基于硅基光电子技术的800G可插拔光模块技术演进

  摘要

  超大规模数据中心带宽需求的增加，正推动着800G可插拔光模块的发展。新一代的可插拔模块将利用更高的波特率、标准化协议和先进的集成，以实现在小型形式因子下进行800G传输。支持800GbE、多种客户速率、互操作模式和低功耗等关键功能，将加速其商业化。凭借成熟的硅基光电子技术和三维封装技术，800G可插拔模块有望在2024年实现大规模部署。

  导言

  数据中心流量持续增长，正在推动着更高容量和更高效的光互连技术的发展。60G波特信号速率的400G可插拔模块在过去几年中已成功部署，但目前关注点正在转向新一代800G可插拔模块。

  预计超大规模数据中心将引领向800G可插拔模块的转变，对下一代交换机和路由平台提出了800G端口的需求。与400G时代类似，标准化组织正在推动参数的统一，以确保多供应商间的互操作性和规模经济。这包括将波特率提高一倍至约120G波特，并将信道间距增加至150GHz。

  硅基光电子技术、三维集成和混合信号电子技术等先进技术，实现了800G操作所需的更高波特率和调制方案。在硅基400G可插拔模块和性能优化模块获得证实的基础上，这些技术现可应用于开发像QSFP-DD和OSFP等小型形式因子的800G可插拔模块。

  支持800GbE、多种低速率客户、互操作模式、高发射功率产品和低功耗等关键功能，将推动其在各类网络中的应用。随着技术和标准化的统一，800G可插拔模块有望在2024年左右实现大规模部署。

  800G光学标准的整合

  OIF、Open ROADM和IEEE等行业组织正在推动800G标准的统一，以确保多供应商间的互操作性。这包括标准化800G光学参数、客户端协议和模块管理接口。

  在光传输方面，OIF正在定义800ZR，这是一种互操作的800G相干DWDM解决方案，通过使用约120 G波特信号速率和16QAM调制的3类光学，实现80公里的放大链路传输[1]。Open ROADM还指定了增强性能模式，包括用于提高光信噪比的概率星座整形(PCS)的互操作实现，其操作波特率为130+ G波特。

图1. 2类约60+G波特到3类约120+G波特的波特率和信道间距的2倍扩展 (Source： Cisco)

  在客户端方面，IEEE 802.3ck定义了100γ接口上的800GbE操作的物理层规范。OIF和Open ROADM还支持通过800G光链路对低速率客户端(如400GbE和100GbE)进行分组复用。此外，OIF对公共管理接口规范(CMIS)的实施协议确保了多供应商可插拔模块之间的互操作管理。通过在光学、客户端和管理参数方面的统一，800G标准将产生类似400G的规模经济效应，同时确保多供应商间的互操作性。

  支持800G可插拔模块的先进技术

  利用硅基光电子技术、三维集成和混合信号电子技术等先进技术，对开发紧凑和高效的800G可插拔模块很重要。

  硅基光电子技术提供了可集成在硅基板上的高带宽密度波分复用组件，如调制器、波分复用器和光检测器。这种技术可以以具成本效益和可扩展性的方式实现100G以上更高波特率的扩展。

  三维集成或硅化技术(如翻转芯片焊接、堆叠芯片和高密度基板封装)能将光子学和CMOS电子技术进行紧密集成。这种集成可以在800G速率下提高信号完整性和功率效率。

  新一代混合信号电子技术，例如每通道112G的DAC和ADC性能提升，以及新的DSP，实现了800G光传输所需的高速信号和复杂调制方案。

  这些技术已经在基于硅的400G可插拔模块和Acacia的CIM相干模块等性能优化模块中得到验证，使其有望支持大规模800G可插拔模块的开发。

图2. 从左至右：用于2类MSA可插拔模块和3类性能优化CIM 8模块的3D硅化技术。

高度集成的共封装对3类800G MSA可插拔模块非常重要。(Source：Cisco)

  800G可插拔模块应用的关键功能

  为实现成功的大规模应用，800G可插拔模块需要支持一些关键功能，以满足网络应用和行业发展需求。一个主要功能是支持800GbE客户端流量。据预计2024年将有800G交换机和路由器端口，为互连这些平台，可插拔模块需要具备本机800GbE功能。在网络中400GbE和100GbE等低速率客户端仍广泛存在的过渡期内，对它们的多路复用支持也非常关键。

  互操作模式是另一个关键促成因素。800ZR将为相干DWDM链路提供基准模式。但是，Open ROADM的PCS模式提供了更高的性能，可达到与400G相当的覆盖范围。这种灵活性适合各种网络拓扑和应用的需求。高发射功率产品对传统的利用现有ROADM基础设施的棕地网络而言是必需的。内置放大器提供了这些链路所需的更高的Tx功率。

  最后，低功耗仍是一个优先事项。功率效率可以最大化800G交换机和路由器线卡的端口密度，也可以实现与现有400G端口的向后兼容。优化设计的800G可插拔模块将利用硅基光电子集成和CMOS工艺节点缩减的最新进展来降低功耗。

图3. 说明800G MSA可插拔模块所需的关键功能 (Source：Cisco)

  总结

  行业趋势显示，800G可插拔光模块是数据中心互联的下一步进化。通过技术发展和标准统一的结合，800G可插拔光模块有望在2024年左右实现大规模网络部署。其出现将与新一代交换机和路由器的800G端口同步，为数据中心运营商提供直接的容量提升。800G可插拔光模块将借鉴400G光模块应用中获得的关键经验和技术，提供下一代光互连所需的功能和性能。