基于DQPSK与PAM-4混合调制的数据中心光通信容量提升研究

为解决数据中心网络(DCNs)中流量突发、负载不均及现有基础设施扩容难题，研究人员创新性地将差分正交相移键控(DQPSK)与四电平脉冲幅度调制(PAM-4)相结合，实现了单载波160 Gbps（4×40 Gbps）的高速传输。该方案通过自由空间光通信(FSO)架构与天花板反射镜系统，显著提升了动态容量分配能力，为数据中心光互连提供了低复杂度、高效益的升级路径。

　　

随着云计算和人工智能的爆发式增长，数据中心网络(DCNs)正面临前所未有的流量压力。微软和Facebook的研究揭示了一个关键矛盾：约80%的流量集中在不到20%的机架上，而传统有线网络因固定拓扑和均等链路容量难以应对这种"热点"效应。更棘手的是，突发流量可能瞬间冲垮网络，就像早高峰时所有车辆突然涌向同一条车道。这种"旱的旱死，涝的涝死"现象，使得价值数亿美元的数据中心时常陷入"堵车"困境。

为解决这一世纪难题，沙特阿拉伯Princess Nourah bint Abdulrahman大学领衔的研究团队独辟蹊径，将两种经典调制技术——差分正交相移键控(Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK)和四电平脉冲幅度调制(4-level Pulse Amplitude Modulation, PAM-4)——像乐高积木般巧妙组合，创造出"一纤四传"的通信奇迹。这项发表于《Optical Fiber Technology》的研究，犹如为数据中心装上了可伸缩的"光立交桥"，让不同方向的流量各行其道。

研究团队采用三大核心技术：首先利用电吸收调制器(EAM)实现PAM-4调制，将两路电信号叠加转换为四强度光脉冲；接着通过双马赫-曾德尔调制器(MZM)分别处理同相(I)和正交(Q)分量，实现DQPSK二次调制；最后采用强度调制直接检测(IM-DD)系统，以天花板反射镜构建自由空间光通信(FSO)链路。这种"调制套调制"的俄罗斯套娃设计，既保留了IM-DD的简易性，又获得了媲美相干调制的频谱效率。

The proposed optical link for rack to rack communication
通过电吸收调制器的非线性转移函数，将两路40Gbps NRZ信号编码为PAM-4光信号。DQPSK调制阶段，两个独立MZM分别加载第三、第四路数据，最终形成携带四通道信息的复合光场。接收端采用平衡检测与功率比判决技术，成功实现四通道分离，眼图清晰度验证了解调可行性。

Results and discussions
在30dB光信噪比(OSNR)下，四通道的比特误码率(BER)均低于10^-9硬判决阈值。特别值得注意的是，当符号率从1bit/符号提升至4bits/符号时，系统展现出惊人的适应性——就像同一条高速公路能自动调节车道数，最高可实现单波长160Gbps传输，比传统方案提升300%容量。

Conclusions
这项研究颠覆性地证明：无需昂贵相干接收机，通过PAM-4与DQPSK的"土洋结合"，就能实现数据中心光互连的弹性扩容。其意义堪比通信界的"杂交水稻"，既保留了IM-DD系统的成本优势，又获得了高阶调制的频谱效率。更为关键的是，天花板反射镜的FSO架构，为现有数据中心提供了"免布线"升级方案，这对全球数百万个面临扩容困境的数据中心犹如雪中送炭。正如研究者Salman Ghafoor所言："我们的方案就像给老房子加装电梯，不用拆墙就能提升运力。"