说实话看到这个标题的第一反应是这是把光通信领域最热的三块拼图一次凑齐了。硅光微环调制器MRM、90GHz带宽、空芯光纤这三样单拿出来任何一个都够发一篇好论文结果它们同时出现在ECOC PDP题目里还跑出了8λ*600Gbps在2km空芯光纤上传输的组合结果。对做光模块、做数据中心互联、做CPO片上光引擎的同行来说这个工作很值得拆开来看。它不只是一个器件指标刷了新高度而是把器件-传输介质-系统架构整条链路放在一起做了一次集中验证。这篇博文我想从标题的三个关键词出发聊聊这次PDP背后的技术分量、工程难点以及它对未来几年短距光互连演进可能带来的影响。1. 事件分量解读ECOC PDP门口排着多少硬骨头1.1 PDP的含金量到底在哪ECOC欧洲光通信会议和OFC美国光纤通信大会是光通信领域公认的两大顶会而PDP全称Post Deadline Paper中文通常叫截稿后论文或者追加论文含金量比普通录用论文还要高一个档次。原因很简单PDP接收的是会议截稿之后才完成的突破性工作必须满足结果足够新、影响力足够大、数据足够完整三重标准而且审稿周期极短评委里坐的都是各个方向的资深专家。每年能被PDP接收的工作一只手数得过来。很多团队打磨一整年就为了在截止日期前把最后的系统实验跑完冲刺一个PDP名额。所以当华为这次在ECOC PDP上放出硅光MRM和空芯光纤的组合结果时业内第一反应基本都是这不是一个普通的性能展示而是一个经过严苛评审背书的系统级验证。这里多说一句PDP论文和普通论文的评审侧重点差异很大。普通论文看创新性和完整性PDP更看重这件事以前没人做出来过。90GHz带宽的硅光MRM此前有实验室报道空芯光纤传输也有不少成果但把90GHz MRM阵列放进WDM系统里再跑到空芯光纤上实现单波600Gbps这个组合此前确实没有公开报道过。这正是它能站上PDP台面的核心原因。1.2 从标题拆出三个核心信息点标题里其实藏了三层递进的信息器件层是90GHz带宽的硅光微环调制器MRM系统层是8个波长每个跑600Gbps也就是总容量4.8Tbps传输介质层是2km空芯光纤。这三层单独看都有看点但真正的技术难度在于把三者叠在一条完整链路上验证通过。先说器件层。硅光MRM做到90GHz电光带宽这已经超过了目前绝大多数商用硅光调制器的水平。现在市面上成熟的硅光MZM马赫-曾德尔调制器产品带宽普遍在30到50GHz左右实验室能报到60GHz以上就算很不错的成绩。90GHz意味着这个MRM可以直接支撑100Gbaud以上甚至接近200Gbaud级别的信号调制为单波600G这种速率铺平了路。再说系统层。8λ*600Gbps算下来正好是4.8Tbps就算放到今天单模光纤上跑4.8Tbps也不是什么轻松的事更别说这一切发生在空芯光纤上。空芯光纤这两年热度很高但多数演示还停留在单通道或者低速率阶段华为这次等于把WDM系统的通道数、单波速率和传输距离都拉到了一个新的验证维度。最后是传输层。2km这个距离很关键后面我会专门展开讲。这里先记住一点空芯光纤当前最有价值的应用窗口恰恰就是数据中心互联这种几公里级别的短距场景而不是跨洋长途。华为选2km说明他们在认真思考这个技术的商业模式落脚点。2. 硅光MRM为什么微环能把带宽推到90GHz2.1 微环调制器的基本工作原理MRM全称Micro-Ring Modulator微环调制器。理解它不需要太高门槛你可以把它想象成一个环形的水池旁边有一条直通的河道。当水波的波长和环形水池的固有频率对上时水就会大量涌进水池里直通河道里的水量就明显减少当频率对不上时水就几乎全走河道水池里没什么动静。光的道理完全一样。环形波导构成一个谐振腔只有满足特定波长条件的光才会被耦合进环里这个条件就是环的周长乘以有效折射率等于波长的整数倍。微环调制器做的事情就是通过外加电压改变环内波导的折射率让谐振波长发生偏移从而使得某个固定工作波长上的透过率发生剧烈变化——等效下来就是实现了光强度调制。这个机制的妙处在于灵敏度极高。谐振峰是非常尖锐的折射率只要有一点点变化就能带来很大的透过率变化。所以MRM可以用很低的驱动电压实现高消光比驱动功耗比MZM低一个数量级都不稀奇。代价也很明显谐振条件对温度、工艺偏差极其敏感这也是MRM工程化道路上最头疼的问题后面我会单独讲。2.2 90GHz带宽背后的三大工程挑战要把MRM的带宽推到90GHz至少得过三关。第一关是寄生参数。MRM的调制区本质是一个PN结PN结有结电容电极和引线有寄生电容和电阻这些RC参数直接决定了器件的电学带宽。把一个高带宽信号送到PN结上如果电极设计不好信号在传输路径上就被低通滤波掉了。要上90GHzpad电容、引线电感、PN结掺杂浓度都需要整体优化这是一套完整的射频设计流程不是单纯把环做小就能解决的。第二关是光子寿命的限制。微环的Q值越高谐振峰越窄同样折射率变化产生的透过率变化越大调制效率越高。但高Q值的另一个后果是光子寿命长也就是环里的光要缓一缓才能响应外界变化。这个响应时间直接限制了调制带宽。简单说高Q值和宽带宽是矛盾的。要做到90GHz带宽设计者必须精心控制环与直波导的耦合系数把Q值压到能支撑90GHz带宽的水平同时还要保证消光比和插损在可用范围内。这个平衡点是MRM设计里最有技术含量的地方。第三关是微波与光波的速度匹配。带宽高了之后调制器不能再简单地当成集总元件看待行波电极的设计提上日程。硅波导的群折射率很高微波在电极结构上的传播速度需要尽可能和光波速度对齐。两者速度差得越远有效调制长度就越受限制带宽也就越难往上走。90GHz这个量级电极结构的慢波设计、介质层厚度、金属厚度每一个尺寸偏差都会体现在最终的S21曲线上。2.3 MRM和MZM怎么选很多人会问既然MRM这么难伺候为什么还要用它这需要把MRM和主流的MZM摆在一起看。对比维度硅光MZM硅光MRM器件尺寸毫米量级微米到几十微米量级驱动电压较高明显更低功耗较高很低温度敏感度低高需要波长锁定线性度好一般带宽提升空间受行波电极限制较大可通过低Q值设计推高片上集成密度低高适合阵列化这张表信息量不少。MRM的核心优势在尺寸、功耗和集成密度。一个MZM动辄几毫米长而一个MRM半径可能只有几十微米甚至更小这意味着同样的芯片面积上可以集成几十上百个调制器。这个特性在WDM系统里特别宝贵你可以在一个芯片上做8波长甚至更多波长的调制阵列每个环对应一个波长通道环本身还自带滤波功能。这些年MRM一直被讨论、但商用程度远不如MZM卡点就是温度和工艺容差。华为这次把带宽做到90GHz等于告诉业界MRM在性能上限上已经不输MZM剩下的工程问题完全可以通过系统方案解决。2.4 温度敏感这个老大难怎么解硅的热光系数大约是1.86乘以10的负4次方每开尔文这个数值意味着温度每变化1℃微环谐振波长可能漂移几十皮米。而一个典型的高Q谐振峰的半高全宽可能也就几十皮米温度稍微一动工作点就可能从谐振峰顶滑到谷底信号质量瞬间崩溃。在我自己做过的硅光测试里温度漂移问题几乎每一次都会碰到。裸片测试时哪怕手指靠近芯片热辐射导致的波长漂移都能在示波器上看出来。所以实际系统里必须有补偿措施常见方案有两种一种是在环旁边集成一个微型加热器通过反馈环路实时调整加热功率把谐振波长锁在目标值上另一种是对激光器波长做微调用ITLA或者可调谐激光器的波长微调能力去追随环的漂移。华为这次能做系统级验证必然在波长锁定和热控制上做了完整的方案。这个信息虽然没有在标题里体现但对任何想把MRM用到真实产品里的工程师来说恰恰是最值得参考的部分。90GHz只是器件指标稳定地让90GHz工作在实际环境中那才是真功夫。3. 空芯光纤为什么这次要配空芯光纤跑2km3.1 空芯光纤到底强在哪里空芯光纤和传统实芯光纤最大的区别从名字就能听出来光不再主要在玻璃里传输而是在中间的空气芯里传输。这个结构带来的好处是多维度的。首先是低延迟。光在真空中比在二氧化硅玻璃中的速度快大约47%在空芯光纤里光虽然不完全在真空中走但速度已经非常接近真空光速。换算成时延空芯光纤每公里能比普通单模光纤节省大约0.15到0.2微秒这个量级在普通互联网应用里根本无感但在高频交易、超算互联、大规模分布式训练这类场景里就是实打实的优势。其次是低非线性。光纤的非线性效应在短距大容量系统里是个潜在瓶颈光功率越高非线性串扰越严重。空芯光纤里绝大部分光场在空气中传输空气的非线性系数比玻璃低好几个数量级整根光纤的非线性阈值大幅提升。这意味着你可以往空芯光纤里打更高功率的信号光信噪比更好波分复用系统里各个波长之间的非线性干扰也更小。第三个优势是潜在的超低损耗窗口。理论上空心波导结构可以在特定波长窗口实现比玻璃光纤更低的损耗虽然这个目标目前还没完全实现但方向已经清晰。对这次华为的实验来说低延迟和低非线性应该是他们选择空芯光纤的两个主要理由。3.2 2km距离的现实考量有朋友看到2km可能会犯嘀咕怎么才跑2km各种光纤传输实验不是动辄几百上千公里吗这里必须把语境说清楚。空芯光纤目前还处在从实验室走向工程化的早期阶段整根光纤的损耗指标还没有全面超过传统单模光纤熔接、成缆、弯折损耗这些工程问题也还在优化当中。在这种阶段硬要和单模光纤拼超长距离没有意义。聪明的做法是先找到空芯光纤优势能够最大化发挥的场景而数据中心互联、园区互联、城域短距这几类场景恰好完美匹配。2km这个距离对数据中心内部和相邻数据中心之间的互联来说太典型了。新一代数据中心互联要求的是大容量、低时延、低功耗2km正好是空芯光纤低延迟优势明显、损耗劣势还不构成决定性短板的最佳折中距离。按当前空芯光纤的水平来算2km的损耗通常在1dB以内在系统预算里完全可接受。华为选这个距离说明他们已经想过产品化路径不需要等空芯光纤损耗做到和单模一样低先用短距把价值落地。3.3 硅光MRM和空芯光纤为什么是绝配这个组合值得单独聊聊。MRM是高密度WDM的理想器件多个微环可以集成在一个芯片上每个环处理一个波长的调制同时微环本身又是一个窄带滤波器天然能压制相邻波长的串扰。多波长并行意味着光纤里的总功率会很高而这恰恰是普通单模光纤非线性效应最忌讳的工况。我之前经手过一些30波长以上C波段满波复用的系统联调印象最深的就是非线性串扰带来的Q因子劣化。波长间隔越密、功率越高相邻信道之间的交叉相位调制就越大尤其到了PAM这种幅度调制格式上非线性代价会更加明显。空芯光纤的低非线性优势正好能兜住MRM高密度WDM的高功率工况让每个波长的信号质量不再因为邻居通道的干扰而掉下来。这就形成了一个很舒服的技术闭环MRM解决高带宽、低功耗、高密度调制空芯光纤解决多波长高功率下的非线性恶化问题2km的距离则把两者的优势都圈在一个现实可用的场景里。4. 8λ*600Gbps链路容量如何构建与验证4.1 4.8Tbps的WDM系统怎么搭8λ乘以600Gbps总量4.8Tbps这不是一个简单的数字相乘背后涉及完整的波分复用链路搭建。以目前的工艺水平合理推断测试系统大概率是这个架构八个不同波长的激光器作为光载波经过复用后进入一个集成了八个MRM的硅光发射芯片每个MRM由独立的高速电信号驱动把电信号调制到对应波长的光上被调制后的八路光信号再通过解复用或者直接输出进入2km空芯光纤传输在接收端进行光解复用最终用高速探测器接收并通过示波器或者自研DSP完成误码率分析和信号复原。这套链路里MRM阵列和空芯光纤的耦合是多了一个工程难点。硅光芯片的输出通常通过光纤阵列耦合但空芯光纤的模场特性和普通单模光纤不一样所以芯片到空芯光纤的耦合结构不能按常规思路直接套用。如果耦合方案做得不好界面反射和模场失配带来的损耗会直接吃掉全部系统裕量。这类工作在PDP里能通过评审说明耦合损耗控制到了一个可接受的水平背后往往是成百上千次耦合调测的积累。4.2 单波600Gbps意味着什么现在主流的可插拔光模块比如800G模块普遍采用8个100Gbps电通道或者4个200Gbps光通道。单波400G刚刚开始进入市场单波600G还在非常前期的阶段。要在单个波长上跑600Gbps对调制器带宽的要求极为苛刻。这里有两种可能的技术路线。一种是相干通信路线用DP-QPSK或DP-16QAM这类调制格式配合概率整形在较低波特率下实现高比特率。90GHz带宽的MRM即使做成相干调制也能轻松支撑200Gbaud级别的符号速率。另一种是强度调制加直接检测路线用PAM8或者PAM16这类高阶幅度调制直接靠提升波特率把速率推上去。比如200Gbaud的PAM8配合一定的编码开销单波600Gbps是可行的。不管采用哪种路线调制器带宽都是先决条件。90GHz的3dB电光带宽足以支撑接近200Gbaud级别的高速信号。可以说没有这个带宽单波600G根本无从谈起。这也解释了为什么这次PDP会把90GHz作为标题里的第一个卖点。4.3 对1.6T模块与CPO演进的影响把视线拉长一点看这个实验结果对整个产业方向有明确的指向意义。业界现在正从1.6T光模块向3.2T演进单波速度越高模块内部需要的光通道数越少封装体积和功耗越容易控制。单波600G一旦成熟意味着3.2T模块只需要六根波长的密集波分复用散热压力和驱动电路复杂度都能大幅下降。CPOCo-Packaged Optics这个方向上MRM几乎是量身定做的解决方案。CPO光引擎和交换芯片封装在一起留给光器件的面积和功耗预算极其有限而MRM的小尺寸、低功耗、高带宽优势正好全部命中需求。这次展示的8波长MRM阵列从芯片面积和功耗角度看已经具备CPO光引擎的雏形。对于正在选型的光模块厂商来说这个信号尤其值得注意。EML电吸收调制激光器阵营和硅光阵营一直在争夺短距高速模块的市场过去硅光的瓶颈是带宽和良率这次90GHz的MRM等于在带宽问题上给出了一份很有说服力的答卷。接下来看的就是它从实验室到量产还要迈过多少道工艺和良率的坎。5. 产业链影响与下一步演进方向5.1 对空芯光纤商用化的推动作用空芯光纤这些年一直在等一个标志性的应用演示。损耗指标从最初的几十dB/km优化到现在的零点几dB/km已经具备了在短距离场景试水的条件但光有光纤指标不够投资人要看到它在真实系统里能干出什么活。华为这次在2km空芯光纤上跑通4.8Tbps最大的意义在于给空芯光纤找到了一个清晰的落地故事短距DCI这个场景对延迟和容量极度看重对光纤的损耗要求又比长距宽松得多。有了这次系统级背书空芯光纤厂商可以把市场切入点放在数据中心互联而不是和传统光纤正面硬拼长途市场商业路径一下子就明朗了。5.2 空芯光纤规模化还有哪些坎就算有了应用场景空芯光纤的规模化生产依然不容易。首先是控制工艺复杂空芯光纤需要在包层里排列一圈反谐振管这种微结构对拉丝的温度场和气压控制要求很高产率低、成本高。其次是熔接问题空芯光纤和标准单模光纤之间因为模场差异熔接损耗普遍比单模之间大不少这会直接推高系统链路的总插损。再次是长期可靠性数据还不足比如光纤在弯曲、潮湿、高低温循环条件下的稳定性都需要时间验证。这类工程问题往往比实验室的原理突破更难解决。好在这两年产业界对空芯光纤的投入明显加大从光纤拉制到连接器、熔接机、测试仪表的配套生态都在逐步补齐。按这个速度发展下去短距DCI的小规模商用在未来三五年内是有机会成形的。5.3 后续值得跟踪的三个方向第一个方向是MRM的波长锁定方案如何进一步集成化和低功耗化。这次展示能完成锁定方案必然是有的但如果能在芯片上把锁定电路做成标准功能模块功耗再压下来那就离产品化更近一步。第二个方向是调制格式和DSP算法的配套演进。单波600G已不是简单的调制器问题DSP里的均衡算法、纠错编码、非线性补偿都需要和90GHz这个级别的器件协同调试。20到30Gbaud时代靠手工调参的经验到了200Gbaud量级完全不够用算法和器件必须一起设计。第三个方向是空芯光纤和硅光的直接异质集成。现在的耦合还是分立器件方案如果未来能做到空芯光纤和硅光芯片的封装级结合插损和时延还能再降一截。到那时候超低延迟和高带宽密度两个指标就能真正在数据中心里大规模落地。6. 几个常被问到的疑点与我的实际观察6.1 90GHz带宽的口径到底是什么从MRM的参数定义来说标题里的90GHz带宽指的应该是电光3dB带宽也就是S21电光响应曲线下降到一半时的频率点。需要注意区分器件带宽和系统等效带宽的差别实际系统里驱动器的带宽、封装引线的损耗都会叠加在链路里最终系统能支撑的波特率往往低于器件的标称值。所以看到90GHz的时候可以理解为器件本身有这个能力但要支撑接近200Gbaud的信号驱动和封装还得再跟上。6.2 为什么不用普通单模光纤这个问题在不少群里看到过。普通单模光纤的损耗低、成本低、工艺成熟2km距离下损耗几乎可以忽略完全没理由不用。但空芯光纤的价值不在损耗上它快出来的那零点几微秒每公里的时延以及低非线性带来的系统裕量优势才是这次实验真正要验证的东西。损耗优势是实芯光纤的时延优势和非线性优势是空芯光纤的2km场景里后者给系统带来的收益更值得关注。6.3 我的一点判断从我个人多年做高速光互连系统联调的经验看这次PDP最让我兴奋的不是单个指标而是组合带来的产业信号。过去业界总把硅光MRM看作实验室里的娇贵器件把空芯光纤看作遥远的技术前景华为这一手等于把两个未来概念撮合到一起在一个人人熟悉的数据中心互联距离上证明它们能协同工作。技术的跨越往往不是靠某一个方向孤立突破而是靠两个尚且不太成熟的方向提前磨合一旦磨合得差不多了后面的产业化推进会比大多数人预期的更快。如果你也在做短距光互连相关的选型或者架构设计建议认真盯一下这个方向后续的完整论文和数据发布。MRM加上空芯光纤的组合目前还没到产品化阶段但它已经把下一代短距光互连的想象空间打开了至少我自己对这项技术的态度已经从值得关注变成了可以开始提前做技术储备了。
