2022年5G承載與數(shù)據(jù)中心光模塊

2019年我國正式啟動第五代移動通信（5G）技術(shù)商用，2020年5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等又被確定為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點內(nèi)容，2021年政府工作報告明確寫入“加大5G網(wǎng)絡(luò)和千兆光網(wǎng)建設(shè)力度，豐富應(yīng)用場景”，5G、數(shù)據(jù)中心和全光接入網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。光模塊是5G承載網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心互連和全光接入網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，主要完成光電/電光轉(zhuǎn)換功能，近年來隨著速率的逐漸提升，其在系統(tǒng)設(shè)備中的成本占比不斷攀升，已成為各應(yīng)用領(lǐng)域高帶寬、廣覆蓋、低成本和低能耗的關(guān)鍵要素。5G承載、數(shù)據(jù)中心和全光接入網(wǎng)絡(luò)在速率容量、傳輸距離、工作環(huán)境、光纖資源等方面對光模塊提出了差異化要求，業(yè)界存在多種光模塊解決方案。2019年和2020年，IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G承載工作組分別發(fā)布了兩版《5G承載光模塊白皮書》，對5G承載光模塊進(jìn)行了詳細(xì)研究，其中部分方案已逐步成熟并走向規(guī)模應(yīng)用。隨著5G建設(shè)的分階段持續(xù)推進(jìn)、以及數(shù)據(jù)中心和全光接入網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)出新型的光模塊應(yīng)用需求，并逐步成為業(yè)界關(guān)注的焦點。本白皮書結(jié)合5G承載、數(shù)據(jù)中心、以及全光接入網(wǎng)絡(luò)對光模塊的核心需求，研究技術(shù)方案和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)共性問題，對新型光模塊及核心光電子芯片的產(chǎn)業(yè)化能力進(jìn)行評估驗證并提出后續(xù)發(fā)展建議，推動5G承載、數(shù)據(jù)中心和全光接入光模塊產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同有序發(fā)展。 1、5G前傳光模塊是連接基帶處理單元（BBU）與遠(yuǎn)端射頻單元（RRU）/有源天線處理單元（AAU）CPRI鏈路物理承載的重要構(gòu)成部分。從2G時代的1.25Gb/s、到3G時代的2.5Gb/s、再到4G時代的6/10Gb/s，承載光模塊速率不斷演進(jìn)，傳輸距離主要包括300m、1.4km和10km等。隨著5G時代的到來，AAU天線數(shù)量實現(xiàn)8T/8R至64T/64R的8倍提升，空口帶寬由20MHz提升至100MHz，若保持CPRI切分方案，帶寬需求將出現(xiàn)10Gb/s至400Gb/s的40倍提升。為減輕帶寬壓力，業(yè)界采用eCPRI切分方案，將部分BBU基帶處理部署在AAU上，從而降低BBU與AAU之間的帶寬需求。以100MHz空口帶寬、64T/64R為例，5G前傳單接口帶寬需求下降至25Gb/s量級，可復(fù)用以太網(wǎng)成熟產(chǎn)業(yè)鏈來有效支撐。5G部署初期，三大運(yùn)營商將BBU集中，降低機(jī)房資源需求，從而實現(xiàn)快速規(guī)模部署。但集中17/Rel18）的重點將在Sub10GHz50Gb/s圖15G前傳承載需求演目前，業(yè)界正在積極探索高速率、高性價比、滿足前傳工業(yè)級溫度要求、并可保證十年以上長期可靠的下一代前傳光模塊解決方案，潛在需求如表1所示。表15G前傳新型光模塊潛在需5G中回傳接入層通常以環(huán)形拓?fù)錇橹?，分布式無線接入網(wǎng)（DRAN）典型帶寬需求為10/25/50Gb/s，CRAN典型帶寬需求為50/100Gb/s。隨著400Gb/s30/40km光模塊技術(shù)方案的日益表25G中傳新型光模塊潛在需更長遠(yuǎn)來看，隨著6G技術(shù)研究和應(yīng)用探索的不斷推進(jìn)，6G《6G無線熱點技術(shù)研究白皮書（2020）》，6G接維度與廣度方面存在巨大提升，可支持超大帶寬視頻傳輸、超低延時工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、空天地一體互聯(lián)等應(yīng)用場景，系統(tǒng)性能需支持1Tb/s峰值速率和1Gb/s用戶體驗速率、0.1ms超低延時和高移速通信、超高頻譜利用率等。6G無線接入網(wǎng)傳輸需求相比于5G空口峰值速率或?qū)⒂邪俦短嵘?，加之空天地一體互聯(lián)等新型需求，預(yù)計前傳容量將需要數(shù)十倍提升。2不斷增加，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量迅猛增長，對數(shù)據(jù)中心互連提出更高挑戰(zhàn)。以Spine-LeafCLOS架構(gòu)數(shù)據(jù)中心表3高速率方面，亞馬遜、谷歌、微軟、Facebook等北美超大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連已從201~2020年開始商用部署400Gb/s光模塊；國內(nèi)數(shù)據(jù)中心正由100Gb/s逐步向400Gb/s過渡，預(yù)計2022年實圖2低功耗方面，隨著交換芯片容量不斷提升，光模塊功耗已開始超過交換芯片功耗，成為網(wǎng)絡(luò)解決方案的關(guān)鍵因素。400Gb/s光模塊的早期功耗為10~12W，預(yù)計長期功耗將為8~10W；800Gb/s光模塊功耗約為16W左右。此外，業(yè)界期望通過將光引擎與交換芯片合封來降低互連SerDes功耗及成本，光電共封裝光引擎（CPO）技術(shù)成為業(yè)界研究熱點。低成本方面，數(shù)據(jù)中心存在海量互連需求，低成本是驅(qū)動光模塊技術(shù)方案不斷發(fā)展的主要動力之一。一是場景一中的接入線纜呈現(xiàn)多樣化趨勢，部分方案通過調(diào)整機(jī)柜布局來降低互連距離，采用更低成本的直連銅纜（DAC）替代光纜；二是數(shù)據(jù)中心光模塊運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定、更新?lián)Q代快，業(yè)界正積極探索通過降低溫度和長期可靠性等要求來降低成本；三是隨著速率不斷提升，相干方案下沉趨勢明顯，同時非相干方案也在努力向長距拓展，兩種方案在部分應(yīng)用場景中出現(xiàn)“相遇”，未來不同方案在“相遇”場景的需求占比將與成本等因素密切相關(guān)。智能化方面，隨著光模塊數(shù)量的急劇增加，OTT開始關(guān)注光模塊的運(yùn)維能力增強(qiáng)和質(zhì)量提升，通過人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)等實現(xiàn)光模塊健康度監(jiān)測、故障提前預(yù)警等，對光模塊的功能特性及規(guī)格提出了新的要求。表4數(shù)據(jù)中心之間的互連早期主要通過互聯(lián)網(wǎng)接入，隨著業(yè)務(wù)流量的增加，數(shù)據(jù)流量達(dá)到Tb/s以上，網(wǎng)絡(luò)時延、擁塞、安全等問題要求有專門的接口來支持。數(shù)據(jù)中心是高能耗產(chǎn)業(yè)，受電力供應(yīng)和周邊環(huán)境限制，單個數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不能無限制增大?，F(xiàn)代虛擬化技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得多個物理上分開的數(shù)據(jù)中心可以像一個虛擬的數(shù)據(jù)中心一樣工作，大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)可以在多個數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)之間分擔(dān)負(fù)荷、有效降低數(shù)據(jù)中心對電力供應(yīng)的要求，并便于快速部署。此外，出于容災(zāi)備份考慮，很多大型數(shù)據(jù)中心由多個站址組成，各站址之間需要大量低時延數(shù)據(jù)交互通道，以上應(yīng)用場景均對DCI互連提出強(qiáng)烈需求。DCI互連距離一般在幾km到幾十km、甚至百km以上，典型互連場景如下：a)DCI-Campus：連接距離較近的數(shù)據(jù)中心，傳輸距離通常為2km左右，并進(jìn)一步向10km更長距離拓展；b)DCI-Edge：連接區(qū)域的分布式數(shù)據(jù)中心，傳輸距離通常為80km~120km；c)Metro/LongHaul：進(jìn)一步延伸至城域和長距傳輸，距離可達(dá)幾百或千km。為充分利用光纖資源，密集波分復(fù)用技術(shù)被廣泛使用，不同傳輸距離可采用不同的調(diào)制碼型。此外，盡管不是DCI基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，無線網(wǎng)絡(luò)也正在被集成到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中。針對20km以內(nèi)的DCI互連，根據(jù)連接帶寬和光纖資源的不同，可選擇采用CWDM或DWDM直調(diào)直檢技術(shù)。針對20km~80km傳輸距離，DWDM方面存在競爭。針對80km~120km傳輸距離，DWDM和成本，基于直調(diào)直檢技術(shù)的彩光及灰光模塊也在同步研發(fā)。針對幾百km及以上傳輸距離，需要在每波長上傳輸更高速率的信號以提高總接口帶寬，相干技術(shù)為主流方案。表53隨著接入帶寬需求不斷攀升，接入網(wǎng)容量持續(xù)增長，未來5~10年光接入網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)是每戶接入速率提升至1~10Gb/s。同時，隨著5G的全面部署，出現(xiàn)5G小站等新場景，基于PON架構(gòu)的5G承載因具備大幅節(jié)省主干光纖等優(yōu)點，成為備選方案之一。因此，有線及無線接入網(wǎng)均存在對超10G光接入技術(shù)實現(xiàn)方案的潛在需求。10GPN目前已規(guī)模部署，考慮到運(yùn)營商后續(xù)演進(jìn)一般需提升4并支持10GPON的平滑演進(jìn)。鑒于此，單波50GPON目前已進(jìn)入加速研究發(fā)展階段。1、5G、25Gb/sC25Gb/sC波段波長可調(diào)諧光模塊的應(yīng)用場景以5G10Gb/s速率，后續(xù)會探討向25Gb/s速率演進(jìn)的可行性。25Gb/s波長可調(diào)諧光模塊需支持波長自動適配功能，可通過ITU-TG.698.4規(guī)定的消息通道機(jī)制實現(xiàn)。波長可調(diào)諧技術(shù)的實現(xiàn)方案較多，包括分布反饋（DFB）陣列、分布布拉格反射（DBR）、數(shù)字超模DBR（DSDBR）、調(diào)制光柵Y型激光器（MG-Ybranch），采樣光柵DBR（SGDBR）、垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）、外腔激光器（EL）硅光微環(huán)腔和V形耦合腔等，主要采用溫度控制、電流控制和機(jī)械控制等方式，技術(shù)比較見表6。表6從波長調(diào)諧范圍上，可分為全C波段可調(diào)諧和窄帶C波段部分可調(diào)諧；從調(diào)制方式上，可分為基于EML和MZM的波長可調(diào)技術(shù)，其中，EA方便與激光器芯片進(jìn)行單片集成，MZM可實現(xiàn)更高消光比、且可靈活控制啁啾系數(shù)；從接收方案上，可分為PIN接收和APD接收；從光模塊接口類型上，分為單纖雙向和雙纖雙向，匹配不同的DWDM合分波器使用。25Gb/sC波段波長可調(diào)諧光模塊的核心光電子芯片與器件包括可調(diào)諧激光器芯片、PIN/APD探測器芯片、以及Driver、TIA、CDR等電芯片。其中，可調(diào)諧激光器芯片最為核心，也是光模塊成本關(guān)鍵所在，其他芯片器件可共享25Gb/s灰光模塊產(chǎn)業(yè)鏈。除全C波段可調(diào)諧激光器芯片外，業(yè)界也在推動窄帶C波段部分可調(diào)諧激光器芯片（包括6波、12波可調(diào)諧等）的發(fā)展，并在YD/T3125.3行業(yè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方面，國內(nèi)25Gb/sDWDM光模塊、N×25Gb/sDWDM系統(tǒng)技術(shù)要求行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均已在報批流程中、即將發(fā)布。國際ITU-TG.698.x系列標(biāo)準(zhǔn)正在修訂，目前主要剩余譜偏移（spectrumexcursion）和紋波（ripples）等參數(shù)在討論中，標(biāo)準(zhǔn)修訂預(yù)計2022年完成。應(yīng)用部署方面，目前已有海信、海思、瑞泰、華工正源、II-VI等多個國內(nèi)外廠商可提供25Gb/sC波段波長可調(diào)諧光模塊樣品，其他廠商正在開發(fā)中。中國聯(lián)通已完成華為、烽火、欣諾、瑞斯康達(dá)、格林威爾和深圳震有等多家設(shè)備商的25Gb/s前傳DWDM實驗室集采測試，目前正在現(xiàn)網(wǎng)試點中。海外運(yùn)營商已經(jīng)在5G前傳領(lǐng)域開始商用25Gb/sC波段波長可調(diào)諧光模塊。O25Gb/sO波段波長可調(diào)諧光模塊主要應(yīng)用于5G前傳領(lǐng)域，12個通道波長規(guī)劃如圖3所示，1~6通道圖312通道O25b/s波段波長可調(diào)諧光模塊的功能框圖如圖4所示，發(fā)射部分的可調(diào)諧光組件（TA）需采用TEC進(jìn)行溫度穩(wěn)定，通過改變施加在IP和IF上的電流源大小調(diào)節(jié)波長輸出，PD1、PD2用于檢測相關(guān)光電流，通過穩(wěn)定PD1、PD2的比例大小對輸出光波長進(jìn)行鎖定。光模塊可采用SFP28封裝，光接口類型根據(jù)需要可實現(xiàn)單纖雙向或雙纖雙向。圖4可調(diào)諧光模塊的成本主要體現(xiàn)在可調(diào)諧DBR光組件，幾乎占整個光模塊成本的80%以上，從封裝來看可分為BOX封裝和TO同軸封裝，前者的高頻性能好且體積更小，但成本較高。光調(diào)制器主要有EAM、MZM和DML直調(diào)三種方式，其中MZM成本最高，EAM成本居中，DML直調(diào)方式成本最低、但高頻性能相對較差，眼圖質(zhì)量和傳輸距離受到限制。5G前傳領(lǐng)域?qū)Τ杀据^為敏感，在滿足應(yīng)用條件的前提下，對模塊內(nèi)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化選型極其重要。例如，波長規(guī)劃方面可結(jié)合O波段可調(diào)諧DBR光芯片波長調(diào)節(jié)范圍為十幾nm的特點，采用400GHz通道間隔的12波長通道，以兼顧應(yīng)用場景和制造成本；此外，可采用TO同軸封裝配合DML直調(diào)方式來降低成本。25Gb/sO波段波長可調(diào)諧光模塊涉及較多技術(shù)難點，如波長可調(diào)諧激光器芯片的研制和批量生產(chǎn)；帶制冷小體積DBR管芯封裝及光組件設(shè)計；低成本DBR波長鎖波和光功率監(jiān)控、穩(wěn)定、調(diào)諧機(jī)制；Pilottone調(diào)頂機(jī)制的性能和可靠性；端到端光模塊之間通信協(xié)議開發(fā)和可靠性；波長可調(diào)諧工業(yè)級溫度光模塊的低功耗和散熱實現(xiàn)；波長可調(diào)諧光模塊的低成本批量波長標(biāo)定、測試和生產(chǎn)方法等。目前，O波段波長可調(diào)諧光模塊的國際標(biāo)準(zhǔn)目前仍處于空白階段。25Gb/sO測器、以及Driver、TIA、TEC和MCU等電芯片?？商峁?5Gb/sAPD的代表性廠商有Sifotonics、Macom和光迅等；采用DML調(diào)制方式的電芯片供應(yīng)商有Maxim、Macom、Semtech等，采用EML調(diào)制方式的電芯片供應(yīng)商有Macom、Semtech等。TEC溫度控制芯片主要供應(yīng)商有Maxim、AD、MPS等；MCU芯片主要提供商有ADI等。國內(nèi)在O波段波長可調(diào)諧光電芯片的研制開發(fā)領(lǐng)域仍需大量工作，目前已有部分廠商開始試制O波段25Gb/sDBR激光器芯片。應(yīng)用探索方面，25Gb/sO波段波長可調(diào)諧光模塊目前整體處于設(shè)計研發(fā)階段，預(yù)計2022年制作樣機(jī)及α樣品，2023年制作β樣品并實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，未來的具體應(yīng)用將依賴業(yè)界對于前傳方案的綜合評估。、基于單波100Gb/s的100/400Gb/s5G承載與數(shù)據(jù)中心建設(shè)對光模塊高速率、小尺寸、低成本和低功耗提出強(qiáng)烈訴求。單波100Gb/s技術(shù)可有效借助光電芯片的帶寬提升和迭代演進(jìn)，以及高度集成的工藝與封裝，在滿足同等帶寬需求、降低光學(xué)復(fù)雜性的同時，實現(xiàn)更高接口密度和低成本。國際標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.3和100GLambdaMSA已經(jīng)發(fā)布或立項系列基于單波100Gb/s的100/400Gb/s相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如表7所示。國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，CCSA正在制定《100Gb/s單波長光收發(fā)合一模塊》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包含DR（500m）、FR1（2km）、LR1（10km）、LR1-20（20km）、ER1-30/40（30/40km）距離規(guī)格；2020年已發(fā)布YD/T3538.3-2020《400Gb/s強(qiáng)度調(diào)制可插拔光收發(fā)合一模塊第3部分：4×100Gb/s》，包括DR4（500m）、FR4（2km）距離規(guī)格；同時，積極開展4×100Gb/s強(qiáng)度調(diào)制長距光模塊和100GBaud及以上高速光器件等研究課題。表7基于單波100Gb/s的100/400Gb/s封裝方面，QSFP-DDMSA和OSFPMSA已分別發(fā)布400Gb/s的QSFP-DD和OSFP規(guī)范，采用8×56Gb/s電接口。QSFP-DDMSA又于2021年更新發(fā)布了包含400Gb/sQSFP112在內(nèi)的6.01版本規(guī)范。國內(nèi)由阿里巴巴、百度牽頭成立的QSFP112MSA也即將發(fā)布相關(guān)規(guī)范，推進(jìn)國內(nèi)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應(yīng)用。（1）500m/2km100/400Gb/s如圖5所示，第一代基于單波100Gb/s的400Gb/s光模塊主要基于8×56Gb/s電接口，需采用DSP實現(xiàn)8：4Gearbox速率變換。第二代400Gb/s光模塊采用4×112Gb/s電接口，可簡化交換芯片與光模塊的對接，從而可降低功耗和成本。圖5第一代和第二代基于單波100Gb/s的400Gb/s在光接口技術(shù)方面，基于單模光纖的400Gb/smDR4光模塊已步入商用，存在EML、DML和硅光三類方案。其中，EML方案是成熟度最高的傳統(tǒng)方案。2020年底Lumentum發(fā)布100Gb/sPAM4DML芯片，為DML方案提供有力支撐，該方案需通過溫控來保障商溫（0~70℃）下的帶寬性能。電芯片方面，早期業(yè)界缺乏單波100Gbs/sPAM4DML配套電芯片，目前英思嘉、傲科等已推出Driver、TIA相關(guān)產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度仍需進(jìn)一步提升。硅光方案的投資和研發(fā)熱情較高，海信、光迅、博創(chuàng)、SiFotonis、亨通等均推出了400Gb/sDR4硅光模塊產(chǎn)品，阿里巴巴也發(fā)布了自研的硅光模塊。業(yè)內(nèi)各廠家的硅光方案并不統(tǒng)一、呈現(xiàn)碎片化，對規(guī)模優(yōu)勢的形成帶來一定挑戰(zhàn)。硅光方案由于高耦合損耗、大功率CWDFB激光器、大擺幅驅(qū)動器等因素，在功耗方面距離產(chǎn)業(yè)預(yù)期仍有差距。此外，業(yè)界在500m應(yīng)用場景CWDM4和PSM4的技術(shù)方案選擇上也存在爭議，兩者各具優(yōu)缺點，還需綜合考慮性能和成本等多方面因素。表8400Gb/s500mDR4400Gb/sDR4+光模塊將傳輸距離進(jìn)一步擴(kuò)展到2km，目前以EML方案為主。100Gb/sDR100Gb/sFR1光模塊主要采用QSFP28封裝，分別與400Gb/sDR4、400Gb/sDR4+光模塊配套使用于500m和2km分支線纜（BreakoutCable）場景。Breakout場景目前在北美大型OTT中有相關(guān)應(yīng)用，優(yōu)點是可提供業(yè)務(wù)信號互聯(lián)互通的實用性和靈活性、有效提升端口密集度；缺點是維護(hù)復(fù)雜、模塊種類增多，任一鏈路出現(xiàn)故障或更換會影響其他鏈路。400Gb/s2kmFR4應(yīng)用場景主要采用CWDM4技術(shù)方案，光纖需求量可大幅減少，實現(xiàn)端到端成目前，基于單波100Gb/s的100/400Gb/s光模塊產(chǎn)品國內(nèi)外已有多家廠商實現(xiàn)量產(chǎn)，但核心光電子芯片器件仍以國外領(lǐng)先廠商為主，國內(nèi)開始進(jìn)行相關(guān)探索。表9100Gb/sDR/FR1和400Gb/sDR4/DR4+/FR4表10100/400Gb/s500m/2km（2）10km/40km100/400Gb/s10km/40km100/400Gb/s光模塊的主流技術(shù)方案如表11所示。100Gb/sLR153GBaudEML芯片，有BOX和TO兩種封裝方案，后者具備低成本優(yōu)勢，但帶寬裕量偏小、良率略低。53GBaud非致冷EML具有低成本、低功耗優(yōu)勢，目前在2km及以下場景有應(yīng)用，10km距離有待進(jìn)一步驗證。接收側(cè)采用53GBaudPIN芯片，BOX與TO、氣密與非氣密封裝方式共存，未來可能會向TO氣密封裝和COB非氣密封裝形態(tài)演進(jìn)。表11100/400Gb/s10/40km100Gb/sLR1/ER1光模塊框圖如圖6(a)和(b)所示，發(fā)送側(cè)采用53GBaudEML53GBaudPIN/APD芯片，4:1PAM4DSP芯片支持KP4FEC。400Gb/sLR4和ER4光模塊框圖分別如圖6(c)和(d)所示，400Gb/sLR4發(fā)送側(cè)采用4×53GBaudEML陣列芯片（BOX、COB封裝），接收側(cè)采用4×53GBaudPIN陣列芯片（BOX、COB封裝，氣密、非氣密共存）；400Gb/sER4發(fā)送側(cè)采用4×53GBdEML陣列芯片（BOX封裝），波長選擇待定；接收側(cè)方案待定，高性能APD及sPAM4DSP芯片，支持KP4FEC?；趩尾?00Gb/s技術(shù)的100/400Gb/s光模塊與傳統(tǒng)方案相比，可節(jié)省多枚光芯片，從而降低成本、功耗和制造復(fù)雜度、提升良率。電芯片采用集成Driver、CDR及Gearbox功能的DSP，降低設(shè)計復(fù)雜度，便于芯片設(shè)計廠商進(jìn)行產(chǎn)品聚焦。(a)100Gb/s (b)100Gb/s(c)400Gb/s (d)400Gb/s圖6基于單波100Gb/s技術(shù)的100/400Gb/s目前，國內(nèi)外已有多個廠商發(fā)布基于單波100Gb/s技術(shù)的量產(chǎn)產(chǎn)品及路標(biāo)：1）100Gb/sLR1有多個模塊廠商可批量供貨，隨著53GBaud光器件封裝技術(shù)的逐步成熟，光模塊產(chǎn)品良率已逐步提升，目前成本預(yù)期優(yōu)于100Gb/sLR4方案；2）400Gb/sLR4已有多個模塊廠商可提供Beta樣品，成本預(yù)期優(yōu)于400Gb/sLR8方案，未來隨著53GBaud光芯片需求量的逐漸增加，成本降幅空間較大；3）100Gb/sER1、400Gb/sER4目前有多個模塊廠商在研，100Gb/sER1已初步突破，在實驗室環(huán)境下可實現(xiàn)40km傳輸；400Gb/sER4處于在研階段，在100GER1的良好基礎(chǔ)上，預(yù)期2021年底可推出表12100Gb/sLR1/ER1和400Gb/sLR4/ER4單波100Gb/sPAM4技術(shù)的核心光電子芯片器件以國外廠商為主，國內(nèi)部分廠商已取得階段性進(jìn)展。從25GBaudEML激光器中篩選53GBaudEML激光器的方式良率較低，需要在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料摻雜等方面做出新優(yōu)化，以解決在保障可靠性的同時提高帶寬的挑戰(zhàn)和難題。53GBaudAPD探測器芯片目前國內(nèi)外已比較成熟，且國產(chǎn)產(chǎn)品性能優(yōu)良。PAM4DSP芯片國內(nèi)近兩年發(fā)展迅速，50Gb/s速率已具備樣品/小批量、測試表現(xiàn)良好，100Gb/s及400Gb/s產(chǎn)品處于研發(fā)階段。表13100Gb/s10/40km表14400Gb/s10/40km應(yīng)用部署方面，100Gb/sLR1和400Gb/sLR4光模塊產(chǎn)品已基本成熟，基于市場需求出貨量逐步攀升；100Gb/sER1和400Gb/sER4預(yù)計于2021年底趨于成熟，2022年中具備商用條件?；趩尾?00Gb/s技術(shù)的100/400Gb/s光模塊產(chǎn)品在運(yùn)營商部署和設(shè)備商集成的藍(lán)圖上也開始占據(jù)重要位置，未來幾年存在較大需求空間。按照運(yùn)營商承載組網(wǎng)模式，30/40km光模塊產(chǎn)品主要應(yīng)用于無線中回傳場景，100Gb/sER1在具備成本優(yōu)勢時，將與現(xiàn)有的100Gb/sER4形成有力競爭。未來，市場可能存在支持以太網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，同時支持OTN400Gb/s信號需求，或?qū)⑦M(jìn)一步提升100Gb/sER1和400Gb/sER4應(yīng)用空間，有待進(jìn)一步研討。、50/100/400Gb/s80~120km針對80~120km傳輸距離，相干DWDM技術(shù)可通過DSP解決鏈路色散問題，降低光信噪比要求、性能良好。為進(jìn)一步降低功耗、成本和占用空間，業(yè)界也在積極探索面向80~120km傳輸距離的直調(diào)直檢DWDM彩光和灰光技術(shù)方案。表 （1）100/400Gb/s100Gb/s80~120km相干光模塊標(biāo)準(zhǔn)化方面，ITU-TSG15于2018年發(fā)布G.698.2標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了含光放的100Gb/s8~mDWDM應(yīng)用；IEEE于2021年發(fā)布802.3ct-2021，規(guī)范了100Gb/sDWDM應(yīng)用，均采用DP-DQPSK調(diào)制格式和SC-FEC糾錯編碼。CCSA也相應(yīng)制定了《城域應(yīng)用線路側(cè)光收發(fā)合一模塊第1部分：100Gb/s》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。400Gb/s80~120km相干光模塊標(biāo)準(zhǔn)化方面：1）OIF于2020年發(fā)布OIF-400ZR-01.0標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了兩大應(yīng)用場景：一種是基于DWDM并結(jié)合光放大的彩光點到點OSNR受限傳輸系統(tǒng)，工作距離在120km及以內(nèi)；一種是基于單波長無光放大的灰光點到點功率預(yù)算受限傳輸系統(tǒng)，傳輸距離小于40km。400ZR采用DP-16QAM調(diào)制碼型，通路間隔為100GHz，幀結(jié)構(gòu)與FlexO-4-DSH類似，但開銷較少，OSNR容限為26dB@0.1nm。400ZR采用CFEC，在14.8%的FEC開銷占比下，編碼凈增益約10.8dB；支持QSFP-DD、OSFP、CFPx等封裝，數(shù)據(jù)中心互連更傾向采用QSFP-DD封裝，以獲得更大的面板集成度。因部分參數(shù)在OIF-400ZR-01.0版本中尚未完善，結(jié)合更窄通道間隔和更長傳輸距離等新型需求，后續(xù)將圍繞75GHz通路間隔的參數(shù)規(guī)范、EVM，以及更長距離或更多應(yīng)用場景的ZR+等開展研究。2）IEEE802.3cw正在制定80kmDWDM400GE標(biāo)準(zhǔn)，采用DP-16QAM調(diào)制碼型，CFEC糾錯編碼。3）ITU-TSG15主要關(guān)注光傳送網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的定義，2012年9月全會正式開始超100Gb/sOTN標(biāo)準(zhǔn)化工作，與IEEE400GE標(biāo)準(zhǔn)化具有一定相關(guān)性，主要包括OTUC4須高效承載400GE信號，OTUC4IrDI接口需共用400GE光模塊等。ITU-TSG152016年發(fā)布G.709V5，制定了n×100Gb/s的OTUCn接口，在后續(xù)增補(bǔ)版本進(jìn)一步制定400GE通過ODUflex映射到OTN的承載技術(shù)。2018~2020年相繼制定發(fā)布G.709.1和G.709.3標(biāo)準(zhǔn)，G.709.1定義了400GFlexO-4-RS接口，用于短距IrDI接口互聯(lián)；G.709.3定義了用于80km互連互通的400GFlexO-4-DSH接口(采用CFEC)、以及用于200k~450km互連互通的FlexO-4-DO接口(采用OFEC)。同時，ITU-TSG15Q6根據(jù)G.709.3要求，在G.698.2中正在進(jìn)行光層標(biāo)準(zhǔn)的討論，主要聚焦符號映射和光層參數(shù)等內(nèi)容。4）CCSA已制定《城域N×400G光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)要求》、《400Gb/s相位調(diào)制光收發(fā)合一模塊第2部分：1×400Gb/s》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包含80~120km單跨段，8×22dB（640km）、12×16dB（720km）80~120km主要面向縣鄉(xiāng)波分、DCI互連和5G回傳等城域邊緣應(yīng)用場景，需求量較大且成本敏感，對小型化可插拔相干光模塊及低成本訴求明顯，可通過硅光集成、低成本激光器（如降低線寬和頻偏要求，減小波長調(diào)諧范圍等）、簡化DSP功能（如減小色散補(bǔ)償容限、SOP追蹤速度等）等方式來實現(xiàn)小尺寸、低功耗和低成本。相干光模塊的核心光電芯片器件主要包括窄線寬集成可調(diào)諧激光器（ITLA）（HB-CDM）、相干接收機(jī)（ICR）和DSP等。100Gb/s相干光模塊用光電芯片國內(nèi)外已相對成熟，但國內(nèi)供應(yīng)商產(chǎn)品仍以面向長距離應(yīng)用為主，缺乏低成本解決方案；400Gb/s相干光模塊用光電芯片國zITLA等相關(guān)產(chǎn)品。應(yīng)用部署方面，Acacia、Inphi等可提供100Gb/s80~120km相干光模塊產(chǎn)品，包括CFP2、兼容80~120km需求，尚未專門開發(fā)100Gb/s80~120km相干光模塊產(chǎn)品。Acacia、Neophotonics、旭創(chuàng)、光迅和海信等可提供400Gb/s80~120km相干光模塊產(chǎn)品，隨著DCI需求的快速增長，400Gb/s80~120km相干光模塊2021年開始規(guī)模部署，未來幾年將快速占據(jù)400Gb/s相干主要市場。（2）50/100Gb/s彩光直調(diào)直檢方案基于C波段PAM4調(diào)制碼型，采用高度集成的硅光技術(shù)和4：2PAM4DSP芯片。典型配置如圖7所示，KR4信號首先剝離主機(jī)FEC，兩路25Gb/sNRZ數(shù)據(jù)流合并為一路50Gb/sPAM4數(shù)據(jù)流，并加入更強(qiáng)的IFEC或SFEC，編碼增益>6.3dB。方案需采用外部色散補(bǔ)償模塊（DCM），支持對所有波長通道進(jìn)行補(bǔ)償，并包含固定和可調(diào)兩種模式?？烧{(diào)色散補(bǔ)償模塊（TDCM）通?；诳烧{(diào)諧光纖布拉格光柵（FBG）或可調(diào)諧標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)，兩種技術(shù)均按ITU-T定義的波長通道進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化，可補(bǔ)償50GHz通道間距的光載波。圖 彩光直調(diào)直檢方案典型配DSP支持KR4、KP4兩種FEC，以及專有的IFEC或SFEC，不同F(xiàn)EC模式的數(shù)據(jù)速率開銷和相對信噪比性能見圖8。IFEC是一種低功耗、多級迭代代碼，具備10.5dB編碼增益，理論修正極限BER為1E-2，優(yōu)于KR4FEC1E-5的修正極限BER；在相同OSNR性能情況下，IFEC編碼增益有大于2dB優(yōu)勢。此外，DSP也可工作在旁路模式，保留主機(jī)FEC和幀。來源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.圖8三種FECPAM4信號在光纖傳輸過程中容易受到色散損傷影響，28.125GBaudPAM4信號的固有色散容忍度如圖9所示，存在±100ps/nm窗口，窗口中典型的SNR損失約為0.8dB。所以，PAM4直調(diào)直檢光模塊在系統(tǒng)中一般與色散補(bǔ)償和光放大器配合工作。來源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.圖928.125GBaudPAM4一般來說，5km以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸在28.125GBaudPAM4固有色散容忍度內(nèi)，5km以上的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸均需要進(jìn)行外部色散補(bǔ)償。圖10為使用TDCM補(bǔ)償80km單模光纖傳輸?shù)纳p傷結(jié)果，對TDCM補(bǔ)償方式和40km固定DCM+TDCM共同補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行了比較。測試中采用EDFA外部多路復(fù)用器、解復(fù)用器和TDCM完整鏈路配置?；€背靠背誤碼率為1.1E-3，基于光纖光柵的TDCM色散值設(shè)為零的背靠背誤碼率為1.8E-3，由于TDCM的帶寬和相位紋波限制，存在一定殘余損耗。在誤碼率測量的容忍范圍內(nèi)，五種色散補(bǔ)償策略中，使用任何一種差異（或代價）均可忽略不計。一個TDCM可用于補(bǔ)償80km單模光纖造成的色散損傷。來源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.圖10應(yīng)用單個TDCM到80km鏈路中色散設(shè)置值與BER除線性補(bǔ)償外，光纖光柵還可提供多跨段的色散斜率補(bǔ)償，但需要以犧牲濾波器的通頻帶寬度為代價，隨著色散補(bǔ)償?shù)脑黾?，通頻帶寬度會變得更窄，可能產(chǎn)生調(diào)制載波裁剪邊緣等不良影響，在接收端造成碼間干擾代價。此外，相比于標(biāo)準(zhǔn)具方案，光纖光柵方案通常具有更高和不受控制的組延遲漣漪，可能導(dǎo)致額外代價，因此該方案可單獨(dú)應(yīng)用于波分多跨段，但信號速率越高、通道間隔要求越大。標(biāo)準(zhǔn)具方案對調(diào)制信號采用最小通帶濾波，F(xiàn)SR主要是相位效應(yīng)，對通帶影響很小，但缺乏色散斜率補(bǔ)償能力，可以滿足單跨段DCI-Edge應(yīng)用。此外，標(biāo)準(zhǔn)具方案的色散補(bǔ)償范圍比光纖光柵更有限，對稱度約為0ps/nm，因而對于更長傳輸距離，須與固定DCM技術(shù)相結(jié)合。TDCM兩種色散補(bǔ)償條件，當(dāng)每通道發(fā)射功率為6~8dBm關(guān)，表明波長之間的非線性相互作用可以忽略，PAM4信號主要受自相位調(diào)制影響，與OFC、Photon.Technol.Lett.已報道的PAM4來源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.圖11標(biāo)準(zhǔn)單模光纖下PAM4對于具有預(yù)放和后放兩個EDFA的點到點傳輸系統(tǒng)，傳輸距離受到發(fā)射功率的限制。圖12為兩波長經(jīng)120km單模光纖傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果。每個波長的發(fā)射功率在發(fā)射EDFA處被放大10dBm，以實現(xiàn)非線性有限的傳輸距離。FEC糾錯極限約為24dB信噪比。商用EDFAs飽和輸出功率通常被限制在24dBm左右，如此高功率下可以發(fā)射的波長數(shù)量將受到限制。單跨鏈路應(yīng)用由于受到這些限制，需要在傳輸距離和通道數(shù)量之間進(jìn)行權(quán)衡。來源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.圖12在產(chǎn)業(yè)鏈方面，50Gb/s光模塊產(chǎn)品已比較成熟，雙載波100Gb/s光模塊的光電芯片器件可與其共產(chǎn)業(yè)鏈，主流供應(yīng)商以國際領(lǐng)先企業(yè)為主。表16100Gb/s雙波長PAM4DWDM表17（3）100Gb/s100Gb/s灰光直調(diào)直檢光模塊基于4×25Gb/sLWDMEML激光器、PIN探測器和半導(dǎo)體光放大器（SOA），可在獲得O波段低色散的同時，通過光放大器和FEC解決鏈路損耗問題。目前，100Gb/s80km灰光直調(diào)直檢方案標(biāo)準(zhǔn)化仍為空白。在80km應(yīng)用中，光纖鏈路損耗通常為25.6dB~28dB，此外插入損耗、色散代價等約為3.5dB，整體鏈路預(yù)算約為29.1dB~31.5dB。為滿足該傳輸指標(biāo)，光模塊中引入了具有高增益、高飽和輸出功率、低噪聲指數(shù)和低偏振相關(guān)特性的SOA。SOA已于2016年在100Gb/s40km傳輸產(chǎn)品中取得廣泛應(yīng)用，但因尺寸限制多用于CFP/CFP2封裝。隨著技術(shù)積累及進(jìn)步，SOA尺寸進(jìn)一步小型化，目前可在100Gb/smQSFP28光模塊產(chǎn)品中批量應(yīng)用。如圖13所示，100Gb/s80km延續(xù)了100Gb/s40km技術(shù)方案，采用NRZ調(diào)制碼型，電接口遵循CAUI-4標(biāo)準(zhǔn)，光接口采用LWDM4路25Gb/s傳輸，發(fā)射端采用EML激光器，接收端采用SOA+PIN圖13圖1425℃下25.78Gb/s速率FEC糾前（Pre-FEC）相對于傳統(tǒng)相干方案，100Gb/s灰光直調(diào)直檢光模塊由于O波段低色散優(yōu)勢，在80km傳輸中無需進(jìn)行額外的色散補(bǔ)償。電芯片采用4路CDR時鐘信號恢復(fù)，無需DSP芯片，模塊整體最大功耗小于6.5W，約為相干模塊功耗的1/3左右。表18100Gb/s盡管SOA+PIN光器件的QSFP28封裝已經(jīng)規(guī)模應(yīng)用，由于實際裝配過程中的精度控制要求較高，耦合差損對器件的相對位移非常敏感，增加了耦合封裝的難度和成本，批量生產(chǎn)需具備的工藝流程仍是嚴(yán)峻考驗。產(chǎn)業(yè)鏈方面，25Gb/sPIN探測器國內(nèi)外已較為成熟，25Gb/sEML激光器、4×25Gb/sDriver、4×25Gb/sTIA、4×25Gb/sCDR主要以國外廠商為主。安利、住友具備先發(fā)優(yōu)勢，可提供低噪聲、表19、400Gb/s網(wǎng)絡(luò)帶寬的快速增長和400GE端口的逐步成熟，正在推動骨干網(wǎng)由100Gb/s向400Gb/s演進(jìn)。1000km以上的400Gb/s相干光模塊及核心光電芯片器件是長距400Gb/s技術(shù)發(fā)展的基石和骨干網(wǎng)速率代際演進(jìn)的關(guān)鍵。近年來，長距400Gb/s技術(shù)和光電芯片器件水平不斷提升，國內(nèi)運(yùn)營商及設(shè)備商已開展系列系統(tǒng)級實驗驗證和現(xiàn)網(wǎng)試點，但在標(biāo)準(zhǔn)化、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面距離成熟商用仍存挑戰(zhàn)。標(biāo)準(zhǔn)化方面，ITU-T、IEEE、OIF、CCSA等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織已開展系列中短距400Gb/s標(biāo)準(zhǔn)制定，詳見1.2節(jié)和1.3節(jié)。長距400Gb/s應(yīng)用場景的標(biāo)準(zhǔn)地圖目前仍為空白、亟需開展相關(guān)研究布局，明確代際路線牽引產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同攻關(guān)。關(guān)鍵技術(shù)方面，400Gb/s長距光模塊采用成熟的相干技術(shù)架構(gòu)，在發(fā)射端，電信號通過DSP芯片完成概率分布匹配、FEC編碼和QAM映射等功能，再對基帶數(shù)字QAM信號進(jìn)行頻譜整形和發(fā)端預(yù)補(bǔ)償，以彌補(bǔ)光電器件的不理想特性。在接收端，借助DSP均衡能力對信號在線路及模塊中所經(jīng)受的損傷進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提升信號的OSNR容限，確保在合適的應(yīng)用場景中實現(xiàn)無誤碼傳輸。相比數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及DCI互連場景中對400Gb/s光模塊的核心訴求是低成本和低功耗，骨干網(wǎng)400Gb/s長距光模塊面臨的首要問題是傳輸性能、距離和容量的有效提升。400Gb/s長距傳輸對器件水平、系統(tǒng)損傷等非常敏感，需要從調(diào)制技術(shù)、高波特率器件、新波段擴(kuò)展等方面開展技術(shù)研究。業(yè)界目前存在多種400Gb/s調(diào)制碼型，如DP-QPSK/8QAM/16QAM/32QAM/64QAM，涉及64/90/96/128GBaud多種波特率；針對DP-16QAM，又存在75GHz、100GHz和112.5GHz多種頻譜間隔，調(diào)制碼型及頻譜間隔收斂是首要問題。400Gb/sDP-16QAM目前可滿足600km傳輸需求，1000km以上距離存在DP-QPSK、DP-16QAM-PCS等競爭方案。2021年，中國移動聯(lián)合華為、中PAMPb/s長距傳輸實驗驗證，實現(xiàn)了滿足工程余量要求下的14×22dBG.652.D光纖和17×22dBG.654.E光纖傳輸，將400Gb/s無電中繼傳輸距離提升至1000km以上。采用DP-QPSK碼型理論上可實現(xiàn)更長傳輸距離，目前仍處于技術(shù)研究階段，需推出原型產(chǎn)品進(jìn)行傳輸性能驗證。400Gb/s長距存在單載波和電域子載波兩種技術(shù)路線。其中，單載波方案延續(xù)100/200Gb/s相干系統(tǒng)技術(shù)，無需保護(hù)間隔，具有更好的頻譜效率、更低的濾波代價、更低的DSP復(fù)雜度和潛在成本，但更高的波特率將帶來更大的均衡增強(qiáng)相位噪聲。電域子載波方案中，不同子載波可使用不同的調(diào)制碼型和調(diào)制階數(shù)，能更好地均衡系統(tǒng)性能，但更大的信號峰均比需要更大的AD/DA幅度動態(tài)響應(yīng)范圍。提升信號波特率是提升線路速率、且不帶來額外傳輸性能降低的有效方式，并可降低單位比特的傳輸成本及功耗。例如，100Gb/s相干光模塊采用波特率為30+GBaud的DP-QPSK碼型；若波特率提升至60+GBaud，采用單載波DP-QPSK和DP-16QAM碼型可分別將速率提升至200Gb/s和400Gb/s。若波特率為90+GBaud或120+GBaud，采用單載波DP-16QAM-PCS或DP-QPSK碼型，速率可進(jìn)一步提升，且相比基于60+GBaud的400Gb/sDP-16QAM碼型可顯著延長傳輸距離。業(yè)界正在開展高帶寬調(diào)制器及接收機(jī)、高速ADC/DAC、高功率激光器或放大器、以及彌補(bǔ)由于ADC/DAC采樣率不足而使用的欠采樣算法引起的性能劣化等關(guān)鍵技術(shù)研究，力爭突破高波特率技術(shù)挑戰(zhàn)。400Gb/s相干光模塊的核心光電芯片器件主要包括：調(diào)制器Driver、TIA、DSP等電芯片；雙偏I(xiàn)Q調(diào)制器、激光器、相干光混頻器、平衡探測器等光芯片。其中，高性能DSP對制程工藝要求較高，目前正從14nm向7nm演進(jìn)。從光芯片材料體系及制造工藝來看，分為InP、硅基和薄膜鈮酸鋰三類。InP材料可用于制造激光器、放大器、調(diào)制器和探測器等光芯片，易于將激光器、CDM、SOA和ICR等集成或共封裝，在輸出光功率和帶寬（~130GHz）方面具備優(yōu)勢，但不支持非氣密封裝。硅基平臺可制造調(diào)制器、相干接收機(jī)等，支持非氣密封裝，并可將DSP和除激光器以外的其他PIC在量產(chǎn)能力和成本方面潛在優(yōu)勢，但帶寬和出光功率等性能略差。薄膜鈮酸鋰材料主要用于高速調(diào)制器，可提供更優(yōu)的理論帶寬，支持與硅光共Foundry及非氣密封裝，但該技術(shù)出現(xiàn)時間較晚，工藝良率等問題有待提升，目前商用成熟度較低。400Gb/s長距光模塊波特率較高，通道間隔將由75GHz（64GBaud）提升至100GHz、甚至150GHz。隨著200Gb/sDP-QPSK75GHz技術(shù)的應(yīng)用，804THzC波段擴(kuò)展至6THz。但6THz的擴(kuò)展C波段仍無法支持80波400Gb/s長距系統(tǒng)，需進(jìn)一步開展頻譜擴(kuò)展技術(shù)研究，收斂多種潛在方案及頻譜邊界。目前來看，L波段是潛在的相對成熟的新波段選擇。L波段光模塊在DSP芯片方面可與傳統(tǒng)C波段光模塊兼容，但激光器、調(diào)制器、接收機(jī)，以及WSS、光放大器等光芯片器件需升級支持?jǐn)U展頻譜范圍，且性能與C波段相近，目前產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，有待進(jìn)一步研究驗證。圖15頻譜擴(kuò)展示意圖（圖中波長單位為產(chǎn)業(yè)鏈方面，華為、中興、烽火等主流系統(tǒng)設(shè)備廠商已具備基于~90GBaudDP-16QAM-PCS的量要求的1000km長距傳輸。而具備更遠(yuǎn)傳輸能力的基于~130GBaudDP-QPSK的400Gb/s長距光模塊、800Gb/s800Gb/s光模塊相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)成為業(yè)界研究熱點，國內(nèi)外多個標(biāo)準(zhǔn)化組織競相開圖16800Gb/s光接口方面的標(biāo)準(zhǔn)化研究目標(biāo)如表20所示，IEEE802.3、OIF、IPEC已對800Gb/s直調(diào)直檢和相干方案進(jìn)行了立項，800GPluggabbleMSA已發(fā)布8×100Gb/s100m和4×200Gb/s2km規(guī)范；CCSA也對國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了立項。電接口方面，OIF已啟動系列112G電接口標(biāo)準(zhǔn)制定和224G電接口標(biāo)準(zhǔn)研究；IEEE802.3ck工作組正在制定112G電接口標(biāo)準(zhǔn)。封裝方面，QSFP-DD800MSA將面向800Gb/s的技術(shù)規(guī)范統(tǒng)一合并至新發(fā)布的QSFP-DDSPEC6.01。OSFPMSA發(fā)布適用于800Gb/sOSFP模塊的4.0規(guī)范。表20800Gb/s表21800Gb/s1）8×100Gb/s0m及以下：在單通道速率小于100Gb/s時，100m及以下傳輸距離通常采用基于VCSEL激光器和多模光纖的多模方案。隨著單通道速率提升至100Gb/s，VCSEL激光器速率突破面臨挑戰(zhàn)，多模方案性能的提升和多模光纖成本的下降將成為其能否持續(xù)演進(jìn)的關(guān)鍵因素。2021年Broadcom演示了單通道多模100Gb/s的傳輸性能，并給出VCSEL等光電器件的演進(jìn)路線。同時，以硅光和DML為代表的單模技術(shù)方案迅速發(fā)展，尤其是硅光方案，如成品率進(jìn)一步提升，未來有望在100m及以下傳輸距離與多模方案展開競爭。0m/2km：8×100Gb/s500m應(yīng)用場景可借鑒400Gb/s500m技術(shù)方案，從材料體系及激光器類型來看，存在EML、DML和硅光三種方案；從光接口實現(xiàn)方式來看，有1310nmPSM8和1270nm/1330nmBD4.2方案在研。8×100Gb/s2km應(yīng)用場景可采用800Gb/sCWDM8或借鑒100GLambdaMSA對400GEFR4的接口定義，通過通道數(shù)量翻倍來承載800Gb/s帶寬；此外，800GPSM8和800GLWDM8也有相關(guān)討論，需要在功耗、市場潛力和成本等方面進(jìn)一步研究確定。表228×100Gb/s500m/2km0km/20km：10km應(yīng)用場景目前有基于CWDM、LWDM和nLWDM的800Gb/sLR8方案在研，發(fā)送/接收端由8個波長進(jìn)行波分復(fù)用/解復(fù)用，可重用50GBaud光電芯片器件及直調(diào)直檢技術(shù)。波長選擇上，由于O波段邊緣波長的色散較大，LWDM8在色散代價方面優(yōu)于CWDM8。此外，業(yè)界正在m800Gb/s20需求對標(biāo)，放寬靈敏度指標(biāo)和發(fā)光功率，可覆蓋10km需求形成良率梯度。800Gb/snLWDM8方案可與100GLambdam400G-ER4復(fù)用激光器產(chǎn)業(yè)鏈。0km：部分廠商提出基于nLWDM（波長間隔為200GHz）支持40km傳輸距離的ER8/800GnLWDM-40方案。目前，10km及以上距離的直調(diào)直檢方案主要面臨最壞情況色散和狹窄的色散容限匹配挑戰(zhàn)。構(gòu)建新的波長體系、壓縮多通道波長范圍，最壞情況色散可相應(yīng)變窄，從而簡化DSP設(shè)計、降低理論功耗。例如，8×100Gb/sPAM4直調(diào)直檢方案采用800GHz間隔的LWDM方案色散受限距離約為10km，采用400GHz間隔的nLWDM方案色散受限距離可拓展至20km，采用200GHz間隔的nLWDM，色散受限距離可拓展至40km。同時，壓縮“零色散點分布或飄移范圍”，縮小對應(yīng)的色散范圍也是解決方案之一，但由于不同廠家光纖產(chǎn)品零色散點的分布并不統(tǒng)一，大范圍壓縮存在難度。a）500m/2km：單通道200Gb/s極有可能繼續(xù)沿用PAM4調(diào)制碼型，以繼承相對成熟的PAM4業(yè)基礎(chǔ)，但也不完全排除新調(diào)制碼型的可能性。4×200Gb/s500m和2km應(yīng)用場景，目前有PSM4和b）10km：10km應(yīng)用場景目前有基于CWDM、LWDM和nLWDM的800Gb/sLR4方案在討論，發(fā)送/接收端由4個波長進(jìn)行波分復(fù)用/解復(fù)用，需要高帶寬光電芯片器件、更強(qiáng)的均衡技術(shù)、以及更強(qiáng)的FEC來支撐，以確保糾后BER。不同方案的波長范圍和色散分析如圖17所示。圖173）800Gb/s800Gb/s相干光模塊的器件帶寬需要極大提升，器件設(shè)計難以一步到位實現(xiàn)帶寬翻倍，加之早期標(biāo)準(zhǔn)未明朗，部分光電芯片器件廠商采用循序漸進(jìn)的研發(fā)策略，優(yōu)先規(guī)劃96GBaud產(chǎn)品。但基于96GBaud器件來實現(xiàn)相干800Gb/s，需采用更高階的調(diào)制碼型，OSNR性能低、傳輸距離和應(yīng)用場景受限。隨著標(biāo)準(zhǔn)化日益明確和相關(guān)技術(shù)的逐步攻克，預(yù)計未來2~3年內(nèi)，100+GBaud器件將逐漸成熟?；?28GBaud的DP-16QAM擁有更好的OSNR性能和傳輸能力，將成為800Gb/s相干的主流實現(xiàn)方案，波道寬度也將擴(kuò)展為150GHz。擴(kuò)展C波段按6Tb/s計算，只能承載40CH傳輸，為了保證單根光纖傳輸不低于80CH，還需占用新波段。目前C+L波段擴(kuò)展及波長分配處于研究階段，標(biāo)準(zhǔn)尚未制定。0km：OIF800ZR是支持80~120km的單跨放大DWDM鏈路，用于DCI互連，目前已基本確定0km：IEEE802.3B400GSG和OIF800LR正在討論單波長鏈路800Gb/s10km相干方案。OIF800LR是支持園區(qū)應(yīng)用的固定波長無放大2~10km鏈路，目前已基本確定在G.652光纖上采用DP-16QAM調(diào)制碼型和193.7THz工作頻率。此外，基于雙子載波的800Gb/sLR2、800Gb/sLR4/隨著調(diào)制階數(shù)的增大，同樣BER對應(yīng)的SNR增大，高階調(diào)制格式即使具備降低波特率的優(yōu)勢，但OSNR容限顯著加大。以FEC冗余為15.3%來計算，DP-16QAM、DP-32QAM、DP-64QAM調(diào)制格式對應(yīng)的波特率需求分別為126GBaud、101GBaud和84GBaud。概率整形技術(shù)通過對QAM星座點的概率進(jìn)行設(shè)計，可進(jìn)一步提高調(diào)制效率，近年來得到廣泛關(guān)注。在非概率整形QAM格式中，映射規(guī)則中各星座點的分布概率相同；在概率整形QAM格式中，各星座點的位置不變，但分布概率發(fā)生了變化。概率整形QAM的最小歐氏距離比非概率整形大，可改善OSNR容限。概率整形程度越重，OSNR容限改善越大，但同時概率整形編碼的冗余度也越大，從而所需要的波特率也越高。從100Gb/s直調(diào)直檢光模塊發(fā)展來看，電接口單通道速率與光接口單通道速率相同時光模塊的架構(gòu)最佳，可獲取低功耗、低成本等優(yōu)勢。以此類推，單通道100Gb/s電接口將是8×100Gb/s光模塊的理想電接口；單通道200Gb/s電接口將是4×200Gb/s光模塊的理想電接口。封裝方面，800Gb/s光模塊可能存在QSFP-DD800、QSFP224、OSFP、CPO等不同形式。由于模塊內(nèi)走線和連接器損耗等因素，基于200Gb/s電接口的可插拔光模塊存在挑戰(zhàn)，業(yè)界期望通過CPO技術(shù)在功耗、密度方面構(gòu)建優(yōu)勢，實現(xiàn)帶寬和集成度最優(yōu)化。FEC總體分為三類：a)端到端（End-to-End）FEC；b)嵌套級聯(lián)（EncapsulatedConcatenated）FEC；c)分段式（Segmented）FEC。8×100Gb/s直調(diào)直檢方案40km以內(nèi)傳輸距離業(yè)界普遍認(rèn)為可由端到端KP4FEC實現(xiàn)，40km傳輸距離則有可能采用更強(qiáng)的FEC。4×200Gb/s直調(diào)直檢方案由于速率更高，需引入新的誤碼率標(biāo)準(zhǔn)、新的FEC編碼方式以及更復(fù)雜的均衡器，IEEE802.3B400GSG、800GPluggableMSA已開展相關(guān)討論。級聯(lián)方式可能成為4×200Gb/s直調(diào)直檢方案的新路徑，既保留KP4FEC、避免主芯片集成新FEC所帶來的額外成本，又可通過光模塊中集KP4+BCH(144,136)等多種級聯(lián)內(nèi)碼均可在糾前誤碼率1~2E-3區(qū)間達(dá)到糾后<1E-13對800Gb/s最強(qiáng)烈的訴求來自O(shè)TT數(shù)據(jù)中心與高性能計算等場景，對時延敏感度較高，低時延FEC法是800Gb/s800Gb/s相干光模塊包括800Gb/sLR、800Gb/sZR和800Gb/s城域（ZR+）等，需針對不同應(yīng)用場景設(shè)計FEC算法：a）800LR場景應(yīng)用于10km園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，對時延和功耗要求高，目前存在KP4+eHamming/eBCH級聯(lián)、空間耦合碼FEC(XR-FEC)、CFEC、Zipper、輕量化OFEC等多種解決方案。其中，級聯(lián)方案與4×200Gb/s直調(diào)直檢級聯(lián)方案有共通之處，兩種路徑的相通可進(jìn)一步降低主芯片復(fù)雜度。b）800ZR場景主要應(yīng)用于80~120kmDCI，是OIF400ZR標(biāo)準(zhǔn)的延續(xù)。800ZR采用lC等糾錯能力更強(qiáng)的FEC方案。c）800Gb/s城域傳輸可能包含800Gb/sDP-16QAM/64QAM等碼型，波特率介于85.3~128GBaud之間，可能會采用TPC、OFEC和LDPC等SD-FEC方案。8×100Gb/s光模塊核心光電芯片器件仍為單通道100Gb/s（~40GHz帶寬）的激光器、探測器光芯片，Driver、TIA和DSP電芯片。其中，DSP、單通道100Gb/s的緊湊型Driver和TIA均已推出，電芯片產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟；單通道100Gb/s的EML、DML解決方案主要由國際主流廠商提供，國內(nèi)已有部分企業(yè)嘗試研制。LWDM8/nLWDM8MEML樣品，性能需進(jìn)一步優(yōu)化。表238×100Gb/s4×200Gb/s光模塊需要200Gb/sSerDes、更高帶寬（~65GHz）的光電芯片器件及均衡技術(shù)，目前尚不成熟，學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界正在進(jìn)行積極探索。800Gb/s相干光模塊的核心光電子芯片器件主要包括ITLA、DSP、HB-CDM和ICR等。具體來看：1）DSP方面，2019年下半年開始Inphi、NEL、Infinera、Ciena等廠商陸續(xù)推出基于7nm工藝、90/96GBaudPS-64QAM碼型的產(chǎn)品，目前尚未廣泛商用。800Gb/sDP-16QAM對A/DA采樣率要求高達(dá)170+Gm工藝制程和較高的光電芯片器件封裝技術(shù)，Acacia、NEL、Inhpi已推出新一代DSP芯片聚焦單波800Gb/~1.2Tb/s。2）ITLA主要分為micro-iTLA和nano-iTLA兩種類型，代表性供應(yīng)商包括Neophotonics、住友、Lumentum、古河等。3）相干光器件方面，800Gb/sDP-16QAM相干光模塊將需要波特率為128GBaud、帶寬~75GHz以上的相干光器件，目前尚未實際量產(chǎn)。帶寬取決于光電芯片及封裝工藝，當(dāng)光芯片帶寬不足時，需要電芯片具有帶寬peaking功能，采用先進(jìn)封裝技術(shù)可減少電信號傳輸距離和阻抗不連續(xù)點，從而降低封裝帶來的帶寬損失。HB-CDM以銦磷和硅光方案（硅光方案可實現(xiàn)96GBaud）為主，采用薄膜鈮酸鋰等新材料或可大幅提升帶寬性能；ICR主要有銦磷和硅光兩種路線。同時，隨著速率提升至b/s，相干方案下沉，光電芯片器件除了高帶寬要求外，還需要更簡化、低功耗、低成本和低時延的DSP，以及低成本激光器等技術(shù)進(jìn)行支撐。根據(jù)交換芯片演進(jìn)趨勢、市場需求及技術(shù)成熟度，800Gb/s直調(diào)直檢光模塊預(yù)計于2021或2022年開始進(jìn)入市場，2025年左右規(guī)模應(yīng)用，早期將以8×100Gb/s方案為主，優(yōu)先實現(xiàn)400Gb/s向800Gb/s的平滑演進(jìn)。相干光模塊方面，預(yù)計DP-16QAM方案不可插拔模塊將于2022年下半年進(jìn)入測試階段，2023年小批量商用；可插拔模塊將于2023年下半年進(jìn)入測試階段，2024年小批量商用。更長遠(yuǎn)來看，隨著高帶寬芯片器件及算法技術(shù)的不斷演進(jìn)，800Gb/s相干光模塊傳輸距離將從ZR及以下發(fā)展至超長距，應(yīng)用場景也將從DCI逐漸向城域、省干甚至骨干網(wǎng)擴(kuò)展。標(biāo)準(zhǔn)化方面，IPEC已立項“NestGenerationWirelessFronthaul”項目。本部分重點介紹基于50Gb/sPAM4的下一代前傳光模塊當(dāng)前研究進(jìn)展及技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包含灰光和彩光兩大類。其他50Gb/s灰光模塊存在CDR和DSP兩種技術(shù)方案。5G初期的25Gb/sSFP光模塊多采用CDR+DRV的Combo芯片，50Gb/s光模塊需要的Combo芯片Semtech、Macom等廠商目前已能提供初步樣品，從已有數(shù)據(jù)來看，可滿足300m短距離應(yīng)用場景，但10km傳輸距離仍存在較大挑戰(zhàn)。DSP方案方面，Inphi、橙科、Credo等已可提供初步樣品，可滿足10km傳輸距離的全溫場景應(yīng)用，但芯片性能受限于先進(jìn)工藝（目前普遍采用16nm/12nm制程，未來可能向7nm等先進(jìn)工藝演進(jìn)）及算法（接收補(bǔ)償、色散補(bǔ)償和MPI補(bǔ)償?shù)龋??；贒SP方案的光模塊功耗相比于CDR方案高約0.3W~0.5W，芯片性能及可靠性還需進(jìn)一步優(yōu)化。在核心光電芯片方面，50Gb/sPAM4灰光模塊可以和25Gb/sNRZ用25GBaud光電平臺，激光器帶寬的典型要求為17GHz~19GHz左右。目前，滿足工業(yè)級溫度要求的激光器產(chǎn)品國內(nèi)外已相對成熟，住友、三菱、源杰、海信等均可提供。50Gb/s彩光模塊主要包括CWDM和DWDM兩種技術(shù)方案。5G初期，我國已部署25Gb/sCWDM無源彩光模塊及配套合分波器。從保護(hù)已有投資并持續(xù)演進(jìn)的角度，期望50Gb/s彩光模塊能夠支持CWDM6波解決方案。但隨著速率提升至50Gb/s，1371nm波長存在色散風(fēng)險，需要在接收端DSP進(jìn)行色散補(bǔ)償，具體補(bǔ)償方案目前仍在評估階段；基于CDR的技術(shù)方案目前來看無法有效解決色散問題。在日韓市場中，由于無線運(yùn)營商需要向固網(wǎng)運(yùn)營商租用光纖，或受限于已部署的有源/無源傳輸設(shè)備，對高收斂比（節(jié)省光纖）或靈活配置（編碼歸一）的DWDM固定定波長/可調(diào)諧彩光光模塊存在需求。25GBaud的波長可調(diào)諧TOSA業(yè)界資源較少，僅II-VI、海思等少數(shù)廠商能夠提供。下一代50Gb/sPAM4前傳光模塊在MPI斷。IEEE已對50Gb/s2km、10km和40km的MPI規(guī)格進(jìn)行了定義，鏈路接頭越多指標(biāo)越嚴(yán)格。從無線前傳實際情況來看，CRAN典型場景下，BBU/AAU側(cè)、合分波器、ODF架已確定存在6個接頭，再考慮主干光纖可能存在多個接頭，MPI指標(biāo)要求優(yōu)于-37dB。但參考現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，部分站點前傳鏈路質(zhì)量不能滿足相關(guān)要求，因此需針對前傳鏈路進(jìn)行精確建模，研究檢測及補(bǔ)償方案。圖18MPIBBU為風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，可從BBU工作的-20℃~+50℃環(huán)境溫度推演得到前傳光模塊需滿足0℃~70℃的溫度要求，功耗需滿足~2W或更低@70℃需求。AAU為自然散熱系統(tǒng)，可從AAU工作以25Gb/s10km鏈路預(yù)算約6.5dB為參考，CWDM合分波器插入損耗按照3~4dB估算，再考慮隨著速率提升、50Gb/s接收靈敏度降低至-10dBm左右（按平均光功率），以及潛在的色散和MPI代價等因素，對50Gb/s彩光模塊的出光功率提出了很高要求，后續(xù)需進(jìn)一步細(xì)化鏈路預(yù)算研究并進(jìn)行大功率激光器可靠性評估。下一代50Gb/sPAM4前傳光模塊仍存在較多挑戰(zhàn)，亟需業(yè)界形成合力、協(xié)同開展相關(guān)研究，定義250GPON是ITU-T正在制定的下一代PON標(biāo)準(zhǔn)，單波長支持上下行50Gb/s速率、相比10GPON帶寬可提升5倍。50GPON沿用TDMPON機(jī)制，支持現(xiàn)網(wǎng)已部署的ODN基礎(chǔ)設(shè)施，滿足10GPON的平滑演進(jìn)；同時，考慮到智能新業(yè)務(wù)特性需求，在低時延、切片、節(jié)能和可靠性方面進(jìn)行了擴(kuò)展。50GPON主要適用于有線接入網(wǎng)和5G承載等應(yīng)用場景，在5G承載應(yīng)用場景中，OLT和ONU可提供CU與DU之間的業(yè)務(wù)傳輸，通過專用激活波長（DAW）、協(xié)作DBA（CO-DBA）、減小分配周期等技術(shù)來實現(xiàn)低時延。50GPON系統(tǒng)技術(shù)研究正在不斷推進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)逐步完善，光接口參數(shù)指標(biāo)定義部分已基本完成。在有線接入網(wǎng)應(yīng)用中，50GPON定位在中心機(jī)房，向上連接業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，向下通過各種類型ONU用戶側(cè)接口接入用戶，系統(tǒng)支持點對多點拓?fù)?，同時支持視頻、數(shù)據(jù)、語音等業(yè)務(wù)。與GPON、10GPON一樣，50GPON利用波分復(fù)用實現(xiàn)單纖雙向傳輸，下行采用TDM時分復(fù)用，上行采用TDMA入，實現(xiàn)OLT和ONU之間的點到多點通信。目前，50GPON的波長方案已確定，支持與XGS-PON或10GEPON共存，支持外置CEx器件方式和多點到多點（MPM）方式共存機(jī)制。具體來看，對于50GPON與XGS-PON的MPM共存方式，即50GPONOLT的Combo型光模塊，其功能框圖如圖19所示。模塊內(nèi)部需集成1340~1344nmPONOLT下行發(fā)射激光器、1290~1310nm（窄帶可選擇1300±2nm）50GPON1575~1580nmXGS-PONEML下行發(fā)射激光器和1260~1280nmXGS-PON上行APD探測器，以單纖雙向光組件（BOSA）的方式實現(xiàn)光信號的發(fā)射與接收。對于50GPONOLT路預(yù)算需求，需優(yōu)先考慮集成半導(dǎo)體光放大器（SOA）的EML激光器、50Gb/sEML驅(qū)動器和DSP芯片。對稱模式的上行接收，可以考慮50Gb/sAPD探測器或SOA+PIN探測器，也可以采用25Gb/sAPD探測器，通過DSP補(bǔ)償技術(shù)實現(xiàn)上行信號的接收。非對稱模式的上行接收，可以考慮采用25Gb/sAPD、25Gb/sBIM-TIA和25Gb/sBIM-TIA來實現(xiàn)上行信號處理。對于XGS-PON10Gb/s激光器驅(qū)動器和突發(fā)LIA，實現(xiàn)上下行信號的光電轉(zhuǎn)化。為了保持波長的穩(wěn)定性，下行激光器一般需采用TEC。圖1950GPONOLT與XGS-PONOLTCombo模式的OLT對于50GPONONU光模塊，由突發(fā)上行發(fā)射機(jī)和連續(xù)模式的接收機(jī)組成，根據(jù)應(yīng)用場景選擇不同上行波長的激光器。非對稱模式（24.8832Gb/s或12.5Gb/s）優(yōu)先選擇采用DFB激光器及驅(qū)動器；對稱模式可考慮采用EML激光器提升上行RF性能，也可以選擇DFB激光器，但需要依賴DFB激光器性能的優(yōu)化，以滿足50Gb/s傳輸要求。接收端可以考慮50Gb/sAPD探測器或PIN+SOA采用25Gb/sAPD探測器，通過DSP補(bǔ)償實現(xiàn)上行信號接收。同樣，對于ONU也可能存在與10GPON共存的ComboONU模式。50GPON的核心光電芯片與器件主要包括DSP、50Gb/s大功率激光器、EMLDriver、APD接收機(jī)、50Gb/sBM-TIA等：1）DSP：由于高帶寬和大功率預(yù)算等需求，50GPON需引入DSP芯片來提升系統(tǒng)性能，支持G.HSP標(biāo)準(zhǔn)定義LDPCFEC，糾錯能力>1e-2，以實現(xiàn)50Gb/sNRZ信號的連續(xù)發(fā)送和突發(fā)接收。2）50Gb/s大功率激光器：為滿足50GPON超高功率預(yù)算要求(如classC+:32dB)，需要大功率高帶寬激光器件，現(xiàn)有的50Gb/sEML激光器較難滿足要求，需定制化開發(fā)EML+SOA集成光器件，是50GPON光模塊的難點之一。EMLDriver：隨著數(shù)據(jù)中心光模塊速率的持續(xù)增長，50GHzEMLDriver可以匹配112Gb/sPAM4應(yīng)用，業(yè)界產(chǎn)品已相對成熟。50GPON下行方向需高速EMLDriver，可以復(fù)用數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)APD：25Gb/sAPD產(chǎn)業(yè)鏈目前基本成熟，倍增因子的業(yè)界平均水平約為5左右、響應(yīng)度0.8，較高水平的3dB帶寬接近20GHz，配合DSP可實現(xiàn)50Gb/s信號的高性能接收。高靈敏度的50Gb/s仍存挑戰(zhàn)，目前尚未成熟。5）50Gb/sBM-TIA：為實現(xiàn)上行突發(fā)信號的快速可靠建立及接收，線性突發(fā)BM-TIA成為必需，在高帶寬、大增益、快速響應(yīng)AGC、低成本、高速封裝等方面存在挑戰(zhàn)。50GPON目前主要基于50Gb/sNRZ調(diào)制格式，發(fā)射機(jī)測試要求對帶寬要求極高，測試方面也存在難點和挑戰(zhàn)。另外，由于50GPON采用了更強(qiáng)的FEC，糾前誤碼率進(jìn)一步放寬，傳統(tǒng)TDP參數(shù)不再適合高目標(biāo)誤碼率的傳輸鏈路，需借鑒其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對類似傳輸通道的要求。ITU-TG.9804.3用了IEEE802.3中TDEC的相關(guān)內(nèi)容，可作為50GPON發(fā)射機(jī)的測試參考。國際標(biāo)準(zhǔn)化方面，2018年ITU-T啟動了基于單波長50GPON標(biāo)準(zhǔn)制定工作，命名為“G.G.HigherSpeedPON”，2021年ITU-T全會完成了物理層和TC層第一版。50GTDMPON物理層在全會中Consent，獲得標(biāo)準(zhǔn)號G.9804.3。50GTDMPONTC層在全會中Consent，獲得標(biāo)準(zhǔn)號G.9804.2，并決定啟動G.9804.2Amd1增補(bǔ)研究項目，針對遺留的上行FEC準(zhǔn)制定。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化方面，50GPON總體要求、物理層要求、TC層要求等系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)于2020年在CCSATC6WG2工作組立項。50GPON的OLT和ONU光模塊是構(gòu)建50GPON系統(tǒng)升級的核心部件，直接影響到系統(tǒng)的可靠性、成本和運(yùn)維，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《xPON光收發(fā)合一模塊技術(shù)條件第11部分：用于50GTDMPON光線路終端/光網(wǎng)絡(luò)單元（OLT/ONU）的光收發(fā)合一模塊》和《xPON光收發(fā)合一模塊技術(shù)條件第12部分：用于10GPON和50GPON共存的光線路終端（OLT）的光收發(fā)合一模塊》也相繼在CCSATC6WG4工作組立項。產(chǎn)業(yè)推進(jìn)方面，50GPON光模塊產(chǎn)業(yè)鏈目前仍處于起步階段，高速率、低功耗的DSP芯片研發(fā)進(jìn)度較慢、暫無實際進(jìn)展。在高帶寬光電芯片器件領(lǐng)域，國內(nèi)廠商存在趕超機(jī)會。相比于10GPON，50GPON光模塊技術(shù)難度大幅增加，在光模塊封裝、突發(fā)發(fā)射/接收性能、光功率鏈路預(yù)算等方面技術(shù)挑戰(zhàn)較大，需整個產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同突破，共同推進(jìn)50GON發(fā)展。3隨著數(shù)據(jù)中心流量快速增長，交換機(jī)容量、端口密度、功耗等均面臨挑戰(zhàn)，CPO技術(shù)期望通過將交換芯片與光電引擎共同封裝在同一基板上，引擎盡量靠近ASIC，以最大程度地減少SerDes功耗、高速電通道損耗和阻抗不連續(xù)性，從而獲得高速率、大密度和低功耗。CPO技術(shù)將對現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生較大影響，原開放解耦的標(biāo)準(zhǔn)化光模塊產(chǎn)業(yè)將與交換芯片產(chǎn)業(yè)交互融合。目前，CPO主要技術(shù)方案及應(yīng)用場景有兩類，一是基于VCSEL激光器的多模方案，面向30m及以內(nèi)的超算及AI機(jī)群短距離光互連；二是基于硅光集成的單模方案，面向2km及以內(nèi)的數(shù)據(jù)中心機(jī)架及機(jī)群間光互連。其中，基于硅光集成的單模方案具有無需氣密封裝、高帶寬、易集成等優(yōu)勢，預(yù)計將成為CPO的主流技術(shù)方案，部分廠商已取得一定成果或制定了相關(guān)規(guī)劃。國際標(biāo)準(zhǔn)化方面，CPOJDF2019年成立，以需求為主導(dǎo)為制造商提供端到端設(shè)計指南和開放規(guī)范，2021年發(fā)布《3.2Tb/sCopackagedOpticsOpticalModuleProductRequirementsDocument》，提出51.2Tb/s交換芯片合封光引擎設(shè)計框架，光接口支持400GEFR4/DR4規(guī)格。OIF于2020年啟動CPO框架項目計劃，項目主要內(nèi)容：確定CPO技術(shù)的應(yīng)用及要求，研究并確定與CPO相關(guān)的關(guān)鍵問題，針對互操作性標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議，發(fā)布技術(shù)白皮書，開展后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化活動等；2021年3月啟動用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換應(yīng)用的3.2Tb/sCPO模塊項目；2021年5月啟動外置激光小型可插拔(ELSFP)模塊項目，研究外置光源模塊的封裝形式、封裝尺寸以及連接方式等。COBO2020年底成立Co-PackedOpticsWG，將開發(fā)CPO技術(shù)指南和標(biāo)準(zhǔn)等；IPEC于先進(jìn)技術(shù)研究工作組中啟動OIO/CPO研究項目；CW-WDMMSA2020年成立，2021年發(fā)布技術(shù)規(guī)范，以1300.05nm為中心波長，定CPO光器和外置激光器兩種技術(shù)方案，內(nèi)置激光器方案具備單片集成等優(yōu)點，以及可維護(hù)性差、低功耗等缺點；外置激光器方案具備便于散熱和維護(hù)、高可靠性和低成本等優(yōu)勢，以及耦合效率低、插損大、PIC到光源需PM光纖、人眼安全性低和非線性效應(yīng)等問題。CPO產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建尚處于早期階段，目前仍面臨較多挑戰(zhàn)，尤其在工程能力方面，具體包括：外置光源方案復(fù)雜度高、耦合損耗大；光與電的可靠性相差較大，如何滿足電能力存在挑戰(zhàn)；超大基板設(shè)計與制造、密集出纖能力、走纖一致性、光連接器等高密無源封裝、多路串?dāng)_抑制、異質(zhì)集成等規(guī)?；ミB問題存在挑戰(zhàn)；傳統(tǒng)光器件主要基于InP平臺，核心器件如何CMOS或