相干光模块技术发展及标准化趋势

随着单波长传输速率的不断提高，相干光传输技术在现代光通信领域的应用越来越广泛。这种提升并不局限于传统的骨干网（>1000km），还包括城域网（100~1000km）甚至边缘接入网（<100km）。与此同时，相干技术已成为数据中心互联（DCI）应用的主流解决方案，可满足数据通信领域80~120km的传输需求。这些不断发展的应用对相干光模块系统提出了新的要求，促使相干光模块单元的发展从最初与线卡和多源协议 （MSA） 光模块的集成转向独立、标准化的可插拔光模块 。

革新光网络：可插拔相干光模块引领潮流

与部署在城域网或数据中心内的客户端光模块相比，光传输网络中使用的相干光模块通常内置或集成到线路侧配置中。这类配置存在端口密度低、物理尺寸大、功耗高和非标准化设计等缺点。长期以来，网络运营商都希望能够实现类似客户端光模块的封装方法，例如10G 网络使用 SFP+ 光模块封装，实现标准化。

互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺、数字信号处理器（DSP）芯片和集成光子技术的最新发展，为制造更小巧、低功耗的可插拔相干光模块奠定了基础。

随着发展需求的不断升级，标准化、可插拔光模块已成为光通信中线路侧业务传输的必然选择。应用于城域网和骨干网的相干光模块，在发展路径中呈现出以下关键特点：

• 高速：从 100G/200G 提升到 400G，并进一步发展到 800Gbps 速率。

• 小型化：从 100G 多源协议 （MSA） 封装形式转向 C 型可插拔 （CFP）/CFP2 数字相干检测 （DCD）/模拟相干光学 （ACO） 封装形式。当前行业又提出了400G OSFP DCO 和QSFP-DD DCO等封装标准。

• 低功耗：符合整体系统功耗的严格要求。例如，采用QSFP-DD封装的相干光模块产品，其功耗不应超过15W。

• 互操作性标准化：摒弃传统设备制造商使用专有接口板的策略，转而应用专用高阶调制技术与前向纠错（FEC）算法。当前业界正致力于提高相干光模块的互操作性，实现更高效便捷的使用。

引领 400G 标准和 OpenZR+ 的出现

目前的商用相干技术已经发展到实现单波长800G传输。然而，目前业界缺乏800G的标准化规范。相比之下，400G 相干技术已经成熟，并发布400ZR 、OpenROADM 和 OpenZR+ 等标准。

2016年，光互联论坛（OIF）推出了400ZR计划，旨在标准化高能效封装如QSFP-DD和OSFP等的可互操作相干光模块接口，推动行业的发展。OIF-400ZR封装专为数据中心互连（DCI）应用设计，能够在一定程度上牺牲传输性能，以满足15W光模块功率阈值的要求。该解决方案专注于边缘DCI应用，在客户端支持400GbE速率，传输距离覆盖80km至120km，并集成CFEC前向纠错功能。

为在OTN网络 中实现长距离传输，由AT&T等运营商主导的OpenROADM项目制定了OpenROADM多源协议（MSA）标准。这项标准面向电信运营商的可重构光分插复用器（ROADM）网络应用，采用开放式前向纠错（OFEC）算法，涵盖了100G、200G、400GbE以及OTN速率的接口，传输距离可达500km。

虽然 400ZR 和 OpenROADM 定义了用于 DCI 和电信光传输网络的可插拔相干光模块类型，但仍存在一定的局限性。例如，400ZR仅支持400GbE客户端接口，而OpenROADM主要面向电信运营商的场景。在此基础上，一些行业领先的供应商融合了 OIF-400ZR 和 OpenROADM 标准的优势，推出了一种 OpenZR+ 的新 MSA 标准。

OpenZR+ MSA 将其应用范围扩展到城域网、骨干网、DCI 和电信运营商场景。它旨在以可插拔形式（如 QSFP-DD 和 OSFP）提供增强的功能和改进的性能，确保多供应商互操作性。OpenZR+ 在保持 400ZR 的简单以太网纯主机接口的同时，引入了对 100G、200G、300G 或 400G 线路接口的支持，以适应多速率以太网和多路复用功能。借助 OpenROADM MSA 和 CableLabs 的 oFEC 标准，OpenZR+ 提高了其色散容限和编码增益。

2020 年 9 月，OpenZR+ 发布了初始公开版本的指标书。以下表格比较分析了OIF-400ZR、OpenROADM和OpenZR+这三种技术的主要性能指标。

线路侧光模块采用与客户侧相同的封装，能够简化网络架构，为网络运营商带来成本效益。这些传输光模块的设计与开放线路系统（OLS）的行业趋势相符，无需依赖外部传输系统，可直接插入路由器。这样不仅简化控制平台，还降低了成本、功耗和物理占用空间。在所示网络场景中，用户可以灵活地将符合 OpenZR+ 标准的相干光模块直接插入支持 OLS 的路由器上的端口，或者通过传输设备的客户端端口将其连接到路由器。

预测 800ZR：下一代 800G 相干可插拔技术的进步和挑战

在标准化演进趋势下，下一代超级400G相干可插拔产品预计将采用单波800G速率。目前，光互联论坛（OIF）正在讨论400ZR下一代相干技术标准的制定，暂定名为800ZR。初步考虑的目标包括支持为数据中心互连 （DCI） 场景量身定制的 80~120km（放大）密集波分复用 （DWDM） 链路，以及为园区场景提供 210km 无放大的链路。客户端接口预计为支持 2x400GE 或 1x800GE，而线路侧设置为支持单波长 800G 相干线路接口。该标准旨在定义从客户端映射到线路侧的帧结构指标，并在线路侧建立信号指标，以确保互操作性。在组件层面，光互联论坛（OIF）内部的讨论也集中在制定下一代相干调制器规范上，即 OIF-HB-CDM2.0，以满足更高的调制速率需求。

光电芯片技术取得了显著进步，即将推出的800ZR光模块产品可能会使用5nm或更先进的数字信号处理（DSP）芯片、硅基混合集成光芯片、倒装芯片技术和其他先进的封装技术。这些技术对于确保相干光模块能够有效支持96/128GBd和DP-64QAM/DP-16QAM的高阶调制信号至关重要。当波特率达到128GBd时，光芯片的带宽至少应为70~80GHz。在实现如此高速率方面，硅光调制器可能面临限制，而传统的III-V族材料光调制器虽然理论可行，实际应用中却充满挑战。因此，行业正在探索新的材料和器件技术，包括薄膜铌酸锂 （TFLN）。虽然铌酸锂长期以来一直被认为是光调制器的首选材料，但传统体材料铌酸锂调制器存在尺寸限制和带宽限制。不过，薄膜铌酸锂芯片加工技术的最新突破为制造高带宽的小型调制器提供了可能，使其成为实现 100GBd 及以上光调制器的潜在途径。除此之外，为实现器件级高带宽，开发电驱动芯片和封装技术方面也面临着诸多挑战。