相干光收发器在接入领域的前景

  对数据和其他数字服务的需求正在成倍增加。从2010年到2020年，全球互联网用户增加了一倍，全球互联网流量增加了12倍。从2020年到2026年，互联网流量可能会增加5倍。为了满足这一需求，数据通信和电信运营商需要不断升级他们的传输网络。

  这一升级道路上的主要障碍仍然是收发器的功耗、热管理和可负担性。在过去的二十年里，随着我们从直接探测到更耗电的相干传输，可插拔模块的额定功率不断增加：从SFP模块的2W到QSFP模块的3.5W，到现在QSSFP-DD的14W和OSFP外形尺寸的21.1W。这种功耗的增加似乎与边缘网络的功率要求相矛盾。

  本文将回顾旨在解决这些挑战的边缘网络收发器在数据率、功耗和安装空间要求方面的趋势。

  降低接入的数据速率

  鉴于400ZR可插拔式相干解决方案在市场上的成功，电信部门关于400G可插拔式设备的未来，往往集中在讨论800G解决方案和800ZR上。然而，对于边缘网络应用的 "缩减 "到100G相干产品，人们也越来越兴奋。

  在未来几年，100G相干上行链路将在整个边缘网络的部署和应用中变得越来越广泛。一些移动接入网络的应用案例必须将其现有的10G DWDM链路聚合升级为单一的相干100G DWDM上行链路。同时，有线电视网络和商业服务正在将其客户链路从1Gbps升级到10Gbps，这种迁移将会是增加对相干100G上行链路需求的重要因素。对于提供融合电缆/移动接入的运营商来说，这些对100G上行链路的升级将使他们有机会在现有的电缆网络中叠加更多的商业服务和移动流量。

  向低功耗迈进

  数据中心和5G网络可能是炙手可热的商品，但实现它们的基础设施运行更热。电子设备会产生大量的热量;电子设备散失的热能越多，就必须花更多的钱和精力来给它降温。这些电源效率问题不仅影响环境，也影响通信公司的底线。

  如下表所示，数据中心和无线网络的增长将继续推动电力消耗上升。

图：2020年和2030年估计的ICT电力消耗比较，按不同的ICT部门划分。资料来源： Anders Andrae(华为)，2020年。

  在接入网领域，这些电力限制甚至更加紧迫。与数据中心和网络核心不同，接入网设备生活在不受控制的环境中，冷却能力有限。因此，每一个额外的可插拔电源消耗瓦特都会影响供应商和运营商如何设计他们的机柜和设备。

  这些矛盾是QSFP28外形尺寸解决方案在100ZR领域变得越来越有吸引力的一个主要原因。它们的功耗(最高6瓦)比QSFP-DD外形尺寸(最高14瓦)低，这使得它们可以在接入网机房中更密集地堆放。此外，QSFP28模块与现有的接入网设备兼容，这些设备通常具有QSFP28槽位。

  除了在100G相干性方面转向QSFP28外形尺寸外，我们还相信另外两种降低功耗的方法：

  增加集成度：较小的、高度集成的光学元件之间的互连比更多的分立元件之间的互连耗电更少。我们将在下一节进一步讨论这个问题。

  协同设计：正如我们在前一篇关于适合平台的DSP的文章中所解释的，在磷化铟平台上设计的收发器光学引擎可以被设计成在与DSP的信号输出兼容的电压下运行。这样，经过优化的DSP可以直接驱动PIC，而不需要单独的模拟驱动器，从而避免了大量的电源转换开销。

  我们还能向更小的安装空间迈进吗?

  朝着更小的可插拔芯片的方向发展不一定是一个目标，但正如我们在上一节中提到的，它是实现低能耗目标的一种手段。减少光学元件及其互连的尺寸，意味着芯片内的光传播的距离更小，积累的光损耗更少。

  让我们看一下激光器的例子。在过去的十年里，可调谐激光器的封装和集成的技术进步与对更小尺寸的需求相匹配。2011年，可调谐激光器遵循多源协议(MSA)，用于可集成可调谐激光器组件(ITLAs)。ITLA封装的宽度约为30.5毫米，长度为74毫米。到2015年，可调谐激光器以更紧凑的Micro-ITLA外形尺寸出售，将原来的ITLA封装尺寸减少了一半。而在2019年，激光器开发商宣布了一种新的Nano-ITLA外形尺寸，将尺寸再次减少了近一半。

用于相干光学的可调谐激光器尺寸大小的演变(2011-2021)。图片来源：Laser Focus World。

  未来减少可调谐激光器的安装面积将需要对其部件进行更大的整合。例如，每个可调谐激光器都需要一个波长锁定器部件，它可以稳定激光器的输出，而不受温度等环境条件的影响。将波长锁定器部件集成在激光器芯片上，而不是在外部安装，将有助于减少激光器封装的尺寸和功耗。

  减少可调谐激光器封装尺寸的另一个潜在前景与控制电子装置有关。目前的ITLA标准包括激光器封装上的完整控制电子元件，包括功率转换和温度控制。然而，如果由收发器的主板来处理其中的一些电子功能，而不是在激光器封装里面处理，那么激光器封装的尺寸就可以缩小。

  这种方法意味着缩小后的激光器封装只有在连接到收发器主板上时才会有完整的功能。然而，一些收发器的开发者会欣赏激光器封装的减少，以及提供自己的激光控制电子元件的额外自由。

  启示

  接入网络中不断增长的带宽需求迫使相干插件面临复杂的问题，即在保持足够好的性能的同时转向更低的成本和功率消耗。

  向QSFP28外形尺寸的100G相干解决方案的转变将在满足接入网领域的功耗要求方面发挥重要作用。进一步的收益可以通过提高光学元件的集成度和共同设计收发器的光学和电子引擎以减少低效率来实现。通过消除激光器封装和主收发器板中多余的激光器控制功能，也可以进一步提高收发器的占地面积。