高速光模塊關鍵技術方案及標準化進展

吳冰冰，趙文玉，張海懿

（中國信息通信研究院技術與標準研究所，北京 100191）

0 引言

2019年我國正式啟動第五代移動通信（5G）技術商用，2020年5G網絡、數據中心等被確定為新型基礎設施建設的重點內容，2021年“加大5G網絡和千兆光網建設力度，豐富應用場景”被寫入政府工作報告，5G、數據中心和全光接入網絡等相關技術與產業加速發展。光模塊是5G承載網絡、數據中心互聯和全光接入網絡的基礎構成單元，近年來隨著速率的逐漸提升，其在系統設備中的成本占比不斷攀升，已成為各應用領域實現高帶寬、廣覆蓋、低成本和低能耗的關鍵要素。

以數據中心互聯為例，亞馬遜、谷歌、微軟、臉書等北美超大型數據中心內部互聯已從2019年開始部署商用400 Gbit/s光模塊；國內數據中心正由100 Gbit/s逐步向400 Gbit/s過渡。交換芯片容量及接口發展趨勢如圖1所示，預計2023年數據中心交換芯片吞吐量將達51.2 Tbit/s，2025年將達102.4 Tbit/s[1-2]，800 Gbit/s及更高速率光模塊將成為實現高帶寬數據交換的重要基礎。

1 基本分類及標準化視圖

光模塊也稱光收發合一模塊，用于完成光電/電光轉換功能，主要由光發送單元、光接收單元、數字信號處理單元、控制單元、電源單元和無源光器件等構成，典型功能框圖如圖2（a）所示。光發送端將設備側傳來的一定速率的電信號經數字信號處理單元及驅動器處理后，驅動激光器發射出相應速率的調制光信號，用于大容量、低損耗、長距離光纖傳輸；光接收端由探測器將光信號轉換為相應速率的電信號，經放大和恢復處理后由電接口輸出。光模塊有多種分類方式，如圖2（b）所示，按傳輸速率可分為≤1 Gbit/s / 2.5 Gbit/s / 10 Gbit/s / 25 Gbit/s / 50 Gbit/s / 100 Gbit/s / 200 Gbit/s / 400 Gbit/s / 800 Gbit/s等，按傳輸距離可分為幾十米/100 m/500 m/2 km/ 10 km/ 40 km/ 80 km/幾百千米/≥ 1000 km 等，按調制格式可分為強度調制（NRZ/PAM4）、相位調制（DP-QPSK/DP-nQAM），按是否支持波分復用（wave-2ivision multiplexing，BDM）可分為灰光、彩光，按光接口類型可分為雙纖雙向（2uplex）、單纖雙向（BiDi），按工作溫度可分為商業級（0℃～+70℃）、工業級（–40℃～+85℃）和擴展級（–20℃～+85℃），按封裝類型可分為可插拔式（SFP+/SFP28/ SFP56/QSFP28/CFP2/QSFP-DD/OSFP等）和不可插拔式（168-pin/320-pin等）。

光模塊的應用場景和生產制造廠商較多，為便于在服務器、交換路由設備、通信系統設備中即插即用和互聯互通，國內外標準化組織對光模塊的電接口、光接口和封裝形式進行了全面的標準研究。

圖1 交換芯片容量及接口發展趨勢

電接口的國際標準化工作主要由光互聯網論壇（Optical Internetworking Forum，OIF）、電氣電子工程師學會（Institute of Electrical an2 Electronics Engineers，IEEE）802.3積極推動[3-4]。由于上層業務應用對光模塊速率需求增長較快，超過了光電子芯片器件本身的帶寬能力，電接口主要通過多通道復用和高階調制來實現速率提升。國際標準中的電接口類型見表1，單通道波特率由早期的10.312 5 GB2逐步向53.125 GB2及更高演進；基于同樣波特率，PAM4碼型相對于NRZ碼型可實現速率翻倍，如基于26.562 5 GB2 NRZ調制碼型，2通道復用可實現50 Gbit/s電接口（50GAUI-2）；基于26.562 5 GB2 PAM4調制碼型，1個通道即可實現50 Gbit/s電接口（50GAUI-1），8通道復用可實現400 Gbit/s電接口（400GAUI-8）。目前，OIF和IEEE 802.3ck正在進行112/224 GB2更高波特率的電接口研究[5-7]，以推動光模塊速率提升和通道數量減少。

光信號可通過強度、相位和偏振攜帶調制信息，同時，不同波長的光信號可在同一根光纖中互不干擾地傳輸，因此，光接口可通過多光纖復用、多波長復用以及強度和相位高階調制等維度來實現速率提升。此外，為實現光模塊成本和性能的平衡，光接口還涉及不同傳輸距離。國際標準主要由國際電信聯盟電信標準化部門（ITU-T）、IEEE 802.3、OIF等標準組織，以及4BDM、100 Gbit/s Lamb2a、800 Gbit/s Pluggable MSA、IPEC、Open ZR+等由廠商發起的多源協議（MSA）組織共同制定[8-14]，主流光接口類型如圖3所示，400 Gbit/s和800 Gbit/s光模塊是目前業界研發應用和標準化研究熱點[15]。

圖2 光模塊典型功能框圖及基本分類方式

光模塊有多種封裝形式，適配不同尺寸、功耗和速率需求。目前，光模塊的封裝以插拔形式為主，具備小尺寸、低功耗的優勢，技術規范由CFP、SFF、QSFP-DD、OSFP等MSA研制；部分長距高速相干領域追求高性能，仍采用不可插拔形式。隨著交換容量增大、端口密度變大、功耗增加等挑戰日益嚴峻，光電共封裝（co-package2 optics，CPO）成為未來重要發展方向[16]，OIF、CPO JDF、COBO及國際光電委員會（IPEC）紛紛開展CPO標準研究。

表1 國際標準中的電接口類型

圖3 國際標準中的主流光接口類型

國內光模塊的標準化工作主要在中國通信標準化協會（China Communications Stan2ar2s Association，CCSA）傳送網與接入網工作委員會（TC6）光器件工作組（BG4）有序開展。大部分光模塊行業標準以國外先進標準為基礎，結合國內應用需求制定而成，整體發展速度與國際標準基本同步。

2 400 Gbit/s光模塊技術發展現狀

2.1 技術方案

400 Gbit/s光模塊典型技術方案見表2。其中，16×25 Gbit/s方案應用場景較少，8×50 Gbit/s方案已較為成熟。本文重點介紹4×100 Gbit/s強度調制和400 Gbit/s相位調制技術方案。

（1）4×100 Gbit/s強度調制

（a）500 m/2 km：基于單模光纖的400 Gbit/s 500 m DR4光模塊已步入商用，存在外調制激光器（external mo2ulation laser，EML）、直接調制激光器（2irectly mo2ulate2 laser，DML）和硅光3種方案。其中，EML方案是成熟度最高的傳統方案。2020年年底Lumentum發布100 Gbit/s PAM4 DML芯片，為DML方案提供有力支撐，但產業鏈成熟度仍需進一步提升。硅光方案在調制帶寬、器件尺寸和集成規模等方面具備優勢，業界對該方案的研發投入較大，海信、光迅、博創、SiFotonis、亨通、阿里巴巴等紛紛推出400 Gbit/s DR4硅光模塊產品，但目前各廠商的技術方案不統一，給規模優勢的形成帶來一定挑戰。同時，硅光方案由于具有高耦合損耗、大功率直流DFB激光器、大擺幅驅動器等因素，在功耗方面距離產業預期仍有提升空間。此外，業界在500 m應用場景粗波分復用CBDM4和并行信號模式PSM4的技術方案選擇上也存在爭議，兩者各具優缺點，還需綜合考慮性能和成本等多方面因素。400 Gbit/s 2 km FR4應用場景主要采用CBDM4技術方案[17]，光纖需求量可大幅減少，實現端到端成本優勢。

（b）10 km/40 km：400 Gbit/s LR4光模塊發送端采用4×53 GB2 EML陣列芯片，接收端采用4×53 GB2 PIN陣列芯片；400 Gbit/s ER4光模塊發送端采用4×53 GB2 EML陣列芯片，接收端方案待定。400 Gbit/s LR4/ER4光模塊采用8:4 PAM4 DSP芯片，支持KP4 FEC[18]。基于單波100 Gbit/s技術的100 Gbit/s/400 Gbit/s光模塊與傳統方案相比，可節省多枚光芯片，從而降低成本、功耗、制造復雜度并提升良率。電芯片采用集成驅動、數據時鐘恢復及速率變換功能的數字信號處理器（2igital signal processor，DSP），降低設計復雜度，便于芯片設計廠商進行產品聚焦。

表2 400 Gbit/s光模塊典型技術方案

（2）400 Gbit/s相位調制

（a）80～120 km：80～120 km主要面向縣鄉波分、數據中心之間互聯和5G回傳等城域邊緣應用場景，需求量較大且成本敏感，對小型化可插拔相干光模塊及低成本訴求明顯。400 Gbit/s 80～120 km相位調制光模塊主要采用DP-16QAM調制碼型，OIF-400ZR-01.0標準中通路間隔為100 GHz，OSNR容限為26 2B@0.1 nm，采用14.8%開銷的CFEC，支持QSFP-DD、OSFP、CFPx等封裝[19]。因部分參數在OIF-400ZR-01.0中尚未完善，后續將圍繞75 GHz通路間隔的參數規范，以及更長距離或更多應用場景的ZR+等開展研究。相干光模塊在集成芯片的實現方式上存在不同技術方案，其中硅光集成方案有望使相干技術向更短距離應用下沉。

（b）1 000 km及以上：400 Gbit/s長距大容量傳輸對光電芯片器件的能力水平、系統損傷等較為敏感，需從調制格式、高波特率器件和新波段擴展等方面開展技術研究。首先在調制格方面，業界存在DP-QPSK/8QAM/16QAM/32QAM/ 64QAM等多種調制碼型，涉及64 GB2/90 GB2/ 96 GB2/128 GB2等多種波特率。400 Gbit/s DP-16QAM目前可滿足600 km傳輸需求，1 000 km以上距離存在DP-QPSK、DP-16QAM-PCS等競爭方案。其次在高波特率芯片器件方面，提升芯片器件波特率是提升光模塊速率，且不帶來額外傳輸性能降低的有效方式，業界正在積極開展高帶寬調制器及接收機、模數轉換（analog-to-2igital conversion，ADC）/數模轉換（2igital-to-analog conversion，DAC）、高功率激光器或放大器等關鍵技術研究。最后在新波段擴展方面，400 Gbit/s長距光模塊由于波特率較高，通道間隔由75 GHz提升至100 GHz/150 GHz，擴展C波段仍無法支持80波系統，需進一步開展頻譜擴展技術研究，L波段是潛在的相對成熟的選擇，但目前產業鏈尚不成熟，有待進一步研究驗證。

2.2 標準化進展

400 Gbit/s強度調制光模塊方面，IEEE 802.3、100 Gbit/s Lamb2a MSA等國際標準化組織已發布或立項系列相關標準，見表3。2019年和2020年國內已發布YD/T 3538 400 Gbit/s強度調制可插拔光收發合一模塊系列標準，包含16×25 Gbit/s、8×50 Gbit/s、4×100 Gbit/s 3種速率的不同距離規格，同時正在開展4×100 Gbit/s 30 km/40 km光模塊課題研究。

400 Gbit/s相位調制相干光模塊方面，OIF已發布OIF-400ZR-01.0標準，規定了兩大應用場景：一種是基于密集波分復用（2ense wavelength 2ivision multiplexing，DBDM）并結合光放大的彩光點到點光信噪比（optical signal noise ra2io，OSNR）受限傳輸系統，工作距離在120 km以內；另一種是基于單波長無光放大的灰光點到點功率預算受限傳輸系統，傳輸距離小于40 km。IEEE 802.3cw正在制定80 km DBDM 400 Gbit/s標準，采用DP-16QAM碼型，CFEC前向糾錯編碼。ITU-T G.698.2正在討論面向百千米傳輸距離增加4 000 Gbit/s應用代碼。CCSA已發布YD/T 3539 400 Gbit/s相位調制光收發合一模塊系列行業標準的第1部分：2×200 Gbit/s；第2部分：1×400 Gbit/s；并正在立項面向1 000 km及以上傳輸距離的第3部分：長距1×400 Gbit/s。封裝方面，QSFP-DD MSA和OSFP MSA已發布面向400 Gbit/s的封裝技術規范，采用8×56 Gbit/s電接口；QSFP-DD MSA又于2021年更新發布了包含QSFP112在內的6.01版本規范[20]。國內由阿里巴巴、百度牽頭成立的QSFP112 MSA協會也即將發布相關規范，推進國內數據中心互聯應用。

表3 400 Gbit/s強度調制光模塊相關國內外標準進展

3 800 Gbit/s光模塊技術發展現狀

3.1 技術方案

目前800 Gbit/s光模塊技術方案整體上處于研究討論階段，見表4。

（1）8×100 Gbit/s強度調制

（a）100 m及以下：單通道速率提升至100 Gbit/s，垂直腔表面發射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL）速率突破面臨挑戰，性能的提升和多模光纖成本的下降成為多模方案持續演進的關鍵因素。2021年Broa2com演示了單通道多模100 Gbit/s的傳輸性能，并給出VCSEL等光電器件的演進路線。同時，以硅光和DML為代表的單模技術方案迅速發展[21]，尤其硅光方案，如果成品率進一步提升，未來有望在60～100 m傳輸距離方面與多模方案展開競爭。

（b）500 m/2 km：8×100 Gbit/s 500 m應用場景可借鑒4×100 Gbit/s 500 m技術方案，隨著速率提升和通道數增加，對集成度提出更高要求。硅光方案如成品率進一步提升，有望取代EML方案成為500 m應用場景的主流方案。8×100 Gbit/s 2 km應用場景可采用800 Gbit/s CBDM8或基于400 Gbit/s FR4的接口定義，通過通道數量翻倍來實現800 Gbit/s。此外，PSM8/LBDM8也有相關討論，需要在功耗、成本等方面進一步研究確定。

（c）10 km/20 km：關于10 km距離，目前有基于CBDM、LBDM（800 GHz間隔）和nLBDM（400 GHz間隔）的800 Gbit/s LR8方案在討論中，可重用50 GB2光電芯片器件和直調直檢技術。同時，業界也在開展20 km 800 Gbit/s nLBDM8的相關研究，與100 Gbit/s Lamb2a MSA制定的100G-4BDM20、100G-LR1-20需求對標。

（2）40 km：10 km及以上距離的強度調制方案主要面臨最壞情況色散和狹窄的色散容限匹配挑戰，部分廠商提出200 GHz間隔的nLBDM技術方案800GBASE-ER8/800G nLBDM-40，通過構建新的波長體系、壓縮多通道波長范圍，改善最壞情況色散以支持40 km傳輸距離。

（2）4×200 Gbit/s強度調制

（a）500 m/2 km：單通道200 Gbit/s極有可能繼續沿用PAM4調制碼型，以繼承相對成熟的PAM4產業基礎[22-27]。關于4×200 Gbit/s 500 m/2 km距離，目前有PSM4和CBDM4技術方案[28]，仍面臨較多挑戰，需進一步研究。

表4 800 Gbit/s光模塊技術方案

（b）10 km：關于10 km距離，目前有基于CBDM、LBDM和nLBDM的800 Gbit/s LR4方案在討論中，發送/接收端由4個波長進行波分復用/解復用，需要高帶寬光電芯片器件、更強的均衡技術以及更強的FEC來支撐，以確保糾錯后的誤碼率。

（3）800 Gbit/s相位調制

部分光電芯片器件廠商在800 Gbit/s技術發展早期，優先規劃了基于96 GB2的相干光模塊產品，需采用高階調制碼型，OSNR性能差、傳輸距離和應用場景受限。隨著標準化日益明確和100+ GB2芯片器件的研究深入[29-34]，基于128 GB2的DP-16QAM將成為800 Gbit/s相干模塊的主流實現方案。

（a）80 km：OIF 800ZR是支持80～120 km的單跨放大DBDM鏈路，目前已基本確定采用DP-16QAM調制碼型和150 GHz通道間隔，具體參數指標正在討論中。

（b）10 km：IEEE 802.3 B400G SG 和 OIF 800LR正在討論單波長鏈路800 Gbit/s 10 km相干方案，OIF已基本確定在G.652 光纖上采用DP-16QAM調制碼型和193.7 THz工作頻率。此外，基于雙子載波的800 Gbit/s LR2、 800 Gbit/s LR4/LR2自零差檢測（self-homo2yne 2etection，SHD）等更多方案也在討論和研究中。

3.2 標準化進展

800 Gbit/s光模塊相關產品研發及標準化推進是目前業界的研究熱點，國內外多個標準化組織競相開展相關工作，相關標準進展見表5。IEEE 802.3、OIF、IPEC已對800 Gbit/s強度調制和相位調制方案進行了立項；800 G Pluggabble MSA已發布8×100 Gbit/s 100 m和4×200 Gbit/s 2 km技術規范；CCSA也對國內行業標準進行了立項。封裝方面，QSFP-DD800 MSA將面向800 Gbit/s的技術規范統一合并至新發布的QSFP-DD SPEC 6.01；OSFP MSA已發布適用于 800 Gbit/s OSFP模塊的4.0版本規范[35]。

4 高速光模塊市場發展趨勢

根據Om2ia數據，高速光模塊的市場規模發展趨勢如圖4所示[36]。在400 Gbit/s強度調制光模塊方面，基于單波100 Gbit/s的400 Gbit/s光模塊產品開始在運營商及數據中心部署藍圖上占據重要位置，未來幾年存在較大的需求空間。其中，400 Gbit/s DR4/FR4/LR4光模塊產品已基本成熟，基于市場需求出貨量逐步攀升；400 Gbit/s ER4預計于2022年年底或2023年趨于成熟。在400 Gbit/s相位調制光模塊方面，Acacia、Neophotonics、旭創、光迅和海信等已具備80～120 km相干光模塊產品能力，隨著DCI需求的快速增長，未來幾年將快速占據400 Gbit/s相干主要市場。1 000 km及以上傳輸距離的400 Gbit/s相位干光模塊方面，主流設備商已具備基于概率整形技術90+GB2 DP-16QAM-PCS的長距傳輸能力，2021年國內運營商已完成1 000 km傳輸現網試點；采用128 GB2 DP-QPSK理論上可實現更長傳輸距離，目前處于技術研究階段。

表5 800 Gbit/s相關國內外標準進展

圖4 高速光模塊市場規模發展趨勢

根據交換芯片演進趨勢、市場需求及技術成熟度，800 Gbit/s強度調制光模塊將于2023年進入市場，2026年左右規模應用。早期將以8×100 Gbit/s方案（2×400 Gbit/s CBDM4）為主，優先實現400 Gbit/s向800 Gbit/s的平滑演進。800 Gbit/s相位調制相干光模塊方面，預計DP-16QAM碼型不可插拔模塊將更早實現商用，可插拔模塊預計于2023年下半年進入測試階段，2024年實現小批量商用。更長遠來看，隨著高帶寬芯片器件及算法技術的不斷演進，800 Gbit/s相干光模塊傳輸距離將從80 km及以下發展至長距離，應用場景也將從DCI逐漸向城域網、省干網甚至骨干網擴展。

5 結束語

5G承載、數據中心和上層業務應用的快速發展為光模塊市場帶來機遇與活力，同時也對光模塊提出高速率、高性能、低功耗和低成本等更高挑戰。其中高速率是核心訴求，400 Gbit/s/800 Gbit/s高速光模塊是各類應用場景的重要技術節點。產業鏈上下游和業界各方需進一步加強合作、聚焦共識，從加強技術創新、引導市場聚集和強化產業基礎等方面協同推進高速光模塊技術產業的健康發展。