Tendencias de la tecnología de transceptores ópticos del centro de datos en 2022

Con el rápido desarrollo de la computación en la nube, los macrodatos, el video de ultra alta definición, la inteligencia artificial y las aplicaciones de la industria 5G, la frecuencia del acceso a la red y los métodos de acceso continúan aumentando, y el tráfico de datos de la red crece rápidamente, lo que plantea mayores desafíos para los datos. interconexión de centros (DCI). Tomando un centro de datos con una arquitectura CLOS de hoja espinal como ejemplo, los escenarios típicos de interconexión óptica se muestran en la Tabla 1. Los primeros tres escenarios son la interconexión dentro del centro de datos, y el cuarto escenario es la interconexión entre los centros de datos.

Escenarios de interconexión		Distancia típica		Requisitos típicos para módulos ópticos
				Última generación	Actualmente	Próxima generación
Escenario 1	Servidor a TOR (dentro del centro de datos)	2m (dentro del bastidor) 30/50 m (entre bastidores)	dentro de la sala de máquinas	25G COA/DOC	100G COA/DAC	200G COA/DAC
Escenario 2	TOR a hoja (dentro del centro de datos)	≥70m/100m	dentro del edificio	100GSR4	400GSR8/SR4.2	800G PSM8/PSM4
Escenario 3	Hoja a Lomo (dentro del centro de datos)	500m / 2km	entre edificios	100G CWDM4	400G FR4/DR4	800G FR4/PSM4
Escenario 4	Entre centros de datos	80-120m	entre Campus	100G DWDM	400G ZR/ZR+	800G ZR

Tabla 1: Escenarios típicos de interconexión óptica de centros de datos

1. Requerimientos de Módulos Ópticos para Interconexión Interna de Centros de Datos

La interconexión interna del centro de datos representa una gran proporción de la distribución general del tráfico del centro de datos. Los requisitos típicos para los módulos ópticos se muestran en la Tabla 1, y existen tendencias de desarrollo hacia alta velocidad, bajo consumo de energía, bajo costo, inteligencia, etc.

(1) La tendencia hacia la alta velocidad

La interconexión interna dentro de Amazon, Google, Microsoft, Facebook y otros centros de datos ultragrandes de América del Norte ha comenzado la implementación comercial de módulos ópticos de 400 Gb/s entre 2019 y 2020. Los centros de datos nacionales están pasando gradualmente de 100 Gb/s a 400 Gb/s transceptores, y se espera que la implementación a escala se realice en 2022. Como se muestra en el Diagrama 1, se espera que el rendimiento de los chips de conmutación del centro de datos alcance 51.2 Tb/s en 2023 y 102.4 Tb/s después de 2025. Tasas más altas de 800 Gb/ s y 1.6 Tb/s se convertirán en opciones importantes para realizar el intercambio de datos de gran ancho de banda.

Diagrama 1: la tendencia en desarrollo del rendimiento del chip del conmutador del centro de datos

(2) La tendencia hacia el bajo consumo

A medida que la capacidad de los chips de conmutación continúa aumentando, el consumo de energía de los módulos ópticos ha comenzado a superar el de los chips de conmutación, convirtiéndose en un factor clave en las soluciones de red. El consumo de energía inicial de los módulos ópticos de 400 Gb/s es de 10 ~ 12 W, y se espera que el consumo de energía a largo plazo sea de 8 ~ 10 W; el consumo de energía de los módulos ópticos de 800 Gb/s es de unos 16 W. Además, la industria espera reducir el consumo de energía y el costo de interconectar SerDes al encapsular el motor óptico y el chip de conmutación, y la tecnología CPO (óptica coempaquetada) encapsula chips electrónicos y motores ópticos juntos, lo que se ha convertido en un punto de acceso de investigación en La industria.

(3) La tendencia hacia el bajo costo

Hay requisitos de interconexión masivos en los centros de datos, y el bajo costo es una de las principales fuerzas impulsoras para el desarrollo continuo de soluciones de tecnología de módulos ópticos. Primero, los cables de acceso en el escenario uno muestran una tendencia a la diversificación. Algunas soluciones reducen la distancia de interconexión ajustando el diseño del gabinete y utilizando cables de cobre de conexión directa (DAC) de menor costo en lugar de cables ópticos; segundo, con el entorno operativo estable y el reemplazo rápido de los módulos ópticos del centro de datos, la industria está explorando activamente soluciones para reducir los costos al reducir los requisitos de temperatura y confiabilidad a largo plazo, etc.; en tercer lugar, a medida que la velocidad continúa aumentando, la tendencia a la baja de las soluciones coherentes es obvia, y las soluciones no coherentes también se esfuerzan por expandirse a largas distancias. Los dos esquemas se “encuentran” en algunos escenarios de aplicación, y la proporción de demanda de diferentes esquemas en los escenarios de “reunión” estará estrechamente relacionada con factores que incluyen el costo.

(4) La tendencia hacia la inteligencia

OTT ha comenzado a prestar atención a la mejora de las capacidades de operación y mantenimiento y la mejora de la calidad de los módulos ópticos. El monitoreo de la salud de los módulos ópticos y la alerta temprana de fallas se realizan a través de inteligencia artificial, aprendizaje automático y big data, lo que plantea nuevos requisitos para las características y especificaciones funcionales de los transceptores ópticos.

Tipos de módulos ópticos		Factor de forma	Tasa de interfaz óptica Gb / s	Tasa de interfaz eléctrica Gb / s	Distancia de transmisión	Número de fibras	Consumo de energía típico
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

Tabla 2: Requisitos del módulo óptico de la interconexión interna del centro de datos

2. Módulos Ópticos Utilizados en la Interconexión entre Centros de Datos

En la etapa inicial, se accedía principalmente a través de Internet. Con el aumento en el tráfico comercial, el tráfico de datos alcanzó más de Tb/s, y problemas como el retraso de la red, la congestión y la seguridad requirieron interfaces especiales para soportar. Los centros de datos son industrias que consumen mucha energía. Debido a las limitaciones del suministro de energía y del entorno circundante, la escala de un solo centro de datos no se puede expandir infinitamente. La amplia aplicación de la tecnología de virtualización moderna permite que varios centros de datos físicamente separados funcionen como un centro de datos virtual, y las grandes empresas de Internet pueden compartir la carga entre varios centros de datos y servicios, lo que reduce efectivamente la demanda de suministro de energía del centro de datos y facilita la implementación rápida. . Además, teniendo en cuenta la recuperación ante desastres y la copia de seguridad, muchos centros de datos grandes se componen de múltiples sitios, entre los cuales se requiere una gran cantidad de canales de intercambio de datos de baja latencia. Todos los escenarios de aplicación anteriores imponen fuertes exigencias a DCI. La distancia DCI es generalmente de varios kilómetros a decenas de kilómetros, o incluso más de 100 kilómetros. Los escenarios típicos de interconexión son los siguientes:

(a) DCI-Campus: Conéctese a un centro de datos a corta distancia. La distancia de transmisión suele ser de unos 2 km y se expande aún más a una distancia mayor de 10 km;

(b) DCI-Edge: Centro de datos distribuido en el área de conexión. La distancia de transmisión suele ser de 80 km a 120 km;

(c) Metro/Larga distancia: se extiende aún más al área metropolitana y la transmisión de larga distancia, y la distancia puede llegar a cientos o miles de kilómetros. Para hacer un uso completo de los recursos de fibra óptica, la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) se usa ampliamente y se pueden usar diferentes códigos de modulación para diferentes distancias de transmisión. Además, aunque no forma parte de la infraestructura DCI, las redes inalámbricas también se están integrando en la red del centro de datos.

Para DCI dentro de los 20 km, según el ancho de banda de la conexión y los recursos de fibra, se puede seleccionar la tecnología de detección y modulación directa CWDM o DWDM. Para la distancia de transmisión de 20 km a 80 km, la tecnología coherente DWDM y la tecnología de detección y modulación directa compiten en términos de costo de construcción y operación, confiabilidad, etc. Para la distancia de transmisión de 80 km ~ 120 km, DWDM coherente la tecnología es la solución principal. Con el fin de reducir aún más la complejidad técnica y el coste, también se están desarrollando simultáneamente módulos de luz coloreada y luz gris basados ​​en tecnología de detección y modulación directa. En cuanto a las distancias de transmisión de cientos de kilómetros y más, es necesario transmitir señales de mayor velocidad en cada longitud de onda para aumentar el ancho de banda total de la interfaz, y la tecnología coherente es la solución principal.

Rate	Factor de forma	Distancia de transmisión	Tecnología de detección	Modo de la modulación	Norma de referencia/Especificación
100Gb / s	CFP2	80-120km	Coherencia	QPSK	Abrir ZR+
	QSFP28	80-120km	Modulación directa y detección	PAM4	ColorZ
	QSFP28	80km	Modulación directa y detección	NRZ	_
400Gb / s	QSFP-DD	80-120km	Coherencia	16QAM	OIF 400ZR
800Gb / s	QSFP-DD800	10km	Coherencia	16QAM	OIF 800LR
	QSFP-DD800	80-120km	Coherencia	16QAM	OIF 800ZR

Tabla 3: Requisitos de los módulos ópticos para la interconexión entre centros de datos

3. Tecnología de módulos ópticos utilizada en la interconexión de centros de datos

100G QSFP28 y 400G QSFP-DD, transceptores ópticos OSFP basados ​​en una sola longitud de onda de 100 Gb/s

La construcción de centros de datos presenta fuertes demandas de módulos ópticos de alta velocidad, tamaño pequeño, bajo costo y bajo consumo de energía. La tecnología de 100 Gb/s de onda única puede aprovechar de manera efectiva la mejora del ancho de banda y la evolución iterativa de los chips fotoeléctricos, así como los procesos y paquetes altamente integrados, para lograr una mayor densidad de interfaz y un bajo costo al tiempo que cumple con los mismos requisitos de ancho de banda y reduce la complejidad óptica.

En términos de estandarización internacional, IEEE802.3 y 100G Lambda MSA han lanzado o establecido una serie de estándares relacionados con 100/400 Gb/s basados ​​en una sola longitud de onda de 100 Gb/s, como se muestra en la Tabla 4. En términos de estándares de la industria, CCSA es formular estándares industriales de "transceptor óptico de longitud de onda única de 100 Gb/s", incluida la especificación de distancia de DR (500 m), FR1 (2 km), LR1 (10 km), LR1-20 (20 km) y ER1-30/40 (30/40 km) ); YD/T 3538.3-2020: “400Gb/s Intensity Modulation Pluggable Optical Transceiver Part 3: 4×100Gb/s” se lanzó en 2020, que contiene la especificación de distancia de DR4 (500 m) y FR4 (2 km); Al mismo tiempo, FiberMall está investigando activamente temas como módulos ópticos de larga distancia con modulación de intensidad de 4 × 100 Gb/s y dispositivos ópticos de alta velocidad de 100 GBaud y más.

	Guía	Estado	Longitud de onda de funcionamiento	Distancia
100G RV	IEEE802.3db	bajo investigacion	842-948nm	30 m (OM3) 50 m (OM4/5)
100G SR	IEEE802.3db	bajo investigacion	844-863nm	60 m (OM3) 100 m (OM4/5)
100G DR	IEEE 802.3cd-2018	publicado	1304.5-1317.5nm	500m
100GFR1	IEEE 802.3cu-2021 100G Lambda MSA (100G-FR y 100G-LR Especificaciones Técnicas Rev 2.0)	publicado	1304.5-1317.5nm	2km
100G LR1		publicado	1304.5-1317.5nm	10km
100G LR1-20	100G Lambda MSA (100G-LR1-20,100G-ER1-30 and 100G-ER1-40 Especificaciones Técnicas Rev 1.1)	publicado	1304.5-1317.5nm	20km
100G ER1-30/40		publicado	1308.09-1310.19nm	30 / 40km
400G VR4	IEEE802.3db	bajo investigacion	824-948nm	30 m (OM3) 50 m (OM4/5)
400GSR4	IEEE802.3db	bajo investigacion	844-863nm	60 m (OM3) 100 m (OM4/5)
400GDR4	IEEE 802.3bs-2017	bajo investigacion	1304.5-1317.5nm	500m
400GFR4	IEEE 802.3cu-2021 100G Lambda MSA (400G-FR4 Especificaciones Técnicas Rev 2.0)	publicado	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	2km
400G LR4-6	IEEE 802.3cu-2021	publicado	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 Especificación técnica Rev1.0)	publicado	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	10km
400G ER4	100G Lambda MSA	bajo investigacion	nLWDM	30 / 40km

Tabla 4: Progreso de los estándares internacionales relacionados con 100/400 Gb/s basados ​​en una sola longitud de onda de 100 Gb/s

En términos de factor de forma, QSFP-DD MSA y OSFP MSA han publicado especificaciones de QSFP-DD de 400 Gb/s y OSFP de 400 Gb/s respectivamente, utilizando una interfaz eléctrica de 8 × 56 Gb/s. QSFP-DD MSA actualizó y lanzó la versión 6.01 de la especificación que incluye QSFP400 de 112 Gb/s en 2021. QSFP112 MSA, liderada por Alibaba y Baidu, pronto lanzará especificaciones relevantes para promover aplicaciones de interconexión de centros de datos.

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

Como se muestra en el siguiente diagrama, el módulo óptico de 100 Gb/s basado en 400 Gb/s de longitud de onda única de primera generación se basa principalmente en una interfaz eléctrica de 8 × 56 Gb/s, que requiere DSP para realizar una conversión de velocidad de caja de cambios de 8:4. El módulo óptico de 400 Gb/s de segunda generación adopta una interfaz eléctrica de 4 × 112 Gb/s, que puede simplificar la conexión entre el chip del interruptor y el módulo óptico, lo que reduce el consumo de energía y el costo.

Diagrama2: la primera y segunda generación de módulos ópticos de 400 Gb/s basados ​​en una sola longitud de onda de 100 Gb/s

En cuanto a la tecnología de interfaz óptica, el módulo óptico DR400 de 500 Gb/s y 4 m basado en fibra monomodo se ha comercializado y existen tres tipos de soluciones: EML, DML y fotónica de silicio. Entre ellas, la solución EML es la solución tradicional con mayor madurez. A fines de 2020, Lumentum lanzó un chip DML PAM100 de 4 Gb/s para brindar un sólido soporte para la solución DML, que requiere control de temperatura para garantizar el rendimiento del ancho de banda a temperatura estándar (0~70 °C). En términos de chips electrónicos, la industria carecía de chips electrónicos compatibles con PAM100 DML de 4 Gbs/s de onda única en los primeros días. En la actualidad, las empresas de comunicaciones ópticas como Insica y Aluksen han lanzado productos relacionados con Driver y TIA, pero la madurez de la cadena industrial aún debe mejorarse aún más.

La inversión y el entusiasmo en I+D por las soluciones de fotónica de silicio son altos. Intel, Lumentum, II-VI, Acacia, FiberMall y otras empresas han lanzado productos de módulos fotónicos de silicio DR400 de 4 Gb/s, y Alibaba también ha lanzado módulos fotónicos de silicio de desarrollo propio. Las soluciones de fotónica de silicio de varios fabricantes en la industria no son uniformes, lo que trae ciertos desafíos para la formación de ventajas de escala. Debido a factores como la alta pérdida de acoplamiento, los láseres CW DFB de alta potencia y los controladores de gran oscilación, la solución de fotónica de silicio aún está lejos de las expectativas de la industria en términos de consumo de energía. Además, también existe controversia en la industria sobre la elección de las soluciones técnicas CWDM4 y PSM4 en escenarios de aplicación de 500 m. Ambos tienen sus pros y sus contras, por lo que es necesario considerar exhaustivamente varios factores, como el rendimiento y el costo.

	Solución EML	Solución DML	Soluciones de fotónica de silicio
Consumo de energía	Moderado	Baja	Moderado
Cost	Moderado	Baja	Depende de la tasa de aprobación a escala
Madurez	Alta	Baja	Moderado
Tecnología clave	_	Controlador DML, DML lineal de alto ancho de banda	Modulador de baja potencia
Solución	CWDM4	PSM4 o CWDM4	PSM4
Número de coletas	2	8 ó 2	8
empalme de fibra	LC/UCD/SN/MDC	MPO/LC/UCD/SN/MDC	MPO/UCD/SN/MDC

Tabla 5: Comparación de soluciones técnicas DR400 de 500 Gb/s y 4 m

El módulo óptico DR400+ de 4 Gb/s amplía aún más la distancia de transmisión a 2 km, actualmente con la solución EML como solución principal. Los módulos ópticos DR de 100 Gb/s y FR100 de 1 Gb/s adoptaron principalmente el factor de forma QSFP28 y se utilizan en escenarios de cables de conexión de 500 m y 2 km con módulos ópticos DR400 de 4 Gb/s y DR400+ de 4 Gb/s respectivamente. El escenario de ruptura se usa actualmente en grandes OTT en América del Norte. La ventaja es que puede darse cuenta de la viabilidad y flexibilidad de la interconexión de señales de servicio y mejorar efectivamente la densidad del puerto; la desventaja es que el mantenimiento es complicado y se incrementan los tipos de módulos. El fallo o sustitución de cualquier enlace afectará a los demás enlaces. El escenario de aplicación FR400 de 2 Gb/s y 4 km adopta principalmente la solución técnica CWDM4, que puede reducir en gran medida la demanda de fibras ópticas y lograr ventajas de costo de extremo a extremo. Al mismo tiempo, debido a la gran cantidad de módulos ópticos con diferentes distancias de transmisión, algunos OTT domésticos esperan utilizar la solución FR400 de 2 Gb/s y 4 km para realizar el portador unificado de 500 m y 2 km para reducir la complejidad de la operación y el mantenimiento. En la actualidad, muchos fabricantes de todo el mundo han producido en masa productos de módulos ópticos de 100/400 Gb/s basados ​​en una sola longitud de onda de 100 Gb/s.

Tipo de Propiedad	Factor de forma	Representantes de fabricantes nacionales y extranjeros.
		EML	Fotónica de silicio/DML
100G DR	QSFP28/SFP56-DD	Cisco, Juniper, FiberMall, II-VI	Intel
100G VIE	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	Enebro, FiberMall, II-VI, Cisco, Arista	_

Tabla 6: Fabricantes de módulos ópticos representativos de 100 Gb/s DR/FR1 y 400 Gb/s DR4/DR4+/FR4

Clasificación de dispositivos	Chip de llave	Fabricante representante
		500m	2km
chip óptico	Detector de 53 Gbaudios	Broadcom, GCS	Broadcom, GCS
	Láser de 53 Gbaudios	Lumentum, II-VI, AOI (DML)	Mitsubishi, Lumentum, Broadcom (EML)
chip electrico	TIA lineal de 53 Gbaudios	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom
	Controlador lineal de 53 Gbaudios	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom
	DSP	Inphi, Broadcom	Inphi, Broadcom
Chip integrado de fotónica de silicio		Intel, Acaica, Rockley	Intel, Acaica, Rockley

Tabla 7: Fabricantes representativos de dispositivo de chip fotoeléctrico de núcleo de módulo óptico de 100/400 Gb/s 500 m/2 km

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

Las principales soluciones técnicas de los módulos ópticos de 10/40 Gb/s de 100 km/400 km se muestran en la Tabla 8. El lado de transmisión del módulo óptico LR100 de 1 Gb/s utiliza un chip EML de 53 GBaud y tiene dos soluciones de factor de forma: BOX y TO. Este último tiene la ventaja del bajo costo, pero el margen de ancho de banda es pequeño y la tasa de aprobación es ligeramente inferior. EML sin refrigeración de 53 GBaud tiene las ventajas de bajo costo y bajo consumo de energía. Actualmente se usa en escenarios de 2 km e inferiores, y la aplicación de 10 km debe verificarse más. El lado receptor utiliza un chip PIN de 53 GBaud, con la coexistencia de BOX y TO, factor de forma hermético y no hermético, que puede evolucionar a factor de forma TO hermético y factor de forma COB no hermético en el futuro.

Tipo de módulo	Factor de forma	Interfaz electrica	Interfaz óptica	chip óptico	Factor de forma OSA
100 Gb/s LR1	QSFP28	4x25G NRZ	1x 100G PAM4	PIN EML+	EMPACAR
100 Gb/s ER1	QSFP28	4x25G NRZ	1x 100G PAM4	EML+ DPA	EMPACAR
400 Gb/s LR4	QSFP-DD	8x50G PAM4	4x 100G PAM4	PIN EML+	MAZORCA/CAJA
400 Gb/s ER4	QSFP-DD	8x50G PAM4	4x 100G PAM4	EML+ DPA EML+(SOA+PIN)	BOX

Tabla 8: soluciones técnicas principales de 100/400 Gb/s 10/40 km

El diagrama de bloques del módulo óptico LR100/ER1 de 1 Gb/s se muestra en las Figuras (a) y (b) a continuación. El transmisor utiliza un chip EML de 53 Gbaudios; el receptor utiliza un chip PIN/APD de 53 GBaud y el chip 4:1 PAM4 DSP es compatible con KP4 FEC. Los diagramas de bloques de los módulos ópticos LR400 y ER4 de 4 Gb/s se muestran en los diagramas (c) y (d) respectivamente. El transmisor LR400 de 4 Gb/s utiliza chips de matriz EML de 4 × 53 GBaud (factor de forma BOX/COB) y el receptor utiliza un chip de matriz PIN de 4 × 53 GBaud (factor de forma BOX/COB; coexistencia hermética y no hermética); El transmisor ER400 de 4 Gb/s adopta un chip de matriz EML de 4 × 53 GBd (paquete BOX), con selección de longitud de onda por determinar; La solución del receptor está por determinar, siendo posibles las soluciones APD y SOA+PIN de alto rendimiento (paquete BOX/COB, coexistencia de factor de forma hermético y no hermético). El módulo óptico LR400/ER4 de 4 Gb/s adopta un chip DSP PAM8 4:4 y es compatible con KP4 FEC. En comparación con las soluciones tradicionales, los módulos ópticos de 100/400 Gb/s basados ​​en tecnología de 100 Gb/s de longitud de onda única pueden ahorrar múltiples chips ópticos, lo que reduce el costo, el consumo de energía y la complejidad de fabricación, y mejora la tasa de aprobación. El chip electrónico adopta DSP con funciones integradas de controlador, CDR y caja de cambios, lo que reduce la complejidad del diseño y facilita el enfoque del producto para los diseñadores de chips.

Diagrama 3: módulos ópticos de 100/400 Gb/s basados ​​en tecnología de onda única de 100 Gb/s

En la actualidad, varios fabricantes nacionales y extranjeros han lanzado productos y señales de tráfico producidos en masa basados ​​en tecnología de 100 Gb/s de longitud de onda única:

• Varios fabricantes de módulos han suministrado LR100 de 1 Gb/s en lotes. Con la madurez gradual de la tecnología de empaquetado de dispositivos ópticos de 53 GBaud, la tasa de calificación de los productos de módulos ópticos ha mejorado gradualmente y se espera que el costo actual sea mejor que el de la solución LR100 de 4 Gb/s;

• En cuanto a LR400 de 4 Gb/s, varios fabricantes de módulos pueden proporcionar muestras Beta y se espera que el costo sea mejor que el de la solución LR400 de 8 Gb/s. Con el aumento gradual de la demanda de chips ópticos de 53 GBaud en el futuro, existe un amplio margen para la reducción de costos;

• Actualmente, varios fabricantes de módulos están investigando 100 Gb/s ER1 y 400 Gb/s ER4. El ER100 de 1 Gb/s ha logrado un avance preliminar y puede lograr una transmisión de 40 km en el entorno de laboratorio. Se está investigando el ER400 de 4 Gb/s y se espera que se lance un prototipo a fines de 2022 basado en la buena base del ER100 de 1 G. Tanto el ER100 de 1 Gb/s como el ER400 de 4 Gb/s actualmente enfrentan desafíos tales como requisitos de alta eficiencia de acoplamiento óptico en el extremo de transmisión, requisitos de alta sensibilidad del chip en el extremo de recepción y la necesidad de detección.

Tipo de Propiedad	Factor de forma	Fabricantes representativos de módulos ópticos
		Hermeticidad	no hermeticidad
100G LR1	QSFP28	CIG, FiberMall, Juniper, AOI, Cisco	II-VI
100G ER1	QSFP28	Sifotonics, AOI, FiberMall	_
400G LR4	QSFP-DD	SEDI, Juniper, FiberMall, AOI	Molex, CIG, II-VI
400G ER4	QSFP-DD	FiberMall, Cisco	_

Tabla 9: Fabricantes representativos de módulos ópticos de 100 Gb/s LR1/ER1 y 400 Gb/s LR4/ER4

Los dispositivos de chips fotoeléctricos centrales de la tecnología PAM100 de 4 Gb/s de onda única son producidos principalmente por fabricantes extranjeros, y algunos fabricantes nacionales han progresado en la etapa actual. La tasa de calificación de detección de láseres EML de 53 GBaud de láseres EML de 25 GBaud es baja, y se necesita optimizar el diseño de la estructura del chip, el dopaje de materiales, etc., para resolver los desafíos y problemas de aumentar el ancho de banda y garantizar la confiabilidad. El chip detector APD de 53 GBaud es relativamente maduro en el país y en el extranjero, y los productos nacionales tienen un rendimiento excelente. los DSP PAM4 El chip se ha desarrollado rápidamente en China en los últimos dos años con una velocidad de 50 Gb/s con muestras en lotes pequeños y un buen rendimiento de prueba. Los productos de 100 Gb/sy 400 Gb/s se encuentran en la etapa de investigación y desarrollo.

Clasificación de dispositivos	Chip de llave	Fabricante representante
		10km	40km
chip óptico	EML de 53 Gbaudios	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, NeoPhotonics	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, NeoPhotonics
	PIN de 53 Gbaudios	Kyosemi, GCS, Albis	_
	APD de 53 Gbaudios	_	Macom
chip electrico	TIA lineal de 53 Gbaudios	Inphi, Semtech, Macom	Inphi, Semtech, Macom
	DSP	Inphi, Broadcom	Inphi, Broadcom

Tabla 10: dispositivo de chip optoelectrónico central de 100 Gb/s 10/40 km del módulo óptico

Clasificación de dispositivos	Chip de llave	Fabricante representante
		10km	40km
dispositivo óptico	53 Gbaudios EML CWDM	Mitsubishi, SEDI, lumentum, Broadcom, NeoPhotonics	_
	53 Gbaudios nLWDM EML	_	Mitsubishi, SEDI, lumentum, Broadcom, NeoPhotonics
	PIN de 53 Gbaudios	Kyosemi... GCS... Albis	_
	APD de 53 Gbaudios	_	Macom
chip electrico	TIA lineal de 53 Gbaudios	Inphi, Semtech, Macom	Inphi, Semtech, Macom
	DSP	InphiBroadcom	InphiBroadcom

Table11：Dispositivo de chip optoelectrónico central de 400 Gb/s 10/40 km del módulo óptico

En términos de aplicación e implementación, los productos de módulos ópticos LR100 de 1 Gb/s y LR400 de 4 Gb/s básicamente han alcanzado la madurez, y los envíos han aumentado gradualmente en función de la demanda del mercado; Se espera que 100 Gb/s ER1 y 400 Gb/s ER4 estén disponibles comercialmente a mediados de 2022. Los módulos ópticos de 100/400 Gb/s basados ​​en tecnología de 100 Gb/s de longitud de onda única también han comenzado a ocupar una posición importante en el plan de implementación de operadores e integración de proveedores de equipos, y habrá una gran demanda de ellos en los próximos años. De acuerdo con el modo de la red portadora de los operadores, los módulos ópticos de 30/40 km se utilizan principalmente en escenarios inalámbricos de medio alcance y de retorno. Cuando el ER100 de 1 Gb/s tenga una ventaja de costos, se convertirá en un fuerte competidor con el ER100 de 4 Gb/s existente. En el futuro, es posible que el mercado admita los requisitos de señal OTN de 400 Gb/s sobre la base de la compatibilidad con las aplicaciones de Ethernet y se necesita más discusión para mejorar el espacio de aplicación de 100 Gb/s ER1 y 400 Gb/s ER4.

(3) módulo óptico de 50/100/400 Gb/s 80~120 km

Para la distancia de transmisión de 80 ~ 120 km, la tecnología DWDM coherente puede resolver el problema de dispersión del enlace a través de DSP, reducir el requisito de relación señal-ruido óptica y tener un buen rendimiento. Con el fin de reducir aún más el consumo de energía, el costo y el espacio ocupado, la industria también está explorando activamente soluciones de tecnología de luz gris y color DWDM con modulación directa y tecnología de detección para una distancia de transmisión de 80 a 120 km.

Solución		Código de modulación	Banda de onda	Separación entre canales	Numero de canal	Tipo FEC	Compensación de dispersión	Eficiencia energetica	Capacidad de fibra	Factor de forma	Coste relativo
Luz coloreada	Coherencia	100G DQPSK	C	100 GHz	48/96	CFEC	FEC	18W/100G	4.8/9.6 Tb/s	QSFP-DD/ CFP2-DCO/ PPC	3
		400G 16QAM	C	100 GHz	48	CFEC	FEC	5W/100G	19.2 Tb / s	QSFP-DD/ CFP2-DCO/ OSFP/ CFP-16L	8
	mudulación directa y detección	50G PAM4	C	50 GHz	80	KR4/KP4 /IFEC/SFEC	Compensación de dispersión externa se requiere más allá de ±100ps	4.5W/100G	4 Tb / s	QSFP28	1
		100G PAM4	C	100 GHz	80	KR4/KP4 /IFEC/SFEC	Compensación de dispersión externa se requiere más allá de ±40ps	4.5W/100G	8 Tb / s	QSFP28	1.5
Luz gris	mudulación directa y detección	4X25G NRZ	O	_	_	KR4	No se requiere compensación de dispersión	6.5W/100G	100 Gb / s	QSFP28	0.5

Tabla 12: Comparación de soluciones técnicas de 100G/400G 80~120km

Conclusión:

El rápido desarrollo y la construcción de centros de datos han traído oportunidades y vitalidad al mercado de módulos ópticos. Al mismo tiempo, también han planteado nuevas demandas y mayores desafíos para los módulos ópticos, como alta velocidad, alto rendimiento, bajo consumo de energía, bajo costo e inteligencia. Fortalecer la innovación tecnológica, guiar la aglomeración del mercado y fortalecer el apoyo de la base industrial son medios efectivos para hacer frente a esos desafíos. Todas las partes de la industria y de la cadena industrial anterior y posterior deben formar una fuerza conjunta y promover un progreso coordinado. En términos de innovación tecnológica, la I+D y la innovación de tecnologías como nuevos materiales, nuevos diseños, nuevos procesos, nuevos empaques y nuevas bandas de frecuencia se utilizan para satisfacer las nuevas demandas de módulos ópticos en diversos escenarios de aplicación.