣，以匹配后續(xù)的整形濾波器的采樣速率。數(shù)據(jù)上采樣后，通過一對正交的整形濾波器得到濾波后的正交信號，將正交濾波器輸出相加即可得到調制信號而在接收端，在直接檢測后得到的信號，經過模數(shù)轉換器（ADC）后可采用數(shù)字信號處理恢復。CAP技術通過改變同相和正交波形反映所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，在實現(xiàn)相同比特傳輸速率的情況下，CAP信號的符號速率只有PAM信號的一半，以更低的實現(xiàn)復雜度實現(xiàn)相同的傳輸速率。

（3）DMT技術。DMT技術將傳輸信道劃分為多個相互正交的子信道，根據(jù)每個載波的信噪比的不同對每個載波采用不同調制格式，動態(tài)地給每個子信道分配信息傳輸功率和傳輸比特數(shù)，從而可以最大限度地優(yōu)化信道的頻譜效率，確保系統(tǒng)獲得最大的傳輸速率。近年來，概率編碼（PS）作為一種新的技術手段，在長距離單載波相干光調制系統(tǒng)中被廣泛研究，其能夠在一定信噪比下進一步提高頻譜效率。此外，PS技術與多種調制碼技術相結合的方案，聯(lián)合偏振復用（PDM）技術，可以進一步提高IM-DD傳輸系統(tǒng)的容量， 滿足數(shù)據(jù)中心高速光互連的需求。

2.3 信號檢測

根據(jù)接收端信號的檢測方式，可以將光傳輸系統(tǒng)分為直接檢測系統(tǒng)和相干檢測系統(tǒng)。針對數(shù)據(jù)中心內部網絡密集、短距離、大規(guī)模等特點，IM-DD系統(tǒng)具有低成本、低功耗、小尺寸、結構簡單等優(yōu)點，易于集成在光模塊中，是高速光互連的理想選擇[20]。直接探測的信噪比與最小可探測功率皆低于相干探測系統(tǒng)，因此在長距離光傳輸系統(tǒng)中往往采用相干探測。但在數(shù)據(jù)中心內部，鏈路距離小于2 km的內部流量占互聯(lián)網總流量的80%以上，并在近年來保持快速增長，光信號在傳輸過程中的功率和信噪比損失很小。另外，隨著先進DSP技術和前向糾錯碼（FEC）編解碼器性能迅速發(fā)展，使得接收端對于接收光信號光信噪比（OSNR）的要求大大降低。綜上所述，直接檢測系統(tǒng)可以支持短距離光互連系統(tǒng)的高速信號傳輸，且能降低系統(tǒng)的成本，是當前大規(guī)模數(shù)據(jù)中心光互連網絡的首要解決方案。相干檢測系統(tǒng)因為具有更高的靈敏度，可以支持大容量光傳輸系統(tǒng)[21]。然而，與直接檢測系統(tǒng)相比，相干技術的靈敏度提高是以附加的本振光（LO）為代價的。單波長下較高的信道速率得益于其更多的調制維度（X和Y極化、同相和正交（IQ）分量），其結構相比于直接檢測系統(tǒng)要復雜的多。在傳統(tǒng)當數(shù)據(jù)中心內部光互連中往往采用簡單易集成的IM-DD系統(tǒng)。但是，隨著速度和帶寬密度的增加，能夠提供更高靈敏度和信道容量的數(shù)字相干檢測在不久的將來可能會用于數(shù)據(jù)中心內部互連應用[22]。

下一代數(shù)據(jù)中心光互連架構將會從100 Gbit/s升級到400 Gbit/s的速率。并行光傳輸是數(shù)據(jù)中心內部通信的重要方式，在滿足高速傳輸需求的同時，與大規(guī)模網絡架構中的并行數(shù)據(jù)通道結構相結合，有助于后端數(shù)據(jù)處理速度的提升。當前主流的PSM4、CWDM4，以及SR4等技術皆為4通道傳輸。目前，使用4 × 100 Gbit/s PAM4信號的400 G收發(fā)器已經被實驗證明，并有望在不久的將來實現(xiàn)商業(yè)化。圖3給出了4 × 100 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)的直接檢測與相干檢測系統(tǒng)構架。

如圖3所示，相干檢測系統(tǒng)的結構比直接檢測系統(tǒng)更為復雜。它在接收端需要額外的LO與90°混頻器，并且需要4個平衡PD以實現(xiàn)X和Y極化方向上IQ分量探測。通過信號的極化復用，這4路信號（IX，QX，IY，QY）可以實現(xiàn)在單路光纖上的傳輸。而直接檢測系統(tǒng)需要4路光纖以來實現(xiàn)4 × 100 Gbit/s的信號傳輸。

3 中興通訊取得了領先的研究成果

中興通訊在基于PAM技術的高速光互連進行了深入的研究。表1總結了2018—2019年中興通訊在數(shù)據(jù)中心光互連方面最新研究進展。采用PAM4調制和直接檢測技術，利用有限帶寬的10 GHz DML調制器，中興通訊在C波段實現(xiàn)了100 Gbit/s 傳輸40 km標準單模光纖[23];采用幅度硬限幅的方法，結合PS和PAM8調制格式，利用EML調制器，實現(xiàn)了260 Gbit/s 在C波段傳輸1 km非零色散位移光纖（NZDSF）[24]。為了減少高速光信號在C波段色散的影響，中興通訊進一步研究了在O波段傳輸性能。采用半導體光放大器（SOA）作為預放大器對進入光電探測器（PD）的光信號進行放大，并且利用PS-PAM-8調制信號和外腔激光器（ECL）+MZM調制器，中興通訊成功實現(xiàn)280 Gbit/s 傳輸10 km標準單模光纖，這是目前業(yè)界單波長超200 G傳輸?shù)淖罡哂涗?。此外，中興通訊利用低復雜度外差相干檢測的方式，采用PDM-PAM-4調制信號和MZM調制器，成功實現(xiàn)了200 Gbit/s 在O波段傳輸20 km標準單模光纖[25]，這種方案避免了I/Q調制器的使用，相關實驗結果作為OFC2019 Top scored paper 進行了會議報告。

4 展望

為了滿足快速增長的數(shù)據(jù)中心流量的相關需求，靈活、低成本的400 Gbit/s速率傳輸成為下一代數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應用的備選方案。傳統(tǒng)的強度調制/直接檢測系統(tǒng)由于結構簡單和低成本，與相干方案在短距離光互連比較，仍然占據(jù)市場主導地位。為了支持400 Gbit/s速率傳輸，其中一種有前景的方案是使用PAM調制的4×100 Gbit/（s·λ）傳輸，這種方法可以降低收發(fā)機的設計復雜度和能量功耗。相對于基于外部調制的MZM，使用EML 和DML的內調制方案成本較低，設計也更為簡單。但是，光電設備的調制帶寬限制和調制、解調過程中的非線性損傷問題限制了系統(tǒng)的性能。許多數(shù)字信號處理方法被提出用以解決這兩種限制。隨著數(shù)據(jù)量井噴式增長，下一代Ethernet正向著800 GbE或者1.6 TbE 演化。這種方案能夠減少光源和光電器件的數(shù)量，簡化傳輸系統(tǒng)，但是低復雜度高效的DSP還需要我們不斷地進行深入研究。