我国光模块行业标准制定部分领先于国际标准

  光通信是新基建的重要承载技术，其发展水平更是成为衡量国家综合国力的一项重要指标。现在，光通信正面临新一轮的技术演进与革新，正如“中国光纤之父”赵梓森所言：“5G的发展会带动光纤通信的发展。未来，中国的光纤通信国内市场大，世界市场更大。”光通信怎样助力经济发展?作为光通信发展核心的光模块呈现怎样的发展趋势?我国光通信企业在5G领域取得了哪些进展?“F5G﹢5G”如何相互助力，使能新基建?请关注本版的报道。

  全球信息技术正处于创新活跃时期，新型业务和应用模式驱动数据流量呈爆发式增长，位于网络底层的传输、接入、数据中心互联等对上层应用发展起着基础性的支撑作用。高速光模块用于实现电光/光电转换等基本功能，是光通信网络及系统设备的基础构成单元和影响网络稳定性的重要因素，其内部的光电子芯片器件更是光通信产业发展的核心。近年来，高速光模块在光通信系统设备中的成本占比不断攀升，部分设备中甚至高达50% ~70%。未来3~5年，随着我国5G承载网络建设持续推进和数据中心光互联等蓬勃发展，光模块需求量巨大，越发引起业界的广泛关注。

  两大主流应用场景

  推动光模块技术发展

  光模块整体向高速率、集成化发展演进，电信和数据中心是两大主流应用场景。光模块分类方式多样化，按速率可分为10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等;按封装形式可分为SFP﹢、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等;按传输距离可分为100米、500米、2千米、10千米、40千米、80千米等;按调制格式可分为NRZ强度调制、PAM4强度调制、DP-QPSK/nQAM相位调制;按是否支持波分复用，可分为灰光和彩光;按工作温度的不同，又可分为商业级和工业级等。

  电信和数据中心是光模块的两大主流应用场景，推动光模块技术向更高速率、更高集成度方向发展，在移动通信前传网络中，光模块正由支持4G CPRI接口的10Gb/s向支持5G eCPRI接口的25Gb/s演进;中回传网络光模块正从50Gb/s、100Gb/s向200Gb/s、400Gb/s速率演进。在数据中心传统三层交换架构中，光模块速率向25/50/100/200/400Gbps演进;在新型两层交换架构中，光模块速率正在向800Gb/s演进。近年来，随着带宽需求和光模块技术的快速发展，光模块光电接口、封装形式等方面的国内外标准化工作同步推进。

  板上光学和共封装光学

  成为重要发展方向

  IEEE 802.3侧重客户侧以太网光电接口规范，已发布400Gb/s及以下速率系列标准。IEEE 802.3已发布25GBASE-SR/LR/ER、50GBASESR/FR/LR/ER、100GBASE- SR4/ DR/LR4/ER4、200GBASE- SR4/ DR4/FR4/LR4/ER4、400GBASEDR4/FR8/LR8/ER8等接口规范，目前仍有多个项目处于在研阶段。IEEE 802.3cp正在定义10/25/ 50GE速率、10/20/40km传输距离的单纤双向光接口规范;IEEE 802.3cu主要定义单通道100Gb/s、四通道400Gb/s，2/6km传输距离的双纤双向光接口规范;2020年新立项的IEEE 802.3db面向单光纤100Gb/s、双光纤200Gb/s、四光纤400Gb/s，面向几十米短距传输的光接口规范;IEEE 802.3ct和cw分别定义单通道100Gb/s和400Gb/s，面向80km传输距离的相位调制彩光接口规范。IEEE 802.3 cp/cu/ct/cw几项标准预计未来1~2年内完成制定。

  ITU-T SG15物理层研究当前热点为25/200/400Gbps速率的波分复用接口规范。ITU-T SG15主要面向传送与接入网技术及架构、逻辑接口、成帧和映射、物理层接口等相关规范，包括“WP1接入、家庭和智能电网传送”“WP2光技术和物理基础设施”“WP3传送网络特性”，与光模块相关的标准化工作主要在WP2进行。当前研究热点一是修订G.698.2，增加200G/400G应用代码，面向百km量级传输距离;二是修订G.698.1/2/4，增加25G应用代码，面向10km量级传输距离。其中，25Gb/s DWDM已就通道间隔、发光功率、色散、接收灵敏度等参数初步达成共识;基于O波段的25Gb/s WDM于2020年9月完成立项。

  OIF侧重相干光模块、发射接收机、集成光器件等具体实现以及电接口和互联等标准化工作。在电接口方面，2017年OIF已发布28/56G速率的OIF- CEI- 04.0标准，目前56/ 112G速率中的部分规格正处于在研阶段，224G将输出白皮书。在相干光器件及组件方面，2018年OIF已发布64GBaud的高带宽调制器标准OIFHB- CDM- 01.0，96/128GBaud更高带宽处于在研阶段。在相干光模块方面，OIF已发布168-pin不可插拔、CFP2-DCO可插拔系列光模块标准，2020年3月最新发布了面向400Gb/s速率的OIF- 400ZR- 01.0。OIF400ZR-01.0的应用场景包括传输距离为80km~120km的放大点对点DWDM链路和链路预算为11dB的非放大单波长链路。同时，OIF已立项400ZR Maintenance项目，将在OIF-400ZR-01.0版本基础上增加75GHz间隔等内容，预计2021年完成标准修订。

  业界针对800Gb/s光模块的标准化工作拉开帷幕。随着400Gb/s光模块已完成多种距离规格和不同实现方案的标准化工作，并在数据中心和电信网络中逐步走向规模部署，业界开始讨论800Gb/s光模块的发展需求、应用场景和技术方案，并进行数字信号处理等器件芯片产品的研发。国际上有四大标准化组织与800Gb/s标准化工作密切相关：一是以太网技术联盟于 2020 年 4 月发布800GMAC层相关规范。二是800G Pluggable MSA于2019年9月成立，2020年发布白皮书，基于PAM4调制的8×100G、4×200G业务场景定义光接口参数。三是QSFPDD800 MSA于2019年9月成立，2020年发布QSFP- DD800 Spec. R1.0技术规范，基于QSFP-DD制定800G光模块、连接器等相关规范。四是OIF已多次进行800G技术讨论，基于OIF研究基础，选择相关方案的可能性较大。

  板上光学和共封装光学成为重要发展方向。目前，光模块的封装以可插拔形式为主，具备小尺寸、低功耗优势，相关规范由CFP、SFF、NGSFP、QSFP- DD、OSFP等多源协议组织(MSA)讨论制定;部分高性能领域仍采用不可插拔形式。随着数据中心内部流量快速增长，交换机容量、端口密度及速率、功耗等均面临挑战，集成化的板上光学(OBO)和共封装光学(CPO)成为光模块封装的重要发展方向。预计在800Gb/s以下速率，传统可插拔形式仍是光模块封装的优先选项，在800Gb/s、1.6Tb/s及以上速率，OBO和CPO可能被更多采用。

  国内高速光模块标准

  向800Gb/s及更高速率演进

  我国已完成25/50/100/200/ 400Gbps系列光模块行业标准立项或发布，研究布局较为完整。我国光模块通信行业标准化工作在中国通信标准化协会(CCSA)TC6/WG4有序进行。

  从具体速率来看，25Gb/s双纤双向和单纤双向灰光模块行业标准已经发布，产品均已成熟;CWDM/ LWDM/MWDM/DWDM彩光模块呈并行发展态势，行业标准均已立项，预计2021年上半年整体完成制定。双纤双向50Gb/s PAM4光模块行业标准已发布，目前研究热点为50Gb/s单纤双向光模块标准制定。强度调制100Gb/s光模块标准化工作和相关产品已较为成熟，城域百km量级传输距离的100Gb/s低成本相位调制相干光模块产业链尚不完善，亟需标准引导。在200/400Gb/s领域，强度调制光模块行业标准已经发布，相位调制400Gb/s相干光模块包括双载波400Gb/s和单载波400Gb/s两种技术方案，后者为目前标准研究热点。800Gb/s已立项标准类研究课题，将对强度和相位调制高速光模块的标准化需求、技术方案和关键参数开展研究。

  综上所述，400Gb/s及以下速率光模块已完成多种距离规格和不同实现方案的标准化工作，业界标准化重点开始向800Gb/s及以上更高速率演进。近年来，我国在200/400Gb/s波分复用、25Gb/s等领域发展速度加快，行业标准制定时间部分领先于国际标准，并积极向国际标准组织输出。无论在电信领域还是数据中心领域，光模块均呈多方案并行发展态势，存在标准及市场碎片化问题，产业链上下游需进一步聚焦共识，推动共性技术协同，使资源得到有序配置，实现定向突破。

作者：中国信息通信研究院技术与标准研究所 吴冰冰