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一文看懂光通信的发展趋势

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最近这几年,光通信在AI浪潮的带动下,获得了爆炸式的发展。

以CPO/NPO/LPO为代表的新型光互连架构,以及以空芯光纤、多芯光纤为代表的新型光纤介质,都是行业关注的焦点。

光通信的新兴概念术语很多,很多读者都觉得云里雾里。今天这篇文章,小枣君就站在技术演进的底层逻辑,帮大家理清脉络、抓住主线。

光通信发展的核心目标

光通信本质是通信技术,目的是传输数据。

所以,光通信的主要发展目标,是提升传输容量、降低传输时延、延长传输距离。与此同时,要尽可能降低功耗和成本,这样才能加速商业化。

更简单来说,就是:速度要越来越快,同时要尽可能省电

提升传输容量

先看最最主要的目标,提升传输容量。

大家都知道,光纤的本质就是一根玻璃丝。发送端,有一个光模块,通过激光器发出光,然后通过调制器,让光承载海量的数据信息,最后送到光纤里。

光到达对端,也有一个光模块,通过光探测器,解读光里面的信息,然后做一些信号处理修复,送往下一段。


想要提升光纤通信的传输容量,大概就两个方向:

方向一、提升单个通道的传输能力。

方向二、提升通道的数量。

这个通道,就是光波通道,也就是波道。

方向一,又分为两个子方向:

1、提升信号的波特率,即提升单位时间内传送的码元符号的个数。

每秒传输的符号越多,当然信息量就越大。

我们可以通俗理解为增加光信号“眨眼”的频率——每秒能闪多少次,每次闪烁代表一个符号。提高波特率,相当于让光信号“眨得更快”,从而在单位时间内塞进更多数据。

目前,行业光学器件的波特率已经达到120+ Gbaud。再想提升,难度极大。这主要受限于激光器线宽、调制器带宽、模数转换精度以及光纤非线性效应等物理瓶颈。

2、增加单波长承载的比特数,即提升调制阶数。

让每个符号表达的信息量增加。例如从QPSK升级到16QAM、64QAM,甚至更高阶格式。在相同波特率下,可以成倍提升频谱效率。


但调制阶数越高,对信噪比(SNR)要求越苛刻,传输距离会显著缩短。同时,高阶调制对激光器线宽、偏振态稳定性和数字信号处理(DSP)算法的精度也提出极大挑战。

这相当于远距离看数字0和1,或者看数字0/1/2/3。虽然单个符号所携带的信息量越大,但对空气能见度要求更高,或者对视力的要求更高。

现在行业也有提出PAM6和PAM8,也是高阶调制,难度大,成本高。

上面介绍的单通道提速方法,类似于汽车运输场景中,增加发车频次、让每辆车装载更多货物。

这个方向的背后,其实就是光器件的技术和工艺不断升级,但已经逼近极限了,难度也越来越高,成本与功耗的边际效益急剧下降。


方向二,增加通道数量。也可以分为两个子方向。

首先,是物理上,要么搞多根光纤绑在一起(不太合适,太粗了,工程上也别扭),要么在一根光纤里搞多根纤芯(多芯光纤)。这个类似于修路。一条路不够,就多修几条(空分复用)。

其次,是在同一个纤芯里,塞入多个光波。背后,就是波分复用技术,还有多模技术(多模光纤、少模单芯光纤)。这个类似于在一条路基上,划分多个车道。


波分复用的话,就要看可以用的频段大不大。换言之,这些光波不能用一个频率,不然就互相干扰了。所以,就需要拓展可用的光谱带宽,即向更宽波段演进。

这个很好理解,就像增加高速公路的车道数。道路(频率宽度)越宽,可以划分的车道(波道)就越多,传输容量就增加了。

这些年,行业里经常说的C++波段、C+L波段、C+L+S波段,就是这个意思。即在传统C波段基础上,向长波方向拓展至L波段,甚至进一步探索S波段与U波段,以最大化利用光纤的低损耗窗口。(


值得注意的是,波段拓展并不是想象中那么简单。不同波段的放大器增益谱不一致,需协同优化掺铒光纤放大器(EDFA)与拉曼放大技术。尤其在跨段长距离系统中,还需解决色散斜率差异、偏振模色散累积及非线性串扰加剧等新问题。

降低传输时延

这个目标,其实不是那么特别关键。因为光通信,速度就是光传播的速率,已经非常快了,比电信号要快得多。要比光更快,几乎不可能——真空光速是宇宙速度上限。

但是,光在不同介质中的传输速率,是不一样的。所以,现在有了空芯光纤,让光在空气或真空中传输,可以获得更低的时延,主要用于金融证券等领域。

想要再打时延的主意,就只能从系统架构层面入手。例如,降低设备处理时延,还有尽量减少光信号在设备内部的转发跳数,再就有尽量减少光信号的光电转换次数。一旦有处理,就会额外增加时延。

业界推出的全光交叉(OXC)技术,还有OCS,OIO什么的,也是这么个逻辑。待会还会再提到。

延长传输距离

理论上,光通信的传输距离是无限的。至少覆盖地球是没有任何问题。

现在海洋里有很多的长途光缆,几千上万公里,都工作得好好的。

光纤有正常的衰减、色散累积与非线性效应,但通过现有技术(低损耗光纤等)都比较容易克服。

现在强调的长距离,是建立在高速率的前提下。就是如何保证高速率下的长距离,且最好是无中继。换言之,抛开速率谈距离,就是耍流氓。

例如,400G\800G\1.6T高速光通信,此前是用在机柜内通信。然后要扩展到机柜间,现在要进一步扩展到数据中心与数据中心之间。国家骨干网,未来也要用上。这个,就对光通信技术提出了更严苛的挑战。

前面提到的提速方法,例如高阶调制,就需要考虑其在长距离传输中的功率效率与信噪比容限。像64QAM这种,虽提升频谱效率,但其对信噪比要求极高,长距离传输时需配合更强的前向纠错(FEC)与更优的光放大策略。

所以,提升传输距离这个目标,本质上还是提升传输容量问题。寻找容量和距离之间的平衡。

相干光通信(,就是一个典型案例。通过调制解调方式的创新,实现更长距离的传输。

降低功耗和成本

这是一个逻辑,我就放在一起说了吧。

光通信属于传输技术。对于传输这个大领域来说,最大的功耗,来自电通信。所以,想办法让光通信替代电通信,就是降功耗最有力的手段。

现在,端到端的通信链条中,绝大部分已经实现了光信号。但是,光模块和交换芯片之间,仍然是电信号。这是CPO/NPO/LPO/XPO技术的发展背景。

这些xPO技术,核心目的就一个,降低光电器件间的电互连距离,从而减少信号驱动功耗、提升能效比。

简单来说,最终目标,是芯片也变成光计算芯片,彻底无电。但这个目标太难,所以,退而求其次,让电计算芯片,直接自带光接口,实现光电共封装(CPO)。现在业界常说的OIO,也就是Optical I/O,就是这个逻辑。

这些xPO技术,是因为传统的光电互联结构中,电这一部分,严重阻碍了速率提升(会带来极大的功耗,也会进而带来极大的成本)。所以,要发展硅光和光电共封装,以突破电信号的物理瓶颈。


CPO和NPO,可以看这里:

LPO和XPO,都是过渡技术。小枣君之前都详细介绍过。

LPO可以看这里:

XPO,可以看这里:

简单来说,LPO的目的,是希望保留可插拔的光模块。CPO如果坏了,整个板子要换。LPO,可以单独更换光模块,降低运维成本与备件复杂度。XPO也是过渡,牺牲了功耗,但可以勉强实现暂时的“大容量+可插拔”。

结语

以上,就是光通信技术的整体发展思路。

AI对通信技术的“压榨”,主要就体现在光通信上。只有光,才能够满足AI不断膨胀的速率容量以及时延需求。

整个光通信产业,已经快被逼疯了。几乎所有的器件和工艺,都在逼近物理极限。这意味着,越来越接近性能和成本的边际效应。

但是没办法,有需求,就意味着有money。有钱能使鬼推磨,现在我们看到整个光通信产业都非常繁荣,股价大涨,融资踊跃,人才抢手,产线满负荷运转。这也许就是一种“痛,并快乐着”。移动通信想沾这个边,都沾不上,只能眼红。

在最终的未来,要么就是光计算成熟,彻底取代电计算,然后实现端到端的全光。要么,就是出现新的技术,取代光。反正在可预见的未来十年内,光通信仍然将以本文所说的方式持续演进。

这个产业到底还能繁荣多久,物理极限是否会被打破,让我们拭目以待吧。

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