400G相干光器件发展现状和趋势

  密集波分复用技术已进入单波400G相干通信传输时代。单波400G有多种调制格式，如64GBd-PM-16QAM、96GBd-PM-16QAM-PS、128GBd-PM-QPSK，调制格式阶数越高，光信噪比要求越高，传输距离越短。相干光器件是相干通信的核心器件，包括相干光源和相干收发器件。相干收发器件按信号波特率可分为64GBd、96GBd和128GBd几种。64GBd相干光器件实现单波400G短距传输（PM-16QAM），128GBd相干光器件实现单波400G长距传输（PM-QPSK）。96GBd被认为是过渡速率，本文将着重介绍64GBd和128GBd相干光器件发展现状和趋势。

  现 状

  相干光源包括固定波长激光器和波长可调谐激光器。固定波长激光器应用于点到点的短距传输系统，满足应用需求的前提下大幅降低成本。波长可调谐激光器应用于密集波分复用系统，关键指标包括线宽、功率、功耗、调谐范围、调谐速度，其中128GBd应用有C+L双波段需求。波长可调谐激光器按原理分外腔激光器和集成激光器，均可以满足当前商用需求，器件成本很大部分来自于复杂的生产组装和测试定标。外腔激光器为增益芯片和外腔滤波器芯片的集成，可以单芯片实现双波段功能；集成激光器需要设计双波段芯片切换方案。波长可调谐激光器主流采用热调方案实现波长调谐，调谐时间为百秒量级。波长可调谐激光器的行业标准为OIF-iTLA实施协议，封装尺寸朝小型化方向演进，同时，朝窄线宽（目标100kHz）、高功率（>+16dBm）、低功耗（<3W）、更快调谐时间不断优化。

  相干收发器件是指包括光芯片、电芯片、承载基板/管壳和其他辅助元件的光电集成器件，实现相干调制和解调功能。相干收发器件的核心是光芯片，光芯片材料有硅光、磷化铟和薄膜铌酸锂等3种，其特性如表1所示。其中，硅光是当前小型化可插拔模块的主流选择；薄膜铌酸锂属于新材料和新技术，当前尚未产品化，有望在128GBd时代广泛应用。

  发展趋势

  相干光模块和光器件的封装形态发展趋势是标准化，以满足开放式光网络中互联互通需求，也有利于降低设计和制造成本。低功耗短距离相干光模块主流封装标准为QSFP-DD，大功耗长距离高性能相干光模块主流为CFP2封装。在标准发展方面，器件级有分立光器件（ICR/CDM）和收发集成光器件（IC-TROSA）协议，以及相干光源iTLA协议；模块级有单跨短距离互联互通的64GBd-PM-16QAM 400ZR协议、多跨段互联互通的64GBd-PM-16QAM的400G Open ZR+和Open ROADM等MSA（multi source agreement）协议。

  相干光模块采用小型化可插拔封装将成为主流，收发器件形态从分立向集成发展。数通模块采用QSFP-DD封装，电信模块CFP2封装成为主流。当前400G相干QSFP-DD模块可实现硅光器件和单通道EDFA的集成，应用于低功耗的短距离传输场景。硅光器件集成DSP芯片，采用微电子封装技术将是趋势，也就是光电共封装技术概念，即光芯片、模拟电芯片和DSP芯片共基板封装，实现高速信号更优的传输质量，在高波特率信号传输时尤为重要；磷化铟器件集成窄线宽可调谐激光器将是趋势，中长期内仍将存在分立器件和集成器件两种形态，高速信号采用柔性电路板接口将是趋势；长期来看，薄膜铌酸锂器件和硅光的异质集成将是趋势。

  相干400G传输从城域短距离向长途传输演进，促使相干收发器件波特率从64GBd迈向128GBd。2022年全球市场64GBd相干光器件约20多万只，2022年底Omdia预测未来五年相干400G模块的年复合增长率约为50%。2023年有128GBd相干光模块的现网试验报道，预计基于128GBd-PM-QPSK的400G长途传输技术即将成熟，2025年将规模商用。产业界64GBd相干收发器件现状是硅光为主，磷化铟为辅，在128GBd时代将导入薄膜铌酸锂材料。

  随着相干收发器件速率或带宽的提升，光电协同设计成为趋势，以提高光电性能。相干收发器件中光芯片、电芯片以及基板/管壳的封装结构影响高速信号的传输质量，一般来说，小型化用BGA非气密封装，其他封装用FPC接口。光器件中电芯片带宽峰化将是必要功能，通过对光芯片、电芯片（以及DSP芯片）、基板的光电协同设计来保证光器件整体带宽的满足需求。

  总体而言，64GBd相干光器件实现400G短距传输，处于商用上升期；128GBd相干光器件实现400G长距传输，处于商用启动期。为满足400G相干光传输系统更低成本、更高容量、更长距离的需求，相干光器件将朝着标准化、小型化、高波特率、高性能等技术方向演进。

  作者：中兴光电子 沈百林，王会涛