面向數據中心光互連的高速光傳輸技術

張帆 朱逸蕭

摘要：數據中心光互連場景可分為數據中心內部和數據中心之間2大類。對于數據中心內部光互連，利用新型調制方案、高性能光器件和高速數字信號補償算法是提升單通道速率的主要方式;對于數據中心之間光互連，結合單邊帶調制和非線性補償算法克服色散功率衰落是重要研究方向。未來數據中心的升級依賴于光電器件和數字信號處理的共同進步。

關鍵詞：光互連;直接檢測;自相干檢測;數字信號處理

Abstract： Intra-data center and inter-data center optical interconnects are two categories of data-center application scenarios. For intra-data center optical interconnect， novel modulation schemes， high-performance optical devices and compensation algorithms for high-speed digital signal are enabling technologies to increase the line-rate; while for inter-data center optical interconnect， the combination of single-sideband modulation and digital nonlinear mitigation algorithm is the key approach to overcome the fiber dispersion induced power fading effect. The upgradation of future data-center interconnect relies on the development of both optoelectronic devices and digital signal processing.

Key words： optical interconnects; direct detection; self coherent detection; digital signal processing

光纖通信系統由于其傳輸損耗低、可用帶寬大、信道穩定等優點成為現代信息社會的重要基礎設施。近年來，隨著云計算、移動互聯、虛擬現實等新型寬帶業務的發展，大數據時代數據容量的增長逐漸從超長距離傳輸的核心網向中短距離城域網絡傳輸轉移。在數據中心內部，數十萬計算節點（服務器）存儲和處理網絡基礎設施的大量云數據。因此，在以云服務和應用為主導的時代，數據中心（DC）貢獻了大部分的全球互聯網協議流量。根據思科（Cisco）全球云指數預測：從2016—2021年，數據中心流量將以平均每年25%的速度增長近3倍多。到2021年底，全球超大數據中心數量將會增加到628個。與此同時，全球數據中心年流量將增長到20.6 ZB（1 ZB=1021 B）[1]。與超長距離傳輸不同，短距離光傳輸和光互連對每比特成本和能耗更為敏感。如何實現低成本高速光傳輸，是光通信技術必須應對的重要課題。

根據傳輸距離劃分，數據中心光互連的場景可以分為3類：數據中心內部、數據中心之間和擴展距離數據中心之間光互連[2]，具體如圖1所示。對于數據中心內部光互連，其典型傳輸距離在300 m以內，這一場景占據了77%的數據流量。考慮到光模塊的成本，由于垂直腔面發射激光器（VCSEL）能夠在一塊晶圓上制備，結合大纖芯直徑的多模光纖（MMF）具有更高的耦合效率，因此基于VCSEL和MMF的強度調制直接檢測（IM-DD）一直是數據中心內部光互連的主要實現方式[3-5]。對于傳輸距離在20 km以下的數據中心之間光互連，在這一距離范圍內，多模光纖將出現嚴重的模式間色散導致碼間串擾，于是標準單模光纖取而代之成為主要選擇。另一方面，這一距離的鏈路衰減仍然較小，往往可以不采用光放大器以降低成本。考慮到接收功率靈敏度（RS）這一系統優化指標，先進的光電二極管例如高帶寬雪崩光電二極管（APD）由于其RS比傳統PIN光電探測器（PD）低得多，因此在這一場景下有著重要的應用[6]。此外，色散的影響會隨著波特率和距離而增大，在直接檢測接收端平方律的影響下，可能會出現非線性的信號損傷，所以大多選擇在零色散的O波段傳輸以避免這一問題。最后，擴展距離數據中心光互連對應著20～80 km的傳輸距離，此時通信波段從O波段轉移到C波段以降低傳輸損耗，同時光放大器也逐漸被接受。相應地，色散的影響將被進一步加重，色散導致的雙邊帶功率衰落嚴重限制著傳輸速率[7]。為此，當前的研究熱點是采用一些自相干的調制方案如單邊帶信號[8-11]避免這一效應。雖然直接檢測收發機相比于相干檢測仍具有成本上的優勢，但隨著速率的升級、相干收發機成本的降低，相干檢測方案未來可能會逐步下沉到擴展距離數據中心光互連。

本文中，我們將從數據中心內部和數據中心之間2方面進行展開，介紹當前熱門的幾種數字調制和接收方案，并比較其優缺點。

1 數據中心內部光互連

近年來，學術界的一個努力方向是借鑒長距離光纖傳輸系統的發展軌跡，將數字信號處理引入短距離光互連，以進一步補償信道損傷，提升傳輸容量。但是，考慮到市場對短距傳輸收發機的成本關注度，直接套用數字相干的方案不太可行。另外，收發器的尺寸因子、端口密度、總物理連接數以及單位面積上的比特率，這些都是決定數據中心總規模和能量利用率的重要參數。這些約束使得光模塊在物理層面臨著前所未有的挑戰，下一代數據中心需要有創新的信號產生/檢測方案和數字信號處理算法。

1.1 調制方案

從接口速率演進的角度來看，100 GE標準的主要實現方式為4路并行的開關鍵控（OOK）調制信號，單通道速率為25 Gbit/s。而面向400 GE標準，需要采用更高頻譜效率的調制方式，以降低對光模塊的帶寬要求。目前，基于56 Gbaud的4電平脈沖強度調制（PAM4）信號已經被標準采納。更進一步地，對于下一代800 GE或1 TE的接口標準，IM-DD仍將占據主流，其中4路并行每通道200/250 Gbit/s傳輸速率是一種較為可行的方案。這就需要發揮數字信號處理器（DSP）的作用，在35 GHz左右帶寬的收發機上實現高速高頻譜效率調制，并盡可能地提升接收靈敏度。接下來我們將介紹近幾年來比較熱門的3種數字調制技術：PAM、無載波幅度相位調制（CAP）和離散多音頻調制（DMT）。

PAM調制通過增加發送符號的電平數來實現，是一種簡單而又有效的方案。它相比傳統的OOK頻譜效率翻倍，從而降低了器件的帶寬需求;但缺點是降低了功率預算，并增大了調制線性度的一些相差要求。在3種方案之中，PAM對數模轉換器（DAC）和模數轉換器（ADC）的要求最低。此外，相比于正交幅度相位調制（QAM）信號，PAM信號相當于省去了一個正交分量，因此PAM-M的頻譜效率減半為log2（M）/2。

CAP是另一種基于QAM信號的強度調制方案。對于基帶的QAM信號，設計一對正交的上變頻后的成型濾波器，通過分別卷積同相/正交（I/Q）分量實現信號的數字上變頻。在上變頻后左右邊帶相互共軛對稱，因此變成一維實數信號。同時由于兩個邊帶攜帶相同信息，因此其頻譜效率與相同調制格式的PAM信號相同。

DMT是一種基帶的正交頻分復用調制（OFDM），相比于傳統的OFDM信號，只對其中一半的子載波（正頻率）調制信號，而另一半子載波（負頻率）上發送對應位置復共軛的信號，來保證整個DMT符號為實數。DMT調制的一大優勢是，可以根據器件和鏈路的各個頻率點的信噪比靈活地進行比特和功率加載，從而提升頻譜效率。

圖2為PAM/CAP/DMT 3種調制方案的收發端數字信號處理流程圖。通過對比可以看出，PAM調制方案具有最低的計算復雜度。而CAP格式由于在中頻進行IQ調制，因此在相同比特率和頻譜效率的情況下，相比于PAM調制只需要一半的波特率，于是也降低了收發端DAC和ADC的采樣率要求。對于DMT調制方案，由于需要進行傅里葉變換及其逆變換，因此具有最高的計算復雜度。而這一過程也使得信號具有較高的峰均比（PAPR），所以對DAC和ADC的量化比特數要求很高。在接收端，不同于PAM和CAP常用的時域均衡，DMT因為信息調制在頻域，因此可以對各個子載波采用1抽頭的頻域均衡，在信道估計和均衡過程中復雜度很低。

1.2 高速數字信號補償算法

除了上述介紹的調制方案之外，通過DSP可以緩和收發端器件的帶寬不足，以進一步適應高速傳輸的需求。

（1）預均衡[12]。針對帶寬受限系統，發射端預均衡是一種簡單有效的補償方法。首先，在不做任何補償的情況下發送數據，通過接收端的均衡器估計出系統端到端的時域或者頻域響應，再將估計出系統響應的逆在時域與發送數據卷積（或者在頻域與信號相乘），這樣就能在發射端相對提升信號高頻分量來抵抗器件的低通濾波效應。經過信道傳輸后，接收端可以實現較為平坦的信號頻譜，從而降低碼間串擾。這種方案的缺點是需要對每個特定系統都要進行一次基于負反饋的校準過程，靈活性較差。

（2）后均衡[13]。后均衡也被稱為接收端的超奈奎斯特技術。它的原理可以這樣理解：對于一個帶寬不足的信號，經過接收端均衡器之后，信號的高頻分量被抬升以抑制碼間串擾。與此同時，原本平坦的帶內噪聲的高頻部分也被加重，劣化了最終的誤碼性能。后均衡方法首先在均衡器之后加入一個兩抽頭的數字后濾波器實現低通濾波，它的時域響應的z變換可以表示成：[H（Z）=1+αz-1，α∈[0，1]]。于是，在引入一個簡單并且已知的碼間串擾的前提下可以抑制均衡增強的帶內噪聲。其中，[α]的值可以進行優化，使[H（z）]的頻域響應與均衡前的信號頻譜盡可能相似。之后，這個已知的碼間串擾可以通過基于維特比譯碼算法的最大似然序列檢測（MLSD）消除。后均衡方法不需要對發射端進行額外操作，并且可以根據系統帶寬限制的嚴重程度優化數字后濾波器的抽頭權重，靈活性較高，缺點是最大似然序列檢測的算法復雜度和存儲空間較大。

查找表算法（LUT）主要用于降低高速系統中與發送序列相關的模式損傷[14]。它具有計算復雜度低、配置靈活等優點，可以應用于糾正強度調制直接檢測系統中的非線性損傷問題。如圖3所示，考慮前后共[2M+1]個符號對中間時刻符號的影響，所有可能的發送符號序列記為[X（k-M：k+M）]。初始狀態時查找表中數據全部置零，滑動窗口每次選取發送序列中的[2M+1]個符號，并計算這種模式的地址，即查找表索引i。[Y（k-M：k+M）]表示在接收端得到的恢復序列，發送序列和接收序列的中心符號相減得到誤差[e（k）]。隨著滑動窗口不斷向前移動，我們逐漸遍歷了所有發送圖案的誤差值。假設查找表索引i中存入數據個數為[N（i）]，則對應位置差值的平均值可以更新為：

1.3 相關光發射器件的發展趨勢

在這一小節，我們將介紹一些適用于數據中心光互連器件的發展趨勢。

（1）單模VCSEL。850 nm波段的VCSEL和多模光纖已經被廣泛地應用于數據中心內部實現單通道10 Gbit/s光互連應用。然而，未來的高速光互連需要達到單通道速率100 Gbit/s以上，并支持300 m的傳輸距離。即使采用高帶寬的OM4型多模光纖，模式色散在這一距離下仍將成為限制因素。為此，已有的解決方案一種是減少VCSEL激發的縱模數量實現單模工作模式，另一種是通過氧化物孔徑工程使得高階縱模式泄露出去[15]。基于單縱模VCSEL，WU B.等人實驗演示了100 Gbit/s的DMT信號傳輸300 m長的OM4光纖[16]。R. PUERTA等人的實驗演示了107.5 Gbit/s單模VCSEL傳輸100 m的OM4光纖，作為對比，相同速率采用多模VCSEL只能達到10 m的傳輸距離[17]。2017年，C. KOTTKE等人實驗演示了創紀錄的113 Gbit/sDMT信號傳輸550 m OM4光纖[18]。

（2）雙邊電吸收調制器。由于自身的技術成熟度，以及小尺寸、大帶寬和高消光比等優勢，電吸收調制器在短距離傳輸系統中得到了廣泛應用。一般來說，電吸收調制器只有一個被調制的輸出信號，另一個往往用于性能監測控制。在2016年，M.THEURER等人通過集成兩個電吸收調制器實現了同一波長上的雙邊輸出模式。基于這一光源，M.THEURER等人實驗演示了可以適用于多通道短距離傳輸應用的2×56 Gbit/s 不歸零碼（NRZ）信號生成[19]。為了適應高階調制格式，雙邊電吸收調制器可以通過兩路二進制驅動信號的疊加產生PAM4調制信號，從而避免了高速DAC和線性電放大器的需求[20]。進一步地，由于雙邊電吸收調制器輸出波長相同，因此可以產生偏振復用信號。在這一方面，ZHONG K.P.等人成功演示了120 GBaud的偏振復用NRZ信號的產生和傳輸[21]。

（3）硅基強度調制器。不同于前2種方案，基于硅基集成的外調制方案也具有低成本、小尺寸、互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容等優勢。由于強度調制器的差分輸入可以避免啁啾的產生，這種方案具有最高的調制線性度。2018年，北京大學ZHANG F.等人基于數字后均衡算法補償器件和光纖鏈路的帶寬不足，同時利用22.5 GHz帶寬的硅基強度調制器實現了紀錄性的200 Gbit/s的PAM6信號背靠背生成和176 Gbit/s的PAM4信號傳輸1 km標準單模光纖[22]。

2 數據中心之間光互連

數據中心之間光互連典型傳輸距離20～80 km。如圖4所示，對于強度調制信號，在光纖傳輸的過程中，信號由于色散受到的相移正比于傳輸距離以及相對于中心頻點頻率的平方，因此左右邊帶的相移相同。而在PD平方律檢測之后，信號會與其共軛分量相疊加，從而將色散由相位影響轉化成幅度上的影響，最終導致頻率選擇性的功率衰落。為避免色散功率衰落效應，近年來學術界提出采用單邊帶調制信號作為中短距高速傳輸方案。

基于單探測器的光單邊帶傳輸系統，面臨的主要問題是探測器對信號的平方律操作帶來的信號-信號拍頻串擾（SSBI）。為補償這一損傷，學術界陸續提出了幾種有效的數字域補償方案。如圖5所示，英國的倫敦大學學院（UCL）大學研究組提出SSBI當作微擾項進行重構式迭代補償[23]。對接收到的信號進行信道均衡和判決解調后，重新進行調制以模擬發送信號，經過時刻同步后，對該信號進行取模和平方操作重構出SSBI損傷項，再與原始接收信號作差以抑制SSBI的影響。整個步驟可以迭代進行，從而逐步提高SSBI估計的精確度，實現線性接收。這一方法的缺點在于，迭代過程包含了均衡、解調和調制等步驟，計算復雜度較高。作為改進，美國諾基亞貝爾實驗室[24]和北京大學研究組[8]提出了不包括均衡的迭代算法。將輸入信號通過單邊帶濾波器、取模和平方操作直接重構出SSBI項，并通過多次迭代增加重構精度，相比于前一種方案大幅降低了計算復雜度。然而，由于單邊帶濾波器需要由希爾伯特濾波器實現，所以每次要進行一對傅里葉變換（FFT）和逆變換（IFFT），所以迭代過程的復雜度仍然較高。意大利LAquila大學研究組基于最小相位條件，證明了單邊帶信號的對數幅度和相位間滿足克拉默-克隆尼格（KK）關系，即互為希爾伯特變換對[25]。如圖5所示，根據接收到光電流可以恢復出接收光場的幅度分量，進而得到相位信息，最終線性重構出復數光場。KK關系接收機給出了理論上最佳的接收算法，它的缺點是算法中包含了對數等非線性操作，使得信號頻譜在這一過程中發生展寬，因此接收端一般需要3倍以上符號率的上采樣倍數。

在KK關系接收機提出之后，許多研究組對其加以改進以進一步降低復雜度。韓國KAIST研究組通過對對數函數進行一階展開，避免了非線性運算，降低接收端采樣率的要求。在112 Gbit/s單邊帶OFDM信號80 km標準單模光纖的傳輸實驗中，他們用2倍上采樣取得了與6倍上采樣相似的誤碼性能[26]。另一種思路是從簡化希爾伯特濾波器的角度出發，德國光量子研究所提出用有限長抽頭濾波器進行近似[27]，從時域卷積避免了整個數據的FFT/IFFT變換，降低了處理時延和計算復雜度。在實驗中，他們利用32個抽頭的數字濾波器實現了KK關系接收機，并成功地將80 Gbaud的16 QAM信號傳輸了300 km標準單模光纖。此外，上海交大研究組通過將指數操作移到發射端，降低了信號的KK關系接收機對單邊帶信號的載波信號功率比（CSPR）需求[28]。在CSPR為12 dB的虛載波單邊帶傳輸實驗系統中，可以獲得2 dB的接收功率靈敏度增益。

在單邊帶信號的基礎之上，為了進一步提高傳輸速率和頻譜效率，華為研究組提出了孿生單邊帶調制方案。在具體實現時，基于單個雙驅動調制器可以在左右邊帶同時傳送不同信息，它們共享中間的光載波，從而實現傳輸容量的翻倍[29]。而孿生單邊帶的一個難點是接收端光濾波器不夠陡峭，殘余對向邊帶在PD平方律檢測后會與目標邊帶重疊，產生串擾影響誤碼性能。因此，華為研究組[30]和復旦大學研究組[31]對左右邊帶信號進行2×2聯合均衡消除邊帶間串擾。此外，北京大學研究組提出了非對稱孿生單邊帶方案，可以節省其中一個邊帶的保護間隔并獲得更小的邊帶間串擾，在接收端可以避免聯合均衡，提升系統靈活性。在實驗中，他們分別演示了224 Gbit/s的非對稱孿生單邊帶16 QAM信號最遠傳輸距離240 km，以及基于32 QAM調制格式實現了80 km標準單模光纖傳輸最大速率300 Gbit/s [32]。對稱和非對稱孿生單邊帶接收原理示意具體如圖6所示。

3結束語

隨著各類寬帶業務的不斷發展，數據中心面臨著前所未有的流量增長需求。下一代的光模塊既要在硬件上增大收發端器件的調制帶寬，又要考慮通過引入DSP，彌補收發機的非線性等問題，實現動態、靈活、精細的補償。光電器件性能大大減輕DSP的壓力，而DSP也能彌補器件的不足。此外，未來面向1.6 T以上的接口標準升級時，單一增大器件帶寬變得非常困難，需要考慮更高維度、更高頻譜效率的調制方案，低成本相干可能走進數據中心內部，成為具有競爭力的一大技術方案。