800Gbit/s光模塊技術及應用

王會濤 張平化 蘇展

摘要：800Gbit/s光模塊場景包括SR（100m場景）、DR/FR/LR（500m/2km/10km場景）、ER/ZR（40km/80km場景）。結合商用規律和技術成熟度兩個維度，提出了單模方案下沉、單波200Gbit/s來臨、相干下沉3個趨勢判斷。預測了800Gbit/s主流模塊接口形態，具體包括基于直接調制激光器（DML）/硅光（SiPh）的800Gbit/sSR8、基于電吸收調制激光器（EML）/SiPh的800Gbit/sDR4、基于EML的800Gbit/sFR4、基于EML的800Gbit/sLR8和基于相干的800Gbit/sER/ZR。

關鍵詞：單模方案下沉;單波200Gbit/s;相干下沉

Abstract：Applicationsof800Gbit/sopticalmodulecontainSR（100mscenario），DR/FR/LR（500m/2km/10kmscenario），andER/ZR（40km/80kmscenario）.Basedonthecommerciallawandtechnologymaturity，threetrendsofsingle-modesinking，singlewavelength200Gbit/scoming，andcoherentsinkingareproposed.Theinterfaceformsof800Gbit/smainstreammodulesarepredicted，including800Gbit/sSR8basedondirectmodulationlaser（DML）/siliconphotonics（SiPh），800Gbit/sDR4basedonelectroabsorptionmodulationlaser（EML）/SiP，800Gbit/sFR4basedonEML，800Gbit/sLR8basedonEML，and800Gbit/sER/ZRbasedoncoherence.

Keywords：single-modesinking;singlewavelength200Gbit/s;coherentsinking

1市場預測和應用場景

4K虛擬現實（VR）、物聯網、云計算等新業務的出現，對網絡的帶寬、并發率和實時性提出了更高的要求。根據Omdia預測[1]，未來幾年隨著帶寬需求的不斷提升，雖然100、200、400Gbit/s光模塊仍將保有最大的市場占有量，但是800Gbit/s光模塊將在2023年實現商用，在2025年實現規模部署。

如圖1所示，根據800GE網絡結構，對于架頂交換機（TOR）到Leaf交換機的連接距離，短的有幾十米，長的可能有幾百米。在這部分連接上，大型互聯網公司普遍采用100Gbit/s速率的連接技術，并從2021年開始逐步換代到200Gbit/s或400Gbit/s的速率技術。一些領先的公司會在2023年開始試用800Gbit/s技術。Leaf到Spine交換機的連接，或者Spine交換機到核心路由器的連接，可能會解決一個園區內部或者相鄰園區之間的互聯問題。這種連接距離會達到2km，甚至10km。接口速率也將從2021年開始由100Gbit/s逐步換代到200Gbit/s或400Gbit/s速率。一些公司會在2023年開始試用800Gbit/s技術。數據中心互聯（DCI）一般是指相鄰幾個數據中心之間負載均衡或容災備份的連接，這種連接距離可能長達幾十公里。對于這么遠的距離，由于光纖資源比較珍貴，人們主要采用密集波分復用加相干通信的方式以盡可能復用光纖資源。我們把800Gbit/s光模塊的應用場景分為SR（100m場景）、DR/FR/LR（500m/2km/10km場景），以及ER/ZR（40km/80km場景）。

2技術方案

2.1方案概述

800Gbit/s技術方案演進包括3代。

第1代為8光8電：光接口8×100Gbit/s，電接口8×100Gbit/s，商用時間為2021年;

第2代為4光8電：光接口4×200Gbit/s，電接口8×100Gbit/s，商用時間預計為2024年;

第3代為4光4電：光接口4×200Gbit/s，電接口8×100Gbit/s，商用時間預計為2026年。

從長期來看（5年內），光/電單信道200Gbit/s技術將會實現普及;從短期來看（3年內），由于單信道200Gbit/s的光電芯片器件和均衡技術目前尚不成熟，產業界仍需要時間來突破相關技術瓶頸。

2.1.1電接口及封裝

從100Gbit/s直調直檢光模塊發展來看，當電接口單通道速率與光接口單通道速率相同時，光模塊的架構將達到最佳狀態，并具有低功耗、低成本等優勢。單通道100Gbit/s電接口將是8×100Gbit/s光模塊的理想電接口，單通道200Gbit/s電接口將會是4×200Gbit/s光模塊的理想電接口。在封裝方面，800Gbit/s光模塊可能存在雙密度四通道小型可插拔（QSFP-DD800）、八通道小型可插拔（OSFP）等不同形式。由于存在模塊內走線和連接器損耗等因素，基于200Gbit/s電接口的可插拔光模塊仍面臨諸多挑戰。

2.1.2光接口

800Gbit/s光模塊光接口架構主要有3種，如圖2所示[3]。

（1）8×100Gbit/s4電平脈沖幅度調制（PAM4）光模塊：PAM4收發器以53Gbd運行，使用8對數模轉換器（DAC）和模數轉換器（ADC）、8個激光器、8對光收發器，以及1對8通道粗波分復用器（CWDM）或基于以太網通道的波分復用（LAN-WDM）（取決于光纖色散損失）復用器和解復用器（SR/DR應用場景不需要）。

（2）4×200Gbit/sPAM4光模塊：PAM4收發器以106Gbd運行，使用4對DAC和ADC、4對光收發器（包括4個激光器），以及1對4通道CWDM或LAN-WDM（取決于光纖色散損失）復用器和解復用器（SR/DR應用場景不需要）。

（3）800Gbit/s相干光模塊：在雙極化十六正交振幅調制（16QAM）下以128Gbd運行。它使用4對DAC和ADC、1個激光器和1對光收發器，可以在數據中心相干光模塊中使用固定波長激光器，以降低成本和功耗。

8×100Gbit/s直調直檢方案可利用已有技術架構，相關技術和標準比較成熟，供應鏈也較為完善。在SR場景下，垂直腔面發射激光器（VCSEL）100Gbit/s技術面臨挑戰。提升多模方案性能和降低多模光纖成本，將成為該技術持續演進的關鍵因素。以硅光（SiPh）和直接調制激光器（DML）為代表的單模技術迅速發展。其中，SiPh技術發展更為迅速，未來有望在100m及以下傳輸距離的應用場景中與多模方案展開競爭。在DR/FR場景下，存在電吸收調制激光器（EML）、DML和SiPh3種方案。在LR場景下，有基于粗波分復用（CWDM）、細波分復用（LWDM）和窄帶細波分復用（nLWDM）的800Gbit/sLR8方案，這些方案目前仍處于研究階段。在波長選擇上，由于O波段邊緣波長的色散較大，LWDM8在色散代價方面優于CWDM8。目前，10km及以上距離的直調直檢方案主要面臨“最壞情況”色散和狹窄的色散容限匹配挑戰。構建新的波長體系并壓縮多通道波長范圍，可使最壞情況色散相應變窄，從而簡化數字信號處理（DSP）設計，降低理論功耗。例如，8×100Gbit/sPAM4直調直檢方案采用800GHz間隔的LWDM方案時色散受限距離約為10km，采用400GHz間隔的nLWDM方案時色散受限距離可拓展至20km，采用200GHz間隔的nLWDM時色散受限距離可進一步拓展至40km。同時，壓縮零色散點分布或飄移范圍，縮小對應的色散范圍，也是解決方案之一。然而，由于不同廠家光纖產品零色散點的分布并不統一，大范圍壓縮仍存在難度。

對于4×200Gbit/s直調直檢方案，單通道200Gbit/s沿用PAM4調制碼型，可利用相對成熟的PAM4產業基礎條件（但也不排除新調制碼型的可能性）。在4×200Gbit/sDR和FR應用場景中，目前有4路單模并行（PSM4）和CWDM4兩種技術方案。這兩種方案目前仍面臨較多挑戰，需要進一步展開研究。對于LR應用場景，有基于CWDM、LWDM，以及nLWDM的800Gbit/sLR4方案。這些方案目前仍處于研究討論階段，需要高帶寬光電芯片器件、更強的均衡技術和前向糾錯（FEC），以確保糾后的誤碼率（BER）。

800Gbit/s相干光模塊的器件帶寬需要極大提升，同時器件設計難以一步到位地實現帶寬翻倍。基于96GBd器件實現的800Gbit/s相干光模塊須采用更高階的調制碼型。這種方法存在光信噪比（OSNR）低、傳輸距離和應用場景受限等缺點。基于128GBd的雙偏振（DP）-16QAM相干光模塊，擁有更好的OSNR和傳輸能力，將成為800Gbit/s相干的主流實現方案。

2.1.3FEC

FEC總體分為3類[4]：端到端FEC、嵌套級聯FEC和分段式FEC。

業界普遍認為，8×100Gbit/s直調直檢方案在40km以內傳輸距離的應用，可由端到端KP4FEC來實現。而40km傳輸距離則有可能采用更強的FEC。

4×200Gbit/s直調直檢方案因速率更高，須引入新的BER標準、新的FEC編碼方式和更復雜的均衡器。IEEE802.3B400GSG（電氣與電子工程師協會802.3后400Gbit/s研究組）、800GPluggableMSA（800Gbit/s可插拔多源協議）工作組已開展相關討論。級聯方式可能成為4×200Gbit/s直調直檢方案的新路徑。這種方式既保留了KP4FEC，避免了主芯片集成新FEC所帶來的額外成本，又可通過光模塊中輕量化、易實現的FEC為光鏈路提供額外保護，降低解碼帶來的功耗和時延。在糾錯性能上，KP4+BCH（144，136）等多種級聯內碼均可在糾前誤碼率1～2E-3的區間基礎上，使糾后范圍小于1E-13。同時，目前對800Gbit/s最強烈的訴求來自OTT（指互聯網運營商）數據中心與高性能計算等場景應用。這些場景對時延敏感度要求較高。低時延FEC算法成為800Gbit/s的核心訴求之一。

800Gbit/s相干包括800Gbit/sLR、800Gbit/sZR兩種。因此，我們需針對不同應用場景進行FEC算法的設計。（1）800LR場景需要10km園區網絡，對時延和功耗要求較高。目前，解決方案有KP4+eHamming/eBCH級聯、空間耦合碼FEC（XR-FEC）、集群型FEC（CFEC）、Zipper、輕量化開放FEC（OFEC）等。其中，級聯方案與4×200Gbit/s直調直檢級聯方案有共通之處。兩種路徑的相通可進一步降低主芯片復雜度。（2）800ZR場景主要應用于DCI，是光互聯論壇（OIF）400ZR標準的延續。800ZR采用DP-16QAM調制格式，使CFEC糾錯能力受到一定挑戰，可能需要多級編碼（MLC）、OFEC等糾錯能力更強的FEC方案。

2.1.4均衡技術[5]

為實現單通道200Gbit/s的數據傳輸速率，光電芯片都要進行性能升級，例如需要200Gbit/s的SerDes、帶寬高于50GHz的光電芯片和器件等。從目前技術研究報道來看，帶寬高于50GHz的光芯片相對容易實現。如何在帶寬提升的前提下保證其他指標性能的最優是需要考慮的重點。目前，Driver和TIA電芯片帶寬還不能滿足速率需求，還需要具備均衡能力。在提升自身帶寬的同時，這些電芯片需要實現系統級信號優化的效果。高效的均衡技術可以更大限度地放寬系統對光電器件帶寬的要求。

常見的均衡技術包括前饋均衡（FFE）、判決反饋均衡（DFE）和最大似然序列均衡（MLSE）等。其中，由于實現方式簡單，FFE被廣泛的應用于SerDes系統和光信號DSP（oDSP）芯片中。為了緩解單通道200Gbit/s對光電器件帶寬的需求，一方面可以在發端采用FFE預均衡技術以補償發射端器件帶寬，另一方面通過在oDSP施加更加強效的均衡技術來緩解帶寬限制對系統性能的劣化影響。對于單波100Gbit/s標準中采用的5抽頭FFE均衡，當速率提高到200Gbit/s時，FFE抽頭數將增加。雖然更高性能的MLSE均衡算法也可作為解決方案，但MLSE實現方式更為復雜，所需運算量也很大，這將增加oDSP的功耗。

2.1.5標準化進展

全球多個標準化組織競相開展800Gbit/s的標準化工作。IEEE802.3、800GPluggableMSA、100GLambdaMSA和國際光電委員會（IPEC）等均已啟動800Gbit/s相關規范的制訂工作，對800Gbit/s光模塊的應用場景、接口規格等進行了定義。800GPluggableMSA已先后發布面向低成本、100m傳輸距離需求的8×100Gbit/sPSM8以及面向2km傳輸距離需求的4×200Gbit/sFR4規范。QSFP-DD800MSA對QSFP-DD封裝向800Gbit/s的演進進行定義，并將其合并至由QSFP-DDMSA新發布的QSFP-DDSPEC6.0文件中。

2.2800Gbit/sSR場景技術方案

針對800Gbit/s短距需求，受傳統多模光纖帶寬限制，高波特率信號的多模傳輸距離被進一步壓縮到50m以內，即使使用新型OM4/OM5多模光纖也很難實現100m傳輸距離。根據800GPluggableMSA工作組的定義，800Gbit/s在100m傳輸上不再采用基于VCSEL的多模方案，而是采用并行單模光纖（SMF）傳輸PSM8。一般可采用調制格式為PAM4（內置DSP芯片）的方式來滿足800GSR的場景需求。目前，800Gbit/sSR場景技術方案具體包括基于DML/EML的方案和基于SiPh的方案，如圖3和圖4所示。

800Gbit/sSR8DML/EML方案：采用8×100Gbit/sDSP（未來或采用模擬時鐘數據恢復單元）、同一波長DML/EML光芯片，收發兩端各使用8根光纖（PSM8并行單模8通道），并且采用24芯或16芯MPO接頭。

800Gbit/sSR8SiPh方案：采用8×SiPh馬赫·曾德爾調制器（MZ）/連續光纖（CW）激光器（硅光作為發射端，同時調制器和光源分離），可以實現并行多路的共享光源架構。若插損控制得當，使用1～2個光源實現8路并行可使系統具有很好的成本優勢。2.3800Gbit/sDR/FR場景技術方案

針對800Gbit/s500m的互聯需求，8×100Gbit/s方案中的SiPh方案相比于400Gbit/s的DR4（SiPh），在降低成本方面比較有限。4×200Gbit/s方案具有更低的成本優勢，同時100Gbd器件的良率還有待考察。8通道并行方案可能仍會被作為前期MSA方案。

如圖5所示，800Gbit/sDR4（EML/SiPh）方案采用4×200Gbit/sDSP。光芯片采用4×EML/SiPh，為同一波長。因帶寬發展受限，方案不采用DML。收發端各用4根光纖（PSM4并行單模4通道），均為同一波長，并采用12芯MPO接頭。

在800Gbit/s2km（FR）互聯需求方面，基于單通道200Gbit/s的PAM4技術是光強度調制和直接檢測互連的下一代技術的代表，將成為4通道800Gbit/s光連接的基礎。當速率從100Gbit/s升到200Gbit/s時，波特率會翻倍，靈敏度會惡化約3dB，因此，需要更強大的FEC來保持接收器較高的靈敏度（-5dBm）。

800Gbit/sFR4EML方案采用4×200Gbit/sDSP、CWDM4EML光芯片。收發兩端采用合分波器，各用1根光纖（CWDM4），同時采用雙朗訊（LC）接頭，如圖6所示。

2.4800Gbit/sLR/ER/ZR場景技術方案

在800Gbit/s10km互聯需求方面，考慮到色散容限，目前業界提出4種解決方案：800Gbit/sLWDM8/nLWDM8、800Gbit/sLWDM4/nLWDM4、800Gbit/s自零差檢測（SHD）相干、800Gbit/s相干。

如圖7所示，800Gbit/sLR8方案采用8×100Gbit/sDSP、LWDM8EML光芯片。收發兩端采用合分波器，各用1根光纖（LWDM8），并采用雙LC接頭。

800Gbit/sLR4方案主要采用4×200Gbit/sDSP、4×EMLLWDM4波長。接收側使用200Gbit/sPAM4波導雪崩式光電二極管（APD）。如圖8所示收發兩端采用合分波器，各用1根光纖（LWDM4），同時采用雙LC接頭。

在波長的選擇方面，目前有LWDM4（800GHz波長間隔）和nLWDM4（400GHz波長間隔）兩種方案。nLWDM4方案具備色散代價更小、DSP功耗和復雜度更低的優勢，但需要開發新的EML芯片。

針對800Gbit/s40km/80km場景的互聯需求，業界采用的解決方案為800Gbit/s相干。該方案采用專用相干DSP、128GbdIC-TROSA，并采用雙LC接頭。

3800Gbit/s的發展趨勢及商用策略

800Gbit/s的發展趨勢包括3個方面：單模下沉、單波200Gbit/s來臨、相干下沉。

（1）單模下沉。受限于多模光纖的帶寬，100Gbit/sPAM4VCSEL+多模光纖的傳輸距離為50m。如果采用OM5光纖，那么系統成本就會增加。在未來，單模光接口方案下沉是必然趨勢，而這將利好SiPh技術。

（2）單波200Gbit/s來臨。雖然112GbdEML技術發展較快，目前已經有樣機誕生，但是55GHz的帶寬資源略顯不足。200Gbit/sPAM4速率等級的SiPh調制器和硅基薄膜鈮酸鋰的應用前景非常廣闊。

（3）相干下沉。隨著傳輸速率的提升，相干技術方案在80km傳輸距離的基礎上將進一步向40、20、10km等更短距離拓展應用。同時，非相干方案也在努力向長距離應用拓展。因此，兩種方案在應用時會出現“相遇”的情況。兩種方案的相遇將與技術方案單位比特率成本等因素密切相關。相干方案只需要一個激光器、調制器和接收器的這一事實，將使自身具備與PAM4相媲美的成本競爭力（即使光器件變得更加復雜）。PAM4會用到4個簡單的激光器、調制器和接收器。即使這些器件的在800Gbit/s時比較復雜，它們也足以快速降低整個系統成本，使PAM4保持較強的競爭力。總體而言，相干和PAM4傳輸的競爭已經開始，未來結果如何，還需要時間來證明。

800Gbit/s光模塊電接口前期為8×100Gbit/s，光接口有8×100Gbit/sPAM4、4×200Gbit/sPAM4、128GbdDP-16QAM相干3種。800Gbit/s光模塊應用場景方案預測如表1所示。

單模方案下沉有助于800Gbit/sSiPh方案的光模塊覆蓋到海量100mSR場景。800Gbit/s-SR8/DR8采用同平臺方案并按指標篩選發貨，有助于降低系統平均成本。此外，SiPh光模塊有可能實現非相干領域彎道超車。100Gbit/s光模塊產業鏈百花齊放，呈現多元化現象。但是200Gbit/s產業鏈多元化會降低（僅有EML方案和MZ方案）。單波200Gbit/s光接口（800Gbit/s-FR4）將在800Gbit/s和1.6Tbit/s中使用。200Gbit/sPAM4EML的供方有限，并且帶寬略顯不足。200Gbit/sPAM4SiPh的硅光調制器和200Gbit/sPAM4薄膜鈮酸鋰在性能、成本和產業鏈多樣化方面具有很好的競爭優勢。

4結束語

當交換芯片速率達到51.2Tbit/s時，800Gbit/s光模塊需求將產生;當交換芯片的速率達到102.4Tbit/s時，800Gbit/s和1.6Tbit/s光模塊需求均將出現。根據交換芯片的演進趨勢、市場需求和技術成熟度，800Gbit/s光模塊將于2022年進入市場，在2025年左右實現規模應用。在早期8×100Gbit/s將成為主流方案，這將有助于400Gbit/s向800Gbit/s平滑演進。

當單通道電接口速率與光接口速率相同時，光模塊的架構將達到最佳，并具有低功耗、低成本等優勢。4×200Gbit/s將是800Gbit/s光模塊的理想架構，未來將成為1.6Tbit/s的實現基礎。因內部封裝形態受到高頻信號完整性的影響，200Gbit/s每波長光模塊有光電集成化的可能，而這對成本的影響還有待分析。由于波特率的提高，200Gbit/sPAM4DML帶寬受限，200Gbit/sPAM410km以上長距傳輸的靈敏度將受到影響，而高帶寬波導APD對中長距800Gbit/s的成本影響尚不明確。超短距離采用8×100Gbit/s方案，短距離采用4×200Gbit/s方案，中長距離仍采用8×100Gbit/s方案。受PAM4色散、多路徑串擾（MPI）等影響，長距離采用800Gbit/s相干方案。

致謝

本研究得到中興光電子技術有限公司沈百林、熊孝海等專家的幫助，謹致謝意！

參考文獻

[1]Omdia.Datacomopticalcomponentsforecast，2020-26[EB/OL].[2021-10-15].https：//omdia.tech.informa.com/OM017740/Datacom-Opti-cal-Components-Forecast-202026

[2]800GPluggableMSA.200Gperlaneforfuture800G&1.6Tmodules[EB/OL].[2021-11-15].https：//www.800gmsa.com/documents/200g-per-lane-for-future-800g-and-16t-modules

[3]WAYW.800G：coherentversusPAM4opticaltransceiversinsidedatacenters[EB/OL].（2019-09-09）[2021-11-15].https：//www.neophoton-ics.com/800g-coherent-versus-pam4-opti-cal-transceivers-data-centers

[4]中國通信標準化協會.800Gbit/s光收發合一模塊研究：2020B46[S].2020

[5]IMT-2020（5G）推進組.5G承載與數據中心光模塊[R].2021

作者簡介

王會濤，中興光電子技術有限公司規劃總工;長期從事光通信系統、光電子器件產品和技術的研發及規劃工作;曾獲得中國通信學會科技進步獎一等獎、教育部技術發明獎二等獎;擁有專利10余項。

張平化，中興光電子技術有限公司光模塊規劃工程師;從事光模塊規劃工作。

蘇展，中興通訊股份有限公司光模塊系統工程師;從事光模塊的預研、研發和標準跟蹤等工作。