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800 Gbit/s 光模块技术及应用（一）
王会涛 /WANG Huitao1,2 张平化 /ZHANG Pinghua1,2 苏展 /SU Zhan2,3
（1. 中兴光电子技术有限公司，中国 南京 210012；2. 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，中国 深圳 518057；3. 中兴通讯股份有限公司，中国 深圳 518057）
(1. ZTE Photonics Technology Co., Ltd., Nanjing 210012, China; 2. State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia, Shenzhen 518057, China;3. ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)
摘要：800 Gbit/s 光模块场景包括 SR（100 m 场景）、DR/FR/LR（500 m/2 km/10 km 场景）、ER/ZR（40 km/80 km 场景）。结合商用规律和技术成熟度两个维度，提出了单模方案下沉、单波 200 Gbit/s 来临、相干下沉 3 个趋势判断。预测了 800 Gbit/s 主流模块接口形态，具体包括基于直接调制激光器（DML）/ 硅光（SiPh）的 800 Gbit/s SR8、基于电吸收调制激光器（EML）/SiPh 的 800 Gbit/s DR4、基于 EML 的 800 Gbit/s FR4、基于 EML的 800 Gbit/s LR8 和基于相干的 800 Gbit/s ER/ZR。
关键词：单模方案下沉；单波 200 Gbit/s；相干下沉
Abstract: Applications of 800 Gbit/s optical module contain SR (100 m scenario), DR/FR/LR (500 m/2 km/10 km scenario), and ER/ZR (40 km/80 km scenario). Based on the commercial law and technology maturity, three trends of single-mode sinking, single wavelength 200 Gbit/s coming, and coherent sinking are proposed. The interface forms of 800 Gbit/s mainstream modules are predicted, including 800 Gbit/s SR8 based on direct modulation laser (DML)/silicon photonics (SiPh), 800 Gbit/s DR4 based on electroabsorption modulation laser (EML)/SiP, 800 Gbit/s FR4 based on EML, 800 Gbit/s LR8 based on EML, and 800 Gbit/s ER/ZR based on coherence.
Keywords: single-mode sinking; single wavelength 200 Gbit/s; coherent sinking
1 市场预测和应用场景
4K 虚拟现实（VR）、物联网、云计算等新业务的出现，对网络的带宽、并发和实时性提出了更高的要求。根据 Omdia 预测 [1]，未来几年随着带宽需求的不断提升，虽然 100、200、400 Gbit/s 光模块仍将保有最大的市场占有量，但是 800 Gbit/s 光模块将在 2023 年实现商用，在 2025 年实现规模部署。
如图 1 所示，根据 800 GE 网络结构，对于架顶交换机（TOR）到 Leaf交换机的连接距离，短的有几十米，长的可能有几百米。在这部分连接上，大型互联网公司普遍采用 100 Gbit/s速率的连接技术，并从 2021 年开始逐步换代到 200Gbit/s 或 400 Gbit/s 的速率技术。一些领先的公司会在 2023年 开 始 试 用800Gbit/s 技 术。Leaf 到Spine 交换机的连接，或者 Spine 交换机到核心路由器的连接，可能会解决一个园区内部或者相邻园区之间的互联问题。这种连接距离会达到 2 km，甚至 10 km。接口速率也将从 2021 年开始由 100 Gbit/s 逐步换代到 200 Gbit/s或 400 Gbit/s 速率。一些公司会在 2023年开始试用 800 Gbit/s 技术。数据中心互联（DCI）一般是指相邻几个数据中心之间负载均衡或容灾备份的连接，这种连接距离可能长达几十公里。对于这么远的距离，由于光纤资源比较珍贵，人们主要采用密集波分复用加相干通信的方式以尽可能复用光纤资源。我们把 800 Gbit/s 光模块的应用场景分为 SR（100 m 场景）DR/FR/LR（500 m/2 km/10 km 场景），以及ER/ZR（40 km/80 km 场景）。
2 技术方案
2.1 方案概述
800 Gbit/s 技术方案演进包括 3 代。第 1 代 为 8 光 8 电：光 接 口8×100 Gbit/s，电接口 8×100 Gbit/s，商用时间为 2021 年；第 2 代 为 4 光 8 电：光 接 口4×200 Gbit/s，电接口 8×100 Gbit/s，商用时间预计为 2024 年；第 3 代 为 4 光 4 电：光 接 口4×200 Gbit/s，电接口 8×100 Gbit/s，商用时间预计为 2026 年。从 长 期 来 看（5 年 内）， 光 / 电单信道 200 Gbit/s 技术将会实现普及；从短期来看（3 年内），由于单信道200 Gbit/s 的光电芯片器件和均衡技术目前尚不成熟，产业界仍需要时间来突破相关技术瓶颈。2.1.1 电接口及封装
从 100 Gbit/s 直调直检光模块发展来看，当电接口单通道速率与光接口单通道速率相同时，光模块的架构将达到最佳状态，并具有低功耗、低成本等优势。单通道 100 Gbit/s 电接口将是 8×100 Gbit/s 光模块的理想电接口，单通道 200 Gbit/s 电接口将会是4×200 Gbit/s 光模块的理想电接口。在封装方面，800 Gbit/s 光模块可能存在双密度四通道小型可插拔（QSFPDD800）、八通道小型可插拔（OSFP）等不同形式。由于存在模块内走线和连接器损耗等因素，基于 200 Gbit/s 电接口的可插拔光模块仍面临诸多挑战。2.1.2 光接口
800 Gbit/s 光模块光接口架构主要有 3 种，如图 2 所示 [3]。（1）8×100 Gbit/s 4 电平脉冲幅度调制（PAM4）光模块：PAM4 收发器以 53 Gbd 运行，使用 8 对数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）、8个激光器、8 对光收发器，以及 1 对 8通道粗波分复用器（CWDM）或基于以太网通道的波分复用（LAN-WDM）（取决于光纤色散损失）复用器和解复用器（SR/DR 应用场景不需要）。（2）4×200 Gbit/s PAM4 光模块： PAM4 收发器以 106 Gbd 运行，使用 4对 DAC 和 ADC、4 对光收发器（包括4 个激光器），以及 1 对 4 通道 CWDM或 LAN-WDM（取决于光纤色散损失）复用器和解复用器（SR/DR 应用场景不需要）。（3）800 Gbit/s 相干光模块：在双极化十六正交振幅调制（16QAM）下以 128 Gbd 运行。它使用 4 对 DAC和 ADC、1 个激光器和 1 对光收发器，可以在数据中心相干光模块中使用固定波长激光器，以降低成本和功耗。
8×100 Gbit/s 直调直检方案可利用已有技术架构，相关技术和标准比较成熟，供应链也较为完善。在 SR 场景下，垂直腔面发射激光器（VCSEL）100 Gbit/s 技术面临挑战。提升多模方案性能和降低多模光纤成本，将成为该技术持续演进的关键因素。以硅光（SiPh）和直接调制激光器（DML）为代表的单模技术迅速发展。其中，SiPh 技术发展更为迅速，未来有望在100 m 及以下传输距离的应用场景中与多模方案展开竞争。在 DR/FR 场景下，存在电吸收调制激光器（EML）、DML 和 SiPh 3 种方案。在 LR 场景下，有基于粗波分复用（CWDM）、细波分复用（LWDM）和窄带细波分复用（nLWDM） 的 800 Gbit/s LR8 方 案，这些方案目前仍处于研究阶段。在波长选择上，由于 O 波段边缘波长的色散较大，LWDM8 在色散代价方面优于CWDM8。目前，10 km 及以上距离的直调直检方案主要面临“最坏情况”色散和狭窄的色散容限匹配挑战。构建新的波长体系并压缩多通道波长范围，可使最坏情况色散相应变窄，从而简化数字信号处理（DSP）设计，降 低 理 论 功 耗。例 如，8×100 Gbit/sPAM4 直调直检方案采用 800 GHz 间隔的 LWDM 方案时色散受限距离约为10 km，采用 400 GHz 间隔的 nLWDM方案时色散受限距离可拓展至 20 km，采用 200 GHz 间隔的 nLWDM 时色散受限距离可进一步拓展至 40 km。同时，压缩零色散点分布或飘移范围，缩小对应的色散范围，也是解决方案之一。然而，由于不同厂家光纤产品零色散点的分布并不统一，大范围压缩仍存在难度。对于 4×200 Gbit/s 直调直检方案，单 通 道 200 Gbit/s 沿 用 PAM4 调 制 码型，可利用相对成熟的 PAM4 产业基础条件（但也不排除新调制码型的可能性）。在 4×200 Gbit/s DR 和 FR 应用场景中，目前有 4 路单模并行（PSM4）和 CWDM4 两种技术方案。这两种方案目前仍面临较多挑战，需要进一步展开研究。对于 LR 应用场景，有基于 CWDM、LWDM， 以 及 nLWDM 的800 Gbit/s LR4 方案。这些方案目前仍处于研究讨论阶段，需要高带宽光电芯片器件、更强的均衡技术和前向纠错（FEC），以确保纠后的误码率（BER）。800 Gbit/s 相干光模块的器件带宽需要极大提升，同时器件设计难以一步到位地实现带宽翻倍。基于 96 GBd器件实现的 800 Gbit/s 相干光模块须采用更高阶的调制码型。这种方法存在光信噪比（OSNR）低、传输距离和应用场景受限等缺点。基于 128 GBd 的双偏振（DP）-16QAM 相干光模块，拥有更好的 OSNR 和传输能力，将成为 800 Gbit/s 相干的主流实现方案。2.1.3 FEC
FEC 总 体 分 为 3 类 ：端 到 端FEC、嵌套级联 FEC 和分段式 FEC。业界普遍认为，8×100 Gbit/s 直调直检方案在 40 km 以内传输距离的应用，可由端到端 KP4 FEC 来实现。而 40 km 传输距离则有可能采用更强的 FEC。
4×200 Gbit/s 直调直检方案因速率 更 高， 须 引 入 新 的 BER 标 准、 新的 FEC 编码方式和更复杂的均衡器。IEEE 802.3 B400G SG（电气与电子工程师协会 802.3 后 400 Gbit/s 研究组）、800G Pluggable MSA（800 Gbit/s 可 插拔多源协议）工作组已开展相关讨论。级 联 方 式 可 能 成 为 4×200 Gbit/s 直调直检方案的新路径。这种方式既保留了 KP4 FEC，避免了主芯片集成新FEC 所带来的额外成本，又可通过光模块中轻量化、易实现的 FEC 为光链路提供额外保护，降低解码带来的功耗和时延。在纠错性能上，KP4+BCH（144,136）等多种级联内码均可在纠前误码率 1 ～ 2E-3 的区间基础上，使纠后范围小于 1E-13。同时，目前对800 Gbit/s 最强烈的诉求来自 OTT（指互联网运营商）数据中心与高性能计算等场景应用。这些场景对时延敏感度 要 求 较 高。低 时 延 FEC 算 法 成 为800 Gbit/s 的核心诉求之一。800 Gbit/s 相 干 包 括 800 Gbit/sLR、800 Gbit/s ZR 两种。因此，我们需针对不同应用场景进行 FEC 算法的设计。（1）800LR 场景需要 10 km 园区网络，对时延和功耗要求较高。目前，解决方案有 KP4+eHamming/eBCH级联、空间耦合码 FEC(XR-FEC)、集群 型 FEC（CFEC）、Zipper、 轻 量 化开 放 FEC（OFEC） 等。其 中， 级 联方案与 4×200 Gbit/s 直调直检级联方案有共通之处。两种路径的相通可进一步降低主芯片复杂度。（2）800ZR场景主要应用于 DCI，是光互联论坛（OIF）400ZR 标准的延续。800ZR 采用 DP-16QAM 调制格式，使 CFEC 纠错能力受到一定挑战，可能需要多级编码（MLC）、OFEC 等纠错能力更强的 FEC 方案。2.1.4 均衡技术
为实现单通道 200 Gbit/s 的数据传输速率，光电芯片都要进行性能升级，例如需要 200 Gbit/s 的 SerDes、带宽高于 50 GHz 的光电芯片和器件等。从目前技术研究报道来看，带宽高于50 GHz 的光芯片相对容易实现。如何在带宽提升的前提下保证其他指标性能的最优是需要考虑的重点。目前，Driver 和 TIA 电芯片带宽还不能满足速率需求，还需要具备均衡能力。在提升自身带宽的同时，这些电芯片需要实现系统级信号优化的效果。高效的均衡技术可以更大限度地放宽系统对光电器件带宽的要求。常见的均衡技术包括前馈均衡（FFE）、判决反馈均衡（DFE）和最大似然序列均衡（MLSE）等。其中，由于实现方式简单，FFE 被广泛的应用于 SerDes 系统和光信号 DSP（oDSP）芯片中。为了缓解单通道 200 Gbit/s 对光电器件带宽的需求，一方面可以在发端采用 FFE 预均衡技术以补偿发射端器件带宽，另一方面通过在 oDSP 施加更加强效的均衡技术来缓解带宽限制对系统性能的劣化影响。对于单波100 Gbit/s 标准中采用的 5 抽头 FFE 均衡，当速率提高到 200 Gbit/s 时，FFE抽头数将增加。虽然更高性能的 MLSE均衡算法也可作为解决方案，但 MLSE实现方式更为复杂，所需运算量也很大，这将增加 oDSP 的功耗。
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