相干光模塊技術(shù)和標準發(fā)展趨勢

  ICC訊 隨著(zhù)單通道傳輸速率的提高，現代光通信領(lǐng)域越來(lái)越多的應用場(chǎng)景開(kāi)始用到相干光傳輸技術(shù)，相干技術(shù)從過(guò)去的骨干網(wǎng)(>1000km) 下沉到城域(100~1000km)甚至邊緣接入網(wǎng)(<100km)。另一方面在數通領(lǐng)域，相干技術(shù)也已經(jīng)成為數據中心間互聯(lián)(DCI)的主流方案(80~120km)。相干光鏈路的用量在未來(lái)幾年將迎來(lái)井噴式增長(cháng)，這些新的應用對相干光收發(fā)系統也提出了新的要求，推動(dòng)著(zhù)相干收發(fā)單元從原先和線(xiàn)卡集成方式、MSA模塊逐步向獨立的、標準化的可插拔光收發(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，并對400G相干標準進(jìn)行了對比分析。

  可插拔相干光模塊的發(fā)展

  相比城域網(wǎng)或數據中心內部使用的客戶(hù)端光模塊，光傳輸網(wǎng)絡(luò )中使用的相干光收發(fā)單元通常內置或集成于線(xiàn)路側單板，存在端口密度低、體積功耗大、非標設計等問(wèn)題。長(cháng)期以來(lái)，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商一直希望傳輸光模塊具有與客戶(hù)端光模塊相同或相近的封裝，就像我們熟悉的10G網(wǎng)絡(luò )可以使用標準SFP+光模塊封裝實(shí)現一樣。近年隨著(zhù)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(guò)多年發(fā)展，標準化、可插拔光模塊已經(jīng)是光通信線(xiàn)路側業(yè)務(wù)傳輸的必然選擇。應用于城域、骨干網(wǎng)絡(luò )的相干光模塊發(fā)展趨勢有以下幾個(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(chǎn)品功耗不能高于15W;

  -互聯(lián)互通的標準化：傳統上各設備廠(chǎng)家使用自行開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用接口板，使用私有的高階調制方式及FEC算法，不同廠(chǎng)家接口之間無(wú)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 三種標準化封裝形式的可插拔相干光模塊(QSFP-DD、OSFP、CFP2-DCO)

  隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)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(yíng)商對不同廠(chǎng)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(lèi)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(kāi)銷(xiāo)為6.7%;第二代為級聯(lián)交織迭代，增益要求8dB，開(kāi)銷(xiāo)6.7%;第三代為軟判SD-FEC，增益要求為11dB，開(kāi)銷(xiāo)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(shí)未發(fā)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(jīng)有CFP MIS、C-CMIS、CMIS等不同標準類(lèi)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相干標準對比分析

  當前商用的相干技術(shù)發(fā)展到了單波長(cháng)800G， 但800G目前業(yè)內還沒(méi)有相關(guān)標準，而400G相干技術(shù)目前有400ZR、OpenROADM和OpenZR+三種標準。

  400ZR是光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )論壇(OIF)于2016年啟動(dòng)的一個(gè)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(lèi)的封裝，以期用于數據中心互聯(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用，因為其需要滿(mǎn)足15W模塊功率目標。OIF-400ZR目標在邊緣DCI應用，客戶(hù)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(yè)內得到了較好的支持。同時(shí)，系統運營(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成功的基礎上，以AT&T為首的電信運營(yíng)商定義了能夠支持更長(cháng)距離傳輸的標準OpenROADM MSA。OpenROADM專(zhuān)為需要支持其他協(xié)議并且增加相應開(kāi)銷(xiāo)位比率的OTN網(wǎng)絡(luò )而設計。OpenROADM MSA主要面向電信運營(yíng)商ROADM網(wǎng)絡(luò )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(lián)和電信光傳輸網(wǎng)絡(luò )的可插拔相干光模塊類(lèi)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(hù)側接口，而OpenROADM僅考慮了電信運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景。

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

圖2 相干光模塊互通標準的發(fā)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(yíng)商，旨在以QSFP-DD和OSFP等可插拔形式實(shí)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(jiǎn)單以太網(wǎng)純主機接口，而且增加了對100G、200G、300G或400G線(xiàn)路接口的多速率以太網(wǎng)和多路復用功能的支持， 并采用OpenROADM MSA和CableLabs已經(jīng)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(fā)布了其第一個(gè)公開(kāi)版本的指標書(shū)。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(xiàn)路側光模塊采用與客戶(hù)側相同的封裝對網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商來(lái)說(shuō)是有益的，這樣通過(guò)更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )架構來(lái)降低成本。結合近來(lái)開(kāi)放線(xiàn)路系統(Open Line System, OLS)的行業(yè)趨勢，這些傳輸光模塊可以直接插入路由器使用而無(wú)需外部傳輸系統。這樣可以簡(jiǎn)化控制平臺，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 )應用場(chǎng)景，用戶(hù)可以選擇直接將滿(mǎn)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(lái)實(shí)現信號協(xié)議轉換的傳輸設備的線(xiàn)路側端口上，再通過(guò)該設備的客戶(hù)側端口與路由器連接。

  相干DSP、相干光模塊供應商積極進(jìn)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(shí)現多廠(chǎng)家互通。

圖3 支持OpenZR+的應用示例

  400G相干之后的技術(shù)演進(jìn)分析

  從標準化演進(jìn)來(lái)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)標準800ZR。目前初步考慮的目標是支持80~120km(經(jīng)過(guò)放大的)DWDM鏈路用于DCI場(chǎng)景，不經(jīng)過(guò)放大的2~10km鏈路用于園區場(chǎng)景?？蛻?hù)側接口支持2×400GE或1×800GE，線(xiàn)路側支持單波長(cháng)800G相干線(xiàn)路接口。定義從客戶(hù)側映射到線(xiàn)路側的幀結構指標以及線(xiàn)路側的信號指標用于實(shí)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(shù)規范OIF-HB-CDM2.0。國內方面，近日CCSA光器件工作組通過(guò)了6項800Gbps光器件行業(yè)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(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高階調制的信號。當波特率達到128GBd時(shí)，光芯片的帶寬至少要70~80GHz，基于硅光材料的調制器可能無(wú)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(shí)現難度也會(huì )相當大。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)。鈮酸鋰一直被認為是用來(lái)做光調制器的優(yōu)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(wú)法支持64GBd以上的波特率應用，近年來(lái)由于薄膜鈮酸鋰芯片加工技術(shù)的突破，使鈮酸鋰調制器也可以實(shí)現小尺寸和高帶寬，因此被認為是實(shí)現100GBd及以上的光調制器的潛在技術(shù)方向。此外，要實(shí)現器件級的高帶寬，電驅動(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