光模块标准进展及发展趋势：客户侧

  本文转载自微信公众号“光通信充电宝”，作者冯振华博士，讯石经允许略作删改。

  今天咱们来聊聊光模块相关的标准进展及光模块相关技术的发展趋势，内容上将分为两个部分，一个是客户侧光模块，主要面向中短距离光互连的，另一个是线路侧光模块，面向城域和长距光传输的。

  下面首先介绍以太网的发展及速率接口演进趋势，然后分别介绍IEEE 802.3、OIF及其它联盟推出的最新标准，最后展望一下未来光模块技术的演进，如板上光学(OBO)或共封装光学(CPO)。简单概括起来，行文思路就是客户侧光模块从概念入门到game over。

  一、以太网技术发展和演进

  马云. 盖茨说过“互联网将改变人们生活的方方面面”，对不起我实在是分不清这话到底比尔盖茨有没有说过，但我想说的是以太网将改变互联网生活的方方面面。过去的二十年里，以太网技术已经被广泛用在了企业园区，家庭宽带，工业控制，安防监控等领域，未来更大带宽，更低时延的以太网相关技术还将进一步渗透到智能制造，智慧城市，自动驾驶，5G承载，云计算、数据中心等场景，可能无时无刻不在影响我们的生活。

图1. 以太网相关的应用场景

  面对新的应用，以太网的速率也在不断增长，如图2所示，从最初的10M,100M到最近标准化的400G,接口速率已经翻了4万倍。进一步应对数据中心每两年交换机容量翻一倍的需求，于2018年，以太网联盟就已经明确了在未来的几年内，将推出下一代以太网速率，800G和1.6T。

图2. 以太网速率标准演进趋势

  为了支撑相应的接口速率，就必须得规范对应的光模块技术。下面首先介绍客户侧的光模块标准。

  二、客户侧光模块标准

  其实我之前在公众号里也多次提到过部分的短距光模块相关的标准。今天再次从多个方面来汇总一下。

表1. 最新的以太网接口光模块标准

  如表1所示，当前以太网接口规范对应的光模块速率、传输距离及电接口，目前尚未完全完成的标准主要集中在25G/50G EPON，100G FR/LR, 400G FR4/LR4-6，以及100G/400G 80km级的ZR。在此再次回顾一下之前说过的，KR,CR,SR,DR,LR,ER,ZR的意思。K表示背板互连，C表示铜线互连，S表示短距100m以上，多模光纤，D表示500m，并行单模光纤，F表示2km，通常是CWDM单模，L一般表示长距10km，单模光纤，E表示延长距离到40km, ZR表示80km级互连，通常要用相干探测了。字母R后面的数字一般表示并行光纤或者WDM通道的数量。不同PMD规范不同的距离，其实在光模块技术上大致对应了采用的激光器/调制器，如表2所示，多模的一般用VCSEL，长距一般要用EML，ZR可能需要用到相干的IQ调制，显然随着传输距离的增加，调制技术越来越复杂，也就意味着成本越来越高了。

表2. 不同PMD规范对应的传输距离、媒介和复用技术

  在这些标准中，50G的PAM4调制是关键，得到了IEEE802.3bs, cd,cn等工作组的关注，成为50G到400G接口标准的基础。其中bs,cd已经于2017年和2018年底完成，cn系列标准将于2020年完成。

  对于最近业界关注较多的是用于DCI和CATV应用的80km光接口相关的标准，IEEE早在2018年11月就成立了802.3ct工作组，开始标准制定。其中用于DCI的是400G/80km, CATV是100G/80km。这两种ZR应用中，目前业界认为只有通过数字相干技术才能实现80km级的高速传输，并且还需要利用WDM来提高单纤的容量。去年11月，IEEE ZR标准进一步细分为100G ZR (100G,80km)和400G ZR (400G, 80km)分别由802.3ct, cw工作组负责。并且IEEE 400G ZR的信道间隔从原来的100GHz更新为75GHz,这将需要更长的时间来完成标准化相关的讨论。类似的，在OIF组织下，400G/最长120km的标准400ZR interop，也决定开始75GHz间隔技术标准1.1版本，之前的1.0版本是100GHz间隔。

  另外，在FR/LR这种2km/10km级别的接口标准方面，IEEE 802.3cu去年3月启动了100GBASE FR/LR及400GBASE FR4/LR4。该系列标准的重点是引入100G PAM4调制和CWDM复用的波长网格。相比于50G PAM4,更高的单波速率在减小收发器件数量和降低成本方面有优势。 由于CWDM波长间隔20nm的宽度，如图3所示，允许使用不制冷的激光器，进一步降低成本。显然，引入单通道100G的技术对于实现高速光模块即有利于降低成本，又能有效增强可制造性(通道数少，光模块更容易做)。另外，802.3bs和cd工作组也采用LAN WDM波长分配方案，如图4所示。很明显，LAN WDM波长间隔仅为800GHz(4.5nm)，需要使用TEC控制波长漂移，但是它工作在O波段零色散附近，高速传输时受色散影响较小。相比之下，CWDM传输可能会受到较大的色散影响，特别是相比于MZM，EML还是有啁啾的影响，这对于400GBASE LR来说可能是挑战，802.3也觉得这个400G只能支持到6km，即400BBASE-LR4-6。不过对于100G/lamda MSA工作组来说，它们采用了不同的波长来解决色散问题，因此MSA定义了400GBASE-LR4-6和400GBASE-LR4-10两种规范。

图3. CWDM的波长分配

图4. LAN WDM的波长分配

  对于800G光接口，2019年成立了两个MSA工作组，一个是QSFP-DD800 MSA，另一个是800G Pluggable MSA。在最新发布的800G Pluggable 白皮书中考虑可能采用单通道100G PAM4实现800G SR，采用单通道100G或200G来实现DR和FR场景。对于后续的1.6T的话，单通道200G可能是必须的。而对于LR/ER/ZR等更长距离的800G应用，数字相干技术将是更合适的选择。

图6. 不同速率接口的调制方式

  从图6可以看出，目前在400G以下速率的接口中，单通道50G PAM4和100G PAM4是主流调制方式，而对于800G以上速率，单通道200G PAM4甚至相干技术将可能占主导地位，也许三四年左右，这一需求将会出现。

  总体上来看，IEEE802.3只是定义了光发射机和接收机的光电方面的总体性能。具体的参数如机械尺寸，PIN引脚定义，管理接口定义等是由业内的多源协议MSA规定的。当前，多种MSA规范的热插拔光模块被广泛商用。对于100G，CFP/CFP2/CFP4和OSFP最为流行，而对于100G以上(200G/400G)业内更倾向于QSFP-DD,OSFP，它们的封装形态及主要参数如下图。

图7. 100G+客户侧模块主流封装形态

  不得不说，随着数据中心内部流量不断快速增长，交换机容量、端口密度和接口速率都将面临严峻挑战。特别是光模块的电口到交换机内部的交换芯片之间的PCB走线将影响信号完整性，并且交换机面板上的功耗也会成为瓶颈。为了解决这两方面的问题，业界也在挖掘新的机会来替代当前这种可插拔光模块，这就是后光模块的话题了。

  三、后光模块时代

  叫后光模块时代似乎有点危言耸听的味道，但或许去光模块将成为未来一段时间内的趋势。业界也有越来越多的声音来探讨以后的光模块是怎样的，交换机的架构，设备形态是怎样的。甚至18,19,20连续三年OFC上都有专题讨论相关的问题，论题无非都是，可插拔光模块是否会被废弃?什么时候废弃?被什么技术取代?

  全面而正确地回答上面这三个问题，会很难。我只能挑目前主流的观点结合我自己的看法来说几点。

图8. 交换机容量及光模块速率演进趋势

  a) 当前的这种光模块与设备的互连方式肯定会被取代，因为当前交换机的最高密度是1RU上可插32个400G光模块，对应的容量12.8T。数据中心交换机的容量每两年翻一倍，两三年后就会出现51.2T的需求了。假设业界那时800G光模块已经成熟并且尺寸功耗够小，交换机还能变大一倍，那样2RU下最大也就能提供51.2Tb的容量了，可是再继续提升就几乎不可能了，至少基于当前的可插拔模块的路径是走不通了。

图9. 光模块及光芯片组需求量预测

  b) 后光模块技术的市场需求应该会在2024年左右出现。两方面原因，一是交换机容量到达51.2T的瓶颈会在2024年左右突显，如图8所示;二是Lightcounting机构预测以太网数据中心光模块需求量会在2026年下降，2024年光芯片组开始起量，随后的较长的一段时间里与光模块竞争并成功抢占大部分市场。

  c) 后光模块时代两个最具竞争力的方案分别是板上光学OBO和共封装光学CPO。下图为三种技术对应设备的直观表示。其中光模块方案，前面板上是高速电口，光模块与交换芯片之间有较长PCB走线;板上光学OBO方案则把光模块直接放到交换机内部的主板上了，面板仅留光口，宽度更高，功耗更易控制，高速PCB走线缩短，信号完整性也更好;共封装CPO则直接把光引擎(收发模块)与电交换芯片在一个衬底上封装成一个芯片，集中解决散热问题，同时也可以省去很多的SerDes功能，节省功耗。

图10. 光模块，板上光学，共封装三种方案设备对比

  d) 进一步的，共封装CPO方案也可能分为两个阶段，初级阶段是通过在一层介质上把电器件和光器件进行2.5D封装，组成多芯片模组(MCM)。终极目标是通过硅通孔实现3D封装，真正意义上进行单片光、电芯片的封装。如图11所示。

图11. 共封装光学的两种可能形态

  e) OBO和CPO两种形状到底能节省多少功耗呢?见下表所示，很明显，由于简化了SerDes，省去了CDR,DFE/CTLE/FFE等功能，CPO相比于OBO还是有显著的功耗优势的，而OBO在可插拔模块的基础上也有一些功耗的降低，主要是省去了DFE，PCB走线更短，无须强均衡。而难度比较大的TSV相比于MCM在功耗上似乎也没有太明显的优势，考虑到共封装的难度，能做个2.5D的MCM也不错了。

表3. 25G速率时不同形态线卡功耗对比

  f) OBO和CPO虽然都有相应的产业联盟，如COBO，主要由交换机厂商ARISTA，BROADCOM，CISCO等领衔，而CPO则由数据中心运营商/互联网公司微软和Facebook领导，他们最近也陆续发布了一些OBO或CPO概念原型机，如Intel单片容量达1.6T，单板容量12.8T。但是这种新技术也还是面临一些挑战的，至少散热问题很关键。那么多光引擎及大容量的交换芯片封装在一个紧凑的面积下，仅风扇散热恐怕不行，至少得上水冷吧。

  新技术可能不会马上就能大规模商用，但是可能为期不远。在未来的5~8年的时间内，虽然OBO或CPO不会立马取代现有的可插拔光模块的地位，但三四年后，开始抢夺市场的趋势还是很可能会出现的。虽然10年内不会完全被某一种形态的线卡所垄断，会存在一个由可插拔向板上再到MCM或TSV这样的共封装的过渡过程，对于设备商来说，早做准备还是有必要的，这种革命性的技术完全有可能较大程度上改变通信设备的形态和产业链。

  也许10年后，可插拔光模块市场消失了呢？即使不消失，光模块芯片组高度集成化，线卡设计工作仅剩下布局和画PCB板了，那时候还需要你做什么呢，你又能做什么呢？