用于DWDM傳輸?shù)南喔晒饽K已發(fā)展了一段時間，不過通常被用于特定供應(yīng)商的封閉工程系統(tǒng)。而針對MSA和其他標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的可插拔相干模塊導(dǎo)致了相干可插拔光學(xué)工程系統(tǒng)的出現(xiàn)。IEEE802.3在ZR PMD上工作，使用DWDM進(jìn)行100G和400G的80km傳輸研究，這引起了對可插拔相干光模塊開發(fā)和部署的廣泛興趣。
如今的光接口
如今，可插拔接口的靈活性一直是以太網(wǎng)光傳輸成功的主要因素，它允許用戶擴(kuò)展帶寬，并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整成本。以400G以太網(wǎng)為例，最終用戶可以擁有廣泛的接口類型來支持每種潛在的應(yīng)用：
表1：標(biāo)準(zhǔn)400G以太網(wǎng)接口的PMD，特征和應(yīng)用
傳統(tǒng)上，可插拔光模塊的大多數(shù)應(yīng)用都落在10km及以下，因此可以通過直接連接銅纜、基于多模VCSEL或單模直接檢測光學(xué)技術(shù)進(jìn)行有效地解決。隨著數(shù)據(jù)速率的提高，信令速率穩(wěn)步提高，并且隨著400G的發(fā)展，出現(xiàn)了向更高階調(diào)制（NRZ=>PAM4）的升級。但是，絕大多數(shù)應(yīng)用都采用了傳統(tǒng)的“直接檢測”技術(shù)。
傳統(tǒng)上，基于可定制的光器件和ASIC（特殊應(yīng)用集成電路）的高性能，特定于供應(yīng)商的相干線卡模塊可以解決傳輸更長距離的問題，但是許多供應(yīng)商已經(jīng)研發(fā)出與客戶端“插槽”兼容的高性能可插拔模塊（盡管對電源，冷卻和管理的要求更高）。最初的重點是電信應(yīng)用，但是在諸如數(shù)據(jù)中心互連（DCI）等領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了一個越來越大的市場。長距離傳輸問題最好通過相干技術(shù)解決，并選用有市場潛力的高密度封裝（包括電源和冷卻），并且必須要低成本才能與市場預(yù)期保持一致。
如今的客戶側(cè)光接口
如今客戶側(cè)光模塊已有多種類型的封裝，但在客戶端界面中最受歡迎的有兩個系列，SFP系列和QSFP系列。SFP系列通常具有一條電氣通道和一條光通道，通常用于“終端設(shè)備”（例如服務(wù)器或手機(jī)基站）；而QSFP系列使用并行光通道和電氣通道（傳統(tǒng)上使用4條電氣通道，而大多數(shù)情況下，將4條光通道用作并行光學(xué)器件或?qū)胃饫w與CWDM光柵上的信號一起使用）。
當(dāng)前用于客戶端接口的最先進(jìn)的400G可插拔模塊是QSFP-DD模塊，它通常用在處理最大帶寬的交換機(jī)，路由器和傳輸設(shè)備等元件。融合了高速數(shù)字電子產(chǎn)品，寬帶和低噪聲模擬電子產(chǎn)品、DSP固件、微控制器、集成的光器件以及機(jī)械集成，所有高性能都導(dǎo)致了高成本。
需要解決幾個關(guān)鍵問題：
可插拔的電氣接口（在QSFP-DD中是雙面，雙堆棧連接器）將并行的高速電氣主機(jī)引入模塊接口。在400G以太網(wǎng)上，這通常是8條并行差分通道，這些通道使用PAM4調(diào)制，并使用高性能數(shù)字SERDES，并支持主機(jī)到模塊接口的均衡。連接器還需要提供命令/控制接口，通常這些接口基于使用協(xié)議的I2C之類的雙線接口。最新的400G QSFP-DD通常使用CMIS 4.0，這是一種針對400G的需求和應(yīng)用而設(shè)計的高級狀態(tài)協(xié)議。電源（通常在超過4A時為3.3V）經(jīng)過連接器，為模塊中的電器件和光器件提供了電源。
模塊內(nèi)部的高度集成的IC包括SERDES，現(xiàn)在通?；贒SP，支持主機(jī)和模塊之間的均衡，并提供從8通道28Gbd PAM4到4通道100x /λ（56Gbd PAM4）的多路復(fù)用和解復(fù)用）用于光接口（例如DR4和LR4）。IC需要復(fù)雜的固件，尤其是DSP代碼，并且通過微控制器協(xié)調(diào)對模塊的管理和控制，該微控制器將用于協(xié)議模塊管理的協(xié)議棧（即CMIS 4.0），所有正常的日常維護(hù)和管理（如冷卻和電源管理）整合在一起，DSP的固件加載和管理，當(dāng)然還有光器件的所有要求。光器件將由高度集成的激光器和接收器組成，這些發(fā)射器和接收器均符合諸如IEEE 802.3之類的嚴(yán)格而精確的標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)射器和接收器都需要展現(xiàn)出寬帶寬，低噪聲和良好的線性度，以應(yīng)對功率和散熱要求。
組件安裝在必須處理信號完整性問題的微型PCB上，然后全部集成到QSFP-DD封裝的苛刻體積要求中，QSFP-DD確實是一個多學(xué)科的工程奇跡。
如今的相干光模塊
相干光模塊在現(xiàn)代遠(yuǎn)程光纖通信鏈路中發(fā)揮了重要作用。它們通常專注于最高性能，并在大型固定模塊上使用定制的光器件和ASIC。
圖1：相干光模塊的演進(jìn)–從線卡到可插拔
如上圖所示，從設(shè)計的高性能線卡到開放的可互操作工程系統(tǒng)的演進(jìn)需要將許多部分整合在一起，并且還對測試，驗證和生產(chǎn)提出了許多挑戰(zhàn)。盡管供應(yīng)商生產(chǎn)了100G和200G（采用CFP和CFP2封裝）的可插拔模塊，但這種生態(tài)系統(tǒng)的最佳選擇出現(xiàn)在400GE上，在兩個不同的市場提供DCI，城域和DWDM服務(wù)。
圖2：在400G最佳領(lǐng)域出現(xiàn)的兩個不同的DCO市場
在ZR，ZR+和OpenROADM中，城域傳輸、數(shù)據(jù)中心互連空間可能會進(jìn)一步細(xì)分，盡管從中期來看，這些應(yīng)用（基于QSFP-DD和OSFP等更緊湊的封裝）將由用戶使用一種類型的模塊來解決，通過軟件和固件啟用可選操作模式。
客戶光學(xué)設(shè)備通常使用簡單的強(qiáng)度調(diào)制（傳統(tǒng)上是NRZ –開/關(guān)鍵控– OOK），但隨著400G的出現(xiàn)，PAM4調(diào)制在每通道50G及以上速率中普遍應(yīng)用。相干調(diào)制利用光的相位和偏振來提供更高的調(diào)制能力，并且由于接收器具有相位和偏振態(tài)靈敏度，因此色散補(bǔ)償也可以電器件執(zhí)行。傳統(tǒng)的調(diào)制將需要補(bǔ)償40km以上距離的鏈路分散。傳統(tǒng)客戶光學(xué)器件中使用的簡單強(qiáng)度調(diào)制非常直觀，激光器（直接調(diào)制激光器——DML或通過外部調(diào)制激光器——EML）對其光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，與數(shù)據(jù)保持一致。有時稱為開關(guān)鍵控，OOK。目前的實際上限大約為50GHz，因此28Gbd和56Gbd（100G/通道）用于市場的批量生產(chǎn)（成本合理）的設(shè)備是可行的。已經(jīng)證明了200Gb/通道的更高帶寬，但是這些技術(shù)仍然比較新。
通過相干調(diào)制，可以利用光，偏振和相位的高級屬性來提供更高的數(shù)據(jù)速率，但代價是發(fā)射器和接收器的復(fù)雜性更高。
圖3：相干傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵圖示
典型的相干和DWDM系統(tǒng)使用1550nm波段，這是最小損耗的區(qū)域，因此適合更長距離傳輸。發(fā)射器激光器發(fā)出的光（通常是可調(diào)諧的，并且是集成可調(diào)諧激光器組件的一部分– ITLA）被分成兩個路徑，然后對每個路徑進(jìn)行相位調(diào)制（IQ調(diào)制），然后將兩個路徑重組為兩個垂直偏振態(tài)。這種光子組件通常將高度集成，并可能利用硅光子技術(shù)來滿足可插拔光學(xué)封裝的密度，性能和價格要求。在大多數(shù)情況下，四個I/Q調(diào)制器將由集成在DSP中的高性能DAC驅(qū)動。這將執(zhí)行一系列編碼功能，包括成幀器，F(xiàn)EC和符號映射器，并且通常將成為IC的一部分，該IC還執(zhí)行相干接收器功能。
現(xiàn)在經(jīng)過相位，偏振和幅度調(diào)制的光信號（與更簡單的客戶端接口上的單幅值調(diào)制相反）沿著光纖鏈路傳輸，否則會受到衰減（損耗），色度和偏振色散以及其他影響會降低發(fā)射端光信噪比。
在接收器處，輸入光信號被分離為垂直偏振態(tài)，然后被分成同相和正交（I＆Q）分量，然后在該分量中被另一個（可調(diào)諧）激光器進(jìn)行異相處理，從而產(chǎn)生一個入射到光電探測器上的基帶信號。然后，所產(chǎn)生的信號被DSP的接收器部分?jǐn)?shù)字化處理，這將在下面進(jìn)行詳細(xì)描述。
可插拔相干光模塊
大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具備可插拔模塊插槽，CFP2系列在QSFP系列主導(dǎo)的電信應(yīng)用中得到了廣泛部署。由于對QSFP-DD的改進(jìn)，OSFP在某些方面也獲得了支持。
圖4：QSFP-DD/OSFP/CFP2的可插拔封裝
用于線路側(cè)傳輸?shù)南喔煽刹灏文K比典型的可插拔客戶端模塊要靈活得多。在QSFP-DD等可插拔客戶端模塊中，我們通常在模塊的入口和出口看到相同的信號結(jié)構(gòu)。整個電接口（主機(jī)）和光接口（客戶端）的幀和編碼是一致的。相反，相干的應(yīng)答器可能在主機(jī)端支持相同的結(jié)構(gòu)，但是輸出信號結(jié)構(gòu)會非常不同（例如在ZR接口上使用C-FEC（級聯(lián)FEC）的單載波相干DP-16QAM調(diào)制信號）。
客戶端和線路端編碼之間的顯著差異會影響測試范圍。在相干的CFP2-DCO應(yīng)答器中，復(fù)雜度可能更高。在電信應(yīng)用中，CFP2-DCO模塊可以支持基于以太網(wǎng)和基于多服務(wù)的客戶端。400GE，4x100GE對于以太網(wǎng)應(yīng)用具有廣泛的吸引力，而OTN和FlexO提供了滿足多種服務(wù)需求的強(qiáng)大功能，這對于電信來說是重要的應(yīng)用。
帶寬還可以根據(jù)客戶端的動態(tài)帶寬需求進(jìn)行擴(kuò)展，例如nx100G以太網(wǎng)的可擴(kuò)展性，可以從1到4個客戶端擴(kuò)展以填充400G。對于OTN主機(jī)信號，有多種選擇：1或2*帶NRZ的OTL4.4，或400G時編碼為4*OTL4.2/4*OTLC.2的PAM4，具有不同的服務(wù)能力。提到的接口反映了較早的結(jié)構(gòu)或較早的400G結(jié)構(gòu)的遷移路徑。
未來的OTN接口可以基于具有100G，200G或400G變體的FOIC（FlexO接口）技術(shù)。主機(jī)FOIC接口受KP4 FEC保護(hù)
表2：FOC標(biāo)準(zhǔn)
線路側(cè)結(jié)構(gòu)基于100G，200G和400G實體，但是不再有主機(jī)側(cè)看到的混合結(jié)構(gòu)。根據(jù)鏈路參數(shù)（例如損耗，光信號到噪聲和色散），可以使用不同的FEC來匹配所需的編碼增益，性能等。示例包括CFEC（級聯(lián)FEC），OFEC（開放式FEC）以及專有FEC 。
可插拔數(shù)字相干光模塊（DCO）需要將大型相干線卡的許多功能集成到緊湊型可插拔模塊中。它包括使用可調(diào)諧激光器的高度集成的光學(xué)相干接收器和發(fā)射器，其中許多元件通常需要諸如硅光子學(xué)之類的先進(jìn)技術(shù)。相干光學(xué)器件還需要高度集成的DSP，以提供數(shù)字相干接收器的所有功能。接收部分的框圖如下所示。
圖5：DCO的接收部分框圖
模數(shù)轉(zhuǎn)換
接收器的輸入必須以奈奎斯特頻率或更高的頻率數(shù)字化，并且由于典型的相干系統(tǒng)使用相位和極化分集，因此您至少需要4個高速的ADC。它們需要具有合適的分辨率和線性度，盡管它們將由光電二極管和跨阻放大器（TIA）進(jìn)行處理，但它們可能需要很寬的動態(tài)范圍。
DSP功能塊
DSP相干接收器需要以下功能塊：
表3：接收器側(cè)所需的數(shù)字相干模塊DSP功能
當(dāng)然，必須對所有功能進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)和實時跟蹤，因此DSP具有大型復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，通常與復(fù)雜的DSP固件交織在一起。DSP必須支持許多不同的工作模式和速率，這些模式和速率可能是ZR或ZR+等標(biāo)準(zhǔn)與特殊供應(yīng)商專有模式的混合。與簡單的客戶端模塊偶爾需要報告一些簡單的鏈路參數(shù)（例如信號丟失（LOS）或光功率）不同，DCO中的DSP必須實時報告多個復(fù)雜的參數(shù)，以便主機(jī)可以管理和跟蹤鏈路的運(yùn)行狀況。一小部分參數(shù)包括：
表4：DSP可以報告的模塊參數(shù)選擇
其他常規(guī)參數(shù)可能包括模塊狀態(tài)，工作溫度，激光參數(shù)。這些參數(shù)的管理，控制和報告（其中許多參數(shù)在制造過程中需要在波長和溫度上進(jìn)行校準(zhǔn)）要求DSP，模塊微控制器和固件以及主機(jī)接口之間緊密耦合。
模塊管理與控制
DCO模塊是完整的DWDM線卡已集成到可插拔光學(xué)元件中，管理接口是所有功能的關(guān)鍵。多年來，客戶端光學(xué)已經(jīng)使用基于簡單內(nèi)存映射協(xié)議的兩線接口（例如I2C）（SFF8636如今廣泛用于4通道模塊（例如QSFP28）），但是隨著400G類客戶端模塊的出現(xiàn)，顯而易見的是傳統(tǒng)解決方案無法滿足現(xiàn)代應(yīng)用的要求。經(jīng)過業(yè)界共同努力，CMIS4.0出現(xiàn)，成為了QSFP-DD等400G客戶光學(xué)設(shè)備的管理接口標(biāo)準(zhǔn)。DCO的管理要比客戶端光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜得多，并且業(yè)界正在為協(xié)調(diào)模塊管理尋找不同的途徑。OIF C-CMIS采取的一種方法是在CMIS 4.0的框架上構(gòu)建并添加用于相干應(yīng)用的擴(kuò)展，這是QSFP-DD和OSFP模塊的可能途徑。它們很可能已經(jīng)用于支持CMIS 4.0堆棧的主機(jī)中，因為QSFP-DD和OSFP客戶端將使用它們。另一種方法基于CFP MDIO概念，但對DCO進(jìn)行了顯著增強(qiáng)，該方法建立在用于100G和200G應(yīng)用的第一代和第二代CFP和CFP2 DCO模塊使用的基礎(chǔ)上。
圖6：DCO功能塊
可插拔相干光模塊經(jīng)歷了長時間的升級迭代，在現(xiàn)代遠(yuǎn)程光纖通信鏈路中發(fā)揮了重要作用。隨著400G的發(fā)展，400G可插拔相干光模塊擁有廣闊的前景。
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