Tendências de tecnologia de transceptor óptico de data center em 2022

Com o rápido desenvolvimento da computação em nuvem, big data, vídeo de ultra-alta definição, inteligência artificial e aplicativos da indústria 5G, a frequência do acesso à rede e os métodos de acesso continuam a aumentar e o tráfego de dados da rede cresce rapidamente, apresentando maiores desafios aos dados interconexão central (DCI). Tomando como exemplo um data center com uma arquitetura CLOS do tipo spine-leaf, os cenários típicos de interconexão óptica são mostrados na Tabela 1. Os três primeiros cenários são a interconexão dentro do data center e o quarto cenário é a interconexão entre os data centers.

Cenários de Interconexão		Distância Típica		Requisitos típicos para módulos ópticos
				Última geração	Atualmente	Próxima geração
Cenário 1	Servidor para TOR (dentro do Data Center)	2m (dentro do rack) 30/50m (entre racks)	dentro da Sala de Máquinas	25G AOC/DOC	100G AOC/DAC	200G AOC/DAC
Cenário 2	TOR para folha (dentro do Data Center)	≥70m/100m	dentro do Edifício	100GSR4	400G SR8/SR4.2	800GPSM8/PSM4
Cenário 3	Folha a Espinha (dentro do Data Center)	500m / 2km	entre edifícios	100G CWDM4	400G FR4/DR4	800GFR4/PSM4
Cenário 4	Entre os Data Centers	80-120m	entre campi	100G-DWDM	400G ZR/ZR+	800G ZR

Tabela 1: Cenários Típicos de Interconexão Óptica de Data Centers

1. Requisitos do Módulo Óptico para Interconexão Interna de Data Centers

A interconexão interna do data center é responsável por uma grande proporção da distribuição geral do tráfego do data center. Os requisitos típicos para módulos ópticos são mostrados na Tabela 1, e há tendências de desenvolvimento para alta velocidade, baixo consumo de energia, baixo custo, inteligência, etc.

(1) A tendência em direção à alta velocidade

A interconexão interna da Amazon, Google, Microsoft, Facebook e outros data centers ultragrandes da América do Norte iniciou a implantação comercial de módulos ópticos de 400 Gb/s entre 2019 e 2020. Os data centers domésticos estão passando gradualmente de 100 Gb/s para 400 Gb/s transceptores, e a implantação em escala está prevista para ser realizada em 2022. Conforme mostrado no Diagrama 1, a taxa de transferência dos chips de comutação do data center deve atingir 51.2 Tb/s em 2023 e 102.4 Tb/s após 2025. Taxas mais altas de 800 Gb/ s e 1.6 Tb/s se tornarão escolhas importantes para realizar a troca de dados de alta largura de banda.

Diagrama 1: a tendência em desenvolvimento da taxa de transferência do chip do switch do data center

(2) A tendência em direção ao baixo consumo

À medida que a capacidade dos chips de comutação continua a aumentar, o consumo de energia dos módulos ópticos começou a exceder o dos chips de comutação, tornando-se um fator chave nas soluções de rede. O consumo de energia inicial dos módulos ópticos de 400 Gb/s é de 10 ~ 12 W, e o consumo de energia a longo prazo deve ser de 8 ~ 10 W; o consumo de energia dos módulos ópticos de 800Gb/s é de cerca de 16W. Além disso, a indústria espera reduzir o consumo de energia e o custo de interconexão do SerDes encapsulando o motor óptico e o chip de comutação, e a tecnologia CPO (co-packaged óptica) encapsula chips eletrônicos e motores ópticos juntos, o que se tornou um hotspot de pesquisa em a industria.

(3) A tendência em direção ao baixo custo

Existem enormes requisitos de interconexão em data centers, e o baixo custo é uma das principais forças motrizes para o desenvolvimento contínuo de soluções de tecnologia de módulos ópticos. Em primeiro lugar, os cabos de acesso no cenário um apresentam uma tendência de diversificação. Algumas soluções reduzem a distância de interconexão ajustando o layout do gabinete e usando cabos de cobre de conexão direta (DAC) de baixo custo em vez de cabos ópticos; segundo, com o ambiente operacional estável e a rápida substituição dos módulos ópticos do data center, a indústria está explorando ativamente soluções para reduzir custos reduzindo os requisitos de temperatura e confiabilidade de longo prazo e assim por diante; em terceiro lugar, à medida que a velocidade continua a aumentar, a tendência de afundamento de soluções coerentes é óbvia, e soluções não coerentes também estão se esforçando para se expandir para longas distâncias. Os dois esquemas “se encontram” em alguns cenários de aplicação, e a proporção da demanda por diferentes esquemas nas cenas de “reunião” estará intimamente relacionada a fatores que incluem custo.

(4) A tendência em direção à inteligência

A OTT começou a prestar atenção ao aprimoramento das capacidades de operação e manutenção e melhoria da qualidade dos módulos ópticos. O monitoramento da integridade dos módulos ópticos e o alerta antecipado de falhas são realizados por meio de inteligência artificial, aprendizado de máquina e big data, o que apresenta novos requisitos para as características funcionais e especificações dos transceptores ópticos.

Tipos de Módulos Ópticos		Fator de Forma	Taxa de interface óptica Gb / s	Taxa de interface elétrica Gb / s	Distância de transmissão	Número de fibras	Consumo de energia 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

Tabela 2: Requisitos do Módulo Óptico de Interconexão Interna do Data Center

2. Módulos Ópticos Utilizados na Interconexão entre Data Centers

No estágio inicial, era acessado principalmente pela Internet. Com o aumento do tráfego comercial, o tráfego de dados atingiu mais de Tb/s, e problemas como atraso de rede, congestionamento e segurança exigiam interfaces especiais para suporte. Os data centers são indústrias com uso intensivo de energia. Devido às restrições de fornecimento de energia e ao ambiente circundante, a escala de um único data center não pode ser expandida infinitamente. A ampla aplicação da moderna tecnologia de virtualização permite que vários datacenters separados fisicamente funcionem como um datacenter virtual, e grandes empresas de Internet podem compartilhar a carga entre vários datacenters e serviços, reduzindo efetivamente a demanda de fornecimento de energia do datacenter e facilitando a implantação rápida . Além disso, em consideração à recuperação de desastres e backup, muitos grandes centros de dados são compostos de vários locais, entre os quais é necessário um grande número de canais de troca de dados de baixa latência. Todos os cenários de aplicação acima impõem fortes demandas ao DCI. A distância DCI é geralmente de vários quilômetros a dezenas de quilômetros, ou até mais de 100 quilômetros. Os cenários típicos de interconexão são os seguintes:

(a) DCI-Campus: Conecte-se a um centro de dados a uma curta distância. A distância de transmissão é geralmente de cerca de 2 km e se expande ainda mais para uma distância maior de 10 km;

(b) DCI-Edge: Data center distribuído na área de conexão. A distância de transmissão é geralmente 80km~120km;

(c) Metrô/Longo Curso: Estende-se ainda mais para a região metropolitana e transmissão de longa distância, podendo chegar a centenas ou milhares de quilômetros. A fim de fazer pleno uso dos recursos de fibra óptica, a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DWDM) é amplamente utilizada, e diferentes códigos de modulação podem ser usados ​​para diferentes distâncias de transmissão. Além disso, embora não faça parte da infraestrutura DCI, a rede sem fio também está sendo integrada à rede do data center.

Para DCI dentro de 20 km, dependendo da largura de banda da conexão e dos recursos de fibra, a modulação direta e a tecnologia de detecção CWDM ou DWDM podem ser selecionadas. Para a distância de transmissão de 20 km a 80 km, a tecnologia coerente DWDM e a tecnologia de modulação e detecção direta competem em termos de custo de construção e operação, confiabilidade, etc. Para a distância de transmissão de 80 km ~ 120 km, DWDM coerente a tecnologia é a solução principal. Para reduzir ainda mais a complexidade técnica e o custo, módulos de luz colorida e luz cinza baseados em modulação direta e tecnologia de detecção também estão sendo desenvolvidos simultaneamente. Quanto a distâncias de transmissão de centenas de quilômetros ou mais, é necessário transmitir sinais de alta velocidade em cada comprimento de onda para aumentar a largura de banda total da interface, e a tecnologia coerente é a solução principal.

Taxa	Fator de Forma	Distância de transmissão	Tecnologia de Detecção	Modo de modulação	Padrão de referência/especificação
100Gb / s	CFP2	80-120km	Coerência	QPSK	Abra ZR +
	QSFP28	80-120km	Modulação direta e detecção	PAM4	Cor Z
	QSFP28	80km	Modulação direta e detecção	NRZ	_
400Gb / s	QSFP-DD	80-120km	Coerência	16QAM	OIF 400ZR
800Gb / s	QSFP-DD800	10km	Coerência	16QAM	OIF 800LR
	QSFP-DD800	80-120km	Coerência	16QAM	OIF 800ZR

Tabela 3: Requisitos para módulos ópticos para interconexão entre data centers

3. Tecnologia de módulo óptico usada na interconexão do data center

100G QSFP28 e 400G QSFP-DD, transceptores ópticos OSFP baseados em comprimento de onda único de 100Gb/s

A construção do datacenter apresenta fortes demandas por alta velocidade, tamanho pequeno, baixo custo e baixo consumo de energia de módulos ópticos. A tecnologia de onda única de 100 Gb/s pode efetivamente aproveitar a melhoria da largura de banda e a evolução iterativa dos chips fotoelétricos, bem como processos e embalagens altamente integrados, para obter maior densidade de interface e baixo custo, atendendo aos mesmos requisitos de largura de banda e reduzindo a complexidade óptica.

Em termos de padronização internacional, IEEE802.3 e 100G Lambda MSA lançaram ou estabeleceram uma série de padrões relacionados a 100/400Gb/s baseados em 100Gb/s de comprimento de onda único, conforme mostrado na Tabela 4. Em termos de padrões da indústria, CCSA é formulando padrões da indústria de “transceptor óptico de comprimento de onda único de 100 Gb/s”, incluindo especificação de distância de DR (500 m), FR1 (2 km), LR1 (10 km), LR1-20 (20 km) e ER1-30/40 (30/40 km ); YD/T 3538.3-2020: “400Gb/s Intensity Modulation Pluggable Optical Transceiver Part 3: 4×100Gb/s” foi lançado em 2020, contendo especificação de distância de DR4 (500m) e FR4 (2km); ao mesmo tempo, a FiberMall está realizando ativamente tópicos de pesquisa, como módulos ópticos de longa distância com modulação de intensidade de 4 × 100 Gb/s e dispositivos ópticos de alta velocidade de 100 GBaud e acima.

	Diretriz	Estado	Comprimento de onda operacional	Distância
RV 100G	IEEE 802.3db	sob pesquisa	842-948nm	30m (OM3) 50m (OM4/5)
100G RS	IEEE 802.3db	sob pesquisa	844-863nm	60m (OM3) 100m (OM4/5)
100G DR	IEEE802.3cd-2018	publicado	1304.5-1317.5nm	500m
100GFR1	IEEE 802.3cu-2021 100G Lambda MSA (100G-FR e 100G-LR Especificações 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 Especificações Técnicas Rev 1.1)	publicado	1304.5-1317.5nm	20km
100G ER1-30/40		publicado	1308.09-1310.19nm	30 / 40km
400G VR4	IEEE 802.3db	sob pesquisa	824-948nm	30m (OM3) 50m (OM4/5)
400GSR4	IEEE 802.3db	sob pesquisa	844-863nm	60m (OM3) 100m (OM4/5)
400G DR4	IEEE 802.3bs-2017	sob pesquisa	1304.5-1317.5nm	500m
400GFR4	IEEE 802.3cu-2021 100G Lambda MSA (Especificações Técnicas 400G-FR4 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 Especificação 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	sob pesquisa	nLWDM	30 / 40km

Tabela 4: Progresso dos padrões internacionais relacionados a 100/400 Gb/s baseados em comprimento de onda único de 100 Gb/s

Em termos de formato, QSFP-DD MSA e OSFP MSA lançaram especificações de 400 Gb/s QSFP-DD e OSFP de 400 Gb/s, respectivamente, usando uma interface elétrica de 8 × 56 Gb/s. O QSFP-DD MSA atualizou e lançou a versão 6.01 da especificação, incluindo 400 Gb/s QSFP112 em 2021. O QSFP112 MSA, liderado pelo Alibaba e Baidu, lançará em breve especificações relevantes para promover aplicativos de interconexão de data centers.

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

Conforme mostrado no diagrama abaixo, o módulo óptico de 100 Gb/s baseado em comprimento de onda único de 400 Gb/s de primeira geração é baseado principalmente em uma interface elétrica de 8 × 56 Gb/s, que requer DSP para realizar a conversão de taxa de caixa de engrenagens 8:4. O módulo óptico de 400 Gb/s de segunda geração adota uma interface elétrica de 4 × 112 Gb/s, que pode simplificar a conexão entre o chip do switch e o módulo óptico, reduzindo assim o consumo de energia e o custo.

Diagrama 2: a primeira e segunda geração de módulos ópticos de 400 Gb/s baseados em comprimento de onda único de 100 Gb/s

Em termos de tecnologia de interface óptica, o módulo óptico 400Gb/s 500m DR4 baseado em fibra monomodo entrou em uso comercial e existem três tipos de soluções: EML, DML e fotônica de silício. Dentre elas, a solução EML é a solução tradicional com maior maturidade. No final de 2020, a Lumentum lançou um chip PAM100 DML de 4 Gb/s para fornecer forte suporte à solução DML, que requer controle de temperatura para garantir o desempenho da largura de banda na temperatura padrão (0~70°C). Em termos de chips eletrônicos, a indústria carecia de PAM100 DML de onda única de 4 Gbs/s suportando chips eletrônicos nos primeiros dias. Atualmente, empresas de comunicação óptica como Insica e Aluksen lançaram produtos relacionados a Driver e TIA, mas a maturidade da cadeia da indústria ainda precisa ser melhorada.

O investimento e o entusiasmo em P&D para soluções fotônicas de silício são altos. Intel, Lumentum, II-VI, Acacia, FiberMall e outras empresas lançaram produtos de módulos fotônicos de silício 400Gb/s DR4, e o Alibaba também lançou módulos fotônicos de silício autodesenvolvidos. As soluções fotônicas de silício de vários fabricantes da indústria não são uniformes, o que traz alguns desafios para a formação de vantagens de escala. Devido a fatores como alta perda de acoplamento, lasers CW DFB de alta potência e drivers de grande oscilação, a solução fotônica de silício ainda está longe das expectativas da indústria em termos de consumo de energia. Além disso, também há controvérsia na indústria sobre a escolha de soluções técnicas CWDM4 e PSM4 em cenários de aplicação de 500m. Ambos têm seus próprios prós e contras, portanto, vários fatores, como desempenho e custo, precisam ser considerados de maneira abrangente.

	Solução EML	Solução DML	Soluções Fotônicas de Silício
Consumo de energia	Moderado	Baixo	Moderado
Custo	Moderado	Baixo	Depende da taxa de aprovação em escala
Maturidade	Alta	Baixo	Moderado
Tecnologia chave	_	Driver DML linear de alta largura de banda, DML	Modulador de baixa potência
Solução	CWDM4	PSM4 ou CWDM4	PSM4
Número de tranças	2	8 ou 2	8
Emenda de fibra	LC/UCD/SN/MDC	MPO/LC/UCD/SN/MDC	MPO/UCD/SN/MDC

Tabela 5: Comparação de soluções técnicas 400Gb/s 500m DR4

O módulo óptico DR400+ de 4Gb/s amplia ainda mais a distância de transmissão para 2km, atualmente com a solução EML como principal solução. Os módulos ópticos de 100 Gb/s DR e 100 Gb/s FR1 adotaram principalmente o fator de forma QSFP28 e são usados ​​em cenários de cabo breakout de 500 m e 2 km com módulos óticos DR400 de 4 Gb/s e 400 Gb/s DR4+, respectivamente. O cenário de fuga é atualmente usado em grandes OTTs na América do Norte. A vantagem é que ele pode realizar a praticabilidade e flexibilidade da interconexão de sinal de serviço e melhorar efetivamente a densidade da porta; a desvantagem é que a manutenção é complicada e os tipos de módulos são aumentados. A falha ou substituição de qualquer link afetará os demais links. O cenário de aplicação FR400 de 2 Gb/s 4 km adota principalmente a solução técnica CWDM4, que pode reduzir bastante a demanda por fibras ópticas e obter vantagens de custo de ponta a ponta. Ao mesmo tempo, devido a um grande número de módulos ópticos com diferentes distâncias de transmissão, alguns OTTs domésticos esperam usar a solução 400Gb/s 2km FR4 para realizar o portador unificado de 500m e 2km para reduzir a complexidade de operação e manutenção. Atualmente, produtos de módulos ópticos de 100/400 Gb/s baseados em comprimento de onda único de 100 Gb/s foram produzidos em massa por muitos fabricantes em todo o mundo.

Formato	Fator de forma	Representantes de fabricantes nacionais e estrangeiros
		EML	Fotônica de silício/DML
100G DR	QSFP28/SFP56-DD	Cisco, Juniper, FiberMall, II-VI	Intel
100g sexta-feira	QSFP28/SFP56-DD	Cisco, Juniper, FiberMall	Intel
400G DR4	QSFP-DD	Cisco, Arista, Juniper, II-VI, FiberMall	Intel, II-VI, AOI (DML)
400GDR4+	QSFP-DD	Broadcom	Intel
400GFR4	QSFP-DD	Juniper, FiberMall, II-VI, Cisco, Arista	_

Tabela 6: Fabricantes de módulos ópticos representativos de DR/FR100 de 1 Gb/s e DR400/DR4+/FR4 de 4 Gb/s

Classificação do dispositivo	Chip de chave	Fabricante representante
		500m	2km
Chip óptico	53GB detector de áudio	Broadcom, GCS	Broadcom, GCS
	Laser de 53GB	Lumentum, II-VI, AOI (DML)	Mitsubishi, Lumentum, Broadcom (EML)
Chip elétrico	TIA linear 53GBaud	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom
	Driver linear de 53GBaud	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom
	DSP	Inphi, Broadcom	Inphi, Broadcom
Chip integrado de fotônica de silício		Intel, Acaica, Rockley	Intel, Acaica, Rockley

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

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

As principais soluções técnicas de módulos ópticos de 10km/40km 100/400Gb/s são mostradas na Tabela 8. O lado de transmissão do módulo óptico LR100 de 1Gb/s usa um chip EML de 53GBaud e tem duas soluções de formato: BOX e TO. Este último tem a vantagem do baixo custo, mas a margem de largura de banda é pequena e a taxa de passagem é um pouco menor. 53GBaud un-cooled EML tem as vantagens de baixo custo e baixo consumo de energia. Atualmente, é usado em cenários de 2 km e abaixo, e a aplicação de 10 km precisa ser verificada. O lado receptor usa um chip PIN de 53GBaud, com a coexistência de BOX e TO, hermético e fator de forma não hermético, que pode evoluir para fator de forma hermético TO e fator de forma não hermético COB no futuro.

Tipo de módulo	Fator de forma	Interface elétrica	interface óptica	Chip óptico	Fator de forma OSA
100 Gb/s LR1	QSFP28	4x25G NRZ	1 x 100G PAM4	EML + PIN	PARA CAIXA
100 Gb/s ER1	QSFP28	4x25G NRZ	1 x 100G PAM4	EML + APD	PARA CAIXA
400 Gb/s LR4	QSFP-DD	8x50G PAM4	4 x 100G PAM4	EML + PIN	COB/CAIXA
400 Gb/s ER4	QSFP-DD	8x50G PAM4	4 x 100G PAM4	EML + APD EML+(SOA+PIN)	BOX

Table8: soluções técnicas convencionais de 100/400 Gb/s 10/40 km

O diagrama de blocos do módulo óptico LR100/ER1 de 1Gb/s é mostrado nas Figuras (a) e (b) abaixo. O transmissor usa um chip EML de 53GBaud; o receptor usa um chip 53GBaud PIN/APD, e o chip 4:1 PAM4 DSP suporta KP4 FEC. Os diagramas de blocos dos módulos ópticos LR400 e ER4 de 4Gb/s são mostrados no Diagrama (c) e (d) respectivamente. O transmissor LR400 de 4Gb/s usa chips de matriz EML de 4 × 53 GBaud (fator de forma BOX/COB) e o receptor usa um chip de matriz PIN de 4 × 53 GBaud (fator de forma BOX/COB; coexistência hermética e não hermética); Transmissor 400Gb/s ER4 adota chip EML array 4×53GBd (pacote BOX), com seleção de comprimento de onda a ser determinado; a solução do receptor deve ser determinada, sendo possível soluções APD e SOA+PIN de alto desempenho (pacote BOX/COB, coexistência de fator de forma hermético e não hermético). O módulo óptico LR400/ER4 de 4Gb/s adota um chip DSP PAM8 4:4 e suporta KP4 FEC. Em comparação com as soluções tradicionais, os módulos ópticos de 100/400 Gb/s baseados na tecnologia de 100 Gb/s de comprimento de onda único podem economizar vários chips ópticos, reduzindo assim o custo, o consumo de energia e a complexidade de fabricação, além de melhorar a taxa de aprovação. O chip eletrônico adota DSP com funções integradas de driver, CDR e caixa de engrenagens, o que reduz a complexidade do projeto e facilita o foco do produto para os projetistas de chips.

Diagrama 3: Módulos ópticos de 100/400 Gb/s baseados na tecnologia de onda única de 100 Gb/s

Atualmente, vários fabricantes nacionais e estrangeiros lançaram produtos produzidos em massa e sinais de trânsito com base na tecnologia de 100 Gb/s de comprimento de onda único:

• 100Gb/s LR1 foi fornecido por vários fabricantes de módulos em lotes. Com a maturidade gradual da tecnologia de empacotamento de dispositivos ópticos de 53GBaud, a taxa de qualificação de produtos de módulos ópticos melhorou gradualmente, e espera-se que o custo atual seja melhor do que o da solução LR100 de 4 Gb/s;

• Quanto ao LR400 de 4 Gb/s, vários fabricantes de módulos podem fornecer amostras Beta, e espera-se que o custo seja melhor do que o da solução LR400 de 8 Gb/s. Com o aumento gradual da demanda por chips ópticos de 53GBaud no futuro, há um grande espaço para redução de custos;

• ER100 de 1 Gb/s e ER400 de 4 Gb/s estão atualmente em pesquisa por vários fabricantes de módulos. O ER100 de 1 Gb/s fez um avanço preliminar e pode atingir 40 km de transmissão no ambiente de laboratório. O ER400 de 4Gb/s está em pesquisa e espera-se que um protótipo seja lançado até o final de 2022 com base na boa base do ER100 de 1G. Tanto o ER100 de 1 Gb/s quanto o ER400 de 4 Gb/s atualmente enfrentam desafios como requisitos de alta eficiência de acoplamento óptico na extremidade de transmissão, requisitos de alta sensibilidade de chip na extremidade de recepção e a necessidade de triagem.

Formato	Fator de forma	Fabricantes de módulos ópticos representativos
		Tensão do ar	Não estanqueidade
100G LR1	QSFP28	CIG, FiberMall, Juniper, AOI, Cisco	II-VI
100G ER1	QSFP28	Sifotônica, AOI, FiberMall	_
400G LR4	QSFP-DD	SEDI, Juniper, FiberMall, AOI	Molex, CIG, II-VI
400G ER4	QSFP-DD	FiberMall, Cisco	_

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

Os principais dispositivos de chip fotoelétrico da tecnologia PAM100 de onda única de 4 Gb/s são produzidos principalmente por fabricantes estrangeiros, e alguns fabricantes nacionais fizeram progressos no estágio atual. A taxa de qualificação de triagem de lasers 53GBaud EML a partir de lasers 25GBaud EML é baixa, e o design da estrutura do chip, a dopagem do material etc. precisam ser otimizados para resolver os desafios e problemas de aumentar a largura de banda e garantir a confiabilidade. O chip detector 53GBaud APD é relativamente maduro em casa e no exterior, e os produtos domésticos têm excelente desempenho. o DSP PAM4 chip desenvolveu-se rapidamente na China nos últimos dois anos com a taxa de 50 Gb/s com amostras em pequenos lotes e bom desempenho de teste. Os produtos de 100 Gb/s e 400 Gb/s estão em fase de pesquisa e desenvolvimento.

Classificação do dispositivo	Chip de chave	Fabricante representante
		10km	40km
Chip óptico	53GBaud EML	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, NeoPhotonics	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, NeoPhotonics
	53GB PIN de áudio	Kyosemi, GCS, Albis	_
	53 GB de áudio APD	_	macom
Chip elétrico	TIA linear 53GBaud	Inphi, Semtech, Macom	Inphi, Semtech, Macom
	DSP	Inphi, Broadcom	Inphi, Broadcom

Table10： 100Gb/s 10/40km dispositivo de chip optoeletrônico do módulo óptico

Classificação do dispositivo	Chip de chave	Fabricante representante
		10km	40km
Dispositivo óptico	53 GB de áudio EML CWDM	Mitsubishi, SEDI, lumentum, Broadcom, NeoPhotonics	_
	53 GB de áudio nLWDM EML	_	Mitsubishi, SEDI, lumentum, Broadcom, NeoPhotonics
	53 GB PIN	Kyosemi, GCS, Albis	_
	53 GB de áudio APD	_	macom
Chip elétrico	53 GBaud TIA linear	Inphi, Semtech, Macom	Inphi, Semtech, Macom
	DSP	Inphi, Broadcom	Inphi, Broadcom

Table11：Dispositivo de chip optoeletrônico de núcleo de 400Gb/s 10/40km do módulo óptico

Em termos de aplicação e implantação, os produtos de módulos ópticos LR100 de 1 Gb/s e LR400 de 4 Gb/s basicamente cresceram em maturidade, e os embarques aumentaram gradualmente com base na demanda do mercado; Espera-se que o ER100 de 1 Gb/s e o ER400 de 4 Gb/s estejam disponíveis comercialmente em meados de 2022. Módulos ópticos de 100/400 Gb/s baseados na tecnologia de 100 Gb/s de comprimento de onda único também começaram a ocupar uma posição importante no plano de implantação de operadoras e integração de fornecedores de equipamentos, e haverá uma grande demanda por eles nos próximos anos. De acordo com o modo de rede do portador das operadoras, os módulos ópticos de 30/40 km são usados ​​principalmente em cenários sem fio de médio alcance e de retorno. Quando o ER100 de 1 Gb/s tiver uma vantagem de custo, ele se tornará um forte concorrente do ER100 de 4 Gb/s existente. No futuro, o mercado poderá oferecer suporte aos requisitos de sinal OTN 400 Gb/s com base no suporte a aplicativos Ethernet e é necessária uma discussão mais aprofundada para aprimorar o espaço de aplicação de 100 Gb/s ER1 e 400 Gb/s ER4.

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

Para a distância de transmissão de 80 ~ 120 km, a tecnologia DWDM coerente pode resolver o problema de dispersão do link através do DSP, reduzir o requisito de relação sinal-ruído óptico e ter bom desempenho. A fim de reduzir ainda mais o consumo de energia, custo e espaço ocupado, a indústria também está explorando ativamente soluções de tecnologia de cor DWDM e luz cinza com modulação direta e tecnologia de detecção para distância de transmissão de 80 a 120 km.

Solução		Código de modulação	Banda de ondas	Espaçamento entre canais	Número do canal	Tipo FEC	Compensação de dispersão	Eficiência energética	Capacidade de fibra	Fator de forma	Custo relativo
Luz colorida	Coerência	100G DQPSK	C	100 GHz	48/96	CFEC	FEC	18W/100G	4.8/9.6 Tb/s	QSFP-DD/ CFP2-DCO/ PCP	3
		400G 16QAM	C	100 GHz	48	CFEC	FEC	5W/100G	19.2 Tb / s	QSFP-DD/ CFP2-DCO/ OSFP/ CFP-16L	8
	Mudulação direta e detecção	50G PAM4	C	50 GHz	80	KR4/KP4 /IFEC/SFEC	Compensação de dispersão externa é necessário além de ±100ps	4.5W/100G	4 Tb / s	QSFP28	1
		100G PAM4	C	100 GHz	80	KR4/KP4 /IFEC/SFEC	Compensação de dispersão externa é necessário além de ±40ps	4.5W/100G	8 Tb / s	QSFP28	1.5
Luz cinza	Mudulação direta e detecção	4X25G NRZ	O	_	_	KR4	Nenhuma compensação de dispersão necessária	6.5W/100G	100 Gb / s	QSFP28	0.5

Tabela 12: Comparação de soluções técnicas 100G/400G 80~120km

Conclusão:

O rápido desenvolvimento e construção de data centers trouxeram oportunidades e vitalidade ao mercado de módulos ópticos. Ao mesmo tempo, eles também levantaram novas demandas e maiores desafios para módulos ópticos, como alta velocidade, alto desempenho, baixo consumo de energia, baixo custo e inteligência. Fortalecer a inovação tecnológica, orientar a aglomeração de mercados e fortalecer o suporte à base industrial são meios eficazes para enfrentar esses desafios. Todas as partes da indústria e da cadeia industrial a montante e a jusante precisam formar uma força conjunta e promover o progresso coordenado. Em termos de inovação tecnológica, P&D e inovação de tecnologias como novos materiais, novos designs, novos processos, novas embalagens e novas faixas de frequência são utilizados para atender às novas demandas de módulos ópticos em diversos cenários de aplicação.