400G時(shí)代的到來

5G時(shí)代見證了新服務(wù)的出現(xiàn)，4K VR、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和云計(jì)算對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、并發(fā)率和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)流量的年均增長率仍保持在26％的高水平。

圖1-1?網(wǎng)絡(luò)流量快速增長

100GE技術(shù)在2013年出現(xiàn)，標(biāo)志著該行業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)折。因?yàn)?00GE端口無法滿足流量爆發(fā)所帶來的不斷增長的傳輸需求。如果將多個(gè)100G鏈路捆綁在一起，光纖資源將滯后于帶寬資源的增長，并且可能會出現(xiàn)負(fù)載不平衡的情況。因此，需要具有更高帶寬能力的高性能端口。于是隨著越來越多的網(wǎng)絡(luò)中使用具有更高速率的相干傳輸技術(shù)，用于遠(yuǎn)程傳輸?shù)?00G端口需要升級。

根據(jù)LightCounting在2019年10月的市場預(yù)測報(bào)告，以太網(wǎng)和WDM/OTN側(cè)的400G光互連端口的增長率遠(yuǎn)高于其他端口。

圖1-2?不同速率端口的發(fā)貨量預(yù)測

400G是下一代主流端口技術(shù)，具有顯著提高網(wǎng)絡(luò)帶寬和連接利用率的能力，可幫助運(yùn)營商和OTT客戶有效應(yīng)對數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長。

400G光互連應(yīng)用場景

通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)正在不斷發(fā)展以支持400G，三個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)組織（IEEE，ITU和OIF）已經(jīng)發(fā)布了400G標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3bs（400GE標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)）已于2015年初完成，最終版本于2017年12月完成。與此同時(shí)，ITU-T SG15著重研究了與光傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN）相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，ITU-T已完成了超越100G OTN標(biāo)準(zhǔn)化的定義。

自2013年以來，光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇（OIF）一直在從客戶端到線路端發(fā)布有關(guān)400G互連的白皮書。

隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)要求的日趨成熟，400GE引領(lǐng)了ICT行業(yè)的發(fā)展，尤其在以下三種情況下獲得了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用前景：數(shù)據(jù)中心、城域承載網(wǎng)、長距離傳大容量傳輸網(wǎng)絡(luò)。

400G數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)光模塊解決方案

背景：東西向流量的快速增長

到2021年，約70％的數(shù)據(jù)中心東西向流量將留在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，預(yù)計(jì)增長率將大大高于南北流量和數(shù)據(jù)中心之間的流量。

云計(jì)算的滲透導(dǎo)致傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心被云數(shù)據(jù)中心取代，大大提高了對高速光模塊的需求。

• 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心使用10G低速光模塊，而云數(shù)據(jù)中心主要使用100G高速光模塊。
• 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心主要傳輸南北向流量，而云數(shù)據(jù)中心主要傳輸東西向流量，從而驅(qū)動了大量的東西向連接，并顯著增加了單個(gè)服務(wù)器上光模塊的使用率。因此，主要依賴東西向流量的服務(wù)（例如機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能）需要更多的計(jì)算和存儲功能。

當(dāng)前，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心已完全采用25G/100G光互連解決方案。然而，在2018年下半年，北美的大型OTT客戶，導(dǎo)致了向50G/400G光互連解決方案的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，已有公司計(jì)劃在2020年開始部署400G解決方案。從2019年上半年開始，中國OTT客戶也開始了400G研究，在中國發(fā)起了涉及多個(gè)400G光模塊供應(yīng)商的首次400G測試。

表3-1 不同類型數(shù)據(jù)中心的比較

趨勢：單位成本和功耗更低

通常，用戶體驗(yàn)會隨應(yīng)用程序場景而變化。在長距離WDM場景中，用戶對性能更敏感，期望更長的傳輸距離和更高的頻譜效率。相反，考慮到距離，體積和功耗，短距離數(shù)據(jù)中心方案中的用戶對成本更加敏感。

圖3-1?城域綜合承載網(wǎng)架構(gòu)

英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）提出了摩爾定律，他預(yù)測微芯片上的晶體管數(shù)量每24個(gè)月翻一番，這在過去半個(gè)世紀(jì)中使半導(dǎo)體行業(yè)大為受益。還有一個(gè)光學(xué)摩爾定律適用于光電領(lǐng)域，該定律指出，短距離光學(xué)模塊每四年發(fā)展到下一代，從而使單位比特成本和功耗減少一半。

圖3-2??數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的光學(xué)摩爾定律

通過三種方法，光模塊可以達(dá)到更高的速率以滿足光學(xué)摩爾定律所描述的要求：提高光學(xué)組件的速率（更高的波特率），使用更多的通道或通過高階調(diào)制降低單位比特的傳輸成本。

圖3-3 提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)光模塊速率的技術(shù)方向

• 使用PAM4高階調(diào)制

4級脈沖幅度調(diào)制（PAM4）技術(shù)效率更高，可以有效提高帶寬利用率。PAM是不歸零（NRZ）編碼之后最流行的信號傳輸技術(shù)。

NRZ信號使用高電平和低電平來表示數(shù)字邏輯信號中的1和0，并且可以在每個(gè)時(shí)鐘周期中傳輸一位邏輯信息。相反，PAM4信號使用四個(gè)信號電平進(jìn)行傳輸，并且可以在每個(gè)時(shí)鐘周期中傳輸兩位邏輯信息（00、01、10和11）。因此，在相同的波特率下，PAM4信號的比特率是NRZ信號比特率的兩倍，使其成為400G模塊的最佳選擇，以提高傳輸效率并降低傳輸成本。

• 使用更多通道

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，具有八個(gè)以上通道（例如x10和x16）的解決方案導(dǎo)致較低的良率和較低的可靠性，而多通道（x4或x8）架構(gòu)則更具成本效益，并降低了功耗。

100G（4x25G）CWDM4和100G SR4模塊已成為上一代數(shù)據(jù)中心光互連的主流解決方案。

• 使用波特率更高的光電芯片

基于包括直接調(diào)制激光器（DML）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）在內(nèi)的25Gbaud/s光學(xué)芯片產(chǎn)業(yè)鏈，數(shù)據(jù)中心100G光學(xué)模塊采用NRZ信號和x4架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。包括DML，集成了電吸收調(diào)制激光器（EML）和VSCEL在內(nèi)的各種25Gbaud/s光學(xué)芯片正在不斷發(fā)展，以支持更高的56Gbaud/s波特率。當(dāng)前，有56Gbaud/s EML產(chǎn)業(yè)鏈可用，而56Gbaud/s DML和VCSEL芯片仍在研究中。

表3-2 數(shù)據(jù)中心對光電芯片要求

用于城域網(wǎng)的400G光模塊解決方案

背景：新服務(wù)推動5G時(shí)代的流量增長

隨著5G的快速發(fā)展，包括4K VR、物聯(lián)網(wǎng)、超高清視頻、VR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和車聯(lián)網(wǎng)（IoV）在內(nèi)的新服務(wù)對承載網(wǎng)絡(luò)提出了以下新要求：超高帶寬，多連接通道，超低延遲和高可靠性。由于城域網(wǎng)的100GE端口無法支持需要超寬帶的匯聚層和核心層，因此基于400GE的光互連解決方案是必要的。

圖4-1?5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以5G承載網(wǎng)為例。根據(jù)下一代移動網(wǎng)絡(luò)（NGMN）聯(lián)盟的帶寬評估，在城域網(wǎng)大規(guī)模5G商業(yè)化期間，接入層帶寬將發(fā)展到50GE，而核心層帶寬將發(fā)展到200GE/400GE。

表4-1?5G承載網(wǎng)光模塊帶寬要求

同時(shí)，數(shù)據(jù)中心正在從骨干層遷移到城域網(wǎng)的邊緣。因此，數(shù)據(jù)中心流量的快速增長提出了更高的帶寬要求，從而加速了數(shù)據(jù)中心互連接口的帶寬從100G升級到400G。

圖4-2?數(shù)據(jù)中心互連組網(wǎng)圖

趨勢：單位比特成本更低，可靠性更高，距離更長

在5G時(shí)代，預(yù)計(jì)5G站點(diǎn)將比4G站點(diǎn)多1.5到2倍，而城域網(wǎng)中使用的光模塊數(shù)量有望達(dá)到數(shù)千萬。光模塊成本與設(shè)備成本之比也在不斷增加，導(dǎo)致運(yùn)營商在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資中優(yōu)先考慮較低的光模塊成本。運(yùn)營商也迫切需要400GE光模塊僅需要100GE光模塊的功耗和單位比特成本的一半。另外，載波承載網(wǎng)絡(luò)比數(shù)據(jù)中心具有更高的可靠性和性能要求。

表4-2不同場景下光模塊的生命周期要求

與傳輸距離短的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)相反，傳輸距離長的城域集成承載網(wǎng)對光模塊的傳輸性能有更高的要求。

表4-3不同場景下的傳輸距離

城域集成承載網(wǎng)采用數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)場景中的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)400G的更高傳輸速率，降低單位比特的傳輸成本。

• 提高光學(xué)元件的波特率

可以通過增加光學(xué)組件的比率來提高線路容量，但是由于III-V半導(dǎo)體激光器的性能瓶頸，該方法受到限制。根據(jù)城域網(wǎng)的要求，已批量應(yīng)用了25Gbps的光學(xué)組件（DML和EML）。但是，在56Gbps級別，僅EML可用。

• 更多通道

鑒于光學(xué)組件的帶寬和性能改進(jìn)受到限制，可以并行使用多個(gè)通道來實(shí)現(xiàn)100G傳輸，如4x25G NRZ技術(shù)所示。25G組件的成熟產(chǎn)業(yè)鏈可以重復(fù)使用，以提前提供大容量解決方案，從而滿足實(shí)際應(yīng)用需求。在400G時(shí)代，多通道解決方案將是必不可少的，考慮到成本和功耗，x4或x8多通道架構(gòu)是最合適的。

• 使用高階調(diào)制

當(dāng)使用高階調(diào)制格式時(shí)，可以在不增加信號波特率的情況下提高頻譜效率，從而提高總承載率。當(dāng)前，PAM4具有25G的發(fā)射器和接收器，是業(yè)界主流的調(diào)制方式，因?yàn)樗兄趯?shí)現(xiàn)單通道50G傳輸速率，從而降低了單位比特功耗和成本。

鑒于城域集成承載網(wǎng)絡(luò)對光模塊的可靠性和性能要求很高，因此一直受業(yè)界高度重視。

• 使用更可靠的組件

在城域集成承載網(wǎng)中，光模塊主要應(yīng)用于運(yùn)營商級場景。它們要求具有10年的生命周期，在0°C至70°C的溫度范圍內(nèi)能充分工作，并采用密封包裝以確保其可靠性。降低成本對于數(shù)據(jù)中心模塊變得越來越重要，從而推動了非密封封裝技術(shù)的發(fā)展。但是，此類技術(shù)在電信級場景中仍面臨以下挑戰(zhàn)：

激光二極管（LD）的可靠性風(fēng)險(xiǎn)：非密封封裝對LD端面的涂層要求更高。

熱電冷卻器（TEC）的冷凝和化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)：LAN波分復(fù)用（LWDM）組件使用TEC進(jìn)行溫度控制。結(jié)果，LWDM組件的某些部分（TEC所在的位置）的溫度低于環(huán)境溫度，在非密封環(huán)境中存在凝露的風(fēng)險(xiǎn)，長期暴露于水蒸氣中可能會導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕。

光路污染風(fēng)險(xiǎn)：在非密封封裝和LD芯片與光口之間的空間中，非密封包裝無法避免以下問題：由于凝結(jié)和污染，光表面功率可能會發(fā)生變化；并且組件內(nèi)部的膠水可能會吸水并導(dǎo)致光路的相對位置發(fā)生變化，這也會改變光功率輸出。

• 使用高性能LWDM發(fā)射器

粗波分復(fù)用（CWDM）波長間隔為20nm，并且不需要TEC進(jìn)行冷卻，從而大大降低了成本。CWDM發(fā)射器支持2km的應(yīng)用，并且是數(shù)據(jù)中心方案的主流解決方案。與CWDM相比，LWDM具有5nm的波長間隔，并具有低色散損失和更高的傳輸性能。因此，它是城域網(wǎng)中運(yùn)營商級方案的首選。以100G/通道解決方案為例。傳輸10km之后，CWDM的色散窗口和色散損失（2.5dB）遠(yuǎn)大于LWDM（1dB）。在400G時(shí)代，CWDM無法支持10km以上的遠(yuǎn)程傳輸，因此LWDM發(fā)射器將成為城域集成承載網(wǎng)絡(luò)的主流解決方案。

• 將高性能接收器與雪崩光電二極管（APD）結(jié)合使用

通常，25G發(fā)射器的輸出功率為0–3dBm，25G PIN接收器的靈敏度約為–7dBm，無法滿足電信級光模塊的長距離（40km）傳輸要求。因此，需要高性能的APD來提高接收器的靈敏度。

表4-4?光模塊的光接口規(guī)格

• 引入相干技術(shù)

受組件性能的限制，400G PAM4解決方案不支持80km以上的遠(yuǎn)程傳輸。為了克服這一挑戰(zhàn)，應(yīng)該引入已經(jīng)成功部署在長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)上的成熟的相干技術(shù)。此外，SiP和InP集成技術(shù)以及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)不斷發(fā)展，以支持具有更低功耗的更小的相干光模塊。借助緊湊的ICT/ICR和低功耗7nm oDSP，可以實(shí)現(xiàn)400GE緊湊的QSFP-DD相干光模塊。2017年，OIF 400ZR項(xiàng)目啟動，該項(xiàng)目定義了串聯(lián)前向糾錯(cuò)（CFEC）模式和低復(fù)雜度400G-16QAM調(diào)制模式。性能和功耗都被認(rèn)為可以支持80-120km的城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

400G ZR具有低功耗和緊湊封裝，可用于城域邊緣訪問場景。但是，原始400G ZR定義的性能無法滿足城域邊緣訪問場景的要求。為了解決這個(gè)問題，一些光模塊供應(yīng)商正在采用基于400G ZR算法和FEC算法的高性能算法，以滿足200-300km的傳輸要求。但是，更高的性能會導(dǎo)致更高的功耗，進(jìn)而對系統(tǒng)的散熱造成壓力。作為響應(yīng)，一些供應(yīng)商在ZR+方案中采用CFP2封裝尺寸。

表4-5不同傳輸距離的光模塊規(guī)格

DWDM網(wǎng)絡(luò)的400G光模塊解決方案

背景：流量增長為長距離傳輸增加帶寬壓力

網(wǎng)絡(luò)流量的增長導(dǎo)致傳輸網(wǎng)絡(luò)上端口帶寬的增加。對于長距離和高帶寬傳輸，基于波分復(fù)用器（WDM）的相干傳輸技術(shù)提供了最佳解決方案。

圖5-1遠(yuǎn)程傳輸圖

隨著400G一致性解決方案的成熟，到2020年以后，對400G一致性端口的需求將迅速增長。推動400G一致性端口增長的動力有兩個(gè)：網(wǎng)絡(luò)帶寬的增長和客戶端400GE端口數(shù)量的增加。事實(shí)證明，使用一個(gè)400G波長來承載400GE服務(wù)是最經(jīng)濟(jì)高效的方法。根據(jù)LightCounting的預(yù)測報(bào)告，將在越來越多的網(wǎng)絡(luò)中使用400G相干端口，并將在未來5年內(nèi)看到最快的增長。

隨著網(wǎng)絡(luò)流量，波長總數(shù)以及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中波長的持續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商還將增加網(wǎng)絡(luò)管理和調(diào)度的靈活性要求，從而促進(jìn)可重配置光分插的大規(guī)模部署。多路復(fù)用器（ROADM）和光交叉連接（OXC）。借助波長選擇交換（WSS）技術(shù)，運(yùn)營商可以根據(jù)需要動態(tài)配置波長路徑，從而通過光路實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)連接，并減少等待時(shí)間和功耗。由于這些好處，越來越多的運(yùn)營商開始采用這種解決方案。例如，2017年，中國的運(yùn)營商在長江中下游建造了ROADM網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有多達(dá)364個(gè)波長。

靈活的速率調(diào)制和靈活的網(wǎng)格技術(shù)使DWDM網(wǎng)絡(luò)更靈活，更具彈性，而傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)使用固定的50/100GHz柵格，中心頻率和通道寬度。如果可以使用彈性調(diào)制和柵格技術(shù)，則可以根據(jù)容量和傳輸距離自定義每個(gè)端口的調(diào)制格式和通道寬度，從而提高頻譜效率和傳輸容量。

圖5-2 彈性速率和柵格，用于靈活的網(wǎng)絡(luò)配置

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化需要更靈活的線端光模塊，以支持彈性速率和彈性柵格。

趨勢：更高的光譜效率，接近香農(nóng)極限

相干光模塊在三個(gè)方向發(fā)展：

• 頻譜效率：根據(jù)oDSP算法的進(jìn)步，提高頻譜效率和單纖容量。
• 波特率：提高單波長波特率以獲得更高的單端口帶寬，從而降低單位比特成本和功耗。
• 更小的尺寸和更低的功耗：使用集成的光電組件，先進(jìn)的制造工藝和專用的oDSP算法。

由于香農(nóng)極限，64Gbaud 400G波長無法實(shí)現(xiàn)長距離光傳輸所需的性能。有必要使用更高的波特率和更復(fù)雜，更強(qiáng)大的oDSP算法，以滿足城際（區(qū)域）和長距離骨干網(wǎng)的需求。例如，對于長距離鏈路（>1000km），400G波長的波特率應(yīng)高于90Gbaud，并且oDSP中的ADC和DAC速率需要同時(shí)提高。

但是，隨著波特率的增加，光纖的傳輸代價(jià)更高，甚至更難以補(bǔ)償。因此，需要更強(qiáng)大的補(bǔ)償算法來補(bǔ)償物理通道損傷?？紤]到ROADM已被廣泛使用，端到端波長鏈路需要穿過數(shù)個(gè)甚至數(shù)十個(gè)ROADM，其中包含波長選擇開關(guān)（WSS）。WSS濾波疊加效應(yīng)使鏈路的有效帶寬變窄，從而導(dǎo)致對oDSP中的補(bǔ)償算法有更高要求。

圖5-3 多層ROADM對光通道帶寬的影響

此外，許多運(yùn)營商希望基于端口速率和傳輸距離靈活配置調(diào)制格式和波特率。例如，為400G長距離傳輸部署400G 16QAM，為數(shù)十km的城域數(shù)據(jù)中心互連部署800G 64QAM，以提高頻譜效率并降低單位比特成本。借助這種靈活的調(diào)制技術(shù)和光學(xué)層的彈性柵格，可以最大程度地提高光纖容量，從而節(jié)省了光纖投資。

結(jié)論

對更高容量，更低單位比特成本和更低功耗的需求正在推動光模塊的傳輸速率越來越高。作為上一代的主流技術(shù)，100G已進(jìn)入其生命周期的成熟和穩(wěn)定階段，單位比特成本的降低受到極大限制。

當(dāng)前，主流400G光模塊已經(jīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)場景中，例如數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，城域集成承載網(wǎng)絡(luò)以及大容量和長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)。

資料來源：hisilicon