iFOC 2023回顧 | 京東云陳琤：光互連聚焦硅光、CPO、線(xiàn)性及相干光學(xué)

  ICC訊 近日，在第21屆訊石光纖通訊市場(chǎng)暨技術(shù)專(zhuān)題研討會(huì)（iFOC 2023）上, 京東云光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師陳琤發(fā)表了《數(shù)據(jù)中心光互連熱點(diǎn)》報(bào)告，概述高速光互聯(lián)技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況，介紹當(dāng)前數(shù)通領(lǐng)域熱門(mén)光通信技術(shù)進(jìn)展，并探討其應(yīng)用前景。

  當(dāng)前數(shù)據(jù)中心光互連熱點(diǎn)主要包括硅光子、共封裝光學(xué)、線(xiàn)性光學(xué)和相干光學(xué)。其中，硅光的優(yōu)勢(shì)主要在材料優(yōu)勢(shì)和工藝優(yōu)勢(shì)兩個(gè)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(duì)比度0.41。硅基光子技術(shù)的壁壘相對(duì)于傳統(tǒng)的三五族分立器件要更低，是國(guó)產(chǎn)技術(shù)彎道超車(chē)的捷徑。

  經(jīng)過(guò)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(shì)是大規(guī)模集成和高速調(diào)制，所以雖然在100G\200G時(shí)代就已經(jīng)有相應(yīng)產(chǎn)品，但是占整體市場(chǎng)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(gè)很好的切入機(jī)會(huì)，京東云也在有傾向性的去驗(yàn)證硅光產(chǎn)品的性能和整體情況。當(dāng)端口速率來(lái)到800G，硅光產(chǎn)品的性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)將得到充分發(fā)揮。

  在共封裝光學(xué)方面，首先是應(yīng)用需求，目前交換機(jī)的交換容量已經(jīng)發(fā)展到25.6T以及即將到來(lái)的51.2T，Serdes速率即將達(dá)到112Gbps。傳統(tǒng)的可插拔式的光模塊，需要在交換機(jī)內(nèi)將switch芯片的高速電信號(hào)連接到面板上，高速電信號(hào)在PCB上傳輸?shù)倪^(guò)程中受介質(zhì)損耗和趨膚效應(yīng)的影響，速率越高信號(hào)質(zhì)量劣化現(xiàn)象越嚴(yán)重，傳輸?shù)木嚯x也就越受限。那么這個(gè)時(shí)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(shí)現(xiàn)，這些年以硅光為代表的光子集成技術(shù)有了長(zhǎng)足的積累和發(fā)展，使得大規(guī)模的光電集成越來(lái)越具備產(chǎn)業(yè)化條件。

  簡(jiǎn)單點(diǎn)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(hào)鏈路取代了部分的電信號(hào)鏈路。短的電信號(hào)鏈接帶來(lái)高level的信號(hào)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?yàn)槭遣豢蔁岵灏蔚膬?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(gè)數(shù)量級(jí)，才能保障整個(gè)系統(tǒng)的可用性。另外，大規(guī)模的光電集成還會(huì)帶來(lái)高密度光纖連接的管理問(wèn)題，散熱管理問(wèn)題以及封裝測(cè)試的良率問(wèn)題。所以要真正將光電合封技術(shù)投入實(shí)際使用，還需要產(chǎn)業(yè)界進(jìn)一步的技術(shù)完善和規(guī)范。

  在線(xiàn)性光學(xué)方面，當(dāng)serdes速率來(lái)到56G PAM4，產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始采用DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生和信號(hào)完整性補(bǔ)償。接收端光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸劣化后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，再定時(shí)和信號(hào)預(yù)整形，從而得到理想的數(shù)字信號(hào)。發(fā)送端接收到Host過(guò)來(lái)的電信號(hào)后，先對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行均衡處理，然后再定時(shí)和進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后模擬電平調(diào)制到光輸出信號(hào)。

  但是其實(shí)host側(cè)的serdes芯片其實(shí)也是具備對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)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(dòng)激光器的Driver和接收端TIA，而將回復(fù)信號(hào)的任務(wù)大部分都交給host。這樣也就是所謂的線(xiàn)性直驅(qū)。

  最后，在相干光學(xué)方面，隨著業(yè)務(wù)對(duì)連接帶寬的需求越來(lái)越高，可以從三個(gè)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(duì)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(duì)DSP的信噪比處理能力也越高。相干光子的發(fā)展方向，一個(gè)是提升頻譜效率，另一個(gè)是拓展頻帶，而相干光模塊降成本關(guān)鍵則是提高驅(qū)動(dòng)性能和調(diào)制器電光效率。