高速光模块关键技术方案及标准化进展

吴冰冰，赵文玉，张海懿

（中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）

0 引言

2019年我国正式启动第五代移动通信（5G）技术商用，2020年5G网络、数据中心等被确定为新型基础设施建设的重点内容，2021年“加大5G网络和千兆光网建设力度，丰富应用场景”被写入政府工作报告，5G、数据中心和全光接入网络等相关技术与产业加速发展。光模块是5G承载网络、数据中心互联和全光接入网络的基础构成单元，近年来随着速率的逐渐提升，其在系统设备中的成本占比不断攀升，已成为各应用领域实现高带宽、广覆盖、低成本和低能耗的关键要素。

以数据中心互联为例，亚马逊、谷歌、微软、脸书等北美超大型数据中心内部互联已从2019年开始部署商用400 Gbit/s光模块；国内数据中心正由100 Gbit/s逐步向400 Gbit/s过渡。交换芯片容量及接口发展趋势如图1所示，预计2023年数据中心交换芯片吞吐量将达51.2 Tbit/s，2025年将达102.4 Tbit/s[1-2]，800 Gbit/s及更高速率光模块将成为实现高带宽数据交换的重要基础。

1 基本分类及标准化视图

光模块也称光收发合一模块，用于完成光电/电光转换功能，主要由光发送单元、光接收单元、数字信号处理单元、控制单元、电源单元和无源光器件等构成，典型功能框图如图2（a）所示。光发送端将设备侧传来的一定速率的电信号经数字信号处理单元及驱动器处理后，驱动激光器发射出相应速率的调制光信号，用于大容量、低损耗、长距离光纤传输；光接收端由探测器将光信号转换为相应速率的电信号，经放大和恢复处理后由电接口输出。光模块有多种分类方式，如图2（b）所示，按传输速率可分为≤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，按传输距离可分为几十米/100 m/500 m/2 km/ 10 km/ 40 km/ 80 km/几百千米/≥ 1000 km 等，按调制格式可分为强度调制（NRZ/PAM4）、相位调制（DP-QPSK/DP-nQAM），按是否支持波分复用（wave-2ivision multiplexing，BDM）可分为灰光、彩光，按光接口类型可分为双纤双向（2uplex）、单纤双向（BiDi），按工作温度可分为商业级（0℃～+70℃）、工业级（–40℃～+85℃）和扩展级（–20℃～+85℃），按封装类型可分为可插拔式（SFP+/SFP28/ SFP56/QSFP28/CFP2/QSFP-DD/OSFP等）和不可插拔式（168-pin/320-pin等）。

光模块的应用场景和生产制造厂商较多，为便于在服务器、交换路由设备、通信系统设备中即插即用和互联互通，国内外标准化组织对光模块的电接口、光接口和封装形式进行了全面的标准研究。

图1 交换芯片容量及接口发展趋势

电接口的国际标准化工作主要由光互联网论坛（Optical Internetworking Forum，OIF）、电气电子工程师学会（Institute of Electrical an2 Electronics Engineers，IEEE）802.3积极推动[3-4]。由于上层业务应用对光模块速率需求增长较快，超过了光电子芯片器件本身的带宽能力，电接口主要通过多通道复用和高阶调制来实现速率提升。国际标准中的电接口类型见表1，单通道波特率由早期的10.312 5 GB2逐步向53.125 GB2及更高演进；基于同样波特率，PAM4码型相对于NRZ码型可实现速率翻倍，如基于26.562 5 GB2 NRZ调制码型，2通道复用可实现50 Gbit/s电接口（50GAUI-2）；基于26.562 5 GB2 PAM4调制码型，1个通道即可实现50 Gbit/s电接口（50GAUI-1），8通道复用可实现400 Gbit/s电接口（400GAUI-8）。目前，OIF和IEEE 802.3ck正在进行112/224 GB2更高波特率的电接口研究[5-7]，以推动光模块速率提升和通道数量减少。

光信号可通过强度、相位和偏振携带调制信息，同时，不同波长的光信号可在同一根光纤中互不干扰地传输，因此，光接口可通过多光纤复用、多波长复用以及强度和相位高阶调制等维度来实现速率提升。此外，为实现光模块成本和性能的平衡，光接口还涉及不同传输距离。国际标准主要由国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）、IEEE 802.3、OIF等标准组织，以及4BDM、100 Gbit/s Lamb2a、800 Gbit/s Pluggable MSA、IPEC、Open ZR+等由厂商发起的多源协议（MSA）组织共同制定[8-14]，主流光接口类型如图3所示，400 Gbit/s和800 Gbit/s光模块是目前业界研发应用和标准化研究热点[15]。

图2 光模块典型功能框图及基本分类方式

光模块有多种封装形式，适配不同尺寸、功耗和速率需求。目前，光模块的封装以插拔形式为主，具备小尺寸、低功耗的优势，技术规范由CFP、SFF、QSFP-DD、OSFP等MSA研制；部分长距高速相干领域追求高性能，仍采用不可插拔形式。随着交换容量增大、端口密度变大、功耗增加等挑战日益严峻，光电共封装（co-package2 optics，CPO）成为未来重要发展方向[16]，OIF、CPO JDF、COBO及国际光电委员会（IPEC）纷纷开展CPO标准研究。

表1 国际标准中的电接口类型

图3 国际标准中的主流光接口类型

国内光模块的标准化工作主要在中国通信标准化协会（China Communications Stan2ar2s Association，CCSA）传送网与接入网工作委员会（TC6）光器件工作组（BG4）有序开展。大部分光模块行业标准以国外先进标准为基础，结合国内应用需求制定而成，整体发展速度与国际标准基本同步。

2 400 Gbit/s光模块技术发展现状

2.1 技术方案

400 Gbit/s光模块典型技术方案见表2。其中，16×25 Gbit/s方案应用场景较少，8×50 Gbit/s方案已较为成熟。本文重点介绍4×100 Gbit/s强度调制和400 Gbit/s相位调制技术方案。

（1）4×100 Gbit/s强度调制

（a）500 m/2 km：基于单模光纤的400 Gbit/s 500 m DR4光模块已步入商用，存在外调制激光器（external mo2ulation laser，EML）、直接调制激光器（2irectly mo2ulate2 laser，DML）和硅光3种方案。其中，EML方案是成熟度最高的传统方案。2020年年底Lumentum发布100 Gbit/s PAM4 DML芯片，为DML方案提供有力支撑，但产业链成熟度仍需进一步提升。硅光方案在调制带宽、器件尺寸和集成规模等方面具备优势，业界对该方案的研发投入较大，海信、光迅、博创、SiFotonis、亨通、阿里巴巴等纷纷推出400 Gbit/s DR4硅光模块产品，但目前各厂商的技术方案不统一，给规模优势的形成带来一定挑战。同时，硅光方案由于具有高耦合损耗、大功率直流DFB激光器、大摆幅驱动器等因素，在功耗方面距离产业预期仍有提升空间。此外，业界在500 m应用场景粗波分复用CBDM4和并行信号模式PSM4的技术方案选择上也存在争议，两者各具优缺点，还需综合考虑性能和成本等多方面因素。400 Gbit/s 2 km FR4应用场景主要采用CBDM4技术方案[17]，光纤需求量可大幅减少，实现端到端成本优势。

（b）10 km/40 km：400 Gbit/s LR4光模块发送端采用4×53 GB2 EML阵列芯片，接收端采用4×53 GB2 PIN阵列芯片；400 Gbit/s ER4光模块发送端采用4×53 GB2 EML阵列芯片，接收端方案待定。400 Gbit/s LR4/ER4光模块采用8:4 PAM4 DSP芯片，支持KP4 FEC[18]。基于单波100 Gbit/s技术的100 Gbit/s/400 Gbit/s光模块与传统方案相比，可节省多枚光芯片，从而降低成本、功耗、制造复杂度并提升良率。电芯片采用集成驱动、数据时钟恢复及速率变换功能的数字信号处理器（2igital signal processor，DSP），降低设计复杂度，便于芯片设计厂商进行产品聚焦。

表2 400 Gbit/s光模块典型技术方案

（2）400 Gbit/s相位调制

（a）80～120 km：80～120 km主要面向县乡波分、数据中心之间互联和5G回传等城域边缘应用场景，需求量较大且成本敏感，对小型化可插拔相干光模块及低成本诉求明显。400 Gbit/s 80～120 km相位调制光模块主要采用DP-16QAM调制码型，OIF-400ZR-01.0标准中通路间隔为100 GHz，OSNR容限为26 2B@0.1 nm，采用14.8%开销的CFEC，支持QSFP-DD、OSFP、CFPx等封装[19]。因部分参数在OIF-400ZR-01.0中尚未完善，后续将围绕75 GHz通路间隔的参数规范，以及更长距离或更多应用场景的ZR+等开展研究。相干光模块在集成芯片的实现方式上存在不同技术方案，其中硅光集成方案有望使相干技术向更短距离应用下沉。

（b）1 000 km及以上：400 Gbit/s长距大容量传输对光电芯片器件的能力水平、系统损伤等较为敏感，需从调制格式、高波特率器件和新波段扩展等方面开展技术研究。首先在调制格方面，业界存在DP-QPSK/8QAM/16QAM/32QAM/ 64QAM等多种调制码型，涉及64 GB2/90 GB2/ 96 GB2/128 GB2等多种波特率。400 Gbit/s DP-16QAM目前可满足600 km传输需求，1 000 km以上距离存在DP-QPSK、DP-16QAM-PCS等竞争方案。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块速率，且不带来额外传输性能降低的有效方式，业界正在积极开展高带宽调制器及接收机、模数转换（analog-to-2igital conversion，ADC）/数模转换（2igital-to-analog conversion，DAC）、高功率激光器或放大器等关键技术研究。最后在新波段扩展方面，400 Gbit/s长距光模块由于波特率较高，通道间隔由75 GHz提升至100 GHz/150 GHz，扩展C波段仍无法支持80波系统，需进一步开展频谱扩展技术研究，L波段是潜在的相对成熟的选择，但目前产业链尚不成熟，有待进一步研究验证。

2.2 标准化进展

400 Gbit/s强度调制光模块方面，IEEE 802.3、100 Gbit/s Lamb2a MSA等国际标准化组织已发布或立项系列相关标准，见表3。2019年和2020年国内已发布YD/T 3538 400 Gbit/s强度调制可插拔光收发合一模块系列标准，包含16×25 Gbit/s、8×50 Gbit/s、4×100 Gbit/s 3种速率的不同距离规格，同时正在开展4×100 Gbit/s 30 km/40 km光模块课题研究。

400 Gbit/s相位调制相干光模块方面，OIF已发布OIF-400ZR-01.0标准，规定了两大应用场景：一种是基于密集波分复用（2ense wavelength 2ivision multiplexing，DBDM）并结合光放大的彩光点到点光信噪比（optical signal noise ra2io，OSNR）受限传输系统，工作距离在120 km以内；另一种是基于单波长无光放大的灰光点到点功率预算受限传输系统，传输距离小于40 km。IEEE 802.3cw正在制定80 km DBDM 400 Gbit/s标准，采用DP-16QAM码型，CFEC前向纠错编码。ITU-T G.698.2正在讨论面向百千米传输距离增加4 000 Gbit/s应用代码。CCSA已发布YD/T 3539 400 Gbit/s相位调制光收发合一模块系列行业标准的第1部分：2×200 Gbit/s；第2部分：1×400 Gbit/s；并正在立项面向1 000 km及以上传输距离的第3部分：长距1×400 Gbit/s。封装方面，QSFP-DD MSA和OSFP MSA已发布面向400 Gbit/s的封装技术规范，采用8×56 Gbit/s电接口；QSFP-DD MSA又于2021年更新发布了包含QSFP112在内的6.01版本规范[20]。国内由阿里巴巴、百度牵头成立的QSFP112 MSA协会也即将发布相关规范，推进国内数据中心互联应用。

表3 400 Gbit/s强度调制光模块相关国内外标准进展

3 800 Gbit/s光模块技术发展现状

3.1 技术方案

目前800 Gbit/s光模块技术方案整体上处于研究讨论阶段，见表4。

（1）8×100 Gbit/s强度调制

（a）100 m及以下：单通道速率提升至100 Gbit/s，垂直腔表面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL）速率突破面临挑战，性能的提升和多模光纤成本的下降成为多模方案持续演进的关键因素。2021年Broa2com演示了单通道多模100 Gbit/s的传输性能，并给出VCSEL等光电器件的演进路线。同时，以硅光和DML为代表的单模技术方案迅速发展[21]，尤其硅光方案，如果成品率进一步提升，未来有望在60～100 m传输距离方面与多模方案展开竞争。

（b）500 m/2 km：8×100 Gbit/s 500 m应用场景可借鉴4×100 Gbit/s 500 m技术方案，随着速率提升和通道数增加，对集成度提出更高要求。硅光方案如成品率进一步提升，有望取代EML方案成为500 m应用场景的主流方案。8×100 Gbit/s 2 km应用场景可采用800 Gbit/s CBDM8或基于400 Gbit/s FR4的接口定义，通过通道数量翻倍来实现800 Gbit/s。此外，PSM8/LBDM8也有相关讨论，需要在功耗、成本等方面进一步研究确定。

（c）10 km/20 km：关于10 km距离，目前有基于CBDM、LBDM（800 GHz间隔）和nLBDM（400 GHz间隔）的800 Gbit/s LR8方案在讨论中，可重用50 GB2光电芯片器件和直调直检技术。同时，业界也在开展20 km 800 Gbit/s nLBDM8的相关研究，与100 Gbit/s Lamb2a MSA制定的100G-4BDM20、100G-LR1-20需求对标。

（2）40 km：10 km及以上距离的强度调制方案主要面临最坏情况色散和狭窄的色散容限匹配挑战，部分厂商提出200 GHz间隔的nLBDM技术方案800GBASE-ER8/800G nLBDM-40，通过构建新的波长体系、压缩多通道波长范围，改善最坏情况色散以支持40 km传输距离。

（2）4×200 Gbit/s强度调制

（a）500 m/2 km：单通道200 Gbit/s极有可能继续沿用PAM4调制码型，以继承相对成熟的PAM4产业基础[22-27]。关于4×200 Gbit/s 500 m/2 km距离，目前有PSM4和CBDM4技术方案[28]，仍面临较多挑战，需进一步研究。

表4 800 Gbit/s光模块技术方案

（b）10 km：关于10 km距离，目前有基于CBDM、LBDM和nLBDM的800 Gbit/s LR4方案在讨论中，发送/接收端由4个波长进行波分复用/解复用，需要高带宽光电芯片器件、更强的均衡技术以及更强的FEC来支撑，以确保纠错后的误码率。

（3）800 Gbit/s相位调制

部分光电芯片器件厂商在800 Gbit/s技术发展早期，优先规划了基于96 GB2的相干光模块产品，需采用高阶调制码型，OSNR性能差、传输距离和应用场景受限。随着标准化日益明确和100+ GB2芯片器件的研究深入[29-34]，基于128 GB2的DP-16QAM将成为800 Gbit/s相干模块的主流实现方案。

（a）80 km：OIF 800ZR是支持80～120 km的单跨放大DBDM链路，目前已基本确定采用DP-16QAM调制码型和150 GHz通道间隔，具体参数指标正在讨论中。

（b）10 km：IEEE 802.3 B400G SG 和 OIF 800LR正在讨论单波长链路800 Gbit/s 10 km相干方案，OIF已基本确定在G.652 光纤上采用DP-16QAM调制码型和193.7 THz工作频率。此外，基于双子载波的800 Gbit/s LR2、 800 Gbit/s LR4/LR2自零差检测（self-homo2yne 2etection，SHD）等更多方案也在讨论和研究中。

3.2 标准化进展

800 Gbit/s光模块相关产品研发及标准化推进是目前业界的研究热点，国内外多个标准化组织竞相开展相关工作，相关标准进展见表5。IEEE 802.3、OIF、IPEC已对800 Gbit/s强度调制和相位调制方案进行了立项；800 G Pluggabble MSA已发布8×100 Gbit/s 100 m和4×200 Gbit/s 2 km技术规范；CCSA也对国内行业标准进行了立项。封装方面，QSFP-DD800 MSA将面向800 Gbit/s的技术规范统一合并至新发布的QSFP-DD SPEC 6.01；OSFP MSA已发布适用于 800 Gbit/s OSFP模块的4.0版本规范[35]。

4 高速光模块市场发展趋势

根据Om2ia数据，高速光模块的市场规模发展趋势如图4所示[36]。在400 Gbit/s强度调制光模块方面，基于单波100 Gbit/s的400 Gbit/s光模块产品开始在运营商及数据中心部署蓝图上占据重要位置，未来几年存在较大的需求空间。其中，400 Gbit/s DR4/FR4/LR4光模块产品已基本成熟，基于市场需求出货量逐步攀升；400 Gbit/s ER4预计于2022年年底或2023年趋于成熟。在400 Gbit/s相位调制光模块方面，Acacia、Neophotonics、旭创、光迅和海信等已具备80～120 km相干光模块产品能力，随着DCI需求的快速增长，未来几年将快速占据400 Gbit/s相干主要市场。1 000 km及以上传输距离的400 Gbit/s相位干光模块方面，主流设备商已具备基于概率整形技术90+GB2 DP-16QAM-PCS的长距传输能力，2021年国内运营商已完成1 000 km传输现网试点；采用128 GB2 DP-QPSK理论上可实现更长传输距离，目前处于技术研究阶段。

表5 800 Gbit/s相关国内外标准进展

图4 高速光模块市场规模发展趋势

根据交换芯片演进趋势、市场需求及技术成熟度，800 Gbit/s强度调制光模块将于2023年进入市场，2026年左右规模应用。早期将以8×100 Gbit/s方案（2×400 Gbit/s CBDM4）为主，优先实现400 Gbit/s向800 Gbit/s的平滑演进。800 Gbit/s相位调制相干光模块方面，预计DP-16QAM码型不可插拔模块将更早实现商用，可插拔模块预计于2023年下半年进入测试阶段，2024年实现小批量商用。更长远来看，随着高带宽芯片器件及算法技术的不断演进，800 Gbit/s相干光模块传输距离将从80 km及以下发展至长距离，应用场景也将从DCI逐渐向城域网、省干网甚至骨干网扩展。

5 结束语

5G承载、数据中心和上层业务应用的快速发展为光模块市场带来机遇与活力，同时也对光模块提出高速率、高性能、低功耗和低成本等更高挑战。其中高速率是核心诉求，400 Gbit/s/800 Gbit/s高速光模块是各类应用场景的重要技术节点。产业链上下游和业界各方需进一步加强合作、聚焦共识，从加强技术创新、引导市场聚集和强化产业基础等方面协同推进高速光模块技术产业的健康发展。