800G光模塊的應用

byfibermall

4K虛擬現(xiàn)實（VR）、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新業(yè)務的出現(xiàn)對網(wǎng)絡帶寬、并發(fā)性和實時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)絡結構，從架頂交換機（TOR）到Leaf交換機的連接距離短則幾十米，長則幾百米。對于這部分連接，大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)普遍采用100Gbit/s的連接技術，從2021年開始逐步升級到200Gbit/s或400Gbit/s技術，部分領先企業(yè)在2023年開始嘗試800Gbit/s技術。

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

技術方案

項目概述

800Gbit/s技術方案演進包括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，預計2026年商用。從長遠來看(5年內)，光/電單通道200gbit/s技術將得到普及;短期內(3年內)，由于單通道200gbit/s光電芯片器件及均衡技術尚未成熟，行業(yè)仍需要時間突破相關技術瓶頸。

電氣接口及封裝

從100Gbit/s直接調制直接檢測光模塊的發(fā)展歷程可以看出，當電接口單通道速率與光接口相同時，光模塊架構將達到最優(yōu)狀態(tài)，具有低功耗、低成本的優(yōu)勢。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)和八進制小尺寸可插拔(OSFP)等不同的封裝形式。由于模塊內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)。

光學接口

800Gbit/s光收發(fā)器光接口架構主要有三種類型：

8×100Gbit/s4級脈沖幅度調制（PAM4）光收發(fā)器：PAM4收發(fā)器工作在53Gbd，采用8對數(shù)模轉換器（DAC）和模數(shù)轉換器（ADC）、8個激光器、8對光收發(fā)器以及1對8通道粗波分復用器（CWDM），或基于以太網(wǎng)通道的波分復用（LAN-WDM）（取決于光纖色散損耗）復用器和解復用器（SR/DR應用場景不需要）

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

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

8×100Gbit/s直調直檢方案可利用現(xiàn)有的技術架構，相關技術和標準相對成熟，供應鏈也比較齊全。在SR場景下，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）100Gbit/s技術面臨挑戰(zhàn)，提升多模方案性能、降低多模光纖成本將是該技術繼續(xù)演進的關鍵因素。

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

在LR場景中，基于粗波分復用(CWDM)、局域網(wǎng)波分復用(LWDM)和窄帶局域網(wǎng)波分復用(nLWDM)的800Gbit/sLR8方案仍處于研究階段。在波長選擇方面，由于o波段邊緣波長色散較大，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整和直接檢測方案主要面臨“最壞情況”色散和窄色散容差匹配的挑戰(zhàn)。

構建新的波長系統(tǒng)，壓縮多通道波長范圍，可以相應地縮小最壞色散，從而簡化數(shù)字信號處理(DSP)設計，降低理論功耗。例如，8×100Gbit/sPAM4直接調制直接檢測方案，在采用800GHz間隔的LWDM方案時，色散限制距離約為10km；采用400GHz間隔的nLWDM方案時，色散限制距離可以擴展到20km；采用200GHz間隔的nLWDM方案時，色散限制距離可以進一步擴展到40km。同時，壓縮零色散點分布或漂移范圍，減小相應的色散范圍也是解決方案之一。但由于不同廠家的光纖產品零色散點分布并不均勻，實現(xiàn)大規(guī)模壓縮仍有一定的難度。

對于4×200Gbit/s直接調制直接檢測方案，單通道200Gbit/s繼續(xù)使用PAM4調制碼型，可以利用目前比較成熟的PAM4產業(yè)基礎（但不排除有新調制碼型的可能）。在4×200Gbit/sDR和FR應用場景中，目前主要有4通道單模并行（PSM4）和CWDM4兩種技術方案。

這兩種方案還面臨很多挑戰(zhàn)，需要進一步研究。針對LR應用場景，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、更強的均衡技術和前向糾錯（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制碼型，這種方式存在光信噪比（OSNR）較低、傳輸距離和應用場景受限等缺點?；?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相干的主流實現(xiàn)方案。

前向糾錯

FEC一般分為端到端FEC、嵌套級聯(lián)FEC、分段FEC三類，業(yè)界普遍認為40km傳輸距離內8×100Gbit/s直調直檢方案的應用可以通過端到端KP4FEC實現(xiàn)，對于40km傳輸距離，可以采用更強的FEC。

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

級聯(lián)的方式或將成為4×200Gbit/s直接調制直接檢測方案的一條新路徑，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)器中輕量級且易于實現(xiàn)的FEC為光鏈路提供了額外的保護，降低了解碼帶來的功耗和時延。

糾錯性能方面，各種級聯(lián)內碼如KP4+BCH（144,136）可以在糾錯前誤碼率范圍1~2E-3的基礎上，將糾錯后范圍縮小到1E-13以內。同時，目前800Gbit/s最強的需求來自于OTT（互聯(lián)網(wǎng)運營商）數(shù)據(jù)中心和高性能計算場景，這些場景對時延敏感度要求很高，低時延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，因此需要針對不同的應用場景設計FEC算法。

800LR場景需要10km的園區(qū)網(wǎng)，對時延和功耗要求較高，目前的方案包括KP4+eHamming/eBCH級聯(lián)、空間耦合碼FEC（XR-FEC）、聚類FEC（CFEC）、Zipper、輕量級開放FEC（OFEC）等。其中級聯(lián)方案與4×200Gbit/s直接調制+直接檢測級聯(lián)方案有共同之處，兩種路徑之間的銜接可以進一步降低主芯片的復雜度。

800ZR場景主要應用于DCI，是光互聯(lián)網(wǎng)絡論壇（OIF）400ZR標準的延續(xù)。800ZR采用DP-16QAM調制格式，對CFEC能力提出了一定的挑戰(zhàn)，可能需要采用糾錯能力更強的FEC方案，比如多級編碼（MLC）、OFEC等。

均衡技術

要實現(xiàn)單通道200Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，光電芯片必須進行性能升級，如200Gbit/s的SerDes、帶寬高于50GHz的光電芯片及器件等。從目前的技術研究報告來看，帶寬高于50GHz的光芯片相對容易實現(xiàn)。如何在提升帶寬的同時保證其他指標性能最優(yōu)是需要考慮的重點。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，需要實現(xiàn)系統(tǒng)級的信號優(yōu)化效果。高效的均衡技術可以大大放寬系統(tǒng)對光電器件帶寬的要求。

常見的均衡技術有前饋均衡（FFE）、判決反饋均衡（DFE）、最大似然序列均衡（MLSE）。其中FFE由于實現(xiàn)簡單，在SerDes系統(tǒng)和光信號DSP（oDSP）芯片中得到廣泛應用。

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

對于單波長100Gbit/s標準中使用的5抽頭FFE均衡，當速率提高到200Gbit/s時，F(xiàn)FE抽頭的數(shù)量會增加，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實現(xiàn)較為復雜，計算量較大，會增加oDSP的功耗。

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