光模塊標準進(jìn)展及發(fā)展趨勢：客戶(hù)側

  本文轉載自微信公眾號“光通信充電寶”，作者馮振華博士，訊石經(jīng)允許略作刪改。

  今天咱們來(lái)聊聊光模塊相關(guān)的標準進(jìn)展及光模塊相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，內容上將分為兩個(gè)部分，一個(gè)是客戶(hù)側光模塊，主要面向中短距離光互連的，另一個(gè)是線(xiàn)路側光模塊，面向城域和長(cháng)距光傳輸的。

  下面首先介紹以太網(wǎng)的發(fā)展及速率接口演進(jìn)趨勢，然后分別介紹IEEE 802.3、OIF及其它聯(lián)盟推出的最新標準，最后展望一下未來(lái)光模塊技術(shù)的演進(jìn)，如板上光學(xué)(OBO)或共封裝光學(xué)(CPO)。簡(jiǎn)單概括起來(lái)，行文思路就是客戶(hù)側光模塊從概念入門(mén)到game over。

  一、以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)

  馬云. 蓋茨說(shuō)過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)將改變人們生活的方方面面”，對不起我實(shí)在是分不清這話(huà)到底比爾蓋茨有沒(méi)有說(shuō)過(guò)，但我想說(shuō)的是以太網(wǎng)將改變互聯(lián)網(wǎng)生活的方方面面。過(guò)去的二十年里，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用在了企業(yè)園區，家庭寬帶，工業(yè)控制，安防監控等領(lǐng)域，未來(lái)更大帶寬，更低時(shí)延的以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)還將進(jìn)一步滲透到智能制造，智慧城市，自動(dòng)駕駛，5G承載，云計算、數據中心等場(chǎng)景，可能無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響我們的生活。

圖1. 以太網(wǎng)相關(guān)的應用場(chǎng)景

  面對新的應用，以太網(wǎng)的速率也在不斷增長(cháng)，如圖2所示，從最初的10M,100M到最近標準化的400G,接口速率已經(jīng)翻了4萬(wàn)倍。進(jìn)一步應對數據中心每?jì)赡杲粨Q機容量翻一倍的需求，于2018年，以太網(wǎng)聯(lián)盟就已經(jīng)明確了在未來(lái)的幾年內，將推出下一代以太網(wǎng)速率，800G和1.6T。

圖2. 以太網(wǎng)速率標準演進(jìn)趨勢

  為了支撐相應的接口速率，就必須得規范對應的光模塊技術(shù)。下面首先介紹客戶(hù)側的光模塊標準。

  二、客戶(hù)側光模塊標準

  其實(shí)我之前在公眾號里也多次提到過(guò)部分的短距光模塊相關(guān)的標準。今天再次從多個(gè)方面來(lái)匯總一下。

表1. 最新的以太網(wǎng)接口光模塊標準

  如表1所示，當前以太網(wǎng)接口規范對應的光模塊速率、傳輸距離及電接口，目前尚未完全完成的標準主要集中在25G/50G EPON，100G FR/LR, 400G FR4/LR4-6，以及100G/400G 80km級的ZR。在此再次回顧一下之前說(shuō)過(guò)的，KR,CR,SR,DR,LR,ER,ZR的意思。K表示背板互連，C表示銅線(xiàn)互連，S表示短距100m以上，多模光纖，D表示500m，并行單模光纖，F表示2km，通常是CWDM單模，L一般表示長(cháng)距10km，單模光纖，E表示延長(cháng)距離到40km, ZR表示80km級互連，通常要用相干探測了。字母R后面的數字一般表示并行光纖或者WDM通道的數量。不同PMD規范不同的距離，其實(shí)在光模塊技術(shù)上大致對應了采用的激光器/調制器，如表2所示，多模的一般用VCSEL，長(cháng)距一般要用EML，ZR可能需要用到相干的IQ調制，顯然隨著(zhù)傳輸距離的增加，調制技術(shù)越來(lái)越復雜，也就意味著(zhù)成本越來(lái)越高了。

表2. 不同PMD規范對應的傳輸距離、媒介和復用技術(shù)

  在這些標準中，50G的PAM4調制是關(guān)鍵，得到了IEEE802.3bs, cd,cn等工作組的關(guān)注，成為50G到400G接口標準的基礎。其中bs,cd已經(jīng)于2017年和2018年底完成，cn系列標準將于2020年完成。

  對于最近業(yè)界關(guān)注較多的是用于DCI和CATV應用的80km光接口相關(guān)的標準，IEEE早在2018年11月就成立了802.3ct工作組，開(kāi)始標準制定。其中用于DCI的是400G/80km, CATV是100G/80km。這兩種ZR應用中，目前業(yè)界認為只有通過(guò)數字相干技術(shù)才能實(shí)現80km級的高速傳輸，并且還需要利用WDM來(lái)提高單纖的容量。去年11月，IEEE ZR標準進(jìn)一步細分為100G ZR (100G,80km)和400G ZR (400G, 80km)分別由802.3ct, cw工作組負責。并且IEEE 400G ZR的信道間隔從原來(lái)的100GHz更新為75GHz,這將需要更長(cháng)的時(shí)間來(lái)完成標準化相關(guān)的討論。類(lèi)似的，在OIF組織下，400G/最長(cháng)120km的標準400ZR interop，也決定開(kāi)始75GHz間隔技術(shù)標準1.1版本，之前的1.0版本是100GHz間隔。

  另外，在FR/LR這種2km/10km級別的接口標準方面，IEEE 802.3cu去年3月啟動(dòng)了100GBASE FR/LR及400GBASE FR4/LR4。該系列標準的重點(diǎn)是引入100G PAM4調制和CWDM復用的波長(cháng)網(wǎng)格。相比于50G PAM4,更高的單波速率在減小收發(fā)器件數量和降低成本方面有優(yōu)勢。 由于CWDM波長(cháng)間隔20nm的寬度，如圖3所示，允許使用不制冷的激光器，進(jìn)一步降低成本。顯然，引入單通道100G的技術(shù)對于實(shí)現高速光模塊即有利于降低成本，又能有效增強可制造性(通道數少，光模塊更容易做)。另外，802.3bs和cd工作組也采用LAN WDM波長(cháng)分配方案，如圖4所示。很明顯，LAN WDM波長(cháng)間隔僅為800GHz(4.5nm)，需要使用TEC控制波長(cháng)漂移，但是它工作在O波段零色散附近，高速傳輸時(shí)受色散影響較小。相比之下，CWDM傳輸可能會(huì )受到較大的色散影響，特別是相比于MZM，EML還是有啁啾的影響，這對于400GBASE LR來(lái)說(shuō)可能是挑戰，802.3也覺(jué)得這個(gè)400G只能支持到6km，即400BBASE-LR4-6。不過(guò)對于100G/lamda MSA工作組來(lái)說(shuō)，它們采用了不同的波長(cháng)來(lái)解決色散問(wèn)題，因此MSA定義了400GBASE-LR4-6和400GBASE-LR4-10兩種規范。

圖3. CWDM的波長(cháng)分配

圖4. LAN WDM的波長(cháng)分配

  對于800G光接口，2019年成立了兩個(gè)MSA工作組，一個(gè)是QSFP-DD800 MSA，另一個(gè)是800G Pluggable MSA。在最新發(fā)布的800G Pluggable 白皮書(shū)中考慮可能采用單通道100G PAM4實(shí)現800G SR，采用單通道100G或200G來(lái)實(shí)現DR和FR場(chǎng)景。對于后續的1.6T的話(huà)，單通道200G可能是必須的。而對于LR/ER/ZR等更長(cháng)距離的800G應用，數字相干技術(shù)將是更合適的選擇。

圖6. 不同速率接口的調制方式

  從圖6可以看出，目前在400G以下速率的接口中，單通道50G PAM4和100G PAM4是主流調制方式，而對于800G以上速率，單通道200G PAM4甚至相干技術(shù)將可能占主導地位，也許三四年左右，這一需求將會(huì )出現。

  總體上來(lái)看，IEEE802.3只是定義了光發(fā)射機和接收機的光電方面的總體性能。具體的參數如機械尺寸，PIN引腳定義，管理接口定義等是由業(yè)內的多源協(xié)議MSA規定的。當前，多種MSA規范的熱插拔光模塊被廣泛商用。對于100G，CFP/CFP2/CFP4和OSFP最為流行，而對于100G以上(200G/400G)業(yè)內更傾向于QSFP-DD,OSFP，它們的封裝形態(tài)及主要參數如下圖。

圖7. 100G+客戶(hù)側模塊主流封裝形態(tài)

  不得不說(shuō)，隨著(zhù)數據中心內部流量不斷快速增長(cháng)，交換機容量、端口密度和接口速率都將面臨嚴峻挑戰。特別是光模塊的電口到交換機內部的交換芯片之間的PCB走線(xiàn)將影響信號完整性，并且交換機面板上的功耗也會(huì )成為瓶頸。為了解決這兩方面的問(wèn)題，業(yè)界也在挖掘新的機會(huì )來(lái)替代當前這種可插拔光模塊，這就是后光模塊的話(huà)題了。

  三、后光模塊時(shí)代

  叫后光模塊時(shí)代似乎有點(diǎn)危言聳聽(tīng)的味道，但或許去光模塊將成為未來(lái)一段時(shí)間內的趨勢。業(yè)界也有越來(lái)越多的聲音來(lái)探討以后的光模塊是怎樣的，交換機的架構，設備形態(tài)是怎樣的。甚至18,19,20連續三年OFC上都有專(zhuān)題討論相關(guān)的問(wèn)題，論題無(wú)非都是，可插拔光模塊是否會(huì )被廢棄?什么時(shí)候廢棄?被什么技術(shù)取代?

  全面而正確地回答上面這三個(gè)問(wèn)題，會(huì )很難。我只能挑目前主流的觀(guān)點(diǎn)結合我自己的看法來(lái)說(shuō)幾點(diǎn)。

圖8. 交換機容量及光模塊速率演進(jìn)趨勢

  a) 當前的這種光模塊與設備的互連方式肯定會(huì )被取代，因為當前交換機的最高密度是1RU上可插32個(gè)400G光模塊，對應的容量12.8T。數據中心交換機的容量每?jì)赡攴槐?，兩三年后就?huì )出現51.2T的需求了。假設業(yè)界那時(shí)800G光模塊已經(jīng)成熟并且尺寸功耗夠小，交換機還能變大一倍，那樣2RU下最大也就能提供51.2Tb的容量了，可是再繼續提升就幾乎不可能了，至少基于當前的可插拔模塊的路徑是走不通了。

圖9. 光模塊及光芯片組需求量預測

  b) 后光模塊技術(shù)的市場(chǎng)需求應該會(huì )在2024年左右出現。兩方面原因，一是交換機容量到達51.2T的瓶頸會(huì )在2024年左右突顯，如圖8所示;二是Lightcounting機構預測以太網(wǎng)數據中心光模塊需求量會(huì )在2026年下降，2024年光芯片組開(kāi)始起量，隨后的較長(cháng)的一段時(shí)間里與光模塊競爭并成功搶占大部分市場(chǎng)。

  c) 后光模塊時(shí)代兩個(gè)最具競爭力的方案分別是板上光學(xué)OBO和共封裝光學(xué)CPO。下圖為三種技術(shù)對應設備的直觀(guān)表示。其中光模塊方案，前面板上是高速電口，光模塊與交換芯片之間有較長(cháng)PCB走線(xiàn);板上光學(xué)OBO方案則把光模塊直接放到交換機內部的主板上了，面板僅留光口，寬度更高，功耗更易控制，高速PCB走線(xiàn)縮短，信號完整性也更好;共封裝CPO則直接把光引擎(收發(fā)模塊)與電交換芯片在一個(gè)襯底上封裝成一個(gè)芯片，集中解決散熱問(wèn)題，同時(shí)也可以省去很多的SerDes功能，節省功耗。

圖10. 光模塊，板上光學(xué)，共封裝三種方案設備對比

  d) 進(jìn)一步的，共封裝CPO方案也可能分為兩個(gè)階段，初級階段是通過(guò)在一層介質(zhì)上把電器件和光器件進(jìn)行2.5D封裝，組成多芯片模組(MCM)。終極目標是通過(guò)硅通孔實(shí)現3D封裝，真正意義上進(jìn)行單片光、電芯片的封裝。如圖11所示。

圖11. 共封裝光學(xué)的兩種可能形態(tài)

  e) OBO和CPO兩種形狀到底能節省多少功耗呢?見(jiàn)下表所示，很明顯，由于簡(jiǎn)化了SerDes，省去了CDR,DFE/CTLE/FFE等功能，CPO相比于OBO還是有顯著(zhù)的功耗優(yōu)勢的，而OBO在可插拔模塊的基礎上也有一些功耗的降低，主要是省去了DFE，PCB走線(xiàn)更短，無(wú)須強均衡。而難度比較大的TSV相比于MCM在功耗上似乎也沒(méi)有太明顯的優(yōu)勢，考慮到共封裝的難度，能做個(gè)2.5D的MCM也不錯了。

表3. 25G速率時(shí)不同形態(tài)線(xiàn)卡功耗對比

  f) OBO和CPO雖然都有相應的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，如COBO，主要由交換機廠(chǎng)商ARISTA，BROADCOM，CISCO等領(lǐng)銜，而CPO則由數據中心運營(yíng)商/互聯(lián)網(wǎng)公司微軟和Facebook領(lǐng)導，他們最近也陸續發(fā)布了一些OBO或CPO概念原型機，如Intel單片容量達1.6T，單板容量12.8T。但是這種新技術(shù)也還是面臨一些挑戰的，至少散熱問(wèn)題很關(guān)鍵。那么多光引擎及大容量的交換芯片封裝在一個(gè)緊湊的面積下，僅風(fēng)扇散熱恐怕不行，至少得上水冷吧。

  新技術(shù)可能不會(huì )馬上就能大規模商用，但是可能為期不遠。在未來(lái)的5~8年的時(shí)間內，雖然OBO或CPO不會(huì )立馬取代現有的可插拔光模塊的地位，但三四年后，開(kāi)始搶奪市場(chǎng)的趨勢還是很可能會(huì )出現的。雖然10年內不會(huì )完全被某一種形態(tài)的線(xiàn)卡所壟斷，會(huì )存在一個(gè)由可插拔向板上再到MCM或TSV這樣的共封裝的過(guò)渡過(guò)程，對于設備商來(lái)說(shuō)，早做準備還是有必要的，這種革命性的技術(shù)完全有可能較大程度上改變通信設備的形態(tài)和產(chǎn)業(yè)鏈。

  也許10年后，可插拔光模塊市場(chǎng)消失了呢？即使不消失，光模塊芯片組高度集成化，線(xiàn)卡設計工作僅剩下布局和畫(huà)PCB板了，那時(shí)候還需要你做什么呢，你又能做什么呢？