By Fiber Mall

　　相干光學技術的研究起源于20世紀80年代。與傳統的IM-DD系統(強度調制-直接檢測)相比，相干光通信具有靈敏度高、中繼距離遠、選擇性好、通信容量大、調制方式靈活等優點。在互聯網數據中心，技術重點正日益從DCN轉向DCI發展，而國家“通道計算資源由東向西轉移”戰略的實施，也意味著數據中心的遠距離互聯網絡更加重要。因此，相干光技術是這一過程中的關鍵環節。

　　調制技術

　　光通信的過程實際上就是信號的調制和解調。為了能更清楚地了解相干光通信，下面介紹兩種與相位相關的調制方法：

　　相移鍵控調制

　　PSK又稱“相移鍵控”，通過改變載波的相位值來傳輸不同的數字信號流。PSK調制廣泛應用于光通信中。

　　相移鍵控信號

　　根據兩個不同載波的相位關系，PSK分為BPSK(反相)和QPSK(正交)，對于一個符號可以分別表示1bit和2bit數據。

　　QAM調制

　　除了上述調制方式外，光通信中還經常使用QAM(正交幅度)調制，即同時利用載波的相位和幅度來傳輸數據。象限中有m個點，對應于mQAM調制，其中m=2ⁿ，也就是說在mQAM調制中，一個載波符號傳輸n比特數據，這也是經常提到的星座圖的概念。

　　在這些調制方式中，實際業務場景中往往會添加一些其他技術，以增加單通道的承載能力、降低信號波特率等。例如常見的PDM(偏振復用)技術將光信號分為兩個偏振方向單獨調制，傳輸2倍數據。PSK調制和QAM調制都是利用載波的相位來傳遞信息，在接收端都需要進行相干解調。

　　相干解調

　　相干是光學中的一種現象：強的地方總是強，弱的地方總是弱，相干光是指與光源頻率相同的光波(這里以零差檢測為例)，恒定的相位差，且疊加點處質點振動方向相同。相干光通信的一般過程如下：

　　相干解調

　　基帶信號在發送端進行調制，通過光纖傳輸后，在接收端進行相干解調，最后在接收端得到原始電信號。這個過程中有很多關鍵器件，比如數字信號處理器(DSP)，其發揮著巨大的作用。整個過程中信號變化如下：

　　整個過程信號變化

　　通過以上介紹，對于相干光通信有了基本的了解。相干傳輸的誕生改變了光傳輸網絡的發展。其推出的電子數字信號處理器(DSP)，已成為城域和長途波分復用網絡容量提升的關鍵驅動因素。相干光技術可以說是實現遠距離、大容量光傳輸的基礎。

　　400 GZR

　　相干光學技術并不是一項新技術，其經歷了長期的技術積累。最早的相干光收發器系統集成在通信設備線卡中，但隨著技術的進一步成熟，對精密設備的控制能力的提高，以及對光通信帶寬需求的不斷增加，對可插拔相干光模塊的研究逐漸提上了日程。在互聯網行業尤其如此。基于同一設備系統，可插拔光模塊可以滿足不同的業務需求。可以說，可插拔光模塊一直是互聯網數據中心發展的重要組成部分。可插拔相干光模塊已經在100G/200G速率上規模化，但在400G速率下才真正迎來蓬勃發展。

　　OIF(光互聯論壇)推出了針對城域網互連場景的400G ZR DCO行業標準，越來越多的設備制造商和光模塊制造商開始采用該標準，并實現異構互聯互通。

　　OIF(光互聯論壇)

　　OIF 400G ZR規范采用密集波分復用(DWDM)和DP-16QAM相結合的解決方案，可在80~120km的數據中心互連鏈路上傳輸400G(純裸光纖可達40km，光放大器可達120km)。在本標準中，有三個適用的MSA封裝標準，即QSFP-DD、OSFP和CFP2。在互聯網數據中心中，最常用的是QSFP-DD封裝標準。需要說明的是，OIF 400G ZR定義了DCO(數字相干光)模塊，在此之前，還存在ACO(模擬相干光)模塊。兩者的主要區別如下：

　　ACO和DCO模塊

　　從圖中可以看出，DCO模塊與ACO模塊的核心區別在于，DCO將DSP芯片直接集成在光器件上，模塊與主機系統之間采用數字通信。這樣做的好處是可以實現異構交換機/路由器廠商之間的通信。

　　數字信號處理器(DSP)

　　DSP芯片作為DCO模塊的一部分，至關重要。DSP是如何誕生的?簡而言之，光信號在遠距離傳輸時很容易失真，導致接收端很難準確地恢復數據。但數字信號比光信號更容易處理，可以抵消和補償失真，從而減少失真對系統誤碼率的影響。可以說，DSP的出現開啟了光通信的數字化時代，DSP是相干光通信的重要支撐。下面通過一張圖來看看DSP在DCO模塊中的作用：

　　DCO模塊中的DSP

　　如圖所示，棕紅色背景的功能模塊均由DSP芯片承載。以下總結了DSP的一些核心功能：

　　IQ正交：補償調制器、混頻器造成的IQ非正交

　　時鐘恢復：補償采樣誤差

　　色散補償

　　極化均衡:補償與極化相關的損傷，極化解復用

　　頻率估計：發射機和接收機之間的載波頻率偏移估計和補償

　　相位估計：載波相位噪聲估計和補償

　　決策輸出：軟/硬決策、信道解碼、信源解碼、誤碼率估計

　　由于DSP承載的功能過多，最初的DSP也面臨著體積大、功耗高等問題。因此，圍繞DSP芯片的技術進步也在不斷探索：

　　現階段DSP大多采用7nm，DCO模塊主要封裝形式有QSFP-DD、OSFP、CFP2，速率為400G/200G l

　　2022-2025階段將推出5nmDSP，目標速率為1.6T/800G