iFOC 2023回顧 | 京東云陳琤：光互連聚焦硅光、CPO、線性及相干光學

  ICC訊 近日，在第21屆訊石光纖通訊市場暨技術(shù)專題研討會（iFOC 2023）上, 京東云光網(wǎng)絡架構(gòu)師陳琤發(fā)表了《數(shù)據(jù)中心光互連熱點》報告，概述高速光互聯(lián)技術(shù)的特點和發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的應用情況，介紹當前數(shù)通領(lǐng)域熱門光通信技術(shù)進展，并探討其應用前景。

  當前數(shù)據(jù)中心光互連熱點主要包括硅光子、共封裝光學、線性光學和相干光學。其中，硅光的優(yōu)勢主要在材料優(yōu)勢和工藝優(yōu)勢兩個方面，在材料上，Si折射率為3.48，SiO2折射率為1.44，兩者折射率對比度0.41。硅基光子技術(shù)的壁壘相對于傳統(tǒng)的三五族分立器件要更低，是國產(chǎn)技術(shù)彎道超車的捷徑。

  經(jīng)過近十年的發(fā)展，用于數(shù)據(jù)中心的硅基光子技術(shù)已經(jīng)有了基本的框架模式。我們知道硅光的優(yōu)勢是大規(guī)模集成和高速調(diào)制，所以雖然在100G\200G時代就已經(jīng)有相應產(chǎn)品，但是占整體市場份額很小。根據(jù)現(xiàn)在接觸到的產(chǎn)品情況，在400G QDD和Q112，是一個很好的切入機會，京東云也在有傾向性的去驗證硅光產(chǎn)品的性能和整體情況。當端口速率來到800G，硅光產(chǎn)品的性能和價格優(yōu)勢將得到充分發(fā)揮。

  在共封裝光學方面，首先是應用需求，目前交換機的交換容量已經(jīng)發(fā)展到25.6T以及即將到來的51.2T，Serdes速率即將達到112Gbps。傳統(tǒng)的可插拔式的光模塊，需要在交換機內(nèi)將switch芯片的高速電信號連接到面板上，高速電信號在PCB上傳輸?shù)倪^程中受介質(zhì)損耗和趨膚效應的影響，速率越高信號質(zhì)量劣化現(xiàn)象越嚴重，傳輸?shù)木嚯x也就越受限。那么這個時候光電合封就成為解決高速高密度光互連的最有前景的解決方案。有了需求，再看看技術(shù)的實現(xiàn)，這些年以硅光為代表的光子集成技術(shù)有了長足的積累和發(fā)展，使得大規(guī)模的光電集成越來越具備產(chǎn)業(yè)化條件。

  簡單點講，光電合封就是將光的轉(zhuǎn)換收發(fā)單元與交換芯片離得更近，用光信號鏈路取代了部分的電信號鏈路。短的電信號鏈接帶來高level的信號完整性以及低功耗。那么究竟多高的速率下行業(yè)才不得不使用光電合封技術(shù)呢？但是CPO也面臨著諸多挑戰(zhàn)：可靠性：因為是不可熱插拔的內(nèi)置結(jié)構(gòu)，要求光電合封的可靠性要比光模塊的可靠性高一到兩個數(shù)量級，才能保障整個系統(tǒng)的可用性。另外，大規(guī)模的光電集成還會帶來高密度光纖連接的管理問題，散熱管理問題以及封裝測試的良率問題。所以要真正將光電合封技術(shù)投入實際使用，還需要產(chǎn)業(yè)界進一步的技術(shù)完善和規(guī)范。

  在線性光學方面，當serdes速率來到56G PAM4，產(chǎn)業(yè)界開始采用DSP對信號進行再生和信號完整性補償。接收端光信號經(jīng)過光纖傳輸劣化后，需要對信號進行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，再定時和信號預整形，從而得到理想的數(shù)字信號。發(fā)送端接收到Host過來的電信號后，先對數(shù)字信號進行均衡處理，然后再定時和進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后模擬電平調(diào)制到光輸出信號。

  但是其實host側(cè)的serdes芯片其實也是具備對信號進行補償?shù)淖饔玫摹?

  所以產(chǎn)業(yè)界提出，將光模塊內(nèi)的DSP芯片去掉，只是用直接驅(qū)動激光器的Driver和接收端TIA，而將回復信號的任務大部分都交給host。這樣也就是所謂的線性直驅(qū)。

  最后，在相干光學方面，隨著業(yè)務對連接帶寬的需求越來越高，可以從三個方向去提升單端口帶寬，波特率、通道數(shù)、調(diào)制階數(shù)，前兩者都有極限，對高調(diào)制階數(shù)的追求必然采用相干調(diào)制，調(diào)制階數(shù)越高越逼近香農(nóng)極限，高的調(diào)制階數(shù)對DSP的信噪比處理能力也越高。相干光子的發(fā)展方向，一個是提升頻譜效率，另一個是拓展頻帶，而相干光模塊降成本關(guān)鍵則是提高驅(qū)動性能和調(diào)制器電光效率。