光收发器通信性能如何确定？bps、bps/通道和波特率的解释

光收发器使用多种指标来描述通信性能，如800 Gbps、200 Gbps/通道和100 Gbaud。具体来说，这些分别代表收发器的整体通信速度、每通道的通信速度和信号切换速率。本文解释了bps、bps/通道和波特率，以及驱动光收发器速度提升的因素。

理解光收发器性能：三个关键指标是什么——bps、bps/通道和波特率？

对于数据通信光收发器，bps、bps/通道和波特率之间的关系决定了所需的光纤数量和收发器配置。下表总结了这些指标之间的关系，假设最简单的单模配置，即每根光纤携带单一波长（每根光纤一条通信通道）。*注：波特率值为基于PAM4调制格式的理论值。（详情请参见后文部分。）

在相同的收发器速度（bps）下，提高每通道 bps 数可以减少光纤的使用数量。相反，较低的每通道 bps 数配置需要更多的光纤，因此在安装面积和功耗方面优势较小。为了理解这些差异，本节首先探讨 bps、每通道 bps 数和波特率之间的关系。

（1）光学收发器的通信速度（bps）代表什么？
比特每秒（bps）是一种速度指标，表示光收发器的整体通信容量。它代表1秒内可传输和接收的数据量。在光收发器规范中，它用于表示产品的整体通信速度。当前产品的常见数值包括400 Gbps和800 Gbps，而下一代产品支持1.6 Tbps甚至3.2 Tbps。目前，800 Gbps是数据中心应用的主流通信速度，1.6 Tbps产品的批量生产也已开始。

（2）为什么即使相同BPS/线路也会有区别
通道是用于并行传输的独立信号路径，可以看作是数据通过的单一通道。因此，bps/lane 表示单一信号路径的数据传输速率。在现代光收发机中，提高 bps/通道是实现更小尺寸、更低功耗和更高传输速度的关键。

目前，单波长800 Gbps的光收发器通常采用两种配置之一。一种使用八条通道，每通道运行100 Gbps，另一种使用四通道，速度为200 Gbps。这里的通道数指的是信号通道的数量，因此也指传输或接收数据的光纤数量。虽然两种配置的收发器整体通信速度均为800 Gbps，但它们的内部架构存在显著差异。200 Gbps/通道配置将发送端和接收端所需的通道数量减半。这减少了组件体积，有助于降低功耗。但由于该配置必须处理高速信号，其波形更容易受到信号衰减和噪声引起的失真影响。因此，它需要先进的信号处理以及高性能的发射和接收设备，使技术更具挑战性。

（3）波特率与每通道比特数的关系
波特率（单位：Bd）表示每秒传输的信号状态（符号）数量。在光通信数据通信应用中，传统系统通常采用强度调制直接检测（IMDD）方案，每个符号传输1比特。然而，近年来，每个符号可传输2比特的PAM4调制格式也得到了应用。如上所述，符号是代表信号状态的单元。由于PAM4使用四个不同的信号电平（状态），因此每个符号可以携带2比特的信息。以下关系适用于PAM4。
每通道比特数 = 波特率 × 2
例如，当使用 PAM4 调制时，200 Gbaud 的波特率可以实现 400 Gbps/通道的传输。

在解释了三个关键指标——bps、bps/通道和波特率后，让我们更仔细地看看基于这些指标的光收发器的通信性能。

数据中心光收发器对每通道200 Gbps需求的背景

数据中心的光收发器长期以来主要基于100 Gbps/通道配置。然而，随着向800 Gbps世代的转变，所需光纤数量增加，带来了更大收发器形态和更高功耗等挑战。在此背景下，200 Gbps/通道技术的需求不断增长，这种技术能够用更少的光纤实现高速通信。实现这一目标需要提升构成光收发器的各种设备性能，包括激光源、光电二极管（PD）和数字信号处理器（DSP）。

目前，200 Gbps/通道技术正在稳步发展，并越来越多地被800 Gbps和1.6 Tbps的光收发器采用。展望未来，下一代3.2 Tbps的光学收发器预计将需要更快的400 Gbps/通道技术。

实现 400 Gbps/通道技术面临的挑战

如果400 Gbps/通道技术（200 Gbps/通道技术的演进版本）能够实现，它将在保持每个收发器通道数最少的情况下，实现高达1.6 Tbps或3.2 Tbps的更高容量通信。然而，实现这项技术面临着前所未有的巨大技术挑战。

特别是400 Gbps/通道技术要求比现有方案更宽的带宽和更快的响应特性。然而，基于传统硅材料的器件在这些超高速工作环境中开始接近响应速度和频率性能的极限。因此，基于化合物半导体的新器件技术（如磷化铟（InP）的开发正在积极进行，这些技术更适合超高速运行。

下一代光电二极管要求达到每通道400 Gbps

提升数据中心光收发器的速度需要发射端和接收端设备的进步。这包括光电二极管的进一步开发，光电二极管是接收机的关键组件。传统的表面照明PIN光电二极管支持最高100 Gbps/通道和200 Gbps/通道的数据速率，但在400 Gbps/通道级别的超高速信号下，使用变得越来越困难。此外，准确检测弱光信号的能力以及高速运行中热量生成的措施也成为重要挑战。

解决这些挑战不仅需要材料的进步，还需要光电二极管本身的结构。在Dexerials，除了使用磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）的高速响应光电二极管外，还在进行波导光电二极管的研究和开发，其结构与传统器件不同。
有关波导光电二极管工作原理的更多信息，请参见本文。

以下文章详细解释了相干Lite和光子集成电路（PIC）技术，预计这两种技术将在400 Gbps/通道时代发挥关键作用。
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