随着网络流量越来越多,互联网产业的数据中心服务规模越来越大,而其对带宽与功耗的要求也越来越高。电互连数据中心的规模与功耗在元器件的限制下,其成本一直居高不下,并且速率已接近电带宽上限。为了降低数据中心的成本,将光通信应用于数据中心是一个不错的选择。光互连能够提供的带宽是电互连无法企及的,得益于光元器件的快速发展,光互连方案在能耗以及灵活性方面都有着很强的优势。同时,光的高速传播使得光互连只有极低的时延,提高了通信效率。在光互连数据中心中,为了保证不同服务器之间正常通信,使用波分复用提供足够的信道带宽,即一个服务器使用一个波长信道,但是这种方式使得波长信道被大量消耗,同时信道利用率不高。当未来的数据中心规模扩大时,有限的信道数量是提升光互连数据中心规模的瓶颈,如何充分利用每一个波长信道是数据中心中一个亟待解决的问题;数据中心的数据同步随着5G等产业的发展变得愈发重要,数据中心间的数据同步已有大量研究,但是数据中心内的数据同步处理的研究却鲜有耳闻,如何在数据中心内进行数据同步是第二个待解决的问题;考虑到数据中心日益增长的流量需求,PAM4被应用到光互连数据中心以提供NRZ所提供不了的速率与带宽。在未来高速的数据中心中,如何减少通信所需的波长数量以提高信道利用率,是数据中心中第三个问题。本文针对数据中心中三种不同的问题,总共提出三种解决方案。首先,提出一种使用NRZ与Manchester编码信号结合偏振复用的无源光互连方案以降低数据中心机架内部波分复用的波长信道使用量,提高信道利用率。文中首先介绍了偏振复用以及两种编码信号的叠加与解调原理;其次介绍了方案的服务器收发机结构以及系统的整体方案;最后,在不同速率下对方案进行了仿真实验并验证了该方案的可行性。其次,研究了一种光互连数据中心中的数据快速同步方法。该方法使用异或操作对数据进行编码以及部分解码,通过恢复矩阵实现数据解调。文中使用具体的案例和差错控制编码理论在二进制域中对该方法进行了使用描述和理论分析,并总结了该方法的同步效率与可行性。最后,考虑到未来数据中心速率提升,为了减少光互连数据中心通信所使用的波长数量,提高信道利用率。文中在使用PAM4进行数据传输的光互连数据中心中提出一种使用物理层网络编码进行全双工通信的方案。文中对不同速率以及不同发射功率的情况进行了仿真实验,总结了该方案的优势。