400GE客户侧光收发模块的技术方案

陈苏,孙莉萍,任海兰,邹晖

(1.武汉邮电科学研究院,武汉 430074; 2.武汉光迅科技股份有限公司,武汉 430074)



400GE客户侧光收发模块的技术方案

陈苏1,2,孙莉萍2,任海兰1,邹晖2

(1.武汉邮电科学研究院,武汉 430074; 2.武汉光迅科技股份有限公司,武汉 430074)

摘要:随着数据通信及互联网的高速发展,P2P(对等)网络、在线应用及视频业务都呈现出爆炸式增长,而云计算时代的到来需要大容量、高密度的数据互联及交换处理,上述业务需求均成为超100 Gbit/s技术发展的核心驱动力。400 GE(吉比特以太网)能够在100 GE的基础上进一步提升网络容量并降低每比特的传输成本,有效地解决运营商日益面临的业务流量及网络带宽持续增长的压力,其将在数据中心得到大规模应用。文章对400 GE客户侧光模块的技术方案、传输性能、规格指标和功耗要求做了详细地介绍和分析。

关键词:400吉比特以太网;垂直腔面发射激光器;脉冲幅度调制;离散多载波技术

0　引 言

400GE(吉比特以太网)能够在100 GE的基础上进一步提升网络容量并降低每比特的传输成本,能有效地解决运营商面临的业务流量及网络带宽持续增长的压力。在今后1～2年内,在以下核心网络场景将会得以广泛应用:(1)集群路由器机框间的互联,传输范围30～100 m;(2)数据中心的设备间互联,传输范围约500 m;(3)运营商机房间的互联,传输范围约2 km;(4)城域核心网及汇聚层间的互联,传输范围10～40 km。

针对前两项的短距离应用需求,400 GE光收发模块可以采用MMF(多模光纤)传输方案;而针对后两项的中、长距离应用需求,400 GE光收发模块将采用SMF(单模光纤)传输方案。本文将分别针对这两种应用方案中400 GE光收发模块的电接口国际标准、产品的技术方案、传输实验、结论与建议进行详细地论述。

1　400 GE模块电接口的发展趋势

图1　以太网模块的电接口工业发展趋势

在高速电接口方面,OIF(光互联论坛)正在制定CEI-28 G-SR/CEI-28G-VSR(基于28 G速率芯片-模块通用电接口)标准,将以太网模块的电接口引入28 Gbit/s(下文中简称为G)时代。当前,CEI-56 G-VSR的电接口标准也已开始讨论,其技术发展可以期待。图1给出了10、40、100和400 G以及1 Tbit/s以太网模块的电接口工业发展趋势[1]。

2　应用于MMF的400 GE光收发模块技术方案

400GE MMF短距离互联光接口目前正处于Study Group技术研讨阶段,业界的解决方案可以归纳为以下几个研究方向:(1)增加并行通道数量:基于16通道25 G直接调制的VCSEL(垂直腔面发射激光器)方案;(2)引入高阶调制技术:在可行的光电带宽下采用高阶调制技术提升单通道速率的方案,如采用PAM-4(脉冲幅度调制)的8×50 G方案;(3)增加单通道速率:随着更高带宽的光电器件技术的发展与成熟,提出了基于8通道50 G直接调制的VCSEL方案。

2.116×25GNRZ(非归零)光模块方案

当前IEEE(电气和电子工程师学会(美国))正在标准化的下一代100 GE是基于25 G/28 G电接口技术平台的。在相当长的一段时间内,400 GE将同样基于25 G/28 G电接口技术平台,因此基于多路VCSEL的16×25 G将成为MMF 400 GE光互联技术的第一代方案。类似于IEEE 802.3 bm制定的100 GE BASE-SR4(基于100 GE 4通道多模光纤传输标准)方案,400 GE BASE-SR4的最大区别是将4通道变成16通道。其结构如图2所示。

图2　16×25 G NRZ光模块方案结构图

随着25 G VCSEL技术的日渐成熟,16×25 G VCSEL可以借鉴100 GE BASE-SR4接口的大部分规格指标定义[2],最大限度地利用其成熟的光电平台,有效降低器件成本,快速响应400 GE的市场需求;传输媒介为MMF OM3(万兆光纤)或者OM4,应用距离应该与100 GE BASE-SR4保持一致,即基于OM3光纤(IEC 60793-2-10type A1a.2),满足0.5～70 m应用;基于OM4光纤(IEC 60793-2-10typeA1a.3),满足0.5～100 m应用。但32通道光模块MMF接口对模块的封装尺寸、光纤阵列耦合、光接插件以及可靠性等带来了挑战。此外应考虑增加FEC(前向纠错),以有效地提升链路余量,减小光器件指标方面的压力,降低光器件的成本。

2.28×50GPAM-4光模块方案

为减少并行通道数目,提升光口密度,将单通道速率提升到50 G是下一步的研究方向,采用PAM-n是比较可行的技术选择。PAM在模块成本、封装尺寸和功耗方面具有优势,是后续向更高速率演进的有力解决方案。

高阶调制的引入对光模块的设计、测量和测试工作带来新的挑战,对光传输技术和器件提出了新的要求,主要体现在以下几个方面:(1)高阶调制对驱动器、VCSEL芯片、接收机和接收放大器等光电器件均要求具有较高的线性度;(2)高阶调制会带来更大的抖动,对信噪比要求提高,需要通过较强的FEC、均衡补偿技术来降低误码率,提高信号传输的质量;(3)由于PAM等多幅度调制要求VCSEL工作在更高的偏置电流上,因而会产生更多的功耗和热耗,可能会对器件的可靠性造成影响。

文献[3]介绍了图3所示的PAM-4调制的研究进展,其中,VCSEL的工作波长为850 nm,偏置电流为12 m A,最大带宽为24 GHz;接收机带宽约为22 GHz,速率为40/50/56/60 G;无预失真、均衡和FEC等处理。

图3　MMF PAM-4实验测试框图

2.38×50 G NRZ光模块方案

实现50 G直接调制的方案需要以下两方面的技术突破和器件成熟:(1)高带宽的VCSEL和PD(光电二极管)阵列等光器件;(2)驱动器、TIA、放大器的高速电芯片和高速电接口能否满足需求。

文献[4]报道了高速VCSEL的研究进展,设计了850 nm的高速VCSEL芯片,采用NRZ编码,实现了57 G背靠背传输、OM4光纤55 G传输50 m 和OM4光纤50 G传输100 m。50 GHz带宽VCSEL的方案是未来MMF单通道实现100 G速率传输的关键技术,但目前受限于光电器件的带宽,还需要持续投入研究。

3　应用于SMF的400 GE光收发模块技术方案

当前国内外相关厂商和标准组织都已启动了400 GE的相关研究,现有的基于SMF的光接口备选技术方案包括若干不同通道数量、不同传输速率和不同高阶编码调制格式的组合应用。相比传统的NRZ码,涉及的高阶编码调制包括PAM-n、DMT(离散多载波技术)等,下面将对这些方案进行分析和对比。

3.116×25GNRZ光模块方案

400GE光层最直接的演进思路,即扩展当前100 GE BASE-LR4/ER4(基于100 GE的远距离或超远距离SMF通信)的通道数量,保留NRZ码型,较大限度地重用现有资源,缩短标准化过程,以利于快速推出第一代标准。

基于16通道400 GE方案架构可形成如下3种演进思路:(1)扩展当前100 GE BASE-LR4/ER4 LAN-WDM(波分复用局域网)接口的波长数量,可以获得400 GE BASE-LR16/ER16。这种方案基本上可以参考现有标准,但业界需要开发新的16通道的光器件和16路波长的光合波/分波模块,而该模块的差损相对较大,同样意味着需要缩短传输距离,因此这种方案受到一定质疑。(2)直接组合使用4 个100 GE BASE-LR4/ER4模块,用4路光纤进行空分互联。这种方案不需要迫切地进行400 GE的新方案研究和标准制定,最为快速可行,但由于与100 GE没有形成差异化,因此并没有明显的密度和成本优势。(3)面向数据中心等超短距离应用,可以直接采用16通道的光纤进行25 G NRZ光信号的传输,降低器件指标并实现器件的归一化,采用新的硅光集成技术,以期降低功耗成本。由于需要使用大量的光纤资源,该方案的应用场景和传输距离都受到较多限制。

3.28×50GNRZ光模块方案

考虑到16通道方案遇到的“瓶颈”,8通道和4通道方案受到了较多关注。相比PAM-4等高阶码型引入的调制代价,NRZ码具有出色的灵敏度特性,可采用直接检测和硬判决技术,且无需复杂的信号处理,可满足业界对低成本、低功耗和高密度等光模块的需求。

为实现50 G NRZ传输,并避免引入复杂的信号处理技术和过高的传输代价,需要收发端都具备40 GHz以上的系统带宽。但这已超越了现有器件规格,特别是电芯片和接口技术以及TOSA/ROSA(光发射组件/光接收组件)的封装后带宽均无法达到。目前ROSA的TIA/AGC(自动增益控制)等典型带宽范围都在22～25 GHz,相当长一段时间内难以获得实际应用。在这种背景下,考虑引入DSP(数字信号处理)和FEC以及较为复杂的高性能均衡技术,以补偿50 G传输的系统带宽限制,但目前仍停留在理论分析和实验研究阶段。同时,由于50 G NRZ电芯片和Ser Des(串行器/解串器)接口技术尚未成熟,标准化和大规模商用仍需要较长周期,系统功耗和成本也成为“瓶颈”。即使将符号速率降低至40 G,并采用10通道架构,10×40 G NRZ仍因受到通道数、端口密度和器件成本等制约,难以成为当前400 GE的主要备选方案。

3.38×50GPAM-4光模块方案

由于400 GE要达到两倍于当前100 GE CFP2光模块的光口密度,这意味着需要在CFP相当的尺寸上实现400 GE光模块。因此基于PAM-4码型的8通道方案受到部分研究机构和工业厂商的青睐。8×50 G PAM-4方案可以基于预期的规模应用的25 G/22～25 GHz器件,以每通道50 G的传输容量解决400 GE的传输。基于AWG(阵列波导光栅)技术的8通道光合波/分波模块的插损较大,要满足数公里到十公里的400 GE应用,需要引入FEC和一定的模拟和数字均衡补偿技术。

首先模块外部采用25 G NRZ电接口与系统芯片接口,模块内部用PAM-4收发芯片完成25 G NRZ信号的接收和CDR功能;然后映射转PAM-4信号输出,经驱动器进行信号幅度的线性放大,再驱动光调制器件,8个不同波长的调制后的PAM-4光功率电平信号经过光合波器后,经400 GE模块光接口送入光纤。在反方向上,8个波长的光信号经过分波器分离后分别送PIN管进行功率电平检测, 光/电转换后的光电流经TIA/AGC匹配放大,转为PAM-4电信号并送至PAM-4接收机进行时钟恢复和接收判决;最后转换成NRZ信号输出。模块外部的系统侧,MAC/PCS/FEC芯片完成基带信号处理,包括物理编扰解码和FEC编解码[5]。

28GPAM-4采用较为成熟的25 G的器件,每个波长50 G的传输容量解决400 G的传输。目前TOSA/ROSA、TIA、DSP等器件和芯片均可以达到25 G,但由于调制代价的存在,PAM-4信号两个相邻电信号电平之间的距离为原来的1/3,因而需要引入FEC和均衡技术来进行补偿。同时传输距离需要满足10 km的应用,8个通道的设计和PAM-4的引入给光收发模块的设计尺寸、性能也带来了挑战。

3.44×100GPAM-4光模块方案

为了减少并行光通道和器件数量,降低模块成本,提高光口密度,业界提出了引入多电平调制实现单波100 G的解决方案(如高阶PAM-n),该方案具备向400 GE演进的可行性。在单波100 GE PAM-n系统架构中,发端先由CDR电路对4通道25 G电信号进行同步和数据恢复,再由FEC芯片对恢复后的信号进行编码和多电平调制。

然而,高阶PAM-n(n=8、16)的符号率较高,对器件带宽提出了更高要求,同时长距离传输情况下色散效应使得系统性能显著劣化。而PAM-4信号经10 km传输后相比PAM-8/16有更低的色散代价,显示出了较为均衡的系统要求及传输性能[5]。此外,单波100 G PAM-n方案对信噪比要求较高,需较强纠错能力的FEC技术来弥补系统信噪比不足。但引入高增益FEC的同时,也提升了编码冗余和符号率,大幅提高了对系统线性度和器件带宽的要求,包括对驱动器、调制器和接收机等光电器件的要求,使得高阶PAM-8/16系统在实际应用中受阻,也难以克服随之而来的功耗和成本问题。

3.54×100GDMT光模块方案

日本Fujitsu公司主导4×100 G DMT光模块技术方案,其主要原理如下:首先对电信号进行FEC编码,然后进行DMT编码,包括星座映射、IFFT(快速傅里叶逆变换)、加载循环前缀以及DAC(数/模转换);编码后的DMT信号经驱动放大后加载到DML上转化为光信号输出。接收端通过光电探测器进行光/电转换,获得电流信号,再经TIA/ AGC转化为所需幅度的电压信号;对该电压信号进行DMT解码,包括ADC(模/数转换)、循环前缀移除、FFT(快速傅里叶变换)以及星座解映射;最后经FEC解码获得原始的数据信号[6]。

相比其他多通道技术方案,DMT可实现单通道100 G传输,并能有效降低光通道和器件数量,从而具备了潜在的成本、功耗和封装尺寸等优势。但由于涉及高阶调制/解调以及信号处理,指标定义及测试方式不能与现有标准完全兼容。与PAM-n方案类似,DMT对驱动器、调制器和接收机等光电器件均有较高的线性度要求,且噪声容忍度差[7]。

4　结论与建议

在100GE时代,客户侧光模块在系统中的成本和功耗占比尤为突出,面临着成本、端口密度和功耗等多方面的挑战,甚至逐步成为制约100 GE规模应用的“瓶颈”。鉴于此,400 GE的光接口需要综合考虑成本、体积和功耗等多种因素。

基于MMF的高速、高密光互联方案可以满足集群路由器框间互联、数据中心短距离高密光互联等需求,具有广阔的市场前景。而针对70m/100 m MMF应用场景,由于25 G VCSEL近年来取得了突破性的进展,16×25G直调将成为400GEMMF较为可行的解决方案;而PAM和8×50GNRZ等还有待关键技术的突破和高速光电平台的升级。

面向SMF光互联应用,对单通道速率的选择(25/40/50/100 G)成为400 GE光接口实现的关键。目前,25G具有较为成熟的产业基础,能最大程度地利用现有的光电技术,降低开发成本。而8×50GPAM-4方案可基于100G器件平台,采用多电平调制提升单通道速率,进一步减少光通道和器件数量,从而降低模块成本,减小封装尺寸;PAM-4系统性能较为均衡,引入轻量级RSFEC(前向纠错RS码)能够支持2km及以上长距离传输,成为目前400 GE快速产业化的可行方案。未来采用高阶PAM-n和DM T实现N×100G光互联模块成为主要技术趋势,同时结合FEC提升传输性能,扩展应用场景,为大规模应用奠定基础。上述方案在一定程度上都需要光电集成技术的支持,以降低成本、体积和功耗。

参考文献:

[1] Chris Cole.Technology Alternatives for 400 Gb E and Beyond Optical Interfaces[C]//Workshop on Beyond 100 Gb E.Santa Clara,CA,USA:Connected World, 2011.

[2] Winzer P J.Beyond 1 0 0 GE[J].IEEE Commun Mag,2010,48(7):26-30.

[3] Szczerba K,Karout J,Westbergh P.60 Gbit/s errorfree-PAM4 operation with 850 nm VCSEL[J].Electronics Letters,2012,38(15):3-4.

[4] Westbergh P,Arabaci M,Saunders R.High-speed 850 nm VCSEL soperating error free up to 57 Gbit/s [J].Electronics Letters,2013,49(16):6-7.

[5] Toshiki Tanaka,Jansen S L,Morita I.Novel Integrated Coherent Receiver Module for 100 G Serial Transmission[C]//OFC 2010.San Diego,California,USA:OSA,2010:PDPB3.

[6] Tomoo Takahara,Yamazaki E,Kobayashi T .Research Based on DMT modulation[DB/OL].(2013-01-25) [2015-07-14].http://www.ieee802.org/3/ bm/public/jan13/takahara_01a_0113_optx.

[7] Toshiki Tanaka .Research and implementation of DMT modulation based on multi carrier modulation technology[DB/OL].(2013-05-05)[2015-07-14].http://www.ieee802.org/3/bm/public/may13/tanaka_ 01_0513_optx.

光电器件研究与应用

光电器件研究与应用

Technical Solutions to 400 GE Client-side Optical Transceiver Module

CHEN Su1,2,SUN Li-ping2,REN Hai-lan1,ZOU Hui2
(1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications,Wuhan 430074,China;
2.Accelink Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China)

Abstract:With the rapid development of data communications and the Internet,the network P2P,online applications and video services are all showing explosive growth and the advent of cloud computing era requires a large-capacity,high-density data interconnect and exchange processing,all these services have become the core driving force for the development of the N× 100 Gbit/s technology.400 GE can further enhance network capacity and reduce transmission cost per bit on the basis of 100 GE,effectively easing off the continuously growing pressure of traffic flow and network bandwidth that the operators daily face and will find large-scale applications in data centers.This article makes a detailed introduction and analysis of the technical scheme for 400 GE client side optical modules,transmission performances,specifications and power consumption requirements.

Key words:400 GE;VCSEL;PAM;DMT

中图分类号:TN256

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0051-04

收稿日期:2015-07-14

作者简介:陈苏(1990-),男,湖北武汉人。硕士研究生,研究方向为光通信有源器件与模块。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.016