华工正源：数据中心光模块需求和发展趋势

  ICC讯 2020年数据中心的发展成为拉动光通信行业全年发展的主要动力之一。近年来数通市场是光通信产业链上各企业的必争之地。华工正源作为通信光模块的领先企业，在数通领域有着深入的发展和巨大竞争力。“第19届讯石光纤通讯市场暨技术专题研讨会”上，武汉华工正源光子技术有限公司有源事业部总经理助理、成都研发中心主任胡云关于《数据中心光模块的需求和发展趋势》的报告展示了华工正源在数据中心的全系列解决方案和综合实力，介绍了数据中心市场的规模及光模块演进及未来展望，通过对比不同方案件的优劣窥探未来发展趋势。在国家大力发展新基建的浪潮下，2021年，新一轮政策利好将助推我国数据中心建设迎来新发展机遇。未来，数据中心要从多方面提升规模、容量且可持续发展能力，数据中心建设发展对光模块影响巨大。

  关于华工正源

  华工正源成立于2001年，是华工科技旗下核心战略子公司，在武汉、成都、美国、深圳设有研发中心与销售中心，公司专注于无线前传、中传、回传，数据中心光模块，特种数据光模块，智能网络通讯设备解决方案。华工正源连续15年蝉联中国光器件最具竞争力企业十强，中国5G光模块首单发布者，公司拥有超大型光模块生产基地，月产能达到300万只，拥有核心专利超过160件。

  基础设施投入增长拉动光模块需求

  随着技术的发展，通信行业基础设施支出正在发生巨大变化，近年来，企业网在传统的硬件IT和软件投入上正在减少，并更青睐于外包给云服务商。而在数据中心基础设施的投入迅速增长，加上国内加快新基建的建设，行业研究机构预计数据中心建设未来几年保持20%以上的增长。国外方面，TOP5云厂商2020年第一季度资本支出为264亿美元，比2019同比增长56%。

  基础设施支出的增长正在影响全球光模块光器件的市场，数据中心朝着大型超大型方向发展，流量迅猛增长驱动光模块需求的增长，光模块的速率从100G到200G向400G演进，根据行业研究机构统计，预计在2021到2025年，数据中心光模块市场会恢复两位数的增长。

  光电芯片协同提升推动光模块速率快速升级

  在数据中心光模块的技术演进方面，数据中心对光模块的要求第一为高速率，低成本，低功耗，小封装，小功率。数据中心网络架构正呈扁平化方向演进，这种演进解决的时延和拓展的问题，但使东西向流量的剧增，从而需要更多更高速的连接。光模块速率的提升需要光电芯片速率的协同提升相互配合，2013年25G的NRZ Serdes 第一次流片，推动了2015年100G QSFP28模块的批量出货;2017年50G PAM4 Serdes的第一次流片推动了2019年第一次400G系列光模块的系列商用出货;2020年100G Serdes的流片也将带动800G速率光模块的发展。预计在2023年200G Serdes流片将推动1.6T光模块的演进。数据中心的演进分为三代，25GNRZ Serdes、 50G PAM4、 100/200G Serdes对应了100G系列光模块、400G、800G光模块。

  数据中心的连接分为数据中心内部的互连及数据中心之间的DCI互连，不同距离之间的连接需要各种各样的光模块解决方案。光模块的演进除了速率的提升，调制信号从NRZ到PAM4到相干，光通道从1×2向1×4及1×8演进，从发货的数据上看，1×4更多。

  基于50G serdes，对应100G/400G光模块，100米短距离传输用VCSEL的光芯片，针对单波100G的2公里到500米的主要还是硅光和EML的方案。DML方案由于光芯片线性度色散的问题还在优化，没有成熟。针对不同的光芯片所需的工艺要求不同，对于多模VCSEL主要为COB，对于EML和硅光为COC耦合。硅光耦合的容差比单模更难。硅光的工艺上的难度有一定挑战。

  400G系列光模块中不同光芯片之间的优劣比较：

  从带宽上，EML带宽目前研究表明已经能够证实可以达到60GHz，而硅光MZM可以达到50GHz。

  传输速率上，VCSEL在短距离100M，EML可以支持2公里，10公里和40公里。硅光在500M和2公里比较有优势。

  从成本上说EML相对贵一些，批量能力来说,硅光的基于COMS平台可以实现光电混合集成，量产能力高将会有保障。

  400G系列光模块方案总结：

  基于VCSEL芯片的光模块产品有用于短距100m的400G SR8/SR4.2的产品;基于EML芯片光模块产品有100G、100G DR1/FR1/LR1/ER1、400G DR4/FR4、400G LR4;基于MZM(SiPh)芯片的产品为100G DR1/FR1、400G DR4、400G-ZR。

  对比单波100G的硅光方案和EML方案的功耗和性能的差异， 单波100G EML的功耗在4.5W，单波100G硅光的方案功耗控制在3.5W以内，同时来说，两款产品在光眼图性能上，硅光一样可以满足单波100G和400G DR4的性能要求。硅光的优势在于集成性高，可以集成MZM+SSC+PD。硅光在于缺点耦合插损大，需要搭配大功率CW、DFB。

  400G DR4 EML 对比 SiPh，400G DR4 EML功耗在 12W;400G DR4 SiPhL功耗在 10W以内。DR4硅光的优势在于仅需要两个CW DFB 、支持多通路集成、4CH MZM+SSC+4CH P，所以功耗和成本有优势。

  数据中心光互联DCI需求快速增长，基于相干技术已成为100 Gb/s、200 Gb/s以及400 Gb/s长距离传输的标准技术方案，从最初面向超长距离的解决方案向包括城域网/接入网的传输市场和近年来特别关注的数据中心间高速互联市场快速推进 400G ZR标准已经发布，ZR+正在推进。

  400G-ZR解决方案，在2020年讯石研讨会上胡云列举了三种方案对比，总的来说硅光相干集成和收发集成是比较好的低成本的解决方案。

  展望800G 预计2021年推出产品

  胡云认为下一代800G可插拔光模块，分为三步演进：

  Step1:基于100G Serdes， DSP PAM4 8 in 8 out， 光口100G/l ，8x100G 产品 ---2021推出

  Step2:基于100G Serdes + Gearbox, DSP PAM4 8 in 4 out，光口200G/l ，4x200G 产品 ---2023推出

  Step3:基于200G Serdes， DSP PAM4 4 in 4 out， 光口200G/l ，4x200G 产品 ---2025推出。

  基于200G 光电芯片的展望，预计2022年200G/l 相关的光电芯片才逐步Ready，推进1.6T (8*200G)可插拔光模块才可实现，从而推进102.4T交换机的发展。基于100G/l光器件的发货会持续大约10年;基于100G/l光器件的发货会持续大约10年。

  目前，正源拥有100G全系列产品正在大批量出货，400G产品正在小批量阶段，用于数据中心解决方案的800G DR8、100G DR1/DR1+光模块、用于5G承载中回传的200G LR4/ER4光模块在CIOE 2020展会上隆重推出，受到业内广泛关注。华工正源的单波100G 技术已经具备，为8*100G光模块解决方案做有力支撑。