相干光模組技術發展及標準化趨勢

隨着單波長傳輸速率的不斷提高，相干光傳輸技術在現代光通信領域的應用越來越廣泛。這種提升並不局限於傳統的骨幹網（>1000km），還包括城域網（100~1000km）甚至邊緣接入網（<100km）。與此同時，相干技術已成為數據中心互聯（DCI）應用的主流解決方案，可滿足數據通信領域80~120km的傳輸需求。這些不斷發展的應用對相干光模組系統提出了新的要求，促使相干光模組單元的發展從最初與線卡和多源協議 （MSA） 光模組的集成轉向獨立、標準化的可插拔光模組 。

革新光網絡：可插拔相干光模組引領潮流

與部署在城域網或數據中心內的客戶端光模組相比，光傳輸網絡中使用的相干光模組通常內置或集成到線路側配置中。這類配置存在端口密度低、物理尺寸大、功耗高和非標準化設計等缺點。長期以來，網絡運營商都希望能夠實現類似客戶端光模組的封裝方法，例如10G 網絡使用 SFP+ 光模組封裝，實現標準化。

互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝、數字信號處理器（DSP）芯片和集成光子技術的最新發展，為製造更小巧、低功耗的可插拔相干光模組奠定了基礎。

隨着發展需求的不斷升級，標準化、可插拔光模組已成為光通信中線路側業務傳輸的必然選擇。應用於城域網和骨幹網的相干光模組，在發展路徑中呈現出以下關鍵特點：

• 高速：從 100G/200G 提升到 400G，並進一步發展到 800Gbps 速率。

• 小型化：從 100G 多源協議 （MSA） 封裝形式轉向 C 型可插拔 （CFP）/CFP2 數字相干檢測 （DCD）/模擬相干光學 （ACO） 封裝形式。當前行業又提出了400G OSFP DCO 和QSFP-DD DCO等封裝標準。

• 低功耗：符合整體系統功耗的嚴格要求。例如，採用QSFP-DD封裝的相干光模組產品，其功耗不應超過15W。

• 互操作性標準化：摒棄傳統設備製造商使用專有接口板的策略，轉而應用專用高階調製技術與前向糾錯（FEC）算法。當前業界正致力於提高相干光模組的互操作性，實現更高效便捷的使用。

引領 400G 標準和 OpenZR+ 的出現

目前的商用相干技術已經發展到實現單波長800G傳輸。然而，目前業界缺乏800G的標準化規範。相比之下，400G 相干技術已經成熟，並發布400ZR 、OpenROADM 和 OpenZR+ 等標準。

2016年，光互聯論壇（OIF）推出了400ZR計劃，旨在標準化高能效封裝如QSFP-DD和OSFP等的可互操作相干光模組接口，推動行業的發展。OIF-400ZR封裝專為數據中心互連（DCI）應用設計，能夠在一定程度上犧牲傳輸性能，以滿足15W光模組功率閾值的要求。該解決方案專註於邊緣DCI應用，在客戶端支持400GbE速率，傳輸距離覆蓋80km至120km，並集成CFEC前向糾錯功能。

為在OTN網絡 中實現長距離傳輸，由AT&T等運營商主導的OpenROADM項目制定了OpenROADM多源協議（MSA）標準。這項標準面向電信運營商的可重構光分插復用器（ROADM）網絡應用，採用開放式前向糾錯（OFEC）算法，涵蓋了100G、200G、400GbE以及OTN速率的接口，傳輸距離可達500km。

雖然 400ZR 和 OpenROADM 定義了用於 DCI 和電信光傳輸網絡的可插拔相干光模組類型，但仍存在一定的局限性。例如，400ZR僅支持400GbE客戶端接口，而OpenROADM主要面向電信運營商的場景。在此基礎上，一些行業領先的供應商融合了 OIF-400ZR 和 OpenROADM 標準的優勢，推出了一種 OpenZR+ 的新 MSA 標準。

OpenZR+ MSA 將其應用範圍擴展到城域網、骨幹網、DCI 和電信運營商場景。它旨在以可插拔形式（如 QSFP-DD 和 OSFP）提供增強的功能和改進的性能，確保多供應商互操作性。OpenZR+ 在保持 400ZR 的簡單以太網純主機接口的同時，引入了對 100G、200G、300G 或 400G 線路接口的支持，以適應多速率以太網和多路復用功能。藉助 OpenROADM MSA 和 CableLabs 的 oFEC 標準，OpenZR+ 提高了其色散容限和編碼增益。

2020 年 9 月，OpenZR+ 發布了初始公開版本的指標書。以下表格比較分析了OIF-400ZR、OpenROADM和OpenZR+這三種技術的主要性能指標。

線路側光模組採用與客戶側相同的封裝，能夠簡化網絡架構，為網絡運營商帶來成本效益。這些傳輸光模組的設計與開放線路系統（OLS）的行業趨勢相符，無需依賴外部傳輸系統，可直接插入路由器。這樣不僅簡化控制平臺，還降低了成本、功耗和物理佔用空間。在所示網絡場景中，用戶可以靈活地將符合 OpenZR+ 標準的相干光模組直接插入支持 OLS 的路由器上的端口，或者通過傳輸設備的客戶端端口將其連接到路由器。

預測 800ZR：下一代 800G 相干可插拔技術的進步和挑戰

在標準化演進趨勢下，下一代超級400G相干可插拔產品預計將採用單波800G速率。目前，光互聯論壇（OIF）正在討論400ZR下一代相干技術標準的制定，暫定名為800ZR。初步考慮的目標包括支持為數據中心互連 （DCI） 場景量身定製的 80~120km（放大）密集波分復用 （DWDM） 鏈路，以及為園區場景提供 210km 無放大的鏈路。客戶端接口預計為支持 2x400GE 或 1x800GE，而線路側設置為支持單波長 800G 相干線路接口。該標準旨在定義從客戶端映射到線路側的幀結構指標，並在線路側建立信號指標，以確保互操作性。在組件層面，光互聯論壇（OIF）內部的討論也集中在制定下一代相干調製器規範上，即 OIF-HB-CDM2.0，以滿足更高的調製速率需求。

光電芯片技術取得了顯著進步，即將推出的800ZR光模組產品可能會使用5nm或更先進的數字信號處理（DSP）芯片、硅基混合集成光芯片、倒裝芯片技術和其他先進的封裝技術。這些技術對於確保相干光模組能夠有效支持96/128GBd和DP-64QAM/DP-16QAM的高階調製信號至關重要。當波特率達到128GBd時，光芯片的帶寬至少應為70~80GHz。在實現如此高速率方面，硅光調製器可能面臨限制，而傳統的III-V族材料光調製器雖然理論可行，實際應用中卻充滿挑戰。因此，行業正在探索新的材料和器件技術，包括薄膜鈮酸鋰 （TFLN）。雖然鈮酸鋰長期以來一直被認為是光調製器的首選材料，但傳統體材料鈮酸鋰調製器存在尺寸限制和帶寬限制。不過，薄膜鈮酸鋰芯片加工技術的最新突破為製造高帶寬的小型調製器提供了可能，使其成為實現 100GBd 及以上光調製器的潛在途徑。除此之外，為實現器件級高帶寬，開發電驅動芯片和封裝技術方面也面臨著諸多挑戰。