800Gbit/s光模块技术及应用

王会涛 张平化 苏展

摘要：800Gbit/s光模块场景包括SR（100m场景）、DR/FR/LR（500m/2km/10km场景）、ER/ZR（40km/80km场景）。结合商用规律和技术成熟度两个维度，提出了单模方案下沉、单波200Gbit/s来临、相干下沉3个趋势判断。预测了800Gbit/s主流模块接口形态，具体包括基于直接调制激光器（DML）/硅光（SiPh）的800Gbit/sSR8、基于电吸收调制激光器（EML）/SiPh的800Gbit/sDR4、基于EML的800Gbit/sFR4、基于EML的800Gbit/sLR8和基于相干的800Gbit/sER/ZR。

关键词：单模方案下沉;单波200Gbit/s;相干下沉

Abstract：Applicationsof800Gbit/sopticalmodulecontainSR（100mscenario），DR/FR/LR（500m/2km/10kmscenario），andER/ZR（40km/80kmscenario）.Basedonthecommerciallawandtechnologymaturity，threetrendsofsingle-modesinking，singlewavelength200Gbit/scoming，andcoherentsinkingareproposed.Theinterfaceformsof800Gbit/smainstreammodulesarepredicted，including800Gbit/sSR8basedondirectmodulationlaser（DML）/siliconphotonics（SiPh），800Gbit/sDR4basedonelectroabsorptionmodulationlaser（EML）/SiP，800Gbit/sFR4basedonEML，800Gbit/sLR8basedonEML，and800Gbit/sER/ZRbasedoncoherence.

Keywords：single-modesinking;singlewavelength200Gbit/s;coherentsinking

1市場预测和应用场景

4K虚拟现实（VR）、物联网、云计算等新业务的出现，对网络的带宽、并发率和实时性提出了更高的要求。根据Omdia预测[1]，未来几年随着带宽需求的不断提升，虽然100、200、400Gbit/s光模块仍将保有最大的市场占有量，但是800Gbit/s光模块将在2023年实现商用，在2025年实现规模部署。

如图1所示，根据800GE网络结构，对于架顶交换机（TOR）到Leaf交换机的连接距离，短的有几十米，长的可能有几百米。在这部分连接上，大型互联网公司普遍采用100Gbit/s速率的连接技术，并从2021年开始逐步换代到200Gbit/s或400Gbit/s的速率技术。一些领先的公司会在2023年开始试用800Gbit/s技术。Leaf到Spine交换机的连接，或者Spine交换机到核心路由器的连接，可能会解决一个园区内部或者相邻园区之间的互联问题。这种连接距离会达到2km，甚至10km。接口速率也将从2021年开始由100Gbit/s逐步换代到200Gbit/s或400Gbit/s速率。一些公司会在2023年开始试用800Gbit/s技术。数据中心互联（DCI）一般是指相邻几个数据中心之间负载均衡或容灾备份的连接，这种连接距离可能长达几十公里。对于这么远的距离，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以尽可能复用光纤资源。我们把800Gbit/s光模块的应用场景分为SR（100m场景）、DR/FR/LR（500m/2km/10km场景），以及ER/ZR（40km/80km场景）。

2技术方案

2.1方案概述

800Gbit/s技术方案演进包括3代。

第1代为8光8电：光接口8×100Gbit/s，电接口8×100Gbit/s，商用时间为2021年;

第2代为4光8电：光接口4×200Gbit/s，电接口8×100Gbit/s，商用时间预计为2024年;

第3代为4光4电：光接口4×200Gbit/s，电接口8×100Gbit/s，商用时间预计为2026年。

从长期来看（5年内），光/电单信道200Gbit/s技术将会实现普及;从短期来看（3年内），由于单信道200Gbit/s的光电芯片器件和均衡技术目前尚不成熟，产业界仍需要时间来突破相关技术瓶颈。

2.1.1电接口及封装

从100Gbit/s直调直检光模块发展来看，当电接口单通道速率与光接口单通道速率相同时，光模块的架构将达到最佳状态，并具有低功耗、低成本等优势。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电接口将会是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通道小型可插拔（QSFP-DD800）、八通道小型可插拔（OSFP）等不同形式。由于存在模块内走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面临诸多挑战。

2.1.2光接口

800Gbit/s光模块光接口架构主要有3种，如图2所示[3]。

（1）8×100Gbit/s4电平脉冲幅度调制（PAM4）光模块：PAM4收发器以53Gbd运行，使用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）（取决于光纤色散损失）复用器和解复用器（SR/DR应用场景不需要）。

（2）4×200Gbit/sPAM4光模块：PAM4收发器以106Gbd运行，使用4对DAC和ADC、4对光收发器（包括4个激光器），以及1对4通道CWDM或LAN-WDM（取决于光纤色散损失）复用器和解复用器（SR/DR应用场景不需要）。

（3）800Gbit/s相干光模块：在双极化十六正交振幅调制（16QAM）下以128Gbd运行。它使用4对DAC和ADC、1个激光器和1对光收发器，可以在数据中心相干光模块中使用固定波长激光器，以降低成本和功耗。

8×100Gbit/s直调直检方案可利用已有技术架构，相关技术和标准比较成熟，供应链也较为完善。在SR场景下，垂直腔面发射激光器（VCSEL）100Gbit/s技术面临挑战。提升多模方案性能和降低多模光纤成本，将成为该技术持续演进的关键因素。以硅光（SiPh）和直接调制激光器（DML）为代表的单模技术迅速发展。其中，SiPh技术发展更为迅速，未来有望在100m及以下传输距离的应用场景中与多模方案展开竞争。在DR/FR场景下，存在电吸收调制激光器（EML）、DML和SiPh3种方案。在LR场景下，有基于粗波分复用（CWDM）、细波分复用（LWDM）和窄带细波分复用（nLWDM）的800Gbit/sLR8方案，这些方案目前仍处于研究阶段。在波长选择上，由于O波段边缘波长的色散较大，LWDM8在色散代价方面优于CWDM8。目前，10km及以上距离的直调直检方案主要面临“最坏情况”色散和狭窄的色散容限匹配挑战。构建新的波长体系并压缩多通道波长范围，可使最坏情况色散相应变窄，从而简化数字信号处理（DSP）设计，降低理论功耗。例如，8×100Gbit/sPAM4直调直检方案采用800GHz间隔的LWDM方案时色散受限距离约为10km，采用400GHz间隔的nLWDM方案时色散受限距离可拓展至20km，采用200GHz间隔的nLWDM时色散受限距离可进一步拓展至40km。同时，压缩零色散点分布或飘移范围，缩小对应的色散范围，也是解决方案之一。然而，由于不同厂家光纤产品零色散点的分布并不统一，大范围压缩仍存在难度。

对于4×200Gbit/s直调直检方案，单通道200Gbit/s沿用PAM4调制码型，可利用相对成熟的PAM4产业基础条件（但也不排除新调制码型的可能性）。在4×200Gbit/sDR和FR应用场景中，目前有4路单模并行（PSM4）和CWDM4两种技术方案。这两种方案目前仍面临较多挑战，需要进一步展开研究。对于LR应用场景，有基于CWDM、LWDM，以及nLWDM的800Gbit/sLR4方案。这些方案目前仍处于研究讨论阶段，需要高带宽光电芯片器件、更强的均衡技术和前向纠错（FEC），以确保纠后的误码率（BER）。

800Gbit/s相干光模块的器件带宽需要极大提升，同时器件设计难以一步到位地实现带宽翻倍。基于96GBd器件实现的800Gbit/s相干光模块须采用更高阶的调制码型。这种方法存在光信噪比（OSNR）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，拥有更好的OSNR和传输能力，将成为800Gbit/s相干的主流实现方案。

2.1.3FEC

FEC总体分为3类[4]：端到端FEC、嵌套级联FEC和分段式FEC。

业界普遍认为，8×100Gbit/s直调直检方案在40km以内传输距离的应用，可由端到端KP4FEC来实现。而40km传输距离则有可能采用更强的FEC。

4×200Gbit/s直调直检方案因速率更高，须引入新的BER标准、新的FEC编码方式和更复杂的均衡器。IEEE802.3B400GSG（电气与电子工程师协会802.3后400Gbit/s研究组）、800GPluggableMSA（800Gbit/s可插拔多源協议）工作组已开展相关讨论。级联方式可能成为4×200Gbit/s直调直检方案的新路径。这种方式既保留了KP4FEC，避免了主芯片集成新FEC所带来的额外成本，又可通过光模块中轻量化、易实现的FEC为光链路提供额外保护，降低解码带来的功耗和时延。在纠错性能上，KP4+BCH（144，136）等多种级联内码均可在纠前误码率1～2E-3的区间基础上，使纠后范围小于1E-13。同时，目前对800Gbit/s最强烈的诉求来自OTT（指互联网运营商）数据中心与高性能计算等场景应用。这些场景对时延敏感度要求较高。低时延FEC算法成为800Gbit/s的核心诉求之一。

800Gbit/s相干包括800Gbit/sLR、800Gbit/sZR两种。因此，我们需针对不同应用场景进行FEC算法的设计。（1）800LR场景需要10km园区网络，对时延和功耗要求较高。目前，解决方案有KP4+eHamming/eBCH级联、空间耦合码FEC（XR-FEC）、集群型FEC（CFEC）、Zipper、轻量化开放FEC（OFEC）等。其中，级联方案与4×200Gbit/s直调直检级联方案有共通之处。两种路径的相通可进一步降低主芯片复杂度。（2）800ZR场景主要应用于DCI，是光互联论坛（OIF）400ZR标准的延续。800ZR采用DP-16QAM调制格式，使CFEC纠错能力受到一定挑战，可能需要多级编码（MLC）、OFEC等纠错能力更强的FEC方案。

2.1.4均衡技术[5]

为实现单通道200Gbit/s的数据传输速率，光电芯片都要进行性能升级，例如需要200Gbit/s的SerDes、带宽高于50GHz的光电芯片和器件等。从目前技术研究报道来看，带宽高于50GHz的光芯片相对容易实现。如何在带宽提升的前提下保证其他指标性能的最优是需要考虑的重点。目前，Driver和TIA电芯片带宽还不能满足速率需求，还需要具备均衡能力。在提升自身带宽的同时，这些电芯片需要实现系统级信号优化的效果。高效的均衡技术可以更大限度地放宽系统对光电器件带宽的要求。

常见的均衡技术包括前馈均衡（FFE）、判决反馈均衡（DFE）和最大似然序列均衡（MLSE）等。其中，由于实现方式简单，FFE被广泛的应用于SerDes系统和光信号DSP（oDSP）芯片中。为了缓解单通道200Gbit/s对光电器件带宽的需求，一方面可以在发端采用FFE预均衡技术以补偿发射端器件带宽，另一方面通过在oDSP施加更加强效的均衡技术来缓解带宽限制对系统性能的劣化影响。对于单波100Gbit/s标准中采用的5抽头FFE均衡，当速率提高到200Gbit/s时，FFE抽头数将增加。虽然更高性能的MLSE均衡算法也可作为解决方案，但MLSE实现方式更为复杂，所需运算量也很大，这将增加oDSP的功耗。

2.1.5标准化进展

全球多个标准化组织竞相开展800Gbit/s的标准化工作。IEEE802.3、800GPluggableMSA、100GLambdaMSA和国际光电委员会（IPEC）等均已启动800Gbit/s相关规范的制订工作，对800Gbit/s光模块的应用场景、接口规格等进行了定义。800GPluggableMSA已先后发布面向低成本、100m传输距离需求的8×100Gbit/sPSM8以及面向2km传输距离需求的4×200Gbit/sFR4规范。QSFP-DD800MSA对QSFP-DD封装向800Gbit/s的演进进行定义，并将其合并至由QSFP-DDMSA新发布的QSFP-DDSPEC6.0文件中。

2.2800Gbit/sSR场景技术方案

针对800Gbit/s短距需求，受传统多模光纤带宽限制，高波特率信号的多模传输距离被进一步压缩到50m以内，即使使用新型OM4/OM5多模光纤也很难实现100m传输距离。根据800GPluggableMSA工作组的定义，800Gbit/s在100m传输上不再采用基于VCSEL的多模方案，而是采用并行单模光纤（SMF）传输PSM8。一般可采用调制格式为PAM4（内置DSP芯片）的方式来满足800GSR的场景需求。目前，800Gbit/sSR场景技术方案具体包括基于DML/EML的方案和基于SiPh的方案，如图3和图4所示。

800Gbit/sSR8DML/EML方案：采用8×100Gbit/sDSP（未来或采用模拟时钟数据恢复单元）、同一波长DML/EML光芯片，收发两端各使用8根光纤（PSM8并行单模8通道），并且采用24芯或16芯MPO接头。

800Gbit/sSR8SiPh方案：采用8×SiPh马赫·曾德尔调制器（MZ）/连续光纤（CW）激光器（硅光作为发射端，同时调制器和光源分离），可以实现并行多路的共享光源架构。若插损控制得当，使用1～2个光源实现8路并行可使系统具有很好的成本优势。2.3800Gbit/sDR/FR场景技术方案

针对800Gbit/s500m的互联需求，8×100Gbit/s方案中的SiPh方案相比于400Gbit/s的DR4（SiPh），在降低成本方面比较有限。4×200Gbit/s方案具有更低的成本优势，同时100Gbd器件的良率还有待考察。8通道并行方案可能仍会被作为前期MSA方案。

如图5所示，800Gbit/sDR4（EML/SiPh）方案采用4×200Gbit/sDSP。光芯片采用4×EML/SiPh，为同一波长。因带宽发展受限，方案不采用DML。收发端各用4根光纤（PSM4并行单模4通道），均为同一波长，并采用12芯MPO接头。

在800Gbit/s2km（FR）互联需求方面，基于单通道200Gbit/s的PAM4技术是光强度调制和直接检测互连的下一代技术的代表，将成为4通道800Gbit/s光连接的基础。当速率从100Gbit/s升到200Gbit/s时，波特率会翻倍，灵敏度会恶化约3dB，因此，需要更強大的FEC来保持接收器较高的灵敏度（-5dBm）。

800Gbit/sFR4EML方案采用4×200Gbit/sDSP、CWDM4EML光芯片。收发两端采用合分波器，各用1根光纤（CWDM4），同时采用双朗讯（LC）接头，如图6所示。

2.4800Gbit/sLR/ER/ZR场景技术方案

在800Gbit/s10km互联需求方面，考虑到色散容限，目前业界提出4种解决方案：800Gbit/sLWDM8/nLWDM8、800Gbit/sLWDM4/nLWDM4、800Gbit/s自零差检测（SHD）相干、800Gbit/s相干。

如图7所示，800Gbit/sLR8方案采用8×100Gbit/sDSP、LWDM8EML光芯片。收发两端采用合分波器，各用1根光纤（LWDM8），并采用双LC接头。

800Gbit/sLR4方案主要采用4×200Gbit/sDSP、4×EMLLWDM4波长。接收侧使用200Gbit/sPAM4波导雪崩式光电二极管（APD）。如图8所示收发两端采用合分波器，各用1根光纤（LWDM4），同时采用双LC接头。

在波长的选择方面，目前有LWDM4（800GHz波长间隔）和nLWDM4（400GHz波长间隔）两种方案。nLWDM4方案具备色散代价更小、DSP功耗和复杂度更低的优势，但需要开发新的EML芯片。

针对800Gbit/s40km/80km场景的互联需求，业界采用的解决方案为800Gbit/s相干。该方案采用专用相干DSP、128GbdIC-TROSA，并采用双LC接头。

3800Gbit/s的发展趋势及商用策略

800Gbit/s的发展趋势包括3个方面：单模下沉、单波200Gbit/s来临、相干下沉。

（1）单模下沉。受限于多模光纤的带宽，100Gbit/sPAM4VCSEL+多模光纤的传输距离为50m。如果采用OM5光纤，那么系统成本就会增加。在未来，单模光接口方案下沉是必然趋势，而这将利好SiPh技术。

（2）单波200Gbit/s来临。虽然112GbdEML技术发展较快，目前已经有样机诞生，但是55GHz的带宽资源略显不足。200Gbit/sPAM4速率等级的SiPh调制器和硅基薄膜铌酸锂的应用前景非常广阔。

（3）相干下沉。随着传输速率的提升，相干技术方案在80km传输距离的基础上将进一步向40、20、10km等更短距离拓展应用。同时，非相干方案也在努力向长距离应用拓展。因此，两种方案在应用时会出现“相遇”的情况。两种方案的相遇将与技术方案单位比特率成本等因素密切相关。相干方案只需要一个激光器、调制器和接收器的这一事实，将使自身具备与PAM4相媲美的成本竞争力（即使光器件变得更加复杂）。PAM4会用到4个简单的激光器、调制器和接收器。即使这些器件的在800Gbit/s时比较复杂，它们也足以快速降低整个系统成本，使PAM4保持较强的竞争力。总体而言，相干和PAM4传输的竞争已经开始，未来结果如何，还需要时间来证明。

800Gbit/s光模块电接口前期为8×100Gbit/s，光接口有8×100Gbit/sPAM4、4×200Gbit/sPAM4、128GbdDP-16QAM相干3种。800Gbit/s光模块应用场景方案预测如表1所示。

单模方案下沉有助于800Gbit/sSiPh方案的光模块覆盖到海量100mSR场景。800Gbit/s-SR8/DR8采用同平台方案并按指标筛选发货，有助于降低系统平均成本。此外，SiPh光模块有可能实现非相干领域弯道超车。100Gbit/s光模块产业链百花齐放，呈现多元化现象。但是200Gbit/s产业链多元化会降低（仅有EML方案和MZ方案）。单波200Gbit/s光接口（800Gbit/s-FR4）将在800Gbit/s和1.6Tbit/s中使用。200Gbit/sPAM4EML的供方有限，并且带宽略显不足。200Gbit/sPAM4SiPh的硅光调制器和200Gbit/sPAM4薄膜铌酸锂在性能、成本和产业链多样化方面具有很好的竞争优势。

4结束语

当交换芯片速率达到51.2Tbit/s时，800Gbit/s光模块需求将产生;当交换芯片的速率达到102.4Tbit/s时，800Gbit/s和1.6Tbit/s光模块需求均将出现。根据交换芯片的演进趋势、市场需求和技术成熟度，800Gbit/s光模块将于2022年进入市场，在2025年左右实现规模应用。在早期8×100Gbit/s将成为主流方案，这将有助于400Gbit/s向800Gbit/s平滑演进。

当单通道电接口速率与光接口速率相同时，光模塊的架构将达到最佳，并具有低功耗、低成本等优势。4×200Gbit/s将是800Gbit/s光模块的理想架构，未来将成为1.6Tbit/s的实现基础。因内部封装形态受到高频信号完整性的影响，200Gbit/s每波长光模块有光电集成化的可能，而这对成本的影响还有待分析。由于波特率的提高，200Gbit/sPAM4DML带宽受限，200Gbit/sPAM410km以上长距传输的灵敏度将受到影响，而高带宽波导APD对中长距800Gbit/s的成本影响尚不明确。超短距离采用8×100Gbit/s方案，短距离采用4×200Gbit/s方案，中长距离仍采用8×100Gbit/s方案。受PAM4色散、多路径串扰（MPI）等影响，长距离采用800Gbit/s相干方案。

致谢

本研究得到中兴光电子技术有限公司沈百林、熊孝海等专家的帮助，谨致谢意！

参考文献

[1]Omdia.Datacomopticalcomponentsforecast，2020-26[EB/OL].[2021-10-15].https：//omdia.tech.informa.com/OM017740/Datacom-Opti-cal-Components-Forecast-202026

[2]800GPluggableMSA.200Gperlaneforfuture800G&1.6Tmodules[EB/OL].[2021-11-15].https：//www.800gmsa.com/documents/200g-per-lane-for-future-800g-and-16t-modules

[3]WAYW.800G：coherentversusPAM4opticaltransceiversinsidedatacenters[EB/OL].（2019-09-09）[2021-11-15].https：//www.neophoton-ics.com/800g-coherent-versus-pam4-opti-cal-transceivers-data-centers

[4]中国通信标准化协会.800Gbit/s光收发合一模块研究：2020B46[S].2020

[5]IMT-2020（5G）推进组.5G承载与数据中心光模块[R].2021

作者简介

王会涛，中兴光电子技术有限公司规划总工;长期从事光通信系统、光电子器件产品和技术的研发及规划工作;曾获得中国通信学会科技进步奖一等奖、教育部技术发明奖二等奖;拥有专利10余项。

张平化，中兴光电子技术有限公司光模块规划工程师;从事光模块规划工作。

苏展，中兴通讯股份有限公司光模块系统工程师;从事光模块的预研、研发和标准跟踪等工作。