數(shù)據(jù)中心高速光互連技術(shù)

數(shù)據(jù)中心高速光互連技術(shù)余建軍相干探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射蹦數(shù)孑信號(hào)處理林-N]本振光源雙極化i/Q調(diào)制器N?????????????■?????????????■ffi筈oln址外聚蛋號(hào)3￡激光源et$oln則仲?gòu)d按寶無(wú)A：模也 D：數(shù)字 MZM：巳涵-首雋爾詢(xún)制卷 I/O：冋相/上交▲圖34x100Gbit/s光傳輸系統(tǒng)的直接檢測(cè)與相干檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架620.?圖42016—2021年全球數(shù)據(jù)中心流星增悵趟勢(shì)?圖42016—2021年全球數(shù)據(jù)中心流星增悵趟勢(shì)年餡數(shù)捱用戶(hù)■4.9%數(shù)匿中也三丙13.6%71.5%?HI220円年全球數(shù)露中股剛絡(luò)流歳分布摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)流量的爆發(fā)性增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心傳輸速率將從10/40Gbit/s朝25/100/400Gbit/s架構(gòu)升級(jí)。這些速率的提升需要有新的信號(hào)光源、調(diào)制和探測(cè)技術(shù)滿(mǎn)足其要求。將介紹這些技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的最新研究成果。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;光互連;調(diào)制格式;相干探測(cè)Abstract：DrivenbyfastgrowingInternettraffic，thebitratebetweendatacenterisupgradedtobefrom10/40Gbit/sto25/100/400Gbit/s.Thesehigh-speedsignalswillneednewopticaltransmittersource，modulationformatsanddetectiontechnologies.Thesetechnologiesandthelatestresearchresultsareintroducedinthispaper.Keywords：datacenter;interconnection;modulationformats;coherentdetection數(shù)據(jù)中光互連速率增長(zhǎng)迅速隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能（AI）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的涌現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)到了一個(gè)新的發(fā)展階段，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也正在以指數(shù)量級(jí)爆發(fā)性地增長(zhǎng)，對(duì)通信帶寬和計(jì)算能力也提出了新的需求。大數(shù)據(jù)是這個(gè)時(shí)代的顯著特征之一，作為信息資產(chǎn)，大數(shù)據(jù)正在越來(lái)越多的領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。為了應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息處理需要，云計(jì)算成為了必不可少的選項(xiàng)。云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)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提供給其他計(jì)算機(jī)和設(shè)備。依托云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和云存儲(chǔ)、虛擬化技術(shù)，原來(lái)難以在單臺(tái)計(jì)算機(jī)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(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施，為云計(jì)算提供了支撐平臺(tái)。根據(jù)《Cisco全球云計(jì)算指數(shù)白皮書(shū)》的預(yù)測(cè)，從2016年到2021年，全球數(shù)據(jù)中心的IP流量將會(huì)以25%的年增長(zhǎng)率從6.8ZB迅速增長(zhǎng)到20.6ZB，如圖1所示;到2019年，99%的全球通信網(wǎng)絡(luò)流量都是和數(shù)據(jù)中心有關(guān)的，而大多數(shù)的流量發(fā)生于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，如圖2所示[1]。由于網(wǎng)絡(luò)流量的爆發(fā)性增長(zhǎng)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心無(wú)論是在傳輸帶寬、傳輸速率還是時(shí)延、可擴(kuò)展性等方面均無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此未來(lái)的數(shù)據(jù)中心將從10/40Gbit/s朝25/100/400Gbit/s的架構(gòu)升級(jí)。在這種情況下，傳統(tǒng)的電互連架構(gòu)面臨著傳輸帶寬不足、通信距離有限、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性過(guò)高、能耗過(guò)大等挑戰(zhàn)，難以滿(mǎn)足未來(lái)數(shù)據(jù)中心的需求，這就為光互連帶來(lái)了巨大的機(jī)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(lái)，光纖通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了50多年。第—個(gè)商用光纖通信系統(tǒng)由AT&T在1977年開(kāi)發(fā)出來(lái)的，容量為45Mbit/s，到了今天單模光纖的容量已經(jīng)可以達(dá)到100Tbit/s，傳輸距離跨越了1萬(wàn)多千米，覆蓋了大多數(shù)的信息傳輸場(chǎng)景，成為了當(dāng)今信息社會(huì)的基石。數(shù)據(jù)中心可以看作是規(guī)模龐大的超級(jí)并行計(jì)算設(shè)備，它由成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器以網(wǎng)絡(luò)連接的方式組合而成。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心互連網(wǎng)絡(luò)（DCN）采用樹(shù)狀拓?fù)浞謱咏Y(jié)構(gòu)，每個(gè)機(jī)架的服務(wù)器集群與機(jī)架頂端（ToR）交換機(jī)互聯(lián)，ToR交換機(jī)則與匯聚層交換機(jī)相連，匯聚層交換機(jī)再與核心交換機(jī)連接，從而形成一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)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(shí)延、長(zhǎng)距離傳輸和低功耗的優(yōu)勢(shì)，光纖傳輸已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，幾乎所有的交換機(jī)和路由器連接都采用了光互連，機(jī)柜頂端的交換機(jī)與服務(wù)器也使用了有源光纜（AOC）進(jìn)行連接。目前大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了40Gbit/s,100Gbit/s的架構(gòu)正在部署，而下一代架構(gòu)也將會(huì)跳過(guò)200Gbit/s,直接升級(jí)到400Gbit/s的速率。并行光傳輸是數(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，而且能夠與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的并行數(shù)據(jù)通道結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，使得數(shù)據(jù)處理的速度也有很大的提升。在40G的架構(gòu)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(zhì)，這種方案不僅具有低成本、低功耗的優(yōu)勢(shì)，而且易于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)的速率匹配;對(duì)于升級(jí)到100G及更高速率的架構(gòu)，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(shí)廣泛地采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)。目前的100G傳輸技術(shù)主要包括3種類(lèi)型：并行單模4通道（PSM4）、粗波分復(fù)用系統(tǒng)（CWDM4），以及短距離光模塊（SR4），這幾種類(lèi)型都是4個(gè)通道，每個(gè)通道25Gbit/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(shù)，SR4仍然采用VCSEL和多模光纖［2-6］。對(duì)于下一代400Gbit/s的速率標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)光電器件的帶寬提出更高的要求，同時(shí)需要新的技術(shù)應(yīng)用于光互連中。這些新的技術(shù)包括先進(jìn)的信號(hào)調(diào)制技術(shù)、色散補(bǔ)償?shù)?，也包括并行多通道技術(shù)的演進(jìn)。從實(shí)現(xiàn)方式上看，可以通過(guò)提高通道速率、增加并行光纖數(shù)目和增加波長(zhǎng)通道數(shù)的方法來(lái)提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的容量，使之達(dá)到400Gbit/s的標(biāo)準(zhǔn)，但無(wú)論采用哪種方式，400Gbit/s的單位比特成本和功耗都不應(yīng)該高于100Gbit/s。電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）于2017年12月完成了400G以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化，但在此之前業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了一系列的技術(shù)研發(fā)。400G升級(jí)目前存在著2個(gè)主要的挑戰(zhàn)，一個(gè)是100G到400G的4倍速率提升該以何種方式實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)是信號(hào)編碼的方式從不歸零碼（NRZ）到4電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）帶來(lái)的信號(hào)完整性問(wèn)題。目前支持?jǐn)?shù)據(jù)中心400G的傳輸技術(shù)有多模的SR4.2和單模的長(zhǎng)距離光模塊（DR4），其中SR4.2采用4對(duì)多模光纖，較為適合100m以?xún)?nèi)的傳輸，而DR4則可以達(dá)到500m,采用8X50Gbit/s的PAM4。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)承載了大部分的網(wǎng)絡(luò)流量，在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上部署的應(yīng)用程序大多數(shù)都使用了并行計(jì)算架構(gòu)，分布式計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間存在著大批量的數(shù)據(jù)吞吐，服務(wù)器之間的通信異常頻繁;與此同時(shí)，高性能服務(wù)器已經(jīng)具有了支持10Gbit/s速率的數(shù)據(jù)接口。當(dāng)這些服務(wù)器協(xié)同工作時(shí)，需要的交換機(jī)接口速率很輕易就能超過(guò)100Gbit/s。因此，提升數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力是一件迫在眉睫的事情，同時(shí)也成為了近期學(xué)術(shù)界和工業(yè)界相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。與長(zhǎng)距離光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)不同，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，信號(hào)的損耗較小，因此主要使用強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)（IM-DD），能夠降低復(fù)雜度、功耗和成本，提升系統(tǒng)的集成度。在其他國(guó)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(shí)現(xiàn)6通道120Gbit/s的傳輸，傳輸距離達(dá)到了100m［7］,首次實(shí)現(xiàn)多模光纖超過(guò)100Gbit/s速率的傳輸；同年查爾姆斯理工大學(xué)完成了基于VCSEL的PAM4信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)，工作波長(zhǎng)為850nm，在30Gbit/s的速率下傳輸了200m多模光纖［8］；2014年，菲尼薩公司（Finisar）使用了25GHz帶寬的VCSEL傳輸了離散多音頻（DiscreteMulti-tone）調(diào)制的信號(hào)，在200m光模式3（OM3）多模光纖上達(dá)到了56Gbit/s的速率［9］；2015年康普公司（CommsCope）實(shí)現(xiàn)了4X28Gbit/s的WDM信號(hào)在多模光纖上傳輸100m的距離［10］，該系統(tǒng)同樣使用了VCSEL激光器，工作在850?980nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)；2014年，以色列研究人員使用了工作在1310nm和1550nm的馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器（MZM）實(shí)現(xiàn)了PAM4信號(hào)在單模光纖上的傳輸［11］，通過(guò)簡(jiǎn)化的最大似然序列估計(jì)（MLSE）算法來(lái)消除碼間干擾（ISI）和非線(xiàn)性失真，該系統(tǒng)可達(dá)到56Gbaud的速率，其比特率為112Gbit/s,傳輸距離為2?80km；2016年，丹麥技術(shù)大學(xué)使用了MZM在1544nm的波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)了PAM4和離散多音調(diào)制（DMT）調(diào)制信號(hào)傳輸［12］，其中殘留邊帶（VSB）DMT信號(hào)在無(wú)色散補(bǔ)償?shù)那闆r下傳輸了80km單模光纖，速率可達(dá)56Gbit/s。在中國(guó)，已經(jīng)有多家企業(yè)和高校對(duì)短距離的數(shù)據(jù)中心光通信展開(kāi)了研究，并取得了一系列進(jìn)展。中興通訊基于10GHz帶寬的分布式反饋激光器（DFB），在無(wú)色散補(bǔ)償和預(yù)均衡的情況下實(shí)現(xiàn)了56Gbit/s的單模光纖10km傳輸［13］；2016年，中興通訊和復(fù)旦大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了4X128Gbit/s的基于傅里葉變換擴(kuò)展的（DFT-S）正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)［14］，在單模光纖上的傳輸距離達(dá)到了320km,創(chuàng)造了IM-DD系統(tǒng)在超100Gbit/s速率上的傳輸距離記錄；同年，該團(tuán)隊(duì)基于獨(dú)立單邊帶（ISB）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)240Gbit/s的DFT-SOFDM信號(hào)傳輸［15］，傳輸距離達(dá)160km,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(xué)基于18GHz帶寬的VCSEL和多模光纖鏈路實(shí)現(xiàn)了70Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)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?dāng)_［16］;2018年，中興通訊和復(fù)旦大學(xué)實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)112Gbit/s的無(wú)載波幅度相位調(diào)制（CAP）信號(hào)在480km單模光纖上的傳輸［17］，這是超100Gbit/s的CAP-16信號(hào)在IM-DD系統(tǒng)上的最遠(yuǎn)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(guó)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在數(shù)據(jù)中心光互連架構(gòu)的部署上和應(yīng)用上處于領(lǐng)跑地位。2017年百度數(shù)據(jù)中心的交換機(jī)連接采用了基于4通道小型可插拔（QSFP）28SR4和CWDM4模塊，速率為100Gbit/s，服務(wù)器與交換機(jī)采用25G有源光纜SFP28連接。2017年，阿里的服務(wù)器規(guī)模部署25GAOCSFP28連接；2019年開(kāi)始嘗試100G模塊，使用SFP-雙密度（DD）和100GAOC線(xiàn)纜的方案，以2個(gè)50G通道提供了100G的接入能力；而交換機(jī)的互連早在2013年就部署了QSFP+40G的光模塊，2017年規(guī)模部署了QSFP的100G的光模塊，2019年則開(kāi)始嘗試QSFD-DD的400G的光模塊，以8X50Gbit/s的8通道方式提供了400Gbit/s的接口速率。需要新的信號(hào)光源、調(diào)制和探測(cè)技術(shù)滿(mǎn)足帶寬需求信號(hào)光源數(shù)據(jù)中心光傳輸系統(tǒng)與長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)不同，由于短距離網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，對(duì)成本非常敏感。因此，低成本的光收發(fā)器以及強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)已被采納為主流技術(shù)。在IM-DD系統(tǒng)中，直接調(diào)制激光器（DML）、電吸收調(diào)制激光器（EML）和MZM是發(fā)射機(jī)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(shì)，用作數(shù)據(jù)中心光互連發(fā)射機(jī)可以降低部署成本。但是，DML在高速直接調(diào)制過(guò)程中會(huì)有很強(qiáng)的啁啾，導(dǎo)致信號(hào)光譜變寬，使得信號(hào)在傳輸過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)直調(diào)信號(hào)的啁啾抑制，從而增加輸出光信號(hào)的消光比，延長(zhǎng)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(biāo)，較高的接收靈敏度通常需要提高進(jìn)入光纖的光功率。但當(dāng)入纖光功率較高時(shí)，光線(xiàn)中的非線(xiàn)性效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)畸變，系統(tǒng)性能會(huì)下降?；贒ML的直接調(diào)制信號(hào)的載波直流分量較低，基于EML和MZM的外調(diào)制信號(hào)光譜具有較強(qiáng)的載波直流分量，外調(diào)制信號(hào)可以承受的入纖功率低于直接調(diào)制信號(hào)；因此，DML具有較高的光接收靈敏度。此外，隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展，為了解決調(diào)制帶寬限制和調(diào)制過(guò)程中的非線(xiàn)性損傷問(wèn)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(xiàn)性Volttera均衡和查找表（LUT）預(yù)畸變等非線(xiàn)性補(bǔ)償方案。近年來(lái)，高速率、低功耗和小尺寸的全硅基電光調(diào)制器受到全球廣泛研究，它的應(yīng)用與成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容，便于實(shí)現(xiàn)光子、光電子集成。超過(guò)100G的高速硅光調(diào)制器已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)報(bào)道。北京大學(xué)在2019年光纖通信博覽會(huì)及研討會(huì)（OFC2019）報(bào)告了基于馬赫-曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)硅光調(diào)制器［18］，結(jié)合先進(jìn)DSP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的200Gbit/s（PAM4）和176Gbit/s（PAM4）傳輸1千米標(biāo)準(zhǔn)單模光纖;加拿大拉瓦爾大學(xué)在OFC2019報(bào)告了基于行波電極的兩個(gè)MZM全硅I/Q調(diào)制器［19］，采用先進(jìn)的DSP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了100Gbaud32正交振幅調(diào)制（QAM）相干接收，傳輸凈速率高達(dá)單偏振416.7Gbit/s?；诠璨牧系碾姽庹{(diào)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(shù)的相關(guān)方面發(fā)揮著重要的作用。信號(hào)調(diào)制在數(shù)據(jù)中心高速光互連中，研究先進(jìn)調(diào)制碼信號(hào)的產(chǎn)生、探測(cè)和恢復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)更高頻譜效率、更高系統(tǒng)容量。傳統(tǒng)的二進(jìn)制強(qiáng)度調(diào)制（00K）是最簡(jiǎn)單的調(diào)制格式，每個(gè)傳輸符號(hào)攜帶1bit信息;但隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，其對(duì)器件的帶寬要求以及對(duì)光纖色散匹配的要求也越來(lái)越高，已經(jīng)不再適應(yīng)發(fā)展的需要。隨著光電器件的不斷發(fā)展，多種高價(jià)的調(diào)制碼方案被提出。其中，主流的調(diào)制碼有脈PAM、CAP和DMT。（1） PAM技術(shù)。PAM4通過(guò)4電平幅度調(diào)制，每個(gè)電平值可以承載2bit信息，電平從低到高代表00、01、10、11。PAM4格式對(duì)系統(tǒng)帶寬的要求比00K降低一半，對(duì)色散的容忍性可以比OOK提高4倍，相比于DMT和CAP等高級(jí)調(diào)制格式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)施，是目前受到推崇的調(diào)制格式。（2） CAP技術(shù)。在發(fā)射端，原始數(shù)據(jù)比特序列首先被映射成復(fù)數(shù)符號(hào)，然后將映射后的符號(hào)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(guò)一對(duì)正交的整形濾波器得到濾波后的正交信號(hào)，將正交濾波器輸出相加即可得到調(diào)制信號(hào)而在接收端，在直接檢測(cè)后得到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）后可采用數(shù)字信號(hào)處理恢復(fù)。CAP技術(shù)通過(guò)改變同相和正交波形反映所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，在實(shí)現(xiàn)相同比特傳輸速率的情況下，CAP信號(hào)的符號(hào)速率只有PAM信號(hào)的一半，以更低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)相同的傳輸速率。（3） DMT技術(shù)。DMT技術(shù)將傳輸信道劃分為多個(gè)相互正交的子信道，根據(jù)每個(gè)載波的信噪比的不同對(duì)每個(gè)載波采用不同調(diào)制格式，動(dòng)態(tài)地給每個(gè)子信道分配信息傳輸功率和傳輸比特?cái)?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(lái)，概率編碼（PS）作為一種新的技術(shù)手段，在長(zhǎng)距離單載波相干光調(diào)制系統(tǒng)中被廣泛研究，其能夠在一定信噪比下進(jìn)一步提高頻譜效率。此外，PS技術(shù)與多種調(diào)制碼技術(shù)相結(jié)合的方案，聯(lián)合偏振復(fù)用（PDM）技術(shù)，可以進(jìn)一步提高IM-DD傳輸系統(tǒng)的容量，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心高速光互連的需求。信號(hào)檢測(cè)根據(jù)接收端信號(hào)的檢測(cè)方式，可以將光傳輸系統(tǒng)分為直接檢測(cè)系統(tǒng)和相干檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)密集、短距離、大規(guī)模等特點(diǎn)，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，是高速光互連的理想選擇［20］。直接探測(cè)的信噪比與最小可探測(cè)功率皆低于相干探測(cè)系統(tǒng)，因此在長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)中往往采用相干探測(cè)。但在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，鏈路距離小于2km的內(nèi)部流量占互聯(lián)網(wǎng)總流量的80%以上，并在近年來(lái)保持快速增長(zhǎng)，光信號(hào)在傳輸過(guò)程中的功率和信噪比損失很小。另外，隨著先進(jìn)DSP技術(shù)和前向糾錯(cuò)碼（FEC）編解碼器性能迅速發(fā)展，使得接收端對(duì)于接收光信號(hào)光信噪比（OSNR）的要求大大降低。綜上所述，直接檢測(cè)系統(tǒng)可以支持短距離光互連系統(tǒng)的高速信號(hào)傳輸，且能降低系統(tǒng)的成本，是當(dāng)前大規(guī)模數(shù)據(jù)中心光互連網(wǎng)絡(luò)的首要解決方案。相干檢測(cè)系統(tǒng)因?yàn)榫哂懈叩撵`敏度，可以支持大容量光傳輸系統(tǒng)［21］。然而，與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，相干技術(shù)的靈敏度提高是以附加的本振光（LO）為代價(jià)的。單波長(zhǎng)下較高的信道速率得益于其更多的調(diào)制維度（X和Y極化、同相和正交（IQ）分量），其結(jié)構(gòu)相比于直接檢測(cè)系統(tǒng)要復(fù)雜的多。在傳統(tǒng)當(dāng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光互連中往往采用簡(jiǎn)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(cè)在不久的將來(lái)可能會(huì)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連應(yīng)用［22］。下一代數(shù)據(jù)中心光互連架構(gòu)將會(huì)從100Gbit/s升級(jí)到400Gbit/s的速率。并行光傳輸是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信的重要方式，在滿(mǎn)足高速傳輸需求的同時(shí)，與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的并行數(shù)據(jù)通道結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有助于后端數(shù)據(jù)處理速度的提升。當(dāng)前主流的PSM4、CWDM4，以及SR4等技術(shù)皆為4通道傳輸。目前，使用4X100Gbit/sPAM4信號(hào)的400G收發(fā)器已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明，并有望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。圖3給出了4X100Gbit/s光傳輸系統(tǒng)的直接檢測(cè)與相干檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架。如圖3所示，相干檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比直接檢測(cè)系統(tǒng)更為復(fù)雜。它在接收端需要額外的LO與90?；祛l器，并且需要4個(gè)平衡PD以實(shí)現(xiàn)X和Y極化方向上IQ分量探測(cè)。通過(guò)信號(hào)的極化復(fù)用，這4路信號(hào)（IX,QX，IY，QY）可以實(shí)現(xiàn)在單路光纖上的傳輸。而直接檢測(cè)系統(tǒng)需要4路光纖以來(lái)實(shí)現(xiàn)4X100Gbit/s的信號(hào)傳輸。中興通訊取得了領(lǐng)先的研究成果中興通訊在基于PAM技術(shù)的高速光互連進(jìn)行了深入的研究。表1總結(jié)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(jìn)展。采用PAM4調(diào)制和直