互联网技术详解 _ 数据中心相干光技术应用（上）

相干光技术

相干光技术的研究最早起源于1980s，对比传统的IM-DD系统(强度调制-直接检测)，相干光通信具有灵敏度高中继距离长、选择性好通信容量大以及调制方式灵活等优点。在互联网数据中心中，技术重点投入方向越来越从DCN转向DCI发展，而国家“东数西算”战略的推行，也代表数据中心长距离互联网络愈加重要。因此，相干光技术是这个过程中的关键一环。

调制技术

光通信的过程其实就是对信号的调制与解调，为了让大家对相干光通信有一个更清晰的认知，我们介绍两种相位相关的调制方式：

PSK调制

PSK又称“相移键控”，通过改变载波的相位值从而传输不同数字信号的码流，PSK调制在光通信中是被广泛使用的一种技术。

根据两个不同载波的相位关系，PSK又分为BPSK(反相)和QPSK(正交)，一个符号分别可以代表1bit和2bit数据。

QAM调制

除了上述调制方式外，光通信中还会经常用到QAM(正交振幅)调制，即同时使用载波的相位和幅度来传输数据。象限中一共有m个点位，那对应就是mQAM调制，m=2ⁿ，也就代表了在mQAM调制中，一个载波符号传输n bit数据，这也就是常说的星座图的概念。

这些调制手段中，实际业务场景往往会附加一些其他技术去增加单波道的承载能力、降低信号波特率等等。比如常见的PDM(偏振复用)技术，就是将一个光信号分成两个偏振方向分别进行调制，从而传输2倍的数据。

在PSK调制和QAM调制中都利用到了载波的相位传递信息，此时在接收端就需要相干解调。

相干解调

相干是光学中的一种现象：强处恒强，弱处恒弱，所谓相干光则是指与本光源频率相同(这里以零差检测为例)、相位差恒定、叠加处质点振动方向相同的光波。

相干光通信的大致过程如下：

原始电信号在发送端进行调制，经光纤传输后于接收端进行相干解调，最终在接收端得到原始的电信号，这里边存在许多关键的器件，比如数字信号处理器(DSP)发挥了巨大作用，后边我们也会介绍到。整个过程中信号变化如下：

通过以上这些信息，想必大家对相干光通信有了一个基础的认知，相干传输的诞生改变了光传输网络的发展，其引入的电子数字信号处理器(DSP)成为增加城域和长途WDM网络容量的关键推动因素，相干光技术可以说是长距离大容量光传输的基本。

400G ZR

正如开篇所讲，相干光技术并非一门新技术，其经历了长时间的技术积累。最早的相干光收发系统集成于通信设备线卡中，但是随着技术的进一步成熟、精密器件把控能力加强以及光通信带宽需求不断增大，可插拔相干光模块的研究逐渐被提上日程。在互联网行业尤其如此，基于同一套设备系统，可插拔光模块可以满足不同的业务需求，可以说可插拔光模块一直是伴随互联网数据中心发展的很重要一环。可插拔相干光模块在100G/200G速率就已经规模化，但真正迎来蓬勃发展是在400G速率。

400G ZR

OIF(光互联网络论坛)推出了面向城域网互联场景的 400G ZR DCO行业标准，越来越多的设备厂商和光模块厂商开始拥抱该标准并实现异构互联互通。

OIF 400G ZR规范采用密集波分复用(DWDM)和DP-16QAM结合的方案，可以在80~120km(纯裸纤到40km，光放加成可以到120km)的数据中心互连链路上传输400G。在该标准中有三种适用的MSA封装标准，分别是：QSFP-DD、OSFP以及CFP2，在互联网数据中心里，最为常用的是QSFP-DD封装标准。

需要注意的是，OIF 400G ZR定义了DCO(数字相干光)模块，在此之前还存在ACO(模拟相干光)模块，两者主要区别如下：

从图中不难看出，DCO模块与ACO模块最核心的区别在于，DCO将DSP芯片直接集成在光器件上，模块与主机系统之间采用数字通信方式，这样做的好处是可以实现异构交换机/路由器厂商通信。利用ACO模块，曾经也涌现了大批量的“比萨盒”DWDM通信系统，大家感兴趣的可以自行查阅。

数字信号处理器(DSP)

我们通篇都在谈论DSP这个词汇，DSP芯片作为DCO模块中的一部分，可谓重中之重，DSP又是如何诞生的呢?通俗易懂得说，由于光信号在长距离传输时很容易产生失真，导致接收端无法准确还原数据，但是数字信号对比光信号更容易做处理，去对抗和补偿失真从而降低失真对系统误码率的影响。可以说，DSP的出现开创了光通信的数字时代，DSP是相干光通信的重要支撑。

我们先通过一张图来看下DSP在DCO模块中的作用：

如图所示，棕红色背景的功能模块均是DSP芯片所承载的，我们总结下DSP的一些核心功能：

IQ正交：补偿因调制器、混频器造成的IQ欠正交

时钟恢复：补偿采样误差

色散补偿

偏振均衡：补偿偏正相关损伤、偏振解复用

频率估计：发送端与接收端载波频率频移估计与补偿

相位估计：载波相位噪声估计与补偿

判决输出：软/硬判决、信道解码、信源解码、误码率估计

正是因为DSP承载了太多功能，因此最初的DSP也面临体积较大和功耗过高等问题，所以围绕DSP芯片的工艺进步也在不断探索：

当前阶段DSP大多为7nm制程，DCO模块主要封装形式为QSFP-DD、OSFP、CFP2，速率为400G/200G

而2022-2025阶段，将会推出5nm制程的DSP，届时其瞄准的目标速率将是1.6T/800G

看到这，想必大家对相干光、400G ZR以及DCO模块构造有了一个大致的认知。在互联网行业，400G DCO将是相干光大规模应用的典型场景，在400G领域占据头把交椅的新华三，自然会积极推动相干光建设。事实上，在400G ZR诞生之初新华三便与业界头部DCO厂商进行联合测试，并推出了IPoverDWDM解决方案：

该方案在新华三交换机12500R上直接插入400G ZR/OpenZR+ QSFP-DD相干光模块，通过光层传输，实现DCI的IPoverDWDM传输。该解决方案的推出，有助于降低数据中心互联的网络复杂性，增加传输系统的可靠性，实现大容量传输，降低系统功耗和成本。

新华三在相干光领域提前布局进行一系列开发优化，并取得了显著成果。本文的上半篇到这就结束了，下半篇我们将继续学习OpenZR+以及新华三在相干光领域的成果，敬请期待!