【深度】數(shù)據(jù)中心光通信技術(shù)綜述

　　ICCSZ訊  由于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的流量已經(jīng)占據(jù)全球通信網(wǎng)絡(luò)流量絕大部分。作為高速信息傳輸?shù)闹饕d體，如今光通信技術(shù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心中得到了廣泛應(yīng)用，從距離幾米服務(wù)器間的光互連到連接世界各地數(shù)據(jù)中心的光網(wǎng)絡(luò)。本文概要介紹了數(shù)據(jù)中心的光通信技術(shù)，包括數(shù)據(jù)中心之間互連的廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)器及交換機(jī)之間光互連技術(shù)，并對(duì)各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)一些不同的技術(shù)方案做了簡(jiǎn)要的討論和比較。

        1、引言

　　互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入了人們生活的各個(gè)方面，正在對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。從電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)游戲，到網(wǎng)絡(luò)視頻、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等，互聯(lián)網(wǎng)上各種新的應(yīng)用層出不窮，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量和對(duì)通信容量和計(jì)算能力的需求一直在以指數(shù)級(jí)快速增長(zhǎng)。

　　基本上所有的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用的處理與計(jì)算都是在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行的。在數(shù)據(jù)中心，成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，像一臺(tái)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī)一樣協(xié)同一致地工作。根據(jù)《Cisco全球云計(jì)算指數(shù)白皮書》，到2019年，全球通信網(wǎng)絡(luò)流量的99%是和數(shù)據(jù)中心相關(guān)的，其中數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)流量占到全部流量的70%以上，如圖1所示。

　　圖1 Cisco發(fā)布的2019年全球通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)

　　高餛博士1966年指出光纖的損耗可以降到20 dB/km以下，1970年美國(guó)康寧公司第一次拉出損耗為17 dB/km的光纖，光纖通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今已有50年。

　　1977年第一個(gè)商用光纖通信系統(tǒng)由AT&T在美國(guó)芝加哥投入使用，容量為45 Mbit/s，今天單模光纖的容量已達(dá)到100 Tbit/s，技術(shù)的發(fā)展使光纖通信系統(tǒng)的容量在過去30多年里提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　從距離幾米服務(wù)器交換機(jī)之間的連接、到連接千家萬(wàn)戶的接入網(wǎng)、再到跨越1萬(wàn)多公里的海底光纜，今天的光纖通信已經(jīng)覆蓋了信息傳輸從短距到長(zhǎng)距的各個(gè)方面，成為了今天信息社會(huì)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

　　近年來，由于互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的發(fā)展，光纖通信的應(yīng)用主體已經(jīng)從電信運(yùn)營(yíng)商的中心機(jī)房轉(zhuǎn)向了數(shù)據(jù)中心。在美國(guó)，2008年互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心對(duì)光纖通信的需求超過了電信運(yùn)營(yíng)商，今天數(shù)據(jù)中心或許已經(jīng)成為光纖通信的最大市場(chǎng)。

　　本文描述了數(shù)據(jù)中心中使用和需要的光通信技術(shù)，包括連接數(shù)據(jù)中心間的廣域網(wǎng)和城域網(wǎng)技術(shù)以及數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的光互連技術(shù)。首先對(duì)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)作了簡(jiǎn)單的概述，使讀者對(duì)光纖通信在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用有個(gè)總體的了解;而后對(duì)數(shù)據(jù)中心廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)中使用的光通信技術(shù)作了詳細(xì)的闡述;最后進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)。

　　2、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　圖2給出了典型的大型互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)。分布在不同地區(qū)的數(shù)據(jù)中心通過廣域網(wǎng)相互連接，根據(jù)架構(gòu)的不同，每個(gè)或部分數(shù)據(jù)中心通過外部通道和公共互聯(lián)網(wǎng)相連，用戶通過公共互聯(lián)網(wǎng)和外部通道進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。為改善用戶體驗(yàn)、降低訪問時(shí)延，一般會(huì)在靠近用戶或用戶集中的地方設(shè)立POP點(diǎn)，POP點(diǎn)通過專線直接連接到數(shù)據(jù)中心。這樣可以減少用戶訪問數(shù)據(jù)在公共互聯(lián)網(wǎng)中的滯留時(shí)間。

　　圖2 典型的大型互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　一般每個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心有幾個(gè)不同的數(shù)據(jù)中心組成，主要為了容災(zāi)和備份的需求，也有的是為了將位于同一個(gè)地區(qū)內(nèi)幾個(gè)數(shù)據(jù)中心組成一個(gè)超級(jí)虛擬數(shù)據(jù)中心，這樣每個(gè)數(shù)據(jù)中心可以相對(duì)較小，設(shè)計(jì)和建設(shè)相對(duì)容易。同一地區(qū)的數(shù)據(jù)中心通過城域網(wǎng)連接起來。因?yàn)闀r(shí)延的要求，城域網(wǎng)中不同數(shù)據(jù)中心的距離不容許超過80公里。

　　每個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部有成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，這些服務(wù)器通過數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)相互連接。數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)有幾個(gè)重要的參數(shù)：可連接的服務(wù)器的數(shù)量(可擴(kuò)張性)、對(duì)分帶寬和時(shí)延?？蓴U(kuò)展性指在增加服務(wù)器數(shù)量時(shí)不需要改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。最理想的情況是在一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的任何兩個(gè)服務(wù)器之間都能以很小的時(shí)延和服務(wù)器的全部帶寬進(jìn)行通信，但在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中必須考慮成本，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)選擇必須在成本和性能之間進(jìn)行平衡。今天的數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)大多采用多層結(jié)構(gòu)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有走向扁平化的趨勢(shì)。

　　從上面的描述可以看出，和傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)不同，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)主要是機(jī)器和機(jī)器之間通信的網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)速率的不斷提高，光通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心得到大量的使用。在如今的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，幾乎每個(gè)連接都采用了光通信技術(shù)，包括數(shù)據(jù)中心內(nèi)部距離幾米的服務(wù)器和交換機(jī)之間的連接。下面對(duì)廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)中采用的光通信技術(shù)分別進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

　　3、數(shù)據(jù)中心的廣域網(wǎng)光通信技術(shù)

　　光通信具有大帶寬、長(zhǎng)距離傳輸信息的優(yōu)點(diǎn)，它的主要應(yīng)用場(chǎng)景是在兩點(diǎn)之間提供大帶寬的信息傳輸通道，所以在誕生之初，主要應(yīng)用領(lǐng)域是長(zhǎng)途干線網(wǎng)。長(zhǎng)距離、大容量的干線傳輸網(wǎng)技術(shù)一直是光通信技術(shù)的前沿研究領(lǐng)域，致力于解決噪聲(光纖損耗)、光纖線性損傷(如色散)和光纖非線性損傷對(duì)傳輸容量和距離的限制，提高單信道速率、單根光纖的容量和無(wú)電中繼的傳輸距離。

　　圖3給出了自1985年以來單根光纖容量的發(fā)展。在過去30年里，光通信單信道的速率從1 Gbit/s發(fā)展到1 Tbit/s、單模光纖的容量從1 Gbit/s發(fā)展到100 Tbit/s，分別提高了1000倍和10萬(wàn)倍。無(wú)電中繼的傳輸距離從最初的10 km到提高到跨域太平洋的1萬(wàn)多公里。

　　圖3 單根光纖的容量發(fā)展

　　這些容量和距離的進(jìn)展得益于光纖技術(shù)、光放大技術(shù)、非線性管理技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等的發(fā)展。今天單模光纖的容量已經(jīng)接近了香農(nóng)極限。

　　為進(jìn)一步提高光纖的容量，近年來，空分復(fù)用技術(shù)受到了廣泛的重視?？辗謴?fù)用技術(shù)采用多芯子和多模光纖來提高單根光纖的傳輸容量，該技術(shù)不僅包括多芯子和多模光纖本身，還涉及空分復(fù)用光放大技術(shù)和多進(jìn)多出信號(hào)處理技術(shù)。采用空分復(fù)用技術(shù)，單根光纖高達(dá)2 Pbit/s傳輸容量光通信系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。

　　今天數(shù)字相干光通信技術(shù)已經(jīng)成為干線傳輸網(wǎng)的主要技術(shù)。圖4給出了數(shù)字相干光通信系統(tǒng)框架。

　　圖4 數(shù)字相干光通信系統(tǒng)框架

　　數(shù)字相干光通信不僅僅是提高了接收機(jī)的靈敏度，更重要的有以下3點(diǎn)：可以利用正交相位和正交極化方向來調(diào)制信號(hào)，信號(hào)空間從強(qiáng)度調(diào)制時(shí)的一維擴(kuò)大到四維，大大提高了頻譜效率;可以在發(fā)射端和接收端大量使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，使得許多傳輸系統(tǒng)的損傷，包括線性和非線性損傷，可以在電領(lǐng)域采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來補(bǔ)償，這大大簡(jiǎn)化了線路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理;容易在系統(tǒng)中采用復(fù)雜的編解碼技術(shù)，使得系統(tǒng)的容量接近香農(nóng)極限。

　　目前100 Gbit/s PDM-QPSK在陸地和跨洋干線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，采用EDFA光放大器技術(shù)和SD-FEC技術(shù)，無(wú)電中繼傳輸距離在陸地和跨洋系統(tǒng)中可以超過3000 km和10000 km。使用靈活柵格和C波段，容量可達(dá)12 Tbit/s。進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量可以采用高階調(diào)制格式如8QAM，但是高階調(diào)制需要更高的光信噪比(OSNR)。對(duì)于同樣的符號(hào)速率，16QAM所需的OSNR比QPSK高近7 dB，這意味著在同樣的光纖、光放大器和跨段距離的條件下，采用16QAM雖然可以把容量提高一倍，但無(wú)電中繼的傳輸距離會(huì)降低5倍。

　　有許多技術(shù)可以提高16QAM的傳輸距離，如采用拉曼光放大器、低損耗和低非線性光纖、編碼調(diào)制技術(shù)、非線性補(bǔ)償技術(shù)等等。

　　實(shí)驗(yàn)證明，采用新型低損耗低非線性光纖及拉曼放大器技術(shù)，16QAM可以達(dá)到和QPSK在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和EDFA系統(tǒng)中相同的傳輸距離。采用16QAM和L波段技術(shù)，系統(tǒng)的容量可以比現(xiàn)在提高4倍，達(dá)48 Tbit/s。

　　對(duì)于呈指數(shù)形式增加的網(wǎng)絡(luò)流量需求，單從硬件角度來提高網(wǎng)絡(luò)的容量已經(jīng)難以滿足需求，特別是在光纖傳輸容量已接近香農(nóng)極限的今天。

　　必須硬件和軟件結(jié)合，從廣域網(wǎng)的層面建立一個(gè)靈活開放的光傳輸網(wǎng)來提高廣域網(wǎng)的效率，以滿足社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量快速增長(zhǎng)的需求。

　　如圖5所示，一個(gè)靈活開放的傳輸網(wǎng)將分開線路系統(tǒng)和終端系統(tǒng)，不同廠商的設(shè)備可以相互連接，采用統(tǒng)一的管理控制平臺(tái)，如SDN控制器或NMS。ROADM 和靈活可編程的收發(fā)信機(jī)可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和對(duì)流量的靈活調(diào)度能力。

　　圖5 開放靈活的光傳輸網(wǎng)絡(luò)

　　4、數(shù)據(jù)中心的城域網(wǎng)光通信技術(shù)

　　幾年前貝爾實(shí)驗(yàn)室城域網(wǎng)流量增長(zhǎng)白皮書指出，城域網(wǎng)流量的增長(zhǎng)速度將大大高于干線網(wǎng)絡(luò)，城域網(wǎng)將成為光通信的最大市場(chǎng)，其中數(shù)據(jù)中心的城域網(wǎng)占很大一部分。數(shù)據(jù)中心的城域網(wǎng)和電信運(yùn)營(yíng)商的城域網(wǎng)有很大的不同，主要的不同點(diǎn)列在表1中。

　　表1 數(shù)據(jù)中心城域網(wǎng)和電信運(yùn)營(yíng)商城域網(wǎng)比較

　　從表1可以看出，相對(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商，數(shù)據(jù)中心的城域網(wǎng)要簡(jiǎn)單得多。由于節(jié)點(diǎn)較少、距離較短、業(yè)務(wù)單一，數(shù)據(jù)中心城域網(wǎng)基本是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)，但是因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，?duì)容量要求較大。

　　數(shù)據(jù)中心城域網(wǎng)是目前很熱門的研究領(lǐng)域，各種新的技術(shù)和方案層出不窮。從檢測(cè)技術(shù)角度，可以把數(shù)據(jù)中心城域網(wǎng)方案分成相干檢測(cè)和直接檢測(cè)兩種技術(shù)方案。

　　相干檢測(cè)方案即采用數(shù)字相干光通信技術(shù)，和廣域網(wǎng)中相干光通信技術(shù)類似。但因?yàn)閭鬏斁嚯x短，很多方面可以簡(jiǎn)化，如可以采用低成本的光器件如硅光器件、HD-FEC、簡(jiǎn)化數(shù)字信號(hào)處理模塊中的色散補(bǔ)償?shù)龋词剐阅艿鸵恍┮材軡M足要求。另外，一些高階的調(diào)制格式如64 QAM，雖然傳輸距離短，但仍然可以滿足80 km的需求，適合在數(shù)據(jù)中心城域網(wǎng)中使用，因?yàn)閱尾ㄩL(zhǎng)可達(dá)400 Gbit/s，可以大大降低單位比特的傳輸成本。

　　對(duì)于直接檢測(cè)方案，有許多不同的技術(shù)。最簡(jiǎn)單的是二進(jìn)制強(qiáng)度調(diào)制即OOK技術(shù)，但該技術(shù)對(duì)器件的帶寬要求較高，而且對(duì)光纖色散匹配的要求很高。為減輕這些要求，人們開始采用高階強(qiáng)度調(diào)制，如四電平幅度調(diào)制PAM4對(duì)系統(tǒng)帶寬的要求比OOK降低一半，對(duì)色散的容忍性可以比OOK提高4倍。隨著PAM4的芯片的成熟，PAM4已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

　　另外一種得到大量研究的直接檢測(cè)技術(shù)是DMT技術(shù)。DMT實(shí)際上是一種多載波技術(shù)，它對(duì)每個(gè)載波不是采用同一種調(diào)制格式，而是根據(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，即對(duì)高信噪比的載波采用高階調(diào)制格式、低信噪比的載波采用低階調(diào)制格式，從而可以最大限度地優(yōu)化信道的頻譜效率。

　　DMT技術(shù)包括強(qiáng)度調(diào)制一直接檢測(cè)的DMT技術(shù)和單邊帶一直接檢測(cè)的DMT技術(shù)。單邊帶DMT技術(shù)比強(qiáng)度調(diào)制DMT技術(shù)的頻譜效率高一倍，同時(shí)對(duì)光纖色散的容忍度很高，但它需要正交相位調(diào)制技術(shù)，發(fā)射機(jī)的復(fù)雜度比強(qiáng)度調(diào)制DMT技術(shù)高很多。此外還有其他的直接檢測(cè)技術(shù)如Stoke、矢量直接檢測(cè)接收機(jī)技術(shù)。

　　直接檢測(cè)和相干檢測(cè)最大的不同是在接收端不需要本震源，發(fā)射端有的采用強(qiáng)度調(diào)制，相對(duì)簡(jiǎn)單，有的采用正交相位調(diào)制，和相干檢測(cè)的復(fù)雜度一樣。

　　相干檢測(cè)和直接檢測(cè)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。直接檢測(cè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單、成本低、尺寸小，有可能做成可插拔的光模塊，直接插在交換機(jī)和路由器上，但是它對(duì)線路系統(tǒng)要求較高，如系統(tǒng)色散需要精確匹配、所需光信噪比較高，此外它的容量比相干檢測(cè)系統(tǒng)低，C波段一般只可以達(dá)到4~8 Tbit/s。相干檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)一是容量高，如采用64QAM，在C波段的容量可達(dá)36 Tbit/s;二是對(duì)線路系統(tǒng)要求低，對(duì)系統(tǒng)色散基本沒有什么要求。它的缺點(diǎn)一是成本相對(duì)較高，但因?yàn)楦唠A調(diào)制可以大幅降低單位比特的成本，這個(gè)缺點(diǎn)將會(huì)越來越不顯著，二是尺寸相對(duì)較大，做成目前100 Gbit/s普遍采用的QSFP28封裝模式難度很大。

　　城域網(wǎng)數(shù)據(jù)中心光互連一般是交換機(jī)或路由器通過灰光光模塊連接到波分光傳輸設(shè)備，波分傳輸設(shè)備不同波長(zhǎng)的信道通過合波器集中到一根光纖后經(jīng)過光放大器和傳輸光纖傳送到另一個(gè)數(shù)據(jù)中心，如圖6(a)所示。近年來出現(xiàn)了另一種設(shè)備形態(tài)，如圖6(h)所示，即交換機(jī)或路由器直接出彩光，該彩光可以是外接可插拔彩光光模塊，也可以是彩光光模塊直接集成到交換機(jī)或路由器中。

　　這些不同波長(zhǎng)的彩光直接連接到合波器再經(jīng)過放大后傳送到另一個(gè)數(shù)據(jù)中心。方案A的好處是交換機(jī)、路由器及波分傳輸設(shè)備是分開的，用戶可以自由選擇各自最合適的方案。方案B的優(yōu)點(diǎn)是省了一對(duì)灰光光模塊，但是如果采用相十檢測(cè)彩光光模塊，交換機(jī)和路由器端口的密度會(huì)降低，如采用直接檢測(cè)彩光光模塊，對(duì)線路系統(tǒng)要求提高且傳輸容量受到限制，另外方案B把光傳輸和交換機(jī)/路由器結(jié)合在一起，有可能會(huì)限制技術(shù)的選擇自由度?；夜?A href="http://m.3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%89%e6%a8%a1%e5%9d%97&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">光模塊成本比彩光光模塊低很多，所以從成本上比較，這兩種方案難分仲伯，各自有自己的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　圖6 城域網(wǎng)數(shù)據(jù)中心互連方案形態(tài)

　　5、數(shù)據(jù)中心內(nèi)光互聯(lián)技術(shù)

　　數(shù)據(jù)中心內(nèi)的鏈路距離較短，大多在幾米到幾百米的范圍內(nèi)。有的大型數(shù)據(jù)中心包括幾個(gè)大的建筑物，建筑物和建筑物間的連接距離相對(duì)較長(zhǎng)，但最長(zhǎng)距離在2 km之內(nèi)。雖然距離短，但隨著數(shù)據(jù)中心速率的提高，銅纜已經(jīng)難以勝任連接的要求，越來越多的連接采用光互連技術(shù)。

　　圖7是目前數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)速率的演變圖，這里有兩個(gè)速率：服務(wù)器至交換機(jī)的速率和交換機(jī)至交換機(jī)的速率提高。一般數(shù)據(jù)中心的速率指的是交換機(jī)至交換機(jī)的速率。今天的數(shù)據(jù)中心正從40 Gbit/s向100 Gbit/s演變，下一代可能會(huì)跳過200 Gbit/s直接演進(jìn)到400 Gbit/s。

　　圖7 數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)速率

　　在這樣的速率下，大多數(shù)鏈路采用光互連方案。因?yàn)榫嚯x短，光纖容易鋪設(shè)，和長(zhǎng)途干線不同，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部一般采用平行鏈路來提高互聯(lián)速率，如圖8所示。

　　圖8 數(shù)據(jù)中心光互連鏈路框架

　　如對(duì)于40 Gbit/s和100 Gbit/s，采用4條平行通道，即4x 10 Gbit/s和4x25 Gbit/s。這4條平行通道可以是4根光纖或4個(gè)波長(zhǎng)。在發(fā)射端，信號(hào)被分成平行的幾路通道，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)激光器陣列(對(duì)于采用外調(diào)制器的方案，信號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)制器陣列)，電光轉(zhuǎn)換后的信號(hào)藕合進(jìn)光纖后傳送到接收端。在接收端，光信號(hào)經(jīng)探測(cè)器陣列轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)接收機(jī)電路處理后送到信號(hào)目的地。

　　自從1996年VCSEL被建議用作短距離數(shù)據(jù)通信以來，VCSEL一直在短距離數(shù)據(jù)通信中占有重要的地位。直到40 Gbit/s，多模技術(shù)(多模光纖和VCSEL相結(jié)合的技術(shù))一直是數(shù)據(jù)中心光互連的主要技術(shù)。

　　到100 Gbit/s后，單通道速率達(dá)到25 Gbit/s，由于模式色散的影響，多模技術(shù)的傳輸距離受到限制，單模技術(shù)開始在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用得到重視。

　　根據(jù)采用多模還是單模、多個(gè)光纖還是多個(gè)波長(zhǎng)，可以把100 Gbit/s技術(shù)分為4種類型：SR4、SWDM4、PSM4和CWDM4。這4種類型都是采用4個(gè)通道，每個(gè)通道速率為25 Gbit/s。

　　SR4和SWDM4采用多模技術(shù)，PSM4和CWDM4采用單模技術(shù)。SR4采用850 nm波長(zhǎng)的VCSEL陣列和MPO多模光纖(雙向8根光纖)，IEEE定義的最大傳輸距離為OM4光纖100 m。采用低線寬的VCSEL和均衡技術(shù)，SR4傳輸距離可增加到300 m。SWDM4也是采用多模技術(shù)，但和SR4不同的是它采用850~ 950 nm范圍內(nèi)4個(gè)波長(zhǎng)的VCSEL陣列和雙向兩根多模光纖，傳輸距離和SR4相似。

　　PSM4和SR4相對(duì)應(yīng)的單模技術(shù)，采用1 310 nm波長(zhǎng)的DFB激光器陣列和MPO單模光纖，最大傳輸距離為500 m。CWDM4采用單模粗波分技術(shù)，即1270~1330 nm范圍內(nèi)相隔20 nm的4個(gè)波長(zhǎng)。

　　相對(duì)于PSM4，CWDM4對(duì)激光器要求更高，且需要合分波器，但傳輸距離可達(dá)2 km。

　　這4種技術(shù)具體特性和性能指標(biāo)列在表2中。具體采用哪種技術(shù)需要綜合考慮性能和成本。單模技術(shù)傳輸距離較長(zhǎng)，而且技術(shù)升級(jí)到更高速率時(shí)光纖仍然可以使用，有的數(shù)據(jù)中心看中這一點(diǎn)會(huì)優(yōu)先考慮單模技術(shù)方案。但多模技術(shù)成本相對(duì)較低，對(duì)于大多數(shù)鏈路在100 m之內(nèi)的數(shù)據(jù)中心，多模技術(shù)方案在成本上更具優(yōu)勢(shì)。

　　表2 4種100 Gbit/s技術(shù)

　　100 Gbit/s之后的下一個(gè)以太網(wǎng)速率很有可能是400 Gbit / s , IEEE 802.3在2014年啟動(dòng)了400Ghit/s以太網(wǎng)研究組，定義400 Gbit/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。400 Gbit/s以太網(wǎng)物理層對(duì)多模光纖和單模光纖距離目標(biāo)和100 Gbit/s一樣。如圖9所示，有多種方法可以使光通道達(dá)到400 Gbit/s。

　　圖9 提高速率到400 Gbit/s的方法

　　一是增加通道速率，如提高符號(hào)速率或調(diào)制階數(shù)，50 Gbaud的PAM4信號(hào)可以不改變現(xiàn)有通道數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)400 Gbit/s;

　　二是增加光纖數(shù)，如在現(xiàn)有25 Gbit/s通道速率的基礎(chǔ)上，采用16根光纖可以達(dá)到400 Gbit/s;

　　三是增加波長(zhǎng)，如在PSM4基礎(chǔ)上，每根光纖4個(gè)波長(zhǎng)就可以實(shí)現(xiàn)400 Gbit/s。

　　不論采用哪種方法，400 Gbit/s的單位比特的成本和功耗應(yīng)該比100 Gbit/s的低。

　　目前光模塊采用熱插拔的方式，通過交換機(jī)的面板接口和電子走線和交換芯片連接在一起，如圖10(a)所示。隨著交換機(jī)速率的提高，這段電子走線將會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生愈來愈大的損傷，同時(shí)可插拔接口也限制了面板的密度。為解決這個(gè)問題，可以把光模塊移到交換機(jī)中去，使光模塊靠近交換芯片，光模塊通過光纖接到面板上，這種方式稱為板載光模塊，如圖10(b)所示。板載光模塊不僅可以減少電子走線對(duì)信號(hào)的損傷，簡(jiǎn)化模塊設(shè)計(jì)，還可以大大增加面部密度。最終電子芯片和光子芯片將集成在一起，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低功耗和成本，如圖10(c)所示。板載光模塊和光電集成模塊對(duì)器件的可靠性要求很高，因?yàn)榘遢d模塊和光電集成器件的故障都需要更換整個(gè)交換機(jī)電路板，不像更換可插拔光模塊那樣簡(jiǎn)單易操作。

　　圖10 光和電結(jié)合的方式

　　6、結(jié)束語(yǔ)

　　本文綜述了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)所需的光通信技術(shù)，包括廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)。

　　可以看到，隨著網(wǎng)絡(luò)速率的提高，光通信技術(shù)幾乎用在數(shù)據(jù)中心的所有鏈路中。從距離幾米的服務(wù)器互連到連接位于世界各地數(shù)據(jù)中心的跨洋廣域網(wǎng)，作為高帶寬、高密度和長(zhǎng)距離的信息傳輸載體，光通信技術(shù)將直接影響未來數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。

　　如何在各個(gè)層面提高光傳輸通道的容量和效率來滿足數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展的需求，將是一項(xiàng)十分挑戰(zhàn)的工作。