800G光模塊的應(yīng)用

byfibermall

4K虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、并發(fā)性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。隨著未來幾年帶寬需求的不斷增加，雖然100、200和400Gbit/s光模塊仍將占據(jù)最大的市場(chǎng)份額，但800Gbit/s光模塊將在2025年得到大規(guī)模部署。

按照800GE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從架頂交換機(jī)（TOR）到Leaf交換機(jī)的連接距離短則幾十米，長(zhǎng)則幾百米。對(duì)于這部分連接，大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)普遍采用100Gbit/s的連接技術(shù)，從2021年開始逐步升級(jí)到200Gbit/s或400Gbit/s技術(shù)，部分領(lǐng)先企業(yè)在2023年開始嘗試800Gbit/s技術(shù)。

從Leaf到Spine交換機(jī)，或者從Spine交換機(jī)到核心路由器的連接，可以解決校園內(nèi)或相鄰校園之間的互聯(lián)互通問題，連接距離可以達(dá)到2公里甚至10公里。接口速率從2021年開始從100G逐步升級(jí)到200G或者400G。數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）一般是指幾個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)中心之間的連接，用于負(fù)載均衡或者容災(zāi)備份，連接距離可能長(zhǎng)達(dá)幾十公里，對(duì)于這么長(zhǎng)的距離，由于光纖資源比較珍貴，人們主要采用密集波分復(fù)用加相干通信的方式，盡可能的復(fù)用光纖資源。我們將800G光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景分為SR（100m場(chǎng)景）、DR/FR/LR（500m/2km/10km場(chǎng)景）、ER/ZR（40km/80km場(chǎng)景）。

技術(shù)方案

項(xiàng)目概述

800Gbit/s技術(shù)方案演進(jìn)包括3代，第一代為8光8電方案：光接口8×100Gbit/s，電接口8×100Gbit/s，商用時(shí)間2021年；第二代為4光8電方案：光接口4×200Gbit/s，電接口8×100Gbit/s，2024年商用；第三代為4光4電方案：光接口4×200Gbit/s，電接口8×100Gbit/s，預(yù)計(jì)2026年商用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看(5年內(nèi))，光/電單通道200gbit/s技術(shù)將得到普及;短期內(nèi)(3年內(nèi))，由于單通道200gbit/s光電芯片器件及均衡技術(shù)尚未成熟，行業(yè)仍需要時(shí)間突破相關(guān)技術(shù)瓶頸。

電氣接口及封裝

從100Gbit/s直接調(diào)制直接檢測(cè)光模塊的發(fā)展歷程可以看出，當(dāng)電接口單通道速率與光接口相同時(shí)，光模塊架構(gòu)將達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，具有低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)。單通道100Gbit/s電接口將是8×100Gbit/s光模塊的理想電接口，單通道200Gbit/s電接口將是4×200Gbit/s光模塊的理想電接口。在封裝方面，800Gbit/s光模塊可能存在雙密度四元小尺寸可插拔(QSFPDD800)和八進(jìn)制小尺寸可插拔(OSFP)等不同的封裝形式。由于模塊內(nèi)布線和連接器損耗等因素，基于200gbit/s電接口的可插拔光模塊仍然面臨許多挑戰(zhàn)。

光學(xué)接口

800Gbit/s光收發(fā)器光接口架構(gòu)主要有三種類型：

8×100Gbit/s4級(jí)脈沖幅度調(diào)制（PAM4）光收發(fā)器：PAM4收發(fā)器工作在53Gbd，采用8對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、8個(gè)激光器、8對(duì)光收發(fā)器以及1對(duì)8通道粗波分復(fù)用器（CWDM），或基于以太網(wǎng)通道的波分復(fù)用（LAN-WDM）（取決于光纖色散損耗）復(fù)用器和解復(fù)用器（SR/DR應(yīng)用場(chǎng)景不需要）

4×200Gbit/sPAM4光收發(fā)器：PAM4收發(fā)器工作在106Gbd，使用4對(duì)DAC和ADC，4對(duì)光收發(fā)器（包含4個(gè)激光器），1對(duì)4通道CWDM或LAN-WDM（根據(jù)光纖色散損耗而定）復(fù)用器和解復(fù)用器（SR/DR應(yīng)用場(chǎng)景不需要）。

800Gbit/s相干光模塊：在雙偏振十六正交幅度調(diào)制（16QAM）下工作在128Gbd，使用4對(duì)DAC和ADC，1個(gè)激光器，1對(duì)光收發(fā)器，使數(shù)據(jù)中心相干光模塊可以使用固定波長(zhǎng)激光器，降低成本和功耗。

8×100Gbit/s直調(diào)直檢方案可利用現(xiàn)有的技術(shù)架構(gòu)，相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟，供應(yīng)鏈也比較齊全。在SR場(chǎng)景下，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）100Gbit/s技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，提升多模方案性能、降低多模光纖成本將是該技術(shù)繼續(xù)演進(jìn)的關(guān)鍵因素。

以硅光子學(xué)(SiPh)和直接調(diào)制激光器(DML)為代表的單模技術(shù)發(fā)展迅速。其中，SiPh技術(shù)發(fā)展較快，有望在未來100米及以下傳輸距離的應(yīng)用場(chǎng)景中與多模解決方案一較高下。在DR/FR場(chǎng)景中，有三種解決方案:電吸收調(diào)制激光(EML)、DML和SiPh。

在LR場(chǎng)景中，基于粗波分復(fù)用(CWDM)、局域網(wǎng)波分復(fù)用(LWDM)和窄帶局域網(wǎng)波分復(fù)用(nLWDM)的800Gbit/sLR8方案仍處于研究階段。在波長(zhǎng)選擇方面，由于o波段邊緣波長(zhǎng)色散較大，LWDM8在色散懲罰方面優(yōu)于CWDM8。目前，10公里及以上距離的直接調(diào)整和直接檢測(cè)方案主要面臨“最壞情況”色散和窄色散容差匹配的挑戰(zhàn)。

構(gòu)建新的波長(zhǎng)系統(tǒng)，壓縮多通道波長(zhǎng)范圍，可以相應(yīng)地縮小最壞色散，從而簡(jiǎn)化數(shù)字信號(hào)處理(DSP)設(shè)計(jì)，降低理論功耗。例如，8×100Gbit/sPAM4直接調(diào)制直接檢測(cè)方案，在采用800GHz間隔的LWDM方案時(shí)，色散限制距離約為10km；采用400GHz間隔的nLWDM方案時(shí)，色散限制距離可以擴(kuò)展到20km；采用200GHz間隔的nLWDM方案時(shí)，色散限制距離可以進(jìn)一步擴(kuò)展到40km。同時(shí)，壓縮零色散點(diǎn)分布或漂移范圍，減小相應(yīng)的色散范圍也是解決方案之一。但由于不同廠家的光纖產(chǎn)品零色散點(diǎn)分布并不均勻，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模壓縮仍有一定的難度。

對(duì)于4×200Gbit/s直接調(diào)制直接檢測(cè)方案，單通道200Gbit/s繼續(xù)使用PAM4調(diào)制碼型，可以利用目前比較成熟的PAM4產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)（但不排除有新調(diào)制碼型的可能）。在4×200Gbit/sDR和FR應(yīng)用場(chǎng)景中，目前主要有4通道單模并行（PSM4）和CWDM4兩種技術(shù)方案。

這兩種方案還面臨很多挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步研究。針對(duì)LR應(yīng)用場(chǎng)景，目前有基于CWDM、LWDM、nLWDM的800Gbit/sLR4種方案，這些方案還處于研究討論階段，需要高帶寬的光電芯片器件、更強(qiáng)的均衡技術(shù)和前向糾錯(cuò)（FEC）來保證糾正后的誤碼率（BER）。800Gbit/s相干光模塊的器件帶寬需要大幅提升，很難一步到位實(shí)現(xiàn)帶寬翻倍?；?6GBd器件的800Gbit/s相干光模塊必須采用高階的調(diào)制碼型，這種方式存在光信噪比（OSNR）較低、傳輸距離和應(yīng)用場(chǎng)景受限等缺點(diǎn)?；?28GBd的雙偏振（DP）-16QAM相干光模塊具有更優(yōu)的OSNR和傳輸容量，將成為800Gbit/s相干的主流實(shí)現(xiàn)方案。

前向糾錯(cuò)

FEC一般分為端到端FEC、嵌套級(jí)聯(lián)FEC、分段FEC三類，業(yè)界普遍認(rèn)為40km傳輸距離內(nèi)8×100Gbit/s直調(diào)直檢方案的應(yīng)用可以通過端到端KP4FEC實(shí)現(xiàn)，對(duì)于40km傳輸距離，可以采用更強(qiáng)的FEC。

4×200Gbit/s直接調(diào)制直接檢測(cè)方案具有更高的速率，因此需要引入新的BER標(biāo)準(zhǔn)、新的FEC編碼方法以及更復(fù)雜的均衡器。IEEE802.3B400GSG（美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)802.3Post-400Gbit/s研究組）和800GPluggableMSA（800Gbit/s可插拔多源協(xié)議）工作組已開始相關(guān)討論。

級(jí)聯(lián)的方式或?qū)⒊蔀?×200Gbit/s直接調(diào)制直接檢測(cè)方案的一條新路徑，該方式不僅保留了KP4FEC，避免了在主芯片中集成新FEC的額外成本，而且還通過光收發(fā)器中輕量級(jí)且易于實(shí)現(xiàn)的FEC為光鏈路提供了額外的保護(hù)，降低了解碼帶來的功耗和時(shí)延。

糾錯(cuò)性能方面，各種級(jí)聯(lián)內(nèi)碼如KP4+BCH（144,136）可以在糾錯(cuò)前誤碼率范圍1~2E-3的基礎(chǔ)上，將糾錯(cuò)后范圍縮小到1E-13以內(nèi)。同時(shí)，目前800Gbit/s最強(qiáng)的需求來自于OTT（互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商）數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算場(chǎng)景，這些場(chǎng)景對(duì)時(shí)延敏感度要求很高，低時(shí)延FEC算法成為800Gbit/s最核心的需求之一。

800Gbit/s相干包括800Gbit/sLR和800Gbit/sZR，因此需要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)FEC算法。

800LR場(chǎng)景需要10km的園區(qū)網(wǎng)，對(duì)時(shí)延和功耗要求較高，目前的方案包括KP4+eHamming/eBCH級(jí)聯(lián)、空間耦合碼FEC（XR-FEC）、聚類FEC（CFEC）、Zipper、輕量級(jí)開放FEC（OFEC）等。其中級(jí)聯(lián)方案與4×200Gbit/s直接調(diào)制+直接檢測(cè)級(jí)聯(lián)方案有共同之處，兩種路徑之間的銜接可以進(jìn)一步降低主芯片的復(fù)雜度。

800ZR場(chǎng)景主要應(yīng)用于DCI，是光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇（OIF）400ZR標(biāo)準(zhǔn)的延續(xù)。800ZR采用DP-16QAM調(diào)制格式，對(duì)CFEC能力提出了一定的挑戰(zhàn)，可能需要采用糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的FEC方案，比如多級(jí)編碼（MLC）、OFEC等。

均衡技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)單通道200Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，光電芯片必須進(jìn)行性能升級(jí)，如200Gbit/s的SerDes、帶寬高于50GHz的光電芯片及器件等。從目前的技術(shù)研究報(bào)告來看，帶寬高于50GHz的光芯片相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。如何在提升帶寬的同時(shí)保證其他指標(biāo)性能最優(yōu)是需要考慮的重點(diǎn)。目前Driver、TIA電芯片的帶寬不能滿足速率要求，還需要具備均衡能力。這些電芯片在提升自身帶寬的同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的信號(hào)優(yōu)化效果。高效的均衡技術(shù)可以大大放寬系統(tǒng)對(duì)光電器件帶寬的要求。

常見的均衡技術(shù)有前饋均衡（FFE）、判決反饋均衡（DFE）、最大似然序列均衡（MLSE）。其中FFE由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在SerDes系統(tǒng)和光信號(hào)DSP（oDSP）芯片中得到廣泛應(yīng)用。

為了緩解單通道200Gbit/s對(duì)光電器件帶寬的需求，一方面可以在發(fā)射端采用FFE預(yù)均衡技術(shù)，補(bǔ)償發(fā)射端器件的帶寬；另一方面，在oDSP中可以應(yīng)用功能更強(qiáng)大的均衡技術(shù)，緩解帶寬限制對(duì)系統(tǒng)性能下降的影響。

對(duì)于單波長(zhǎng)100Gbit/s標(biāo)準(zhǔn)中使用的5抽頭FFE均衡，當(dāng)速率提高到200Gbit/s時(shí)，F(xiàn)FE抽頭的數(shù)量會(huì)增加，雖然也可以采用性能更高的MLSE均衡算法作為解決方案，但MLSE實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，計(jì)算量較大，會(huì)增加oDSP的功耗。

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