相干光模塊技術和標準發展趨勢

  ICC訊 隨著單通道傳輸速率的提高，現代光通信領域越來越多的應用場景開始用到相干光傳輸技術，相干技術從過去的骨干網(>1000km) 下沉到城域(100~1000km)甚至邊緣接入網(<100km)。另一方面在數通領域，相干技術也已經成為數據中心間互聯(DCI)的主流方案(80~120km)。相干光鏈路的用量在未來幾年將迎來井噴式增長，這些新的應用對相干光收發系統也提出了新的要求，推動著相干收發單元從原先和線卡集成方式、MSA模塊逐步向獨立的、標準化的可插拔光收發模塊形式演進。本文探討了可插拔相干光模塊的發展趨勢，并對400G相干標準進行了對比分析。

  可插拔相干光模塊的發展

  相比城域網或數據中心內部使用的客戶端光模塊，光傳輸網絡中使用的相干光收發單元通常內置或集成于線路側單板，存在端口密度低、體積功耗大、非標設計等問題。長期以來，網絡運營商一直希望傳輸光模塊具有與客戶端光模塊相同或相近的封裝，就像我們熟悉的10G網絡可以使用標準SFP+光模塊封裝實現一樣。近年隨著先進的CMOS工藝DSP芯片和集成光子技術的進步，使得體積更小和更低功耗的可插拔相干封裝光模塊成為可能。

  經過多年發展，標準化、可插拔光模塊已經是光通信線路側業務傳輸的必然選擇。應用于城域、骨干網絡的相干光模塊發展趨勢有以下幾個特點：

  -高速化： 從100G/200G到400G ， 再向800Gbps速率演進;

  -小型化：從100G MSA的封裝形態向CFP/CFP2DCO/ACO封裝形態轉變， 當前又提出了400G OSFP DCO和QSFP-DD DCO等封裝標準(如圖1所示);

  -低功耗化：考慮整體系統功耗要求，例如QSFP-DD封裝的相干光模塊產品功耗不能高于15W;

  -互聯互通的標準化：傳統上各設備廠家使用自行開發的專用接口板，使用私有的高階調制方式及FEC算法，不同廠家接口之間無法互通;相干光模塊的互聯互通是業界正在努力的方向。

圖1 三種標準化封裝形式的可插拔相干光模塊(QSFP-DD、OSFP、CFP2-DCO)

  隨著互聯網業務的發展、云基礎設施的建設以及AI人工智能運算方面的需求，電信和數據中心運營商對不同廠商光模塊的互通性提出了明確要求。在FEC標準方面，存在GFEC、SCFEC、RS10、CFEC、oFEC、SD-FEC等不同類型，對應不同的速率與標準，總體可以劃分為三代：第一代為分組碼，增益要求6dB，開銷為6.7%;第二代為級聯交織迭代，增益要求8dB，開銷6.7%;第三代為軟判SD-FEC，增益要求為11dB，開銷大于25%，采用Turbo乘積碼(TPC)和低密度奇偶校驗碼(LDPC)算法，而基于星座圖概率整形的新一代FEC暫時未發布標準。在DSP算法上，以400ZR為例，規范了幀格式、非差分編碼、調整標記、符號映射規則、訓練序列、導頻符號等互通必要信息。在MI S標準方面， 也已經有CFP MIS、C-CMIS、CMIS等不同標準類型。

  中興通訊的相干光模塊產品在業界一直處于領先水平， 已經先后推出了自研的100G/200G/400G/600G MSA模塊，并在業界率先推出了100G CFP、200G/400G DCFP2系列可插拔光模塊，采用自研光、電芯片的DCFP2/QSFP-DD等高集成度可插拔模塊也在逐步研制中。

  400G相干標準對比分析

  當前商用的相干技術發展到了單波長800G， 但800G目前業內還沒有相關標準，而400G相干技術目前有400ZR、OpenROADM和OpenZR+三種標準。

  400ZR是光互聯網絡論壇(OIF)于2016年啟動的一個項目，旨在標準化可互操作的相干光模塊接口，其功率預算可以支持QSFP-DD和OSFP之類的封裝，以期用于數據中心互聯(DCI)的400G相干光模塊。OIF建議的這種封裝聚焦于某些可以犧牲傳輸性能的特定應用，因為其需要滿足15W模塊功率目標。OIF-400ZR目標在邊緣DCI應用，客戶側僅定義了400GbE速率，傳輸距離為80~120km，采用CFEC前向糾錯。OIF證明了相干的互操作標準是可能的，并且其提出的400ZR解決方案在行業內得到了較好的支持。同時，系統運營商證明，這些高密度封裝的熱性能還有進一步提升的空間，可以讓采用這些封裝的光模塊支持附加功能從而提供更高的性能。

  在OIF成功的基礎上，以AT&T為首的電信運營商定義了能夠支持更長距離傳輸的標準OpenROADM MSA。OpenROADM專為需要支持其他協議并且增加相應開銷位比率的OTN網絡而設計。OpenROADM MSA主要面向電信運營商ROADM網絡應用，在終端接口定義了100G、200G、400GbE速率&OTN，傳輸距離為500km，采用openFEC(oFEC)前向糾錯算法。

  400ZR和OpenROADM分別定義了用于數據中心互聯和電信光傳輸網絡的可插拔相干光模塊類型和性能特點，但各自也有一定的局限性和缺點，例如400ZR僅支持400GbE的客戶側接口，而OpenROADM僅考慮了電信運營商的網絡場景。

  因此，行業一些主流廠商綜合了OIF-400ZR和Open ROADM標準的各自優點，推出了另一種MSA標準OpenZR+，這三種標準的大致演進關系如圖2所示。

圖2 相干光模塊互通標準的發展演化

  OpenZR+MSA應用范圍更為廣闊，面向城域、骨干、DCI和電信運營商，旨在以QSFP-DD和OSFP等可插拔形式實現增強的功能并提高性能，以支持多供應商的互操作性。OpenZR+不僅保持了400ZR的簡單以太網純主機接口，而且增加了對100G、200G、300G或400G線路接口的多速率以太網和多路復用功能的支持， 并采用OpenROADM MSA和CableLabs已經標準化的oFEC，從而具有更高的分散容限和更高的編碼增益。2020年9月，OpenZR+發布了其第一個公開版本的指標書。OIF-400ZR、Open ROADM和OpenZR+三種標準所定義的相干光模塊主要性能指標對比如表1所示。

  表1 400ZR、OpenROADM、OpenZR+相干光模塊互通標準參數對比

  線路側光模塊采用與客戶側相同的封裝對網絡運營商來說是有益的，這樣通過更簡單的網絡架構來降低成本。結合近來開放線路系統(Open Line System, OLS)的行業趨勢，這些傳輸光模塊可以直接插入路由器使用而無需外部傳輸系統。這樣可以簡化控制平臺，同時降低成本、功耗和占地面積。例如圖3所示的網絡應用場景，用戶可以選擇直接將滿足OpenZR+的相干光模塊插到支持OLS的路由器的端口上，也可以將其插到用來實現信號協議轉換的傳輸設備的線路側端口上，再通過該設備的客戶側端口與路由器連接。

  相干DSP、相干光模塊供應商積極進行相干光模塊的互通性測試，如Acacia、NEL、Inphi、NeoPhotonics等，目前短距離傳輸相干光模塊可以實現多廠家互通。

圖3 支持OpenZR+的應用示例

  400G相干之后的技術演進分析

  從標準化演進來看，下一代超400G相干可插拔產品很有可能采取單波800G速率。近期，OIF正在討論制定400ZR下一代的相干技術標準800ZR。目前初步考慮的目標是支持80~120km(經過放大的)DWDM鏈路用于DCI場景，不經過放大的2~10km鏈路用于園區場景?？蛻魝冉涌谥С?×400GE或1×800GE，線路側支持單波長800G相干線路接口。定義從客戶側映射到線路側的幀結構指標以及線路側的信號指標用于實現互通性。組件層面，OIF也在討論下一代支持更高調制速率的相干調制器技術規范OIF-HB-CDM2.0。國內方面，近日CCSA光器件工作組通過了6項800Gbps光器件行業標準的立項， 其中包括800Gbps IC-TROSA、1×800Gbps相位調制光模塊。

  在光、電芯片技術發展方面，800ZR的光模塊產品可能會用到5nm甚至更先進制成的DSP芯片、硅基混合集成光芯片和Flip Chip工藝等先進封裝技術， 相干光收發組件要能支持96/128GBaud、DP-64QAM/DP-16QAM高階調制的信號。當波特率達到128GBd時，光芯片的帶寬至少要70~80GHz，基于硅光材料的調制器可能無法支持如此高的速率，而傳統III-V材料的光調制器理論上可以達到，但實現難度也會相當大。因此業界也在嘗試一些新的材料與器件技術，比如薄膜鈮酸鋰(TFLN)。鈮酸鋰一直被認為是用來做光調制器的優選材料，傳統的體材料鈮酸鋰調制器由于體積龐大且帶寬受限于器件尺寸，無法支持64GBd以上的波特率應用，近年來由于薄膜鈮酸鋰芯片加工技術的突破，使鈮酸鋰調制器也可以實現小尺寸和高帶寬，因此被認為是實現100GBd及以上的光調制器的潛在技術方向。此外，要實現器件級的高帶寬，電驅動芯片和封裝技術也是要解決的難點之一。

  作者：中興光電子 何子安，王會濤