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相干光模块技术和标准发展趋势
发布时间:2021-03-03  作者:中兴光电子 何子安,王会涛  阅读量:

随着单通道传输速率的提高,现代光通信领域越来越多的应用场景开始用到相干光传输技术,相干技术从过去的骨干网( > 1 0 0 0 k m ) 下沉到城域(100~1000km)甚至边缘接入网(<100km)。另一方面在数通领域,相干技术也已经成为数据中心间互联(DCI)的主流方案(80~120km)。相干光链路的用量在未来几年将迎来井喷式增长,这些新的应用对相干光收发系统也提出了新的要求,推动着相干收发单元从原先和线卡集成方式、MSA模块逐步向独立的、标准化的可插拔光收发模块形式演进。本文探讨了可插拔相干光模块的发展趋势,并对400G相干标准进行了对比分析。

 

可插拔相干光模块的发展

 

相比城域网或数据中心内部使用的客户端光模块,光传输网络中使用的相干光收发单元通常内置或集成于线路侧单板,存在端口密度低、体积功耗大、非标设计等问题。长期以来,网络运营商一直希望传输光模块具有与客户端光模块相同或相近的封装,就像我们熟悉的10G网络可以使用标准SFP+光模块封装实现一样。近年随着先进的CMOS工艺DSP芯片和集成光子技术的进步,使得体积更小和更低功耗的可插拔相干封装光模块成为可能。

经过多年发展,标准化、可插拔光模块已经是光通信线路侧业务传输的必然选择。应用于城域、骨干网络的相干光模块发展趋势有以下几个特点:

-高速化: 从1 00G/ 2 0 0 G 到4 0 0 G , 再向800Gbps速率演进;

-小型化:从100G MSA的封装形态向CFP/CFP2DCO/ACO封装形态转变, 当前又提出了400G OSFP DCO和QSFP-DD DCO等封装标准(如图1所示);

-低功耗化:考虑整体系统功耗要求,例如QSFP-DD封装的相干光模块产品功耗不能高于15W;

-互联互通的标准化:传统上各设备厂家使用自行开发的专用接口板,使用私有的高阶调制方式及FEC算法,不同厂家接口之间无法互通;相干光模块的互联互通是业界正在努力的方向。

           图1  三种标准化封装形式的可插拔相干光模块(QSFP-DD、OSFP、CFP2-DCO)

随着互联网业务的发展、云基础设施的建设以及AI人工智能运算方面的需求,电信和数据中心运营商对不同厂商光模块的互通性提出了明确要求。在FEC标准方面,存在GFEC、SCFEC、RS10、CFEC、oFEC、SD-FEC等不同类型,对应不同的速率与标准,总体可以划分为三代:第一代为分组码,增益要求6dB,开销为6.7%;第二代为级联交织迭代,增益要求8dB,开销6.7%;第三代为软判SD-FEC,增益要求为11dB,开销大于25%,采用Turbo乘积码(TPC)和低密度奇偶校验码(LDPC)算法,而基于星座图概率整形的新一代FEC暂时未发布标准。在DSP算法上,以400ZR为例,规范了帧格式、非差分编码、调整标记、符号映射规则、训练序列、导频符号等互通必要信息。在MI S标准方面, 也已经有CFP MIS、C-CMIS、CMIS等不同标准类型。

中兴通讯的相干光模块产品在业界一直处于领先水平, 已经先后推出了自研的100G/200G/400G/600G MSA模块,并在业界率先推出了100G CFP、200G/400G DCFP2系列可插拔光模块,采用自研光、电芯片的DCFP2/QSFP-DD等高集成度可插拔模块也在逐步研制中。

 

400G相干标准对比分析

 

当前商用的相干技术发展到了单波长800G, 但800G目前业内还没有相关标准,而400G相干技术目前有400ZR、OpenROADM和OpenZR+三种标准。

400ZR是光互联网络论坛(OIF)于2016年启动的一个项目,旨在标准化可互操作的相干光模块接口,其功率预算可以支持QSFP-DD和OSFP之类的封装,以期用于数据中心互联(DCI)的400G相干光模块。OIF建议的这种封装聚焦于某些可以牺牲传输性能的特定应用,因为其需要满足15W模块功率目标。OIF-400ZR目标在边缘DCI应用,客户侧仅定义了400GbE速率,传输距离为80~120km,采用CFEC前向纠错。OIF证明了相干的互操作标准是可能的,并且其提出的400ZR解决方案在行业内得到了较好的支持。同时,系统运营商证明,这些高密度封装的热性能还有进一步提升的空间,可以让采用这些封装的光模块支持附加功能从而提供更高的性能。

在OIF成功的基础上,以AT&T为首的电信运营商定义了能够支持更长距离传输的标准OpenROADM MSA。OpenROADM专为需要支持其他协议并且增加相应开销位比率的OTN网络而设计。OpenROADM MSA主要面向电信运营商ROADM网络应用,在终端接口定义了100G、200G、400GbE速率&OTN,传输距离为500km,采用openFEC(oFEC)前向纠错算法。

400ZR和OpenROADM分别定义了用于数据中心互联和电信光传输网络的可插拔相干光模块类型和性能特点,但各自也有一定的局限性和缺点,例如400ZR仅支持400GbE的客户侧接口,而OpenROADM仅考虑了电信运营商的网络场景。

因此,行业一些主流厂商综合了OIF-400ZR和Open ROADM标准的各自优点,推出了另一种MSA标准OpenZR+,这三种标准的大致演进关系如图2所示。

          图2  相干光模块互通标准的发展演化


OpenZR+MSA应用范围更为广阔,面向城域、骨干、DCI和电信运营商,旨在以QSFP-DD和OSFP等可插拔形式实现增强的功能并提高性能,以支持多供应商的互操作性。OpenZR+不仅保持了400ZR的简单以太网纯主机接口,而且增加了对100G、200G、300G或400G线路接口的多速率以太网和多路复用功能的支持, 并采用OpenROADM MSA和CableLabs已经标准化的oFEC,从而具有更高的分散容限和更高的编码增益。2020年9月,OpenZR+发布了其第一个公开版本的指标书。OIF-400ZR、Open ROADM和OpenZR+三种标准所定义的相干光模块主要性能指标对比如表1所示。


        表1  400ZR、OpenROADM、OpenZR+相干光模块互通标准参数对比

线路侧光模块采用与客户侧相同的封装对网络运营商来说是有益的,这样通过更简单的网络架构来降低成本。结合近来开放线路系统(Open Line System, OLS)的行业趋势,这些传输光模块可以直接插入路由器使用而无需外部传输系统。这样可以简化控制平台,同时降低成本、功耗和占地面积。例如图3所示的网络应用场景,用户可以选择直接将满足OpenZR+的相干光模块插到支持OLS的路由器的端口上,也可以将其插到用来实现信号协议转换的传输设备的线路侧端口上,再通过该设备的客户侧端口与路由器连接。

相干DSP、相干光模块供应商积极进行相干光模块的互通性测试,如Acacia、NEL、Inphi、NeoPhotonics等,目前短距离传输相干光模块可以实现多厂家互通。

         图3  支持OpenZR+的应用示例

 

400G相干之后的技术演进分析

 

从标准化演进来看,下一代超400G相干可插拔产品很有可能采取单波800G速率。近期,OIF正在讨论制定400ZR下一代的相干技术标准800ZR。目前初步考虑的目标是支持80~120km(经过放大的)DWDM链路用于DCI场景,不经过放大的2~10km链路用于园区场景。客户侧接口支持2×400GE或1×800GE,线路侧支持单波长800G相干线路接口。定义从客户侧映射到线路侧的帧结构指标以及线路侧的信号指标用于实现互通性。组件层面,OIF也在讨论下一代支持更高调制速率的相干调制器技术规范OIF-HB-CDM2.0。国内方面,近日CCSA光器件工作组通过了6项800Gbps光器件行业标准的立项, 其中包括800Gbps IC-TROSA、1×800Gbps相位调制光模块。

在光、电芯片技术发展方面,800ZR的光模块产品可能会用到5nm甚至更先进制成的DSP芯片、硅基混合集成光芯片和Flip Chip工艺等先进封装技术, 相干光收发组件要能支持96/128GBaud、DP-64QAM/DP-16QAM高阶调制的信号。当波特率达到128GBd时,光芯片的带宽至少要70~80GHz,基于硅光材料的调制器可能无法支持如此高的速率,而传统III-V材料的光调制器理论上可以达到,但实现难度也会相当大。因此业界也在尝试一些新的材料与器件技术,比如薄膜铌酸锂(TFLN)。铌酸锂一直被认为是用来做光调制器的优选材料,传统的体材料铌酸锂调制器由于体积庞大且带宽受限于器件尺寸,无法支持64GBd以上的波特率应用,近年来由于薄膜铌酸锂芯片加工技术的突破,使铌酸锂调制器也可以实现小尺寸和高带宽,因此被认为是实现100GBd及以上的光调制器的潜在技术方向。此外,要实现器件级的高带宽,电驱动芯片和封装技术也是要解决的难点之一。

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