Optische Transceiver-Technologietrends des Rechenzentrums im Jahr 2022

Mit der rasanten Entwicklung von Cloud Computing, Big Data, Ultra-High-Definition-Video, künstlicher Intelligenz und 5G-Branchenanwendungen nehmen die Häufigkeit des Netzwerkzugriffs und die Zugriffsmethoden weiter zu, und der Netzwerkdatenverkehr wächst schnell, was höhere Herausforderungen an die Daten stellt Center Interconnection (DCI). Am Beispiel eines Rechenzentrums mit einer Spine-Leaf-CLOS-Architektur sind die typischen optischen Verbindungsszenarien in Tabelle 1 dargestellt. Die ersten drei Szenarien sind Verbindungen innerhalb des Rechenzentrums, und das vierte Szenario ist die Verbindung zwischen Rechenzentren.

Verbindungsszenarien		Typische Entfernung		Typische Anforderungen an optische Module
				Letzte Generation	Momentan	Next Generation
Szenario 1	Server zu TOR (innerhalb des Rechenzentrums)	2m (innerhalb des Racks) 30/50 m (über Regale)	im Maschinenraum	25G AOC/DOC	100G AOC/DAC	200G AOC/DAC
Szenario 2	TOR zu Blatt (innerhalb des Rechenzentrums)	≥70m/100m	innerhalb des Gebäudes	100G SR4	400G SR8/SR4.2	800G PSM8/PSM4
Szenario 3	Blatt zum Rücken (innerhalb des Rechenzentrums)	500 m/2 km	zwischen Gebäuden	100G CWDM4	400G FR4/DR4	800G FR4/PSM4
Szenario 4	Unter Rechenzentren	80-120m	unter Campus	100G-DWDM	400G ZR/ZR+	800GZR

Tabelle 1: Typische optische Verbindungsszenarien von Rechenzentren

1. Anforderungen an optische Module für die interne Verbindung von Rechenzentren

Die interne Verbindung des Rechenzentrums macht einen großen Teil der gesamten Verkehrsverteilung des Rechenzentrums aus. Die typischen Anforderungen an optische Module sind in Tabelle 1 dargestellt, und es gibt Entwicklungstrends in Richtung hoher Geschwindigkeit, geringer Leistungsaufnahme, niedriger Kosten, Intelligenz usw.

(1)Der Trend zur Hochgeschwindigkeit

Die interne Verbindung innerhalb von Amazon, Google, Microsoft, Facebook und anderen nordamerikanischen ultragroßen Rechenzentren hat zwischen 400 und 2019 mit der kommerziellen Bereitstellung von optischen 2020-Gb/s-Modulen begonnen. Inländische Rechenzentren stellen schrittweise von 100 Gb/s auf 400 Gb/s um Transceiver, und die groß angelegte Bereitstellung wird voraussichtlich 2022 realisiert. Wie in Diagramm 1 dargestellt, wird der Durchsatz von Rechenzentrums-Switching-Chips voraussichtlich 51.2 Tb/s im Jahr 2023 und 102.4 Tb/s nach 2025 erreichen. Höhere Raten von 800 Gb/s s und 1.6 Tb/s werden zu wichtigen Entscheidungen, um einen Datenaustausch mit hoher Bandbreite zu realisieren.

Diagramm 1: Der Entwicklungstrend des Rechenzentrums-Switch-Chip-Durchsatzes

(2) Der Trend zum Niedrigverbrauch

Da die Kapazität von Switching-Chips weiter zunimmt, hat der Stromverbrauch optischer Module begonnen, den von Switching-Chips zu übersteigen, was zu einem Schlüsselfaktor für Netzwerklösungen wird. Der anfängliche Stromverbrauch von optischen 400-Gb/s-Modulen beträgt 10 bis 12 W, und der langfristige Stromverbrauch wird voraussichtlich 8 bis 10 W betragen; Der Stromverbrauch von optischen 800-Gb/s-Modulen beträgt etwa 16 W. Darüber hinaus erwartet die Branche, den Stromverbrauch und die Kosten für die Verbindung von SerDes durch die Kapselung der optischen Engine und des Schaltchips zu senken, und die CPO-Technologie (Co-packaged optics) kapselt elektronische Chips und optische Engines zusammen, was zu einem Forschungs-Hotspot geworden ist die Branche.

(3) Der Trend zu niedrigen Kosten

In Rechenzentren gibt es massive Verbindungsanforderungen, und niedrige Kosten sind eine der Hauptantriebskräfte für die kontinuierliche Entwicklung von Technologielösungen für optische Module. Erstens zeigen die Zugangskabel in Szenario eins einen Trend zur Diversifizierung. Einige Lösungen reduzieren die Verbindungsentfernung, indem sie das Gehäuselayout anpassen und kostengünstigere direkt angeschlossene Kupferkabel (DAC) anstelle von optischen Kabeln verwenden. Zweitens sucht die Branche angesichts der stabilen Betriebsumgebung und des schnellen Austauschs von optischen Modulen im Rechenzentrum aktiv nach Lösungen zur Kostensenkung, indem sie die Anforderungen an Temperatur und langfristige Zuverlässigkeit usw. reduziert. drittens ist bei weiter zunehmender Geschwindigkeit der sinkende Trend kohärenter Lösungen offensichtlich, und auch nicht kohärente Lösungen streben eine Ausbreitung auf große Distanzen an. Die beiden Schemata „treffen“ sich in einigen Anwendungsszenarien, und der Anteil der Nachfrage nach unterschiedlichen Schemata in den „Begegnungs“-Szenen wird eng mit Faktoren wie Kosten zusammenhängen.

(4)Der Trend zur Intelligenz

OTT hat damit begonnen, der Verbesserung der Betriebs- und Wartungsmöglichkeiten und der Qualitätsverbesserung von optischen Modulen Aufmerksamkeit zu schenken. Die Zustandsüberwachung optischer Module und die Frühwarnung vor Fehlern werden durch künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Big Data realisiert, was neue Anforderungen an die funktionalen Eigenschaften und Spezifikationen optischer Transceiver stellt.

Arten von optischen Modulen		Formfaktor	Rate der optischen Schnittstelle Gb / s	Elektrische Schnittstellenrate Gb / s	Getriebe-Abstand	Anzahl der Fasern	Typischer Stromverbrauch
100Gb / s	VR	QSFP28	100	100	30 / 50m	1	<3.5W
	SR4		4/25	4/25	70 / 100m	4
	PSM4		4/25	4/25	500m	4
	CWDM4		4/25	4/25	2km	1
	LR4		4/25	4/25	10km	1
200Gb / s	VR2	QSFP56	2/100	2/100	30 / 50m	2	<6.5W
	SR4		4/50	4/50	70 / 100m	4
	FR4		4/50	4/50	2km	1
	LR4		4/50	4/50	10km	1
400Gb / s	VR4	QSFP-DD/OSFP	4/100	4/100	30 / 50m	4	<12.0W
	SR8		8/50	8/50	100m	8
	SR4.2		8/50	8/50	100m	4
	DR4		4/100	4/100	500m	4
	FR4		4/100	4/100	2km	1
	LR4		4/100	4/100	10km	1
800Gb / s	VR8	QSFP-DD800 /OSFP /QSFP224 /CPO	8/100	8/100	30 / 50m	8	16W
	PSM8		8/100	8/100	70 / 100m	8
	DR8		8/100	8/100	500m	8
	DR4		4/200	8/100	500m	4
	2×FR4		8/100	8/100	2km	2
	FR4		4/200	8/100	2km	1

Tabelle 2: Anforderungen an optische Module für die interne Rechenzentrumsverbindung

2. Optische Module, die bei der Verbindung zwischen Rechenzentren verwendet werden

In der Anfangsphase erfolgte der Zugriff hauptsächlich über das Internet. Mit der Zunahme des Geschäftsverkehrs erreichte der Datenverkehr mehr als Tb/s, und Probleme wie Netzwerkverzögerung, Überlastung und Sicherheit erforderten spezielle Schnittstellen zur Unterstützung. Rechenzentren sind energieintensive Industrien. Aufgrund der Beschränkungen der Stromversorgung und der Umgebung kann die Größe eines einzelnen Rechenzentrums nicht unbegrenzt erweitert werden. Die umfassende Anwendung moderner Virtualisierungstechnologie ermöglicht es mehreren physisch getrennten Rechenzentren, wie ein virtuelles Rechenzentrum zu arbeiten, und große Internetunternehmen können die Last auf mehrere Rechenzentren und Dienste verteilen, wodurch der Bedarf des Rechenzentrums an Stromversorgung effektiv reduziert und eine schnelle Bereitstellung erleichtert wird . Darüber hinaus bestehen viele große Rechenzentren im Hinblick auf Disaster Recovery und Backup aus mehreren Standorten, zwischen denen eine große Anzahl von Datenaustauschkanälen mit geringer Latenz erforderlich ist. Die oben genannten Anwendungsszenarien stellen alle hohe Anforderungen an DCI. Die DCI-Distanz beträgt im Allgemeinen mehrere Kilometer bis mehrere zehn Kilometer oder sogar mehr als 100 Kilometer. Typische Verbindungsszenarien sind wie folgt:

(a) DCI-Campus: Verbindung zu einem Rechenzentrum in kurzer Entfernung. Die Übertragungsentfernung beträgt normalerweise etwa 2 km und erweitert sich weiter auf eine längere Entfernung von 10 km;

(b) DCI-Edge: Verteiltes Rechenzentrum im Anschlussbereich. Die Übertragungsentfernung beträgt normalerweise 80 km ~ 120 km;

(c) U-Bahn/Langstrecke: Es wird weiter auf den Ballungsraum und die Fernübertragung ausgedehnt, und die Entfernung kann Hunderte oder Tausende von Kilometern erreichen. Um die Glasfaserressourcen voll auszunutzen, wird die dichte Wellenlängenmultiplextechnologie (DWDM) weit verbreitet verwendet, und unterschiedliche Modulationscodes können für unterschiedliche Übertragungsentfernungen verwendet werden. Darüber hinaus wird, obwohl es nicht Teil der DCI-Infrastruktur ist, auch die drahtlose Vernetzung in das Netzwerk des Rechenzentrums integriert.

Für DCI innerhalb von 20 km kann je nach Verbindungsbandbreite und Glasfaserressourcen CWDM- oder DWDM-Direktmodulations- und Erkennungstechnologie ausgewählt werden. Für die Übertragungsentfernung von 20 km bis 80 km konkurrieren die kohärente DWDM-Technologie und die Direktmodulations- und Erkennungstechnologie in Bezug auf Bau- und Betriebskosten, Zuverlässigkeit usw. Für die Übertragungsentfernung von 80 km bis 120 km DWDM kohärent Technologie ist die Mainstream-Lösung. Um den technischen Aufwand und die Kosten weiter zu reduzieren, werden parallel auch Farblicht- und Graulichtmodule auf Basis von Direktmodulations- und Detektionstechnologie entwickelt. Bei Übertragungsentfernungen von Hunderten von Kilometern und mehr ist es notwendig, Signale mit höherer Geschwindigkeit auf jeder Wellenlänge zu übertragen, um die Gesamtschnittstellenbandbreite zu erhöhen, und kohärente Technologie ist die gängige Lösung.

Bewerten	Formfaktor	Getriebe-Abstand	Erkennungstechnologie	Modulations-Modus	Referenzstandard/Spezifikation
100Gb / s	CFP2	80-120km	Kohärenz	QPSK	Öffnen Sie ZR+
	QSFP28	80-120km	Direkte Modulation und Detektion	PAM4	FarbeZ
	QSFP28	80km	Direkte Modulation und Detektion	NRZ	_
400Gb / s	QSFP-DD	80-120km	Kohärenz	16QAM	OIF 400ZR
800Gb / s	QSFP-DD800	10km	Kohärenz	16QAM	OIF 800LR
	QSFP-DD800	80-120km	Kohärenz	16QAM	OIF 800ZR

Tabelle 3: Anforderungen an optische Module für die Verbindung zwischen Rechenzentren

3. Optische Modultechnologie, die bei der Verbindung von Rechenzentren verwendet wird

100G QSFP28 und 400G QSFP-DD, optische OSFP-Transceiver basierend auf einer Wellenlänge von 100 Gb/s

Der Bau von Rechenzentren stellt starke Anforderungen an hohe Geschwindigkeit, geringe Größe, niedrige Kosten und geringen Stromverbrauch optischer Module. Die Single-Wave-100-Gb/s-Technologie kann die Bandbreitenverbesserung und die iterative Weiterentwicklung von photoelektrischen Chips sowie hochintegrierte Prozesse und Gehäuse effektiv nutzen, um eine höhere Schnittstellendichte und niedrige Kosten zu erreichen, während die gleichen Bandbreitenanforderungen erfüllt und die optische Komplexität reduziert werden.

In Bezug auf die internationale Standardisierung haben IEEE802.3 und 100G Lambda MSA eine Reihe von 100/400-Gb/s-bezogenen Standards veröffentlicht oder etabliert, die auf 100-Gb/s mit einer Wellenlänge basieren, wie in Tabelle 4 gezeigt. In Bezug auf Industriestandards ist CCSA Formulierung von Industriestandards für „100 Gb/s Single-Wavelength Optical Transceiver“, einschließlich Entfernungsangaben von DR (500 m), FR1 (2 km), LR1 (10 km), LR1-20 (20 km) und ER1-30/40 (30/40 km). ); YD/T 3538.3-2020: „400 Gb/s Intensity Modulation Pluggable Optical Transceiver Part 3: 4×100 Gb/s“ wurde 2020 veröffentlicht und enthält die Entfernungsspezifikation von DR4 (500 m) und FR4 (2 km); Gleichzeitig führt FiberMall aktiv Forschungsthemen wie optische Langstreckenmodule mit 4 × 100 Gb/s Intensitätsmodulation und optische Hochgeschwindigkeitsgeräte mit 100 GBaud und mehr durch.

	Richtschnur	Bundesstaat	Betriebswellenlänge	Entfernung
100G-VR	IEEE 802.3db	unter Forschung	842-948nm	30 m (OM3) 50m (OM4/5)
100GSR	IEEE 802.3db	unter Forschung	844-863nm	60 m (OM3) 100m (OM4/5)
100G DR	IEEE 802.3cd-2018	veröffentlicht	1304.5-1317.5nm	500m
100GFR1	IEEE 802.3cu-2021 100G Lambda-MSA (100G-FR und 100G-LR Technische Daten Rev. 2.0)	veröffentlicht	1304.5-1317.5nm	2km
100G LR1		veröffentlicht	1304.5-1317.5nm	10km
100G LR1-20	100G Lambda-MSA (100G-LR1-20,100G-ER1-30 and 100G-ER1-40 Technische Daten Rev. 1.1)	veröffentlicht	1304.5-1317.5nm	20km
100G ER1-30/40		veröffentlicht	1308.09-1310.19nm	30 / 40km
400G VR4	IEEE 802.3db	unter Forschung	824-948nm	30 m (OM3) 50m (OM4/5)
400G SR4	IEEE 802.3db	unter Forschung	844-863nm	60 m (OM3) 100m (OM4/5)
400GDR4	IEEE 802.3bs-2017	unter Forschung	1304.5-1317.5nm	500m
400GFR4	IEEE 802.3cu-2021 100G Lambda-MSA (400G-FR4 Technische Daten Rev. 2.0)	veröffentlicht	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	2km
400G LR4-6	IEEE 802.3cu-2021	veröffentlicht	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	6km
400G LR4-10	100G Lambda-MSA (400G-LR4-10 Technische Daten Rev1.0)	veröffentlicht	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	10km
400G ER4	100G Lambda-MSA	unter Forschung	nLWDM	30 / 40km

Tabelle 4: Fortschritte bei 100/400 Gb/s-bezogenen internationalen Standards basierend auf 100 Gb/s bei einer Wellenlänge

In Bezug auf den Formfaktor haben QSFP-DD MSA und OSFP MSA Spezifikationen von veröffentlicht 400 Gbit/s QSFP-DD bzw. 400 Gb/s OSFP unter Verwendung einer elektrischen Schnittstelle mit 8 × 56 Gb/s. Die QSFP-DD MSA hat die Version 6.01 der Spezifikation einschließlich 400 Gb/s QSFP112 im Jahr 2021 aktualisiert und veröffentlicht. Die QSFP112 MSA, angeführt von Alibaba und Baidu, wird in Kürze relevante Spezifikationen veröffentlichen, um Anwendungen für die Verbindung von Rechenzentren zu fördern.

（1）500m/2km 100/400Gb/s optical transceivers

Wie im Diagramm unten gezeigt, basiert das optische 100-Gbit/s-Modul der ersten Generation mit einer Wellenlänge von 400 Gbit/s hauptsächlich auf einer elektrischen Schnittstelle mit 8 × 56 Gbit/s, die einen DSP erfordert, um eine 8:4-Getrieberatenwandlung zu realisieren. Das optische 400-Gb/s-Modul der zweiten Generation verfügt über eine elektrische Schnittstelle mit 4 × 112 Gb/s, die die Verbindung zwischen dem Switch-Chip und dem optischen Modul vereinfachen und dadurch den Stromverbrauch und die Kosten senken kann.

Diagramm2: die erste und zweite Generation optischer 400-Gbit/s-Module basierend auf 100-Gbit/s-Einzelwellenlänge

In Bezug auf die optische Schnittstellentechnologie ist das optische 400-Gb/s-500-m-DR4-Modul auf Basis von Singlemode-Fasern in den kommerziellen Einsatz gekommen, und es gibt drei Arten von Lösungen: EML, DML und Silizium-Photonik. Unter ihnen ist die EML-Lösung die traditionelle Lösung mit der höchsten Reife. Ende 2020 veröffentlichte Lumentum einen 100-Gb/s-PAM4-DML-Chip, um die DML-Lösung stark zu unterstützen, die eine Temperaturkontrolle erfordert, um die Bandbreitenleistung bei Standardtemperatur (0–70 °C) sicherzustellen. In Bezug auf elektronische Chips fehlte der Industrie in den frühen Tagen Single-Wave-100-Gbs/s-PAM4-DML, die elektronische Chips unterstützten. Gegenwärtig haben optische Kommunikationsunternehmen wie Insica und Aluksen Treiber- und TIA-bezogene Produkte auf den Markt gebracht, aber die Reife der Industriekette muss noch weiter verbessert werden.

Die Investitions- und F&E-Begeisterung für Silizium-Photonik-Lösungen ist hoch. Intel, Lumentum, II-VI, Acacia, FiberMall und andere Unternehmen haben DR400-Silizium-Photonik-Modulprodukte mit 4 Gb/s auf den Markt gebracht, und Alibaba hat auch selbst entwickelte Silizium-Photonik-Module auf den Markt gebracht. Die Silizium-Photonik-Lösungen verschiedener Hersteller in der Industrie sind nicht einheitlich, was gewisse Herausforderungen an die Bildung von Skalenvorteilen mit sich bringt. Aufgrund von Faktoren wie hohen Kopplungsverlusten, Hochleistungs-CW-DFB-Lasern und Treibern mit großem Hub ist die Silizium-Photonik-Lösung in Bezug auf den Stromverbrauch noch weit von den Erwartungen der Industrie entfernt. Darüber hinaus gibt es in der Branche auch Kontroversen über die Wahl der technischen Lösungen von CWDM4 und PSM4 in 500 Millionen Anwendungsszenarien. Beide haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, sodass verschiedene Faktoren wie Leistung und Kosten umfassend berücksichtigt werden müssen.

	EML-Lösung	DML-Lösung	Lösungen für Silizium-Photonik
Stromverbrauch	Moderat	Sneaker	Moderat
Kosten	Moderat	Sneaker	Hängt von der Erfolgsquote im Maßstab ab
Reife	High	Sneaker	Moderat
Schlüsseltechnologie	_	Lineares DML mit hoher Bandbreite, DML-Treiber	Low-Power-Modulator
Lösung	CWDM4	PSM4 oder CWDM4	PSM4
Anzahl Pigtails	2	8 oder 2	8
Faserspleiß	LC/UCD/SN/MDC	MPO/LC/UCD/SN/MDC	MPO/UCD/SN/MDC

Tabelle 5: Vergleich von technischen Lösungen mit 400 Gb/s 500 m DR4

Das optische DR400+-Modul mit 4 Gb/s erweitert die Übertragungsreichweite weiter auf 2 km, derzeit mit der EML-Lösung als Hauptlösung. 100-Gbit/s-DR- und 100-Gbit/s-FR1-Optikmodule haben hauptsächlich den QSFP28-Formfaktor angenommen und werden in 500-m- und 2-km-Breakout-Kabelszenarien mit 400-Gbit/s-DR4- bzw. 400-Gbit/s-DR4+-Optikmodulen verwendet. Das Breakout-Szenario wird derzeit in großen OTTs in Nordamerika verwendet. Der Vorteil besteht darin, dass es die Praktikabilität und Flexibilität der Verbindung von Dienstsignalen realisieren und die Portdichte effektiv verbessern kann; Der Nachteil besteht darin, dass die Wartung kompliziert ist und die Arten von Modulen zunehmen. Der Ausfall oder Ersatz eines Links wirkt sich auf die anderen Links aus. Das 400-Gb/s-2-km-FR4-Anwendungsszenario übernimmt hauptsächlich die technische Lösung CWDM4, die den Bedarf an Glasfasern erheblich reduzieren und End-to-End-Kostenvorteile erzielen kann. Gleichzeitig erwarten einige inländische OTTs aufgrund einer großen Anzahl optischer Module mit unterschiedlichen Übertragungsdistanzen, dass sie die 400 Gb/s 2 km FR4-Lösung verwenden werden, um den einheitlichen Träger von 500 m und 2 km zu realisieren, um die Komplexität von Betrieb und Wartung zu reduzieren. Gegenwärtig werden optische 100/400-Gb/s-Modulprodukte auf Basis von 100 Gb/s mit einer einzigen Wellenlänge von vielen Herstellern auf der ganzen Welt in Massenproduktion hergestellt.

Typ	Formfaktor	Repräsentative in- und ausländische Hersteller
		EML	Siliziumphotonik/DML
100G DR	QSFP28/ SFP56-DD	Cisco, Juniper, FiberMall, II-VI	Intel
100G FR	QSFP28/ SFP56-DD	Cisco, Juniper, FiberMall	Intel
400GDR4	QSFP-DD	Cisco, Arista, Juniper, II-VI, FiberMall	Intel, II-VI, AOI (DML)
400G DR4+	QSFP-DD	Broadcom	Intel
400GFR4	QSFP-DD	Wacholder, FiberMall, II-VI, Cisco, Arista	_

Tabelle 6: Repräsentative Hersteller optischer Module von 100 Gb/s DR/FR1 und 400 Gb/s DR4/DR4+/FR4

Geräteklassifizierung	Schlüsselchip	Repräsentativer Hersteller
		500m	2km
Optischer Chip	53GBaud-Detektor	Broadcom, GCS	Broadcom, GCS
	53GBaud-Laser	Lumentum, II-VI, AOI (DML)	Mitsubishi, Lumentum, Broadcom (EML)
Elektrischer Chip	53GBaud linearer TIA	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom
	53 GBaud linearer Treiber	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom
	DSP	Inphi, Broadcom	Inphi, Broadcom
Integrierter Silizium-Photonik-Chip		Intel, Acaica, Rockley	Intel, Acaica, Rockley

Tabelle 7: Repräsentative Hersteller von 100/400 Gb/s 500 m/2 km optischer Modulkern-photoelektrischer Chipvorrichtung

（2）10km/40km 100/400Gb/s optical transceivers

Die gängigen technischen Lösungen für 10 km/40 km optische 100/400-Gb/s-Module sind in Tabelle 8 dargestellt. Die Sendeseite des optischen 100-Gb/s-LR1-Moduls verwendet einen 53-GBaud-EML-Chip und hat zwei Formfaktorlösungen: BOX und TO. Letzteres hat den Vorteil niedriger Kosten, aber der Bandbreitenspielraum ist gering und die Passrate etwas niedriger. 53 GBaud ungekühltes EML hat die Vorteile niedriger Kosten und geringer Leistungsaufnahme. Es wird derzeit in Szenarien von 2 km und darunter verwendet, und die Anwendung von 10 km muss weiter verifiziert werden. Die Empfängerseite verwendet einen 53-GBaud-PIN-Chip mit der Koexistenz von BOX und TO, einem luftdichten und nicht hermetischen Formfaktor, der sich in Zukunft zu einem hermetischen TO-Formfaktor und einem nicht hermetischen COB-Formfaktor weiterentwickeln kann.

Modultyp	Formfaktor	Elektrische Schnittstelle	Optische Schnittstelle	Optischer Chip	OSA-Formfaktor
100 Gbit/s LR1	QSFP28	4x25G-NRZ	1x 100G PAM4	EML+-PIN	EINPACKEN
100 Gbit/s ER1	QSFP28	4x25G-NRZ	1x 100G PAM4	EML+APD	EINPACKEN
400 Gbit/s LR4	QSFP-DD	8x50G PAM4	4x 100G PAM4	EML+-PIN	COB/BOX
400 Gbit/s ER4	QSFP-DD	8x50G PAM4	4x 100G PAM4	EML+APD EML+(SOA+PIN)	BOX

Tabelle 8: Mainstream-technische Lösungen für 100/400 Gb/s 10/40 km

Das Blockdiagramm des optischen 100-Gb/s-LR1/ER1-Moduls ist in den Abbildungen (a) und (b) unten dargestellt. Der Sender verwendet einen 53 GBaud EML-Chip; Der Empfänger verwendet einen 53-GBaud-PIN/APD-Chip, und der 4:1-PAM4-DSP-Chip unterstützt KP4 FEC. Die Blockdiagramme der optischen LR400- und ER4-Module mit 4 Gb/s sind in Diagramm (c) bzw. (d) dargestellt. Der 400-Gbit/s-LR4-Sender verwendet 4×53GBaud-EML-Array-Chips (BOX/COB-Formfaktor) und der Empfänger verwendet einen 4×53GBaud-PIN-Array-Chip (BOX/COB-Formfaktor; luftdichte und nicht luftdichte Koexistenz); Der 400-Gb/s-ER4-Sender verwendet einen 4×53-GBd-EML-Array-Chip (BOX-Paket), wobei die Wellenlängenauswahl zu bestimmen ist; Empfängerlösung ermittelt werden, wobei hochperformante APD- und SOA+PIN-Lösungen möglich sind (BOX/COB-Paket, Koexistenz von luftdichtem und nicht luftdichtem Formfaktor). Das optische LR400/ER4-Modul mit 4 Gb/s verwendet einen 8:4-PAM4-DSP-Chip und unterstützt KP4 FEC. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen können optische 100/400-Gbit/s-Module auf Basis der 100-Gbit/s-Einzelwellenlängen-Technologie mehrere optische Chips einsparen, wodurch Kosten, Stromverbrauch und Fertigungskomplexität reduziert und die Durchlaufquote verbessert werden. Der elektronische Chip übernimmt DSP mit integrierten Treiber-, CDR- und Gearbox-Funktionen, was die Designkomplexität reduziert und den Produktfokus für Chipdesigner erleichtert.

Diagramm 3: Optische 100/400-Gb/s-Module basierend auf Single-Wave-100-Gb/s-Technologie

Derzeit haben eine Reihe von in- und ausländischen Herstellern Massenprodukte und Verkehrszeichen auf Basis der Single-Wellenlängen-100-Gb/s-Technologie herausgebracht:

• 100 Gb/s LR1 wurde von mehreren Modulherstellern in Chargen geliefert. Mit der allmählichen Reife der 53-GBaud-Gehäusetechnologie für optische Geräte hat sich die Qualifizierungsrate von optischen Modulprodukten allmählich verbessert, und die aktuellen Kosten werden voraussichtlich besser sein als die der 100-Gb/s-LR4-Lösung;

• Für 400 Gb/s LR4 können eine Reihe von Modulherstellern Betamuster bereitstellen, und die Kosten werden voraussichtlich besser sein als die der 400 Gb/s LR8-Lösung. Mit dem allmählichen Anstieg der Nachfrage nach optischen 53-GBaud-Chips in der Zukunft gibt es einen großen Spielraum für Kostensenkungen;

• 100 Gb/s ER1 und 400 Gb/s ER4 werden derzeit von mehreren Modulherstellern erforscht. Der 100-Gb/s-ER1 hat einen vorläufigen Durchbruch erzielt und kann in der Laborumgebung eine Übertragung von 40 km erreichen. 400Gb/s ER4 wird derzeit erforscht, und ein Prototyp wird voraussichtlich bis Ende 2022 auf den Markt gebracht, basierend auf der guten Grundlage des 100G ER1. Sowohl 100 Gb/s ER1 als auch 400 Gb/s ER4 stehen derzeit vor Herausforderungen wie hohe Anforderungen an die optische Kopplungseffizienz auf der Sendeseite, hohe Anforderungen an die Chipempfindlichkeit auf der Empfangsseite und die Notwendigkeit einer Abschirmung.

Typ	Formfaktor	Repräsentative Hersteller optischer Module
		Luftdichtheit	Luftundurchlässigkeit
100G LR1	QSFP28	CIG, FiberMall, Juniper, AOI, Cisco	II-VI
100G ER1	QSFP28	Sifotonics, AOI, FiberMall	_
400G LR4	QSFP-DD	SEDI, Wacholder, FiberMall, AOI	Molex, CIG, II-VI
400G ER4	QSFP-DD	FiberMall, Cisco	_

Tabelle 9: Repräsentative Hersteller optischer Module von 100 Gb/s LR1/ER1 und 400 Gb/s LR4/ER4

Die photoelektrischen Chip-Kerngeräte der Single-Wave-100-Gb/s-PAM4-Technologie werden hauptsächlich von ausländischen Herstellern hergestellt, und einige inländische Hersteller haben zum jetzigen Zeitpunkt Fortschritte gemacht. Die Qualifizierungsrate beim Screening von 53-GBaud-EML-Lasern gegenüber 25-GBaud-EML-Lasern ist gering, und Chipstrukturdesign, Materialdotierung usw. müssen optimiert werden, um die Herausforderungen und Probleme der Erhöhung der Bandbreite zu lösen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der 53-GBaud-APD-Detektorchip ist im In- und Ausland relativ ausgereift, und die inländischen Produkte haben eine hervorragende Leistung. Das PAM4-DSP Chip hat sich in China in den letzten zwei Jahren rasant entwickelt, wobei die 50-Gb/s-Rate Muster in kleinen Chargen und eine gute Testleistung aufweist. Die 100-Gb/s- und 400-Gb/s-Produkte befinden sich in der Forschungs- und Entwicklungsphase.

Geräteklassifizierung	Schlüsselchip	Repräsentativer Hersteller
		10km	40km
Optischer Chip	53 GBaud EML	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, NeoPhotonics	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, NeoPhotonics
	53GBaud-PIN	Kyosemi, GCS, Albis	_
	53 GBaud APD	_	macom
Elektrischer Chip	53GBaud linearer TIA	Inphi, Semtech, Macom	Inphi, Semtech, Macom
	DSP	Inphi, Broadcom	Inphi, Broadcom

Tabelle 10: 100 Gb/s 10/40 km optoelektronischer Chip des optischen Moduls

Geräteklassifizierung	Schlüsselchip	Repräsentativer Hersteller
		10km	40km
Optisches Gerät	53 GBaud CWDM-EML	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, Neophotonik	_
	53 GBaud nLWDM EML	_	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, Neophotonik
	53 GBaud-PIN	Kyosemi, GCS, Albis	_
	53 GBaud APD	_	macom
Elektrischer Chip	53 GBaud linearer TIA	Inphi, Semtech, Macom	Inphi, Semtech, Macom
	DSP	Inphi, Broadcom	Inphi, Broadcom

Tabelle 11: 400 Gb/s 10/40 km optoelektronischer Chip des optischen Moduls

In Bezug auf Anwendung und Bereitstellung sind optische 100-Gbit/s-LR1- und 400-Gbit/s-LR4-Modulprodukte im Grunde ausgereift, und die Lieferungen haben je nach Marktnachfrage allmählich zugenommen; 100 Gb/s ER1 und 400 Gb/s ER4 werden voraussichtlich Mitte 2022 im Handel erhältlich sein. Optische 100/400-Gb/s-Module auf Basis der Einzelwellenlängen-100-Gb/s-Technologie haben ebenfalls begonnen, eine wichtige Position in der Blaupause für die Bereitstellung von Betreibern und die Integration von Geräteanbietern einzunehmen, und es wird in den nächsten Jahren eine große Nachfrage nach ihnen geben. Je nach Modus des Trägernetzwerks der Träger werden optische 30/40-km-Module hauptsächlich in drahtlosen Middle-Haul- und Back-Haul-Szenarien verwendet. Wenn 100 Gb/s ER1 einen Kostenvorteil hat, wird es zu einem starken Konkurrenten gegenüber dem bestehenden 100 Gb/s ER4. In Zukunft wird der Markt möglicherweise OTN-400-Gbit/s-Signalanforderungen auf der Grundlage unterstützender Ethernet-Anwendungen unterstützen, und es sind weitere Diskussionen erforderlich, um den Anwendungsbereich von 100-Gbit/s ER1 und 400-Gbit/s ER4 zu erweitern.

(3) 50/100/400 Gb/s 80~120 km optisches Modul

Für die Übertragungsentfernung von 80 bis 120 km kann die kohärente DWDM-Technologie das Problem der Verbindungsdispersion durch DSP lösen, die Anforderungen an das optische Signal-Rausch-Verhältnis reduzieren und eine gute Leistung erbringen. Um den Stromverbrauch, die Kosten und den belegten Platz weiter zu reduzieren, erforscht die Industrie auch aktiv DWDM-Farb- und Graulicht-Technologielösungen mit direkter Modulation und Erkennungstechnologie für 80 bis 120 km Übertragungsentfernung.

Lösung		Modulationscode	Wellenband	Kanalabstand	Kanal Nummer	FEC-Typ	Dispersionskompensation	Energie-Effizienz	Faserkapazität	Formfaktor	Relative Kosten
Farbiges Licht	Kohärenz	100G-DQPSK	C	100 GHz	48/96	CFEC	FEC	18 W/100 G	4.8/9.6 Tbit/s	QSFP-DD/ CFP2-DCO/ CFP	3
		400G 16QAM	C	100 GHz	48	CFEC	FEC	5 W/100 G	19.2 Tb / s	QSFP-DD/ CFP2-DCO/ OSFP/ CFP-16L	8
	Direkte Modulation und Erkennung	50G PAM4	C	50 GHz	80	KR4/KP4 /IFEC/SFEC	Externe Dispersionskompensation über ±100 ps erforderlich	4.5 W/100 G	4 Tb / s	QSFP28	1
		100G PAM4	C	100 GHz	80	KR4/KP4 /IFEC/SFEC	Externe Dispersionskompensation über ±40 ps erforderlich	4.5 W/100 G	8 Tb / s	QSFP28	1.5
Graues Licht	Direkte Modulation und Erkennung	4X25G NRZ	O	_	_	KR4	Keine Dispersionskompensation erforderlich	6.5 W/100 G	100 Gb / s	QSFP28	0.5

Tabelle 12: Vergleich der technischen Lösungen von 100G/400G 80~120km

Fazit:

Die schnelle Entwicklung und der Bau von Rechenzentren haben dem Markt für optische Module Chancen und Vitalität gebracht. Gleichzeitig haben sie auch neue Anforderungen und höhere Herausforderungen für optische Module aufgeworfen, wie z. B. hohe Geschwindigkeit, hohe Leistung, geringer Stromverbrauch, niedrige Kosten und Intelligenz. Die Stärkung der technologischen Innovation, die Lenkung der Marktagglomeration und die Stärkung der Unterstützung der industriellen Basis sind wirksame Mittel, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Alle Parteien in der Branche und der vor- und nachgelagerten Industriekette müssen eine gemeinsame Kraft bilden und koordinierte Fortschritte fördern. In Bezug auf technologische Innovation, F&E und Innovation von Technologien wie neue Materialien, neue Designs, neue Prozesse, neue Verpackungen und neue Frequenzbänder werden verwendet, um die neuen Anforderungen an optische Module in verschiedenen Anwendungsszenarien zu erfüllen.