光模塊標準進展及發(fā)展趨勢：客戶側(cè)

  本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“光通信充電寶”，作者馮振華博士，訊石經(jīng)允許略作刪改。

  今天咱們來聊聊光模塊相關(guān)的標準進展及光模塊相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，內(nèi)容上將分為兩個部分，一個是客戶側(cè)光模塊，主要面向中短距離光互連的，另一個是線路側(cè)光模塊，面向城域和長距光傳輸?shù)摹?

  下面首先介紹以太網(wǎng)的發(fā)展及速率接口演進趨勢，然后分別介紹IEEE 802.3、OIF及其它聯(lián)盟推出的最新標準，最后展望一下未來光模塊技術(shù)的演進，如板上光學(OBO)或共封裝光學(CPO)。簡單概括起來，行文思路就是客戶側(cè)光模塊從概念入門到game over。

  一、以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和演進

  馬云. 蓋茨說過“互聯(lián)網(wǎng)將改變?nèi)藗兩畹姆椒矫婷妗保瑢Σ黄鹞覍嵲谑欠植磺暹@話到底比爾蓋茨有沒有說過，但我想說的是以太網(wǎng)將改變互聯(lián)網(wǎng)生活的方方面面。過去的二十年里，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用在了企業(yè)園區(qū)，家庭寬帶，工業(yè)控制，安防監(jiān)控等領(lǐng)域，未來更大帶寬，更低時延的以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)還將進一步滲透到智能制造，智慧城市，自動駕駛，5G承載，云計算、數(shù)據(jù)中心等場景，可能無時無刻不在影響我們的生活。

圖1. 以太網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用場景

  面對新的應(yīng)用，以太網(wǎng)的速率也在不斷增長，如圖2所示，從最初的10M,100M到最近標準化的400G,接口速率已經(jīng)翻了4萬倍。進一步應(yīng)對數(shù)據(jù)中心每兩年交換機容量翻一倍的需求，于2018年，以太網(wǎng)聯(lián)盟就已經(jīng)明確了在未來的幾年內(nèi)，將推出下一代以太網(wǎng)速率，800G和1.6T。

圖2. 以太網(wǎng)速率標準演進趨勢

  為了支撐相應(yīng)的接口速率，就必須得規(guī)范對應(yīng)的光模塊技術(shù)。下面首先介紹客戶側(cè)的光模塊標準。

  二、客戶側(cè)光模塊標準

  其實我之前在公眾號里也多次提到過部分的短距光模塊相關(guān)的標準。今天再次從多個方面來匯總一下。

表1. 最新的以太網(wǎng)接口光模塊標準

  如表1所示，當前以太網(wǎng)接口規(guī)范對應(yīng)的光模塊速率、傳輸距離及電接口，目前尚未完全完成的標準主要集中在25G/50G EPON，100G FR/LR, 400G FR4/LR4-6，以及100G/400G 80km級的ZR。在此再次回顧一下之前說過的，KR,CR,SR,DR,LR,ER,ZR的意思。K表示背板互連，C表示銅線互連，S表示短距100m以上，多模光纖，D表示500m，并行單模光纖，F(xiàn)表示2km，通常是CWDM單模，L一般表示長距10km，單模光纖，E表示延長距離到40km, ZR表示80km級互連，通常要用相干探測了。字母R后面的數(shù)字一般表示并行光纖或者WDM通道的數(shù)量。不同PMD規(guī)范不同的距離，其實在光模塊技術(shù)上大致對應(yīng)了采用的激光器/調(diào)制器，如表2所示，多模的一般用VCSEL，長距一般要用EML，ZR可能需要用到相干的IQ調(diào)制，顯然隨著傳輸距離的增加，調(diào)制技術(shù)越來越復(fù)雜，也就意味著成本越來越高了。

表2. 不同PMD規(guī)范對應(yīng)的傳輸距離、媒介和復(fù)用技術(shù)

  在這些標準中，50G的PAM4調(diào)制是關(guān)鍵，得到了IEEE802.3bs, cd,cn等工作組的關(guān)注，成為50G到400G接口標準的基礎(chǔ)。其中bs,cd已經(jīng)于2017年和2018年底完成，cn系列標準將于2020年完成。

  對于最近業(yè)界關(guān)注較多的是用于DCI和CATV應(yīng)用的80km光接口相關(guān)的標準，IEEE早在2018年11月就成立了802.3ct工作組，開始標準制定。其中用于DCI的是400G/80km, CATV是100G/80km。這兩種ZR應(yīng)用中，目前業(yè)界認為只有通過數(shù)字相干技術(shù)才能實現(xiàn)80km級的高速傳輸，并且還需要利用WDM來提高單纖的容量。去年11月，IEEE ZR標準進一步細分為100G ZR (100G,80km)和400G ZR (400G, 80km)分別由802.3ct, cw工作組負責。并且IEEE 400G ZR的信道間隔從原來的100GHz更新為75GHz,這將需要更長的時間來完成標準化相關(guān)的討論。類似的，在OIF組織下，400G/最長120km的標準400ZR interop，也決定開始75GHz間隔技術(shù)標準1.1版本，之前的1.0版本是100GHz間隔。

  另外，在FR/LR這種2km/10km級別的接口標準方面，IEEE 802.3cu去年3月啟動了100GBASE FR/LR及400GBASE FR4/LR4。該系列標準的重點是引入100G PAM4調(diào)制和CWDM復(fù)用的波長網(wǎng)格。相比于50G PAM4,更高的單波速率在減小收發(fā)器件數(shù)量和降低成本方面有優(yōu)勢。 由于CWDM波長間隔20nm的寬度，如圖3所示，允許使用不制冷的激光器，進一步降低成本。顯然，引入單通道100G的技術(shù)對于實現(xiàn)高速光模塊即有利于降低成本，又能有效增強可制造性(通道數(shù)少，光模塊更容易做)。另外，802.3bs和cd工作組也采用LAN WDM波長分配方案，如圖4所示。很明顯，LAN WDM波長間隔僅為800GHz(4.5nm)，需要使用TEC控制波長漂移，但是它工作在O波段零色散附近，高速傳輸時受色散影響較小。相比之下，CWDM傳輸可能會受到較大的色散影響，特別是相比于MZM，EML還是有啁啾的影響，這對于400GBASE LR來說可能是挑戰(zhàn)，802.3也覺得這個400G只能支持到6km，即400BBASE-LR4-6。不過對于100G/lamda MSA工作組來說，它們采用了不同的波長來解決色散問題，因此MSA定義了400GBASE-LR4-6和400GBASE-LR4-10兩種規(guī)范。

圖3. CWDM的波長分配

圖4. LAN WDM的波長分配

  對于800G光接口，2019年成立了兩個MSA工作組，一個是QSFP-DD800 MSA，另一個是800G Pluggable MSA。在最新發(fā)布的800G Pluggable 白皮書中考慮可能采用單通道100G PAM4實現(xiàn)800G SR，采用單通道100G或200G來實現(xiàn)DR和FR場景。對于后續(xù)的1.6T的話，單通道200G可能是必須的。而對于LR/ER/ZR等更長距離的800G應(yīng)用，數(shù)字相干技術(shù)將是更合適的選擇。

圖6. 不同速率接口的調(diào)制方式

  從圖6可以看出，目前在400G以下速率的接口中，單通道50G PAM4和100G PAM4是主流調(diào)制方式，而對于800G以上速率，單通道200G PAM4甚至相干技術(shù)將可能占主導地位，也許三四年左右，這一需求將會出現(xiàn)。

  總體上來看，IEEE802.3只是定義了光發(fā)射機和接收機的光電方面的總體性能。具體的參數(shù)如機械尺寸，PIN引腳定義，管理接口定義等是由業(yè)內(nèi)的多源協(xié)議MSA規(guī)定的。當前，多種MSA規(guī)范的熱插拔光模塊被廣泛商用。對于100G，CFP/CFP2/CFP4和OSFP最為流行，而對于100G以上(200G/400G)業(yè)內(nèi)更傾向于QSFP-DD,OSFP，它們的封裝形態(tài)及主要參數(shù)如下圖。

圖7. 100G+客戶側(cè)模塊主流封裝形態(tài)

  不得不說，隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量不斷快速增長，交換機容量、端口密度和接口速率都將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。特別是光模塊的電口到交換機內(nèi)部的交換芯片之間的PCB走線將影響信號完整性，并且交換機面板上的功耗也會成為瓶頸。為了解決這兩方面的問題，業(yè)界也在挖掘新的機會來替代當前這種可插拔光模塊，這就是后光模塊的話題了。

  三、后光模塊時代

  叫后光模塊時代似乎有點危言聳聽的味道，但或許去光模塊將成為未來一段時間內(nèi)的趨勢。業(yè)界也有越來越多的聲音來探討以后的光模塊是怎樣的，交換機的架構(gòu)，設(shè)備形態(tài)是怎樣的。甚至18,19,20連續(xù)三年OFC上都有專題討論相關(guān)的問題，論題無非都是，可插拔光模塊是否會被廢棄?什么時候廢棄?被什么技術(shù)取代?

  全面而正確地回答上面這三個問題，會很難。我只能挑目前主流的觀點結(jié)合我自己的看法來說幾點。

圖8. 交換機容量及光模塊速率演進趨勢

  a) 當前的這種光模塊與設(shè)備的互連方式肯定會被取代，因為當前交換機的最高密度是1RU上可插32個400G光模塊，對應(yīng)的容量12.8T。數(shù)據(jù)中心交換機的容量每兩年翻一倍，兩三年后就會出現(xiàn)51.2T的需求了。假設(shè)業(yè)界那時800G光模塊已經(jīng)成熟并且尺寸功耗夠小，交換機還能變大一倍，那樣2RU下最大也就能提供51.2Tb的容量了，可是再繼續(xù)提升就幾乎不可能了，至少基于當前的可插拔模塊的路徑是走不通了。

圖9. 光模塊及光芯片組需求量預(yù)測

  b) 后光模塊技術(shù)的市場需求應(yīng)該會在2024年左右出現(xiàn)。兩方面原因，一是交換機容量到達51.2T的瓶頸會在2024年左右突顯，如圖8所示;二是Lightcounting機構(gòu)預(yù)測以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中心光模塊需求量會在2026年下降，2024年光芯片組開始起量，隨后的較長的一段時間里與光模塊競爭并成功搶占大部分市場。

  c) 后光模塊時代兩個最具競爭力的方案分別是板上光學OBO和共封裝光學CPO。下圖為三種技術(shù)對應(yīng)設(shè)備的直觀表示。其中光模塊方案，前面板上是高速電口，光模塊與交換芯片之間有較長PCB走線;板上光學OBO方案則把光模塊直接放到交換機內(nèi)部的主板上了，面板僅留光口，寬度更高，功耗更易控制，高速PCB走線縮短，信號完整性也更好;共封裝CPO則直接把光引擎(收發(fā)模塊)與電交換芯片在一個襯底上封裝成一個芯片，集中解決散熱問題，同時也可以省去很多的SerDes功能，節(jié)省功耗。

圖10. 光模塊，板上光學，共封裝三種方案設(shè)備對比

  d) 進一步的，共封裝CPO方案也可能分為兩個階段，初級階段是通過在一層介質(zhì)上把電器件和光器件進行2.5D封裝，組成多芯片模組(MCM)。終極目標是通過硅通孔實現(xiàn)3D封裝，真正意義上進行單片光、電芯片的封裝。如圖11所示。

圖11. 共封裝光學的兩種可能形態(tài)

  e) OBO和CPO兩種形狀到底能節(jié)省多少功耗呢?見下表所示，很明顯，由于簡化了SerDes，省去了CDR,DFE/CTLE/FFE等功能，CPO相比于OBO還是有顯著的功耗優(yōu)勢的，而OBO在可插拔模塊的基礎(chǔ)上也有一些功耗的降低，主要是省去了DFE，PCB走線更短，無須強均衡。而難度比較大的TSV相比于MCM在功耗上似乎也沒有太明顯的優(yōu)勢，考慮到共封裝的難度，能做個2.5D的MCM也不錯了。

表3. 25G速率時不同形態(tài)線卡功耗對比

  f) OBO和CPO雖然都有相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，如COBO，主要由交換機廠商ARISTA，BROADCOM，CISCO等領(lǐng)銜，而CPO則由數(shù)據(jù)中心運營商/互聯(lián)網(wǎng)公司微軟和Facebook領(lǐng)導，他們最近也陸續(xù)發(fā)布了一些OBO或CPO概念原型機，如Intel單片容量達1.6T，單板容量12.8T。但是這種新技術(shù)也還是面臨一些挑戰(zhàn)的，至少散熱問題很關(guān)鍵。那么多光引擎及大容量的交換芯片封裝在一個緊湊的面積下，僅風扇散熱恐怕不行，至少得上水冷吧。

  新技術(shù)可能不會馬上就能大規(guī)模商用，但是可能為期不遠。在未來的5~8年的時間內(nèi)，雖然OBO或CPO不會立馬取代現(xiàn)有的可插拔光模塊的地位，但三四年后，開始搶奪市場的趨勢還是很可能會出現(xiàn)的。雖然10年內(nèi)不會完全被某一種形態(tài)的線卡所壟斷，會存在一個由可插拔向板上再到MCM或TSV這樣的共封裝的過渡過程，對于設(shè)備商來說，早做準備還是有必要的，這種革命性的技術(shù)完全有可能較大程度上改變通信設(shè)備的形態(tài)和產(chǎn)業(yè)鏈。

  也許10年后，可插拔光模塊市場消失了呢？即使不消失，光模塊芯片組高度集成化，線卡設(shè)計工作僅剩下布局和畫PCB板了，那時候還需要你做什么呢，你又能做什么呢？