今年800G相干光大热，当大家在讨论800G相干的时候，却很少有人探讨其背后的技术。Infinera业务总裁Paul Momtahan对此做了一个大致的介绍。
相干光技术发展迅速，从40Gbps（2008~2009）到100Gbps（2010~2011），从用于硬件前向纠错到用于软件算法的前向纠错（2012~2014），从200Gbps 灵活速率接口（2015-2017）到 400 Gbps（2016-2018），然后到 600 Gbps（2018~2019）。 最近，相干光技术在高性能嵌入式领域发展到 800 Gbps，在紧凑型可插拔领域发展到 400 Gbps。 在本文中，我们将重点关注高性能嵌入式部分，描述关键支持技术、关键特性和关键优势。
要了解关键的支持技术，我们需要深入了解典型的相干光学引擎。 如图 1 所示，关键组件包括数字 ASIC/DSP、模拟电子器件和光子器件，以及射频 (RF) 电气互连。 以微型 EDFA 和/或半导体光放大器 (SOA) 形式存在的放大以及可调谐光学滤波器 (TOF) 也包含在一些相干收发器中以增强性能。
数字 ASIC/DSP在收发器的性能和功能方面起着关键作用。 它还对功耗和占用空间有很大影响。 由于数字 ASIC/DSP 是用硅制成的，因此它受制于以摩尔定律闻名的相同 CMOS 工艺节点改进周期，该定律驱动着整个芯片行业。 例如，用于 800-Gbps 嵌入式和 400-Gbps 可插拔的 7-nm CMOS 相对于 16-nm CMOS 可提高 30% 的性能或降低 60% 的功耗，并减少 70% 的空间，这 用于之前的 600-Gbps 嵌入式一代。 这种额外的性能是实现更高波特率和高级处理器密集型功能的关键因素。
除了数字ASIC/DSP 之外，高性能 800 Gbps 还需要包括调制器在内的高级光子学。 调制器在收发器的发送端提供了一个关键功能。 它从激光器获取所需频率的光，并通过改变相位和幅度，添加正在传输的数据。 它通过使用电场来改变光穿过的材料的折射率来实现这一点。 以 800 Gbps 所需的高波特率执行此操作非常具有挑战性。 磷化铟凭借其固有的卓越调制效果，一直是市场上所有 800-Gbps 光引擎的首选调制器材料。
该领域的另一项关键支持技术是光子集成，将包括激光器、调制器和光电探测器在内的多种光子功能集成在单个集成电路上，从而带来与成本、功耗、尺寸、性能和可靠性相关的优势，如图 2 所示。
7 纳米 CMOS DSP 和包括磷化铟调制器在内的先进光子学技术使波特率从上一代 600G 的 60~70 Gbaud 增加到 800G 的 90~100 Gbaud。 增加波特率可以按比例增加波长的数据速率，同时对其范围的影响最小。
较高的波特率允许使用较低阶的调制来实现相同的数据速率。 低阶调制受益于星座点之间更大的欧几里得距离，使它们在存在噪声的情况下更容易区分。
同时，由于波长的频谱与波特率成正比，更高的波特率波长可以利用更高的功率获得相同的功率谱密度，因此具有相同的非线性水平。 低阶调制和更高的功率共同抵消了更高波特率本身对噪声和非线性的敏感性增加，从而显着提高了容量范围。 此外，在 800 Gbps 时，即使波特率的微小差异也会对覆盖范围产生显着的好处。 例如，从 96 Gbaud 到 100 Gbaud 可以提供额外 30% 的覆盖范围。
7 纳米 CMOS 提供的增强处理能力使 800G DSP 能够提供多种高级功能。 虽然不同的供应商可能会根据其实施的性能进行区分，但 800G 嵌入式相干的一个共同特征是概率星座整形 (PCS)。
与传统调制不同，其中每个星座点都有相同的使用概率，PCS 更频繁地使用较低能量/功率的内部星座点，而不那么频繁地使用较高能量/功率的外部星座点，如图3 所示。通过调整 概率，PCS 提供精细的每符号比特粒度选项，从而实现比传统 QAM 调制平滑得多的容量-范围曲线。 此外，对于相同的平均波长功率和频谱效率，相对于传统 QAM，星座点之间的欧几里德距离更大，这增加了对线性噪声的容忍度，例如来自放大器的放大自发辐射 (ASE) 噪声。 或者，对于与传统 QAM 相同的线性噪声容限，需要更少的波长功率，因此非线性度更低。
一些 800G 引擎支持的另一个特性是子载波，根据供应商的不同，称为奈奎斯特子载波或频分复用 (FDM)。 该技术采用单个高波特率载波，并以数字方式将其分成多个低波特率子载波。 这种方法在补偿色散时显着降低了色散和光学引擎内部产生的噪声。
90 到 100 Gbaud 范围内的波特率和包括 PCS 在内的高级功能使波长容量范围得到显着增加。 例如，400G 代嵌入式相干可以将 400 Gbps 波传送到 100~300 公里，而 600G 代嵌入式相干可以将 600 Gbps 传送到 100~200 公里。 虽然 800G 的覆盖范围因供应商而异，但有些引擎可以提供 800 Gbps 至 1,000+ km、600 Gbps 至 3,000+ km 以及 400G 至 7,500+ km。
增加的波长容量范围在降低每比特成本、功耗（可低至 0.2W/G）和 2 或 3 个机架单元中具有 6.4 Tbps 线路接口容量的占地面积方面具有显着优势。 这种波长容量范围还使光网络更易于管理，安装、供应和监控的波长更少。
部署和点亮新光纤是一项昂贵且缓慢的工作。 因此，网络运营商自然希望最大限度地提高其现有光纤的容量。 800G 相干技术可以帮助解决这一问题的一种方式与提高频谱效率有关。 800-Gbps 光学引擎利用包括 64QAM 调制、PCS、频谱整形和超级通道在内的功能，可以提供超过每符号 8 位的频谱效率，在 C band中高达 40 Tbps。 几家供应商现在提供其 800G 引擎的 L band变体，当将 C band和 L band组合在一起时，每条光纤可实现高达 80 Tbps 的速度。
QSFP-DD 等紧凑型可插拔外形规格使 400 GbE) 成为路由器的一个有吸引力的选择，网络运营商看到对 400GbE 传输的需求不断增加，既可以将其作为互连其路由器的内部服务，也可以作为企业客户的服务 . 以经济高效的方式提供这些服务是关键。 800G 代相干技术使单个波长上的 400GbE 能够在很长的距离内传输。 在更短的距离上，800G 可以在单个波长上提供两个 400GbE 服务，从而降低每项服务的成本。
部分 800G 代引擎还支持双波长和带宽虚拟化。 在无法支持 800 Gbps 但 400 Gbps 会留下多余余量的情况下，此功能可以使三个 400GbE 客户端服务通过两个 600 Gbps 波长交付。
在无法支持单个 400 Gbps 波长的具有挑战性的条件下（劣质光纤、长跨度、具有低色散的 G.655 光纤等），带宽虚拟化也很有用。 一个例子是使 400GbE 服务能够在两个 200-Gbps 波长上传输。
