突破性的研究实现了前所未有的数据传输速率

诸平

Researchers have developed an innovative technique that combines nonlinear predistortion and digital resolution enhancement to significantly improve data transmission rates and efficiency in data center interconnects, potentially revolutionizing future digital communications. Credit: Peng Cheng Laboratory

据“科技日报”（SciTechDaily）网站2024年6月10日刊登来自国际光学与光子学学会(International Society For Optics And Photonics)的消息，突破性的研究实现了前所未有的数据传输速率（Groundbreaking Research Achieves Unprecedented Data Transmission Rates）。

研究人员将非线性预失真（nonlinear pre-distortion）与数字分辨率增强（digital resolution enhancement）相结合，以解决与数模转换器(digital-to-analog converters简称DACs)相关的挑战。

数据中心是当今信息技术基础设施的支柱。这些集中式集线器用于管理、存储和分发大量数据和应用程序，充当全球数字服务和业务的控制中心。它们对于维护数据访问、实现可扩展性、促进灾难恢复和确保强大的安全协议至关重要，从而支持我们全球连接的数字世界的平稳运行。

数据中心操作的核心是数据中心互连，这是重要的网络基础设施，负责促进数据中心内部和跨数据中心的各种组件之间的通信。数模转换器(DACs)是这些互连中不可或缺的组件，其任务是将数字信号转换为模拟信号，以便通过铜电缆传输。它们在实现高速、低成本和低延迟连接方面的作用怎么强调都不为过。然而，挑战来自对高分辨率DACs的需求，由于光模块成本的相关增加，这构成了一个重大的瓶颈。

数据传输技术突破（Breakthrough in Data Transmission Technology）

面对这一挑战，研究人员提出了一种开创性的解决方案，将基于查询表的非线性预失真技术与数字分辨率增强相结合。该创新方法于2024年4月24日已经在《先进光子学通讯》（Advanced Photonics Nexus）在线发表——Qi Wu, Zhaopeng Xu, Yixiao Zhu, Tonghui Ji, Honglin Ji, Yu Yang, Junpeng Liang, Chen Cheng, Gang Qiao, Zhixue He, Jinlong Wei, Qunbi Zhuge, Weisheng Hu. Beyond 200-Gb/s O-band intensity modulation and direct detection optics with joint look-up-table-based predistortion and digital resolution enhancement for low-cost data center interconnects. Advanced Photonics Nexus, 2024, 3(3): 036007. DOI: 10.1117/1.APN.3.3.036007. Published online 24 April 2024.

参与此项研究的有来自中国深圳鹏城实验室（Peng Cheng Laboratory, Shenzhen, China）、中国上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室（Shanghai Jiao Tong University, State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, Shanghai, China）以及意大利拉奎拉大学（University of L’Aquila, L’Aquila, Italy）的研究人员。

此创新方法旨在缓解高分辨率DACs带来的限制，同时在数据中心互连中保持有效的数据传输和通信。该技术已经取得了显著的实验结果，突破了数据传输速率的极限。通过使用基于查表的预失真来减轻非线性损伤，并使用数字分辨率增强来降低对DAC分辨率的需求，研究团队实现了破纪录的数据传输性能。

值得注意的是，数字信号处理技术能够使用3/3.5/4位DACs（3/3.5/4-bit DACs）在2 km的标准单模光纤中以超过124 GBd PAM-4/6和112 GBd PAM-8的速率传输信号。此外，它还使用1.5/2/3位DACs(1.5/2/3-bit DACs)在40 km的标准单模光纤上促进了124 GBd PAM-2/3/4信号的传输。这些结果代表了数据中心互连技术的重大进步，证明了支持下一代以太网（ethernet）链路的可行性，目标速度高达800-GbE，甚至可能达到1.6-TbE。

共同通讯作者鹏城实验室的徐兆鹏（Zhaopeng Xu音译）强调了这些发现的重要性，强调他们展示了“数据中心互连用最低成本的数模转换器传输最高数据速率。”

除了彻底改变数据中心互连之外，这些进步还有望改变6G接入网和无源光网络（passive optical networks）的各种应用。通过克服与高分辨率DACs相关的挑战，这种创新方法也为更具成本效益和高效的数据传输铺平了道路。

此项研究得到了中国国家重点发展计划项目{National Key R&D Program of China (Grant No. 2020YFB1806400)}、中国国家留学基金委项目{China Scholarship Council (Grant No. 202306230183)}以及中国国家自然科学基金项目{National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 62271305 and 62001287)}的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

We propose a joint look-up-table (LUT)-based nonlinear predistortion and digital resolution enhancement scheme to achieve high-speed and low-cost optical interconnects using low-resolution digital-to-analog converters (DACs). The LUT-based predistortion is employed to mitigate the pattern-dependent effect (PDE) of a semiconductor optical amplifier (SOA), while the digital resolution enhancer (DRE) is utilized to shape the quantization noise, lowering the requirement for the resolution of DAC. We experimentally demonstrate O-band intensity modulation and direct detection (IM/DD) transmission of 124-GBd 4/6-level pulse-amplitude modulation (PAM)-4/6 and 112-GBd PAM-8 signals over a 2-km standard single-mode fiber (SSMF) with 3/3.5/4-bit DACs. In the case of 40-km SSMF transmission with an SOA-based preamplifier, 124-GBd on-off-keying (OOK)/PAM-3/PAM-4 signals are successfully transmitted with 1.5/2/3-bit DACs. To the best of our knowledge, we have achieved the highest net data rates of 235.3-Gb/s PAM-4, 289.7-Gb/s PAM-6, and 294.7Gb/s PAM-8 signals over 2-km SSMF, as well as 117.6-Gb/s OOK, 173.8-Gb/s PAM-3, and −231.8Gb/s PAM-4 signals over 40-km SSMF, employing low-resolution DACs. The experimental results reveal that the joint LUT-based predistortion and DRE effectively mitigate the PDE and improve the signal-to-quantization noise ratio by shaping the noise. The proposed scheme can provide a powerful solution for low-cost IM/DD optical interconnects beyond 200Gb/s.