800G光模块的应用

byfibermall

4K虚拟现实（VR）、物联网、云计算等新业务的出现对网络带宽、并发性和实时性提出了更高的要求。随着未来几年带宽需求的不断增加，虽然100、200和400Gbit/s光模块仍将占据最大的市场份额，但800Gbit/s光模块将在2025年得到大规模部署。

按照800GE网络结构，从架顶交换机（TOR）到Leaf交换机的连接距离短则几十米，长则几百米。对于这部分连接，大型互联网企业普遍采用100Gbit/s的连接技术，从2021年开始逐步升级到200Gbit/s或400Gbit/s技术，部分领先企业在2023年开始尝试800Gbit/s技术。

从Leaf到Spine交换机，或者从Spine交换机到核心路由器的连接，可以解决校园内或相邻校园之间的互联互通问题，连接距离可以达到2公里甚至10公里。接口速率从2021年开始从100G逐步升级到200G或者400G。数据中心互联（DCI）一般是指几个相邻的数据中心之间的连接，用于负载均衡或者容灾备份，连接距离可能长达几十公里，对于这么长的距离，由于光纤资源比较珍贵，人们主要采用密集波分复用加相干通信的方式，尽可能的复用光纤资源。我们将800G光模块的应用场景分为SR（100m场景）、DR/FR/LR（500m/2km/10km场景）、ER/ZR（40km/80km场景）。

技术方案

项目概述

800Gbit/s技术方案演进包括3代，第一代为8光8电方案：光接口8×100Gbit/s，电接口8×100Gbit/s，商用时间2021年；第二代为4光8电方案：光接口4×200Gbit/s，电接口8×100Gbit/s，2024年商用；第三代为4光4电方案：光接口4×200Gbit/s，电接口8×100Gbit/s，预计2026年商用。从长远来看(5年内)，光/电单通道200gbit/s技术将得到普及;短期内(3年内)，由于单通道200gbit/s光电芯片器件及均衡技术尚未成熟，行业仍需要时间突破相关技术瓶颈。

电气接口及封装

从100Gbit/s直接调制直接检测光模块的发展历程可以看出，当电接口单通道速率与光接口相同时，光模块架构将达到最优状态，具有低功耗、低成本的优势。单通道100Gbit/s电接口将是8×100Gbit/s光模块的理想电接口，单通道200Gbit/s电接口将是4×200Gbit/s光模块的理想电接口。在封装方面，800Gbit/s光模块可能存在双密度四元小尺寸可插拔(QSFPDD800)和八进制小尺寸可插拔(OSFP)等不同的封装形式。由于模块内布线和连接器损耗等因素，基于200gbit/s电接口的可插拔光模块仍然面临许多挑战。

光学接口

800Gbit/s光收发器光接口架构主要有三种类型：

8×100Gbit/s4级脉冲幅度调制（PAM4）光收发器：PAM4收发器工作在53Gbd，采用8对数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）、8个激光器、8对光收发器以及1对8通道粗波分复用器（CWDM），或基于以太网通道的波分复用（LAN-WDM）（取决于光纤色散损耗）复用器和解复用器（SR/DR应用场景不需要）

4×200Gbit/sPAM4光收发器：PAM4收发器工作在106Gbd，使用4对DAC和ADC，4对光收发器（包含4个激光器），1对4通道CWDM或LAN-WDM（根据光纤色散损耗而定）复用器和解复用器（SR/DR应用场景不需要）。

800Gbit/s相干光模块：在双偏振十六正交幅度调制（16QAM）下工作在128Gbd，使用4对DAC和ADC，1个激光器，1对光收发器，使数据中心相干光模块可以使用固定波长激光器，降低成本和功耗。

8×100Gbit/s直调直检方案可利用现有的技术架构，相关技术和标准相对成熟，供应链也比较齐全。在SR场景下，垂直腔面发射激光器（VCSEL）100Gbit/s技术面临挑战，提升多模方案性能、降低多模光纤成本将是该技术继续演进的关键因素。

以硅光子学(SiPh)和直接调制激光器(DML)为代表的单模技术发展迅速。其中，SiPh技术发展较快，有望在未来100米及以下传输距离的应用场景中与多模解决方案一较高下。在DR/FR场景中，有三种解决方案:电吸收调制激光(EML)、DML和SiPh。

在LR场景中，基于粗波分复用(CWDM)、局域网波分复用(LWDM)和窄带局域网波分复用(nLWDM)的800Gbit/sLR8方案仍处于研究阶段。在波长选择方面，由于o波段边缘波长色散较大，LWDM8在色散惩罚方面优于CWDM8。目前，10公里及以上距离的直接调整和直接检测方案主要面临“最坏情况”色散和窄色散容差匹配的挑战。

构建新的波长系统，压缩多通道波长范围，可以相应地缩小最坏色散，从而简化数字信号处理(DSP)设计，降低理论功耗。例如，8×100Gbit/sPAM4直接调制直接检测方案，在采用800GHz间隔的LWDM方案时，色散限制距离约为10km；采用400GHz间隔的nLWDM方案时，色散限制距离可以扩展到20km；采用200GHz间隔的nLWDM方案时，色散限制距离可以进一步扩展到40km。同时，压缩零色散点分布或漂移范围，减小相应的色散范围也是解决方案之一。但由于不同厂家的光纤产品零色散点分布并不均匀，实现大规模压缩仍有一定的难度。

对于4×200Gbit/s直接调制直接检测方案，单通道200Gbit/s继续使用PAM4调制码型，可以利用目前比较成熟的PAM4产业基础（但不排除有新调制码型的可能）。在4×200Gbit/sDR和FR应用场景中，目前主要有4通道单模并行（PSM4）和CWDM4两种技术方案。

这两种方案还面临很多挑战，需要进一步研究。针对LR应用场景，目前有基于CWDM、LWDM、nLWDM的800Gbit/sLR4种方案，这些方案还处于研究讨论阶段，需要高带宽的光电芯片器件、更强的均衡技术和前向纠错（FEC）来保证纠正后的误码率（BER）。800Gbit/s相干光模块的器件带宽需要大幅提升，很难一步到位实现带宽翻倍。基于96GBd器件的800Gbit/s相干光模块必须采用高阶的调制码型，这种方式存在光信噪比（OSNR）较低、传输距离和应用场景受限等缺点。基于128GBd的双偏振（DP）-16QAM相干光模块具有更优的OSNR和传输容量，将成为800Gbit/s相干的主流实现方案。

前向纠错

FEC一般分为端到端FEC、嵌套级联FEC、分段FEC三类，业界普遍认为40km传输距离内8×100Gbit/s直调直检方案的应用可以通过端到端KP4FEC实现，对于40km传输距离，可以采用更强的FEC。

4×200Gbit/s直接调制直接检测方案具有更高的速率，因此需要引入新的BER标准、新的FEC编码方法以及更复杂的均衡器。IEEE802.3B400GSG（美国电气和电子工程师协会802.3Post-400Gbit/s研究组）和800GPluggableMSA（800Gbit/s可插拔多源协议）工作组已开始相关讨论。

级联的方式或将成为4×200Gbit/s直接调制直接检测方案的一条新路径，该方式不仅保留了KP4FEC，避免了在主芯片中集成新FEC的额外成本，而且还通过光收发器中轻量级且易于实现的FEC为光链路提供了额外的保护，降低了解码带来的功耗和时延。

纠错性能方面，各种级联内码如KP4+BCH（144,136）可以在纠错前误码率范围1~2E-3的基础上，将纠错后范围缩小到1E-13以内。同时，目前800Gbit/s最强的需求来自于OTT（互联网运营商）数据中心和高性能计算场景，这些场景对时延敏感度要求很高，低时延FEC算法成为800Gbit/s最核心的需求之一。

800Gbit/s相干包括800Gbit/sLR和800Gbit/sZR，因此需要针对不同的应用场景设计FEC算法。

800LR场景需要10km的园区网，对时延和功耗要求较高，目前的方案包括KP4+eHamming/eBCH级联、空间耦合码FEC（XR-FEC）、聚类FEC（CFEC）、Zipper、轻量级开放FEC（OFEC）等。其中级联方案与4×200Gbit/s直接调制+直接检测级联方案有共同之处，两种路径之间的衔接可以进一步降低主芯片的复杂度。

800ZR场景主要应用于DCI，是光互联网络论坛（OIF）400ZR标准的延续。800ZR采用DP-16QAM调制格式，对CFEC能力提出了一定的挑战，可能需要采用纠错能力更强的FEC方案，比如多级编码（MLC）、OFEC等。

均衡技术

要实现单通道200Gbit/s的数据传输速率，光电芯片必须进行性能升级，如200Gbit/s的SerDes、带宽高于50GHz的光电芯片及器件等。从目前的技术研究报告来看，带宽高于50GHz的光芯片相对容易实现。如何在提升带宽的同时保证其他指标性能最优是需要考虑的重点。目前Driver、TIA电芯片的带宽不能满足速率要求，还需要具备均衡能力。这些电芯片在提升自身带宽的同时，需要实现系统级的信号优化效果。高效的均衡技术可以大大放宽系统对光电器件带宽的要求。

常见的均衡技术有前馈均衡（FFE）、判决反馈均衡（DFE）、最大似然序列均衡（MLSE）。其中FFE由于实现简单，在SerDes系统和光信号DSP（oDSP）芯片中得到广泛应用。

为了缓解单通道200Gbit/s对光电器件带宽的需求，一方面可以在发射端采用FFE预均衡技术，补偿发射端器件的带宽；另一方面，在oDSP中可以应用功能更强大的均衡技术，缓解带宽限制对系统性能下降的影响。

对于单波长100Gbit/s标准中使用的5抽头FFE均衡，当速率提高到200Gbit/s时，FFE抽头的数量会增加，虽然也可以采用性能更高的MLSE均衡算法作为解决方案，但MLSE实现较为复杂，计算量较大，会增加oDSP的功耗。

生成海报

免责声明：本网站内容主要来自原创、合作伙伴供稿和第三方自媒体作者投稿，凡在本网站出现的信息，均仅供参考。本网站将尽力确保所提供信息的准确性及可靠性，但不保证有关资料的准确性及可靠性，读者在使用前请进一步核实，并对任何自主决定的行为负责。本网站对有关资料所引致的错误、不确或遗漏，概不负任何法律责任。任何单位或个人认为本网站中的网页或链接内容可能涉嫌侵犯其知识产权或存在不实内容时，应及时向本网站提出书面权利通知或不实情况说明，并提供身份证明、权属证明及详细侵权或不实情况证明。本网站在收到上述法律文件后，将会依法尽快联系相关文章源头核实，沟通删除相关内容或断开相关链接。