浅析光通速率提升的3个维度

随着AI算力需求的爆发式增长，全球光通信传输正面临着速率提升的压力。速率800Gbps的技术已逐步商用，近期如英伟达、博通、Marvell、思科等众多光通业内公司先后发布了速率1.6Tbps的产品，同时各大公司也在积极投入研发，以实现更高的传输速率。

当前，实现1.6Tbps速率的技术主要采用200Gbps/lane的方案，且未来有望进一步提升。为了探索更高速率的实现路径，我们可以从改进调制方式、提升符号速率以及增加单根光纤中的波长或光纤数量这三个维度进行思考和讨论。

01，采用更高阶的调制方式，提升每个符号的比特数

在当前的市场应用中，PAM4的调制方式已经成为普遍应用的技术，将原来使用NRZ调制技术下的传输速率提高了一倍，目前在200Gbps/lane的传输速率下已经发挥了巨大的作用，但是未来想要速率继续提升，则需考虑采用更高阶的调制方式，PAM6/PAM8 都是在探索中的可选方案，同时还有使用 QAM等更高阶调制技术的可能性。

PAM6使用6电平，每个符号约为2.585比特，PAM8使用8电平，每个符号为3比特，在传输速率上和每个符号2比特的PAM4相比有提升，但同时因为不同电平间的差异更小，因此需要更高的信噪比才能保证其可靠的传输和解调。对于不同的调制类型，典型的信噪比需求如下：

这对整体系统设计提出了更高要求，不仅要对硬件进行整体性能的提升，同时也要配合纠错算法来保证系统的运行。

更高阶的64QAM以及以上调制已在射频传输中和对于成本/功耗不敏感的长距离骨干网络相干光传输方向，短距离光通信系统中还有很多不确定因素和问题需要解决和提升。若要采用更高阶调制方式的光通系统，其测试需要最大程度的降低自身的噪声，避免系统噪声的引入带来不良影响。下图是一个理想状态下的PAM6的眼图，可以想象如果测试仪表自身的噪声控制不好，会对眼图的开度造成什么样的影响。

随着传输速率的提升，对时钟恢复单元取得同步时钟信号提出了更高的要求，一旦同步时钟偏移或失锁，将无法得到出正确的眼图。

02，提升符号速率

除了通过使用更高阶的调制方式增加每个符号的数据承载力之外，更直接的提升整体传输速率的方式是提升符号速率。当前的商用系统中，单lane的符号速率在100GBaud左右。在实际系统中，由于滤波器滚降（Roll-off）的影响，最小带宽B通常为：

其中Rs是符号速率 ，α 是滚降因子（0到1之间），由此我们可以看出系统频谱带宽会随着符号速率的增加而增加，因为更大的带宽对于器件和系统设计都有更高的要求。同时更高的符号速率意味着信号对色散和偏振模色散更加敏感，想要达成更高的速率需要对软硬件做系统级的设计优化，并与高阶调制方式相配合，业内头部厂家预计在2025年会达到200GBaud的传输速率。

而对于测试而言，则需要测试仪表有相应的大带宽才能完成更高符号速率的测试，这对于仪表的硬件能力提出了更高的要求。

03，增加单根光纤中的波长或增加光纤数量

除采用更高阶的调制方式，提升符号速率之外，通过采用波分复用技术以及多根并行光纤实现光通系统的总体传输速率提升也是一个方向。使用波分复用技术，其核心是在一条光纤中传输多个波长的载波，来实现传输速率的提升。根据波长间隔的不同，波分复用可分为粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）。

上表为CWDM和DWDM分别对应的波长数量以及单波速率的理论值，目前商用产品在CWDM中一般多采用8波长，DWDM中一般采用40或80波长。

采用波分复用会加剧信道间串扰和非线性效应，导致信号质量下降。测试时需模拟多波长叠加的真实场景，对光源的波长稳定性、光功率均衡性及接收端滤波器的隔离度提出更高要求。

在更高的单波传输速率下，因为相应符号速率的增加导致占用带宽更宽，这对波分复用技术的采用增加了挑战，于是在近距离数据传输中，可使用增加光纤数量的方式来增加整体系统的总传输速率，简单理解就是，增加了独立的物理传输通道。

根据香农容量公式：

其中：C 为信道容量，单位为bpsB为带宽，单位为HzS/N 为信噪比，单位为比值

在前文中我们已经探讨过了和带宽B相关的符号速率以及波分复用技术，和信噪比相关的高阶调制方式，但通过最简单的方式，增加物理通道M，即可将香农容量改变为：

直接将系统容量成倍增加，在当前的商用光通系统中，通常采用 8 或 16 根并行光纤，未来会增加到32根甚至更高。为适应光纤数量的增加，在系统设计中需考虑如何完成光信号的有效交换问题。

而在测试中，需要考虑多根并行光纤的同步问题，当多根光纤同时传输高速信号时，确保信号的时钟同步是测试的关键，测试系统需具备高精度的时间测量能力。同时在芯片或者硅光晶圆的测试中，也需要面对更多光通道的精确对准问题，这不仅需要高精度的FAU，还要配合先进的耦合算法，实现生产测试中的快速有效光学对准。

光通信中的整体速率提升不是简单的依赖某一种单一技术，而是将各种技术综合运用，实现整体速率的提升，因此对于测试系统提出了更高的要求，联讯仪器一直紧随前沿技术的发展，与时俱进，不断精进研发实力，旨为光通行业提供高可靠性、高性能和高效率的测试解决方案。

审核编辑 黄宇