相干光模塊技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)

  ICC訊 隨著單通道傳輸速率的提高，現(xiàn)代光通信領(lǐng)域越來越多的應(yīng)用場(chǎng)景開始用到相干光傳輸技術(shù)，相干技術(shù)從過去的骨干網(wǎng)(>1000km) 下沉到城域(100~1000km)甚至邊緣接入網(wǎng)(<100km)。另一方面在數(shù)通領(lǐng)域，相干技術(shù)也已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)(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(zhǎng)，這些新的應(yīng)用對(duì)相干光收發(fā)系統(tǒng)也提出了新的要求，推動(dòng)著相干收發(fā)單元從原先和線卡集成方式、MSA模塊逐步向獨(dú)立的、標(biāo)準(zhǔn)化的可插拔光收發(fā)模塊形式演進(jìn)。本文探討了可插拔相干光模塊的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)400G相干標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

  可插拔相干光模塊的發(fā)展

  相比城域網(wǎng)或數(shù)據(jù)中心內(nèi)部使用的客戶端光模塊，光傳輸網(wǎng)絡(luò)中使用的相干光收發(fā)單元通常內(nèi)置或集成于線路側(cè)單板，存在端口密度低、體積功耗大、非標(biāo)設(shè)計(jì)等問題。長(zhǎng)期以來，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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(wǎng)絡(luò)可以使用標(biāo)準(zhǔn)SFP+光模塊封裝實(shí)現(xiàn)一樣。近年隨著先進(jìn)的CMOS工藝DSP芯片和集成光子技術(shù)的進(jìn)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(jīng)過多年發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化、可插拔光模塊已經(jīng)是光通信線路側(cè)業(yè)務(wù)傳輸?shù)谋厝贿x擇。應(yīng)用于城域、骨干網(wǎng)絡(luò)的相干光模塊發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

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

  -小型化：從100G MSA的封裝形態(tài)向CFP/CFP2DCO/ACO封裝形態(tài)轉(zhuǎn)變， 當(dāng)前又提出了400G OSFP DCO和QSFP-DD DCO等封裝標(biāo)準(zhǔn)(如圖1所示);

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

  -互聯(lián)互通的標(biāo)準(zhǔn)化：傳統(tǒng)上各設(shè)備廠家使用自行開發(fā)的專用接口板，使用私有的高階調(diào)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(lián)互通是業(yè)界正在努力的方向。

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

  隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展、云基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及AI人工智能運(yùn)算方面的需求，電信和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商對(duì)不同廠商光模塊的互通性提出了明確要求。在FEC標(biāo)準(zhǔn)方面，存在GFEC、SCFEC、RS10、CFEC、oFEC、SD-FEC等不同類型，對(duì)應(yīng)不同的速率與標(biāo)準(zhǔn)，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(jí)聯(lián)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(yàn)碼(LDPC)算法，而基于星座圖概率整形的新一代FEC暫時(shí)未發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。在DSP算法上，以400ZR為例，規(guī)范了幀格式、非差分編碼、調(diào)整標(biāo)記、符號(hào)映射規(guī)則、訓(xùn)練序列、導(dǎo)頻符號(hào)等互通必要信息。在MI S標(biāo)準(zhǔn)方面， 也已經(jīng)有CFP MIS、C-CMIS、CMIS等不同標(biāo)準(zhǔn)類型。

  中興通訊的相干光模塊產(chǎn)品在業(yè)界一直處于領(lǐng)先水平， 已經(jīng)先后推出了自研的100G/200G/400G/600G MSA模塊，并在業(yè)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

  當(dāng)前商用的相干技術(shù)發(fā)展到了單波長(zhǎng)800G， 但800G目前業(yè)內(nèi)還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而400G相干技術(shù)目前有400ZR、OpenROADM和OpenZR+三種標(biāo)準(zhǔn)。

  400ZR是光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇(OIF)于2016年啟動(dòng)的一個(gè)項(xiàng)目，旨在標(biāo)準(zhǔn)化可互操作的相干光模塊接口，其功率預(yù)算可以支持QSFP-DD和OSFP之類的封裝，以期用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(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(yīng)用，因?yàn)槠湫枰獫M足15W模塊功率目標(biāo)。OIF-400ZR目標(biāo)在邊緣DCI應(yīng)用，客戶側(cè)僅定義了400GbE速率，傳輸距離為80~120km，采用CFEC前向糾錯(cuò)。OIF證明了相干的互操作標(biāo)準(zhǔn)是可能的，并且其提出的400ZR解決方案在行業(yè)內(nèi)得到了較好的支持。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商證明，這些高密度封裝的熱性能還有進(jìn)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(chǔ)上，以AT&T為首的電信運(yùn)營(yíng)商定義了能夠支持更長(zhǎng)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)OpenROADM MSA。OpenROADM專為需要支持其他協(xié)議并且增加相應(yīng)開銷位比率的OTN網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。OpenROADM MSA主要面向電信運(yùn)營(yíng)商ROADM網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(cuò)算法。

  400ZR和OpenROADM分別定義了用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和電信光傳輸網(wǎng)絡(luò)的可插拔相干光模塊類型和性能特點(diǎn)，但各自也有一定的局限性和缺點(diǎn)，例如400ZR僅支持400GbE的客戶側(cè)接口，而OpenROADM僅考慮了電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。

  因此，行業(yè)一些主流廠商綜合了OIF-400ZR和Open ROADM標(biāo)準(zhǔn)的各自優(yōu)點(diǎn)，推出了另一種MSA標(biāo)準(zhǔn)OpenZR+，這三種標(biāo)準(zhǔn)的大致演進(jìn)關(guān)系如圖2所示。

圖2 相干光模塊互通標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展演化

  OpenZR+MSA應(yīng)用范圍更為廣闊，面向城域、骨干、DCI和電信運(yùn)營(yíng)商，旨在以QSFP-DD和OSFP等可插拔形式實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的功能并提高性能，以支持多供應(yīng)商的互操作性。OpenZR+不僅保持了400ZR的簡(jiǎn)單以太網(wǎng)純主機(jī)接口，而且增加了對(duì)100G、200G、300G或400G線路接口的多速率以太網(wǎng)和多路復(fù)用功能的支持， 并采用OpenROADM MSA和CableLabs已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(fā)布了其第一個(gè)公開版本的指標(biāo)書。OIF-400ZR、Open ROADM和OpenZR+三種標(biāo)準(zhǔn)所定義的相干光模塊主要性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

  表1 400ZR、OpenROADM、OpenZR+相干光模塊互通標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)比

  線路側(cè)光模塊采用與客戶側(cè)相同的封裝對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來說是有益的，這樣通過更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來降低成本。結(jié)合近來開放線路系統(tǒng)(Open Line System, OLS)的行業(yè)趨勢(shì)，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(tǒng)。這樣可以簡(jiǎn)化控制平臺(tái)，同時(shí)降低成本、功耗和占地面積。例如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)信號(hào)協(xié)議轉(zhuǎn)換的傳輸設(shè)備的線路側(cè)端口上，再通過該設(shè)備的客戶側(cè)端口與路由器連接。

  相干DSP、相干光模塊供應(yīng)商積極進(jìn)行相干光模塊的互通性測(cè)試，如Acacia、NEL、Inphi、NeoPhotonics等，目前短距離傳輸相干光模塊可以實(shí)現(xiàn)多廠家互通。

圖3 支持OpenZR+的應(yīng)用示例

  400G相干之后的技術(shù)演進(jìn)分析

  從標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)來看，下一代超400G相干可插拔產(chǎn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)800ZR。目前初步考慮的目標(biāo)是支持80~120km(經(jīng)過放大的)DWDM鏈路用于DCI場(chǎng)景，不經(jīng)過放大的2~10km鏈路用于園區(qū)場(chǎng)景?？蛻魝?cè)接口支持2×400GE或1×800GE，線路側(cè)支持單波長(zhǎng)800G相干線路接口。定義從客戶側(cè)映射到線路側(cè)的幀結(jié)構(gòu)指標(biāo)以及線路側(cè)的信號(hào)指標(biāo)用于實(shí)現(xiàn)互通性。組件層面，OIF也在討論下一代支持更高調(diào)制速率的相干調(diào)制器技術(shù)規(guī)范OIF-HB-CDM2.0。國(guó)內(nèi)方面，近日CCSA光器件工作組通過了6項(xiàng)800Gbps光器件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)， 其中包括800Gbps IC-TROSA、1×800Gbps相位調(diào)制光模塊。

  在光、電芯片技術(shù)發(fā)展方面，800ZR的光模塊產(chǎn)品可能會(huì)用到5nm甚至更先進(jìn)制成的DSP芯片、硅基混合集成光芯片和Flip Chip工藝等先進(jìn)封裝技術(shù)， 相干光收發(fā)組件要能支持96/128GBaud、DP-64QAM/DP-16QAM高階調(diào)制的信號(hào)。當(dāng)波特率達(dá)到128GBd時(shí)，光芯片的帶寬至少要70~80GHz，基于硅光材料的調(diào)制器可能無法支持如此高的速率，而傳統(tǒng)III-V材料的光調(diào)制器理論上可以達(dá)到，但實(shí)現(xiàn)難度也會(huì)相當(dāng)大。因此業(yè)界也在嘗試一些新的材料與器件技術(shù)，比如薄膜鈮酸鋰(TFLN)。鈮酸鋰一直被認(rèn)為是用來做光調(diào)制器的優(yōu)選材料，傳統(tǒng)的體材料鈮酸鋰調(diào)制器由于體積龐大且?guī)捠芟抻谄骷叽?，無法支持64GBd以上的波特率應(yīng)用，近年來由于薄膜鈮酸鋰芯片加工技術(shù)的突破，使鈮酸鋰調(diào)制器也可以實(shí)現(xiàn)小尺寸和高帶寬，因此被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)100GBd及以上的光調(diào)制器的潛在技術(shù)方向。此外，要實(shí)現(xiàn)器件級(jí)的高帶寬，電驅(qū)動(dòng)芯片和封裝技術(shù)也是要解決的難點(diǎn)之一。

  作者：中興光電子 何子安，王會(huì)濤