我國光模塊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定部分領(lǐng)先于國際標(biāo)準(zhǔn)

  光通信是新基建的重要承載技術(shù)，其發(fā)展水平更是成為衡量國家綜合國力的一項重要指標(biāo)。現(xiàn)在，光通信正面臨新一輪的技術(shù)演進(jìn)與革新，正如“中國光纖之父”趙梓森所言：“5G的發(fā)展會帶動光纖通信的發(fā)展。未來，中國的光纖通信國內(nèi)市場大，世界市場更大。”光通信怎樣助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展?作為光通信發(fā)展核心的光模塊呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢?我國光通信企業(yè)在5G領(lǐng)域取得了哪些進(jìn)展?“F5G﹢5G”如何相互助力，使能新基建?請關(guān)注本版的報道。

  全球信息技術(shù)正處于創(chuàng)新活躍時期，新型業(yè)務(wù)和應(yīng)用模式驅(qū)動數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)式增長，位于網(wǎng)絡(luò)底層的傳輸、接入、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等對上層應(yīng)用發(fā)展起著基礎(chǔ)性的支撐作用。高速光模塊用于實現(xiàn)電光/光電轉(zhuǎn)換等基本功能，是光通信網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)構(gòu)成單元和影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的重要因素，其內(nèi)部的光電子芯片器件更是光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心。近年來，高速光模塊在光通信系統(tǒng)設(shè)備中的成本占比不斷攀升，部分設(shè)備中甚至高達(dá)50% ~70%。未來3~5年，隨著我國5G承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)持續(xù)推進(jìn)和數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)等蓬勃發(fā)展，光模塊需求量巨大，越發(fā)引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。

  兩大主流應(yīng)用場景

  推動光模塊技術(shù)發(fā)展

  光模塊整體向高速率、集成化發(fā)展演進(jìn)，電信和數(shù)據(jù)中心是兩大主流應(yīng)用場景。光模塊分類方式多樣化，按速率可分為10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等;按封裝形式可分為SFP﹢、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等;按傳輸距離可分為100米、500米、2千米、10千米、40千米、80千米等;按調(diào)制格式可分為NRZ強(qiáng)度調(diào)制、PAM4強(qiáng)度調(diào)制、DP-QPSK/nQAM相位調(diào)制;按是否支持波分復(fù)用，可分為灰光和彩光;按工作溫度的不同，又可分為商業(yè)級和工業(yè)級等。

  電信和數(shù)據(jù)中心是光模塊的兩大主流應(yīng)用場景，推動光模塊技術(shù)向更高速率、更高集成度方向發(fā)展，在移動通信前傳網(wǎng)絡(luò)中，光模塊正由支持4G CPRI接口的10Gb/s向支持5G eCPRI接口的25Gb/s演進(jìn);中回傳網(wǎng)絡(luò)光模塊正從50Gb/s、100Gb/s向200Gb/s、400Gb/s速率演進(jìn)。在數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)三層交換架構(gòu)中，光模塊速率向25/50/100/200/400Gbps演進(jìn);在新型兩層交換架構(gòu)中，光模塊速率正在向800Gb/s演進(jìn)。近年來，隨著帶寬需求和光模塊技術(shù)的快速發(fā)展，光模塊光電接口、封裝形式等方面的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化工作同步推進(jìn)。

  板上光學(xué)和共封裝光學(xué)

  成為重要發(fā)展方向

  IEEE 802.3側(cè)重客戶側(cè)以太網(wǎng)光電接口規(guī)范，已發(fā)布400Gb/s及以下速率系列標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.3已發(fā)布25GBASE-SR/LR/ER、50GBASESR/FR/LR/ER、100GBASE- SR4/ DR/LR4/ER4、200GBASE- SR4/ DR4/FR4/LR4/ER4、400GBASEDR4/FR8/LR8/ER8等接口規(guī)范，目前仍有多個項目處于在研階段。IEEE 802.3cp正在定義10/25/ 50GE速率、10/20/40km傳輸距離的單纖雙向光接口規(guī)范;IEEE 802.3cu主要定義單通道100Gb/s、四通道400Gb/s，2/6km傳輸距離的雙纖雙向光接口規(guī)范;2020年新立項的IEEE 802.3db面向單光纖100Gb/s、雙光纖200Gb/s、四光纖400Gb/s，面向幾十米短距傳輸?shù)墓饨涌谝?guī)范;IEEE 802.3ct和cw分別定義單通道100Gb/s和400Gb/s，面向80km傳輸距離的相位調(diào)制彩光接口規(guī)范。IEEE 802.3 cp/cu/ct/cw幾項標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計未來1~2年內(nèi)完成制定。

  ITU-T SG15物理層研究當(dāng)前熱點為25/200/400Gbps速率的波分復(fù)用接口規(guī)范。ITU-T SG15主要面向傳送與接入網(wǎng)技術(shù)及架構(gòu)、邏輯接口、成幀和映射、物理層接口等相關(guān)規(guī)范，包括“WP1接入、家庭和智能電網(wǎng)傳送”“WP2光技術(shù)和物理基礎(chǔ)設(shè)施”“WP3傳送網(wǎng)絡(luò)特性”，與光模塊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要在WP2進(jìn)行。當(dāng)前研究熱點一是修訂G.698.2，增加200G/400G應(yīng)用代碼，面向百km量級傳輸距離;二是修訂G.698.1/2/4，增加25G應(yīng)用代碼，面向10km量級傳輸距離。其中，25Gb/s DWDM已就通道間隔、發(fā)光功率、色散、接收靈敏度等參數(shù)初步達(dá)成共識;基于O波段的25Gb/s WDM于2020年9月完成立項。

  OIF側(cè)重相干光模塊、發(fā)射接收機(jī)、集成光器件等具體實現(xiàn)以及電接口和互聯(lián)等標(biāo)準(zhǔn)化工作。在電接口方面，2017年OIF已發(fā)布28/56G速率的OIF- CEI- 04.0標(biāo)準(zhǔn)，目前56/ 112G速率中的部分規(guī)格正處于在研階段，224G將輸出白皮書。在相干光器件及組件方面，2018年OIF已發(fā)布64GBaud的高帶寬調(diào)制器標(biāo)準(zhǔn)OIFHB- CDM- 01.0，96/128GBaud更高帶寬處于在研階段。在相干光模塊方面，OIF已發(fā)布168-pin不可插拔、CFP2-DCO可插拔系列光模塊標(biāo)準(zhǔn)，2020年3月最新發(fā)布了面向400Gb/s速率的OIF- 400ZR- 01.0。OIF400ZR-01.0的應(yīng)用場景包括傳輸距離為80km~120km的放大點對點DWDM鏈路和鏈路預(yù)算為11dB的非放大單波長鏈路。同時，OIF已立項400ZR Maintenance項目，將在OIF-400ZR-01.0版本基礎(chǔ)上增加75GHz間隔等內(nèi)容，預(yù)計2021年完成標(biāo)準(zhǔn)修訂。

  業(yè)界針對800Gb/s光模塊的標(biāo)準(zhǔn)化工作拉開帷幕。隨著400Gb/s光模塊已完成多種距離規(guī)格和不同實現(xiàn)方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并在數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)中逐步走向規(guī)模部署，業(yè)界開始討論800Gb/s光模塊的發(fā)展需求、應(yīng)用場景和技術(shù)方案，并進(jìn)行數(shù)字信號處理等器件芯片產(chǎn)品的研發(fā)。國際上有四大標(biāo)準(zhǔn)化組織與800Gb/s標(biāo)準(zhǔn)化工作密切相關(guān)：一是以太網(wǎng)技術(shù)聯(lián)盟于 2020 年 4 月發(fā)布800GMAC層相關(guān)規(guī)范。二是800G Pluggable MSA于2019年9月成立，2020年發(fā)布白皮書，基于PAM4調(diào)制的8×100G、4×200G業(yè)務(wù)場景定義光接口參數(shù)。三是QSFPDD800 MSA于2019年9月成立，2020年發(fā)布QSFP- DD800 Spec. R1.0技術(shù)規(guī)范，基于QSFP-DD制定800G光模塊、連接器等相關(guān)規(guī)范。四是OIF已多次進(jìn)行800G技術(shù)討論，基于OIF研究基礎(chǔ)，選擇相關(guān)方案的可能性較大。

  板上光學(xué)和共封裝光學(xué)成為重要發(fā)展方向。目前，光模塊的封裝以可插拔形式為主，具備小尺寸、低功耗優(yōu)勢，相關(guān)規(guī)范由CFP、SFF、NGSFP、QSFP- DD、OSFP等多源協(xié)議組織(MSA)討論制定;部分高性能領(lǐng)域仍采用不可插拔形式。隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量快速增長，交換機(jī)容量、端口密度及速率、功耗等均面臨挑戰(zhàn)，集成化的板上光學(xué)(OBO)和共封裝光學(xué)(CPO)成為光模塊封裝的重要發(fā)展方向。預(yù)計在800Gb/s以下速率，傳統(tǒng)可插拔形式仍是光模塊封裝的優(yōu)先選項，在800Gb/s、1.6Tb/s及以上速率，OBO和CPO可能被更多采用。

  國內(nèi)高速光模塊標(biāo)準(zhǔn)

  向800Gb/s及更高速率演進(jìn)

  我國已完成25/50/100/200/ 400Gbps系列光模塊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項或發(fā)布，研究布局較為完整。我國光模塊通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)TC6/WG4有序進(jìn)行。

  從具體速率來看，25Gb/s雙纖雙向和單纖雙向灰光模塊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，產(chǎn)品均已成熟;CWDM/ LWDM/MWDM/DWDM彩光模塊呈并行發(fā)展態(tài)勢，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均已立項，預(yù)計2021年上半年整體完成制定。雙纖雙向50Gb/s PAM4光模塊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，目前研究熱點為50Gb/s單纖雙向光模塊標(biāo)準(zhǔn)制定。強(qiáng)度調(diào)制100Gb/s光模塊標(biāo)準(zhǔn)化工作和相關(guān)產(chǎn)品已較為成熟，城域百km量級傳輸距離的100Gb/s低成本相位調(diào)制相干光模塊產(chǎn)業(yè)鏈尚不完善，亟需標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)。在200/400Gb/s領(lǐng)域，強(qiáng)度調(diào)制光模塊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，相位調(diào)制400Gb/s相干光模塊包括雙載波400Gb/s和單載波400Gb/s兩種技術(shù)方案，后者為目前標(biāo)準(zhǔn)研究熱點。800Gb/s已立項標(biāo)準(zhǔn)類研究課題，將對強(qiáng)度和相位調(diào)制高速光模塊的標(biāo)準(zhǔn)化需求、技術(shù)方案和關(guān)鍵參數(shù)開展研究。

  綜上所述，400Gb/s及以下速率光模塊已完成多種距離規(guī)格和不同實現(xiàn)方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化重點開始向800Gb/s及以上更高速率演進(jìn)。近年來，我國在200/400Gb/s波分復(fù)用、25Gb/s等領(lǐng)域發(fā)展速度加快，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定時間部分領(lǐng)先于國際標(biāo)準(zhǔn)，并積極向國際標(biāo)準(zhǔn)組織輸出。無論在電信領(lǐng)域還是數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，光模塊均呈多方案并行發(fā)展態(tài)勢，存在標(biāo)準(zhǔn)及市場碎片化問題，產(chǎn)業(yè)鏈上下游需進(jìn)一步聚焦共識，推動共性技術(shù)協(xié)同，使資源得到有序配置，實現(xiàn)定向突破。

作者：中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所 吳冰冰