Технологии оптических приемопередатчиков в центрах обработки данных в 2022 году

С быстрым развитием облачных вычислений, больших данных, видео сверхвысокой четкости, искусственного интеллекта и отраслевых приложений 5G частота доступа к сети и методы доступа продолжают расти, а трафик сетевых данных быстро растет, что создает более сложные проблемы с данными. центральное соединение (DCI). В качестве примера центра обработки данных с архитектурой CLOS типа «позвоночник-листок» типичные сценарии оптического соединения показаны в таблице 1. Первые три сценария представляют собой соединение внутри центра обработки данных, а четвертый сценарий — соединение между центрами обработки данных.

Сценарии взаимосвязи		Типичное расстояние		Типичные требования к оптическим модулям
				Последнее поколение	В настоящий момент	Следующее поколение
Сценарий 1	Сервер в ТОР (в пределах дата-центра)	2 м (внутри стойки) 30/50 м (поперек стеллажей)	в машинном зале	25G АОС/DOC	100G АОС/ЦАП	200G АОС/ЦАП
Сценарий 2	ТЗ на Лист (в пределах дата-центра)	≥70м/100м	внутри здания	100 г SR4	400 г ср8/ср4.2	800 г ПСМ8/ПСМ4
Сценарий 3	Лист к позвоночнику (в пределах дата-центра)	500m / 2km	среди зданий	100 Гб CWDM4	400 г ФР4/ДР4	800 г ФР4/ПСМ4
Сценарий 4	Среди дата-центров	80-120m	среди кампусов	100G DWDM	400G ЗР/ЗР+	800Г ЗР

Таблица 1: Типичные сценарии оптического соединения центров обработки данных

1. Требования к оптическим модулям для внутреннего соединения центров обработки данных

На внутреннюю взаимосвязь центра обработки данных приходится большая часть общего распределения трафика центра обработки данных. Типичные требования к оптическим модулям приведены в таблице 1, и есть тенденции развития в сторону высокой скорости, низкого энергопотребления, низкой стоимости, интеллектуальности и т. д.

(1) Тенденция к высокой скорости

Внутреннее соединение в Amazon, Google, Microsoft, Facebook и других сверхкрупных центрах обработки данных в Северной Америке началось коммерческое развертывание оптических модулей 400 Гбит/с в период с 2019 по 2020 год. Внутренние центры обработки данных постепенно переходят со 100 Гбит/с на 400 Гбит/с. приемопередатчиков, а масштабное развертывание ожидается в 2022 году. Как показано на диаграмме 1, ожидается, что пропускная способность микросхем коммутации центров обработки данных достигнет 51.2 Тбит/с в 2023 году и 102.4 Тбит/с после 2025 года. Более высокие скорости 800 Гбит/с с и 1.6 Тбит/с станут важным выбором для реализации обмена данными с высокой пропускной способностью.

Диаграмма 1: растущая тенденция пропускной способности чипа коммутатора центра обработки данных

(2) Тенденция к низкому потреблению

Поскольку емкость коммутационных микросхем продолжает расти, энергопотребление оптических модулей стало превышать энергопотребление коммутационных микросхем, что становится ключевым фактором в сетевых решениях. Первоначальное энергопотребление оптических модулей 400 Гбит/с составляет 10–12 Вт, а долгосрочное энергопотребление ожидается на уровне 8–10 Вт; потребляемая мощность оптических модулей 800 Гбит/с составляет около 16 Вт. Кроме того, отрасль рассчитывает снизить энергопотребление и стоимость соединения SerDes за счет инкапсуляции оптического механизма и коммутационного чипа, а технология CPO (совмещенная оптика) инкапсулирует электронные чипы и оптические механизмы вместе, что стало горячей точкой исследований в индустрия.

(3) Тенденция к низкой стоимости

В центрах обработки данных существуют огромные требования к межсетевому соединению, а низкая стоимость является одной из основных движущих сил непрерывного развития технологических решений на основе оптических модулей. Во-первых, кабели доступа в первом сценарии демонстрируют тенденцию к диверсификации. Некоторые решения сокращают расстояние между соединениями за счет изменения компоновки шкафа и использования более дешевых медных кабелей прямого подключения (DAC) вместо оптических кабелей; во-вторых, благодаря стабильной операционной среде и быстрой замене оптических модулей в центрах обработки данных отрасль активно изучает решения для снижения затрат за счет снижения требований к температуре, долгосрочной надежности и т. д.; в-третьих, по мере того, как скорость продолжает увеличиваться, очевидна тенденция когерентности когерентных решений, а некогерентные решения также стремятся распространиться на большие расстояния. Две схемы «встречаются» в некоторых сценариях приложений, и доля спроса на разные схемы в сценах «встречи» будет тесно связана с такими факторами, как стоимость.

(4) Тенденция к интеллекту

OTT начала уделять внимание расширению возможностей эксплуатации и обслуживания, а также улучшению качества оптических модулей. Мониторинг работоспособности оптических модулей и раннее предупреждение о неисправностях реализуются за счет искусственного интеллекта, машинного обучения и больших данных, что выдвигает новые требования к функциональным характеристикам и спецификациям оптических приемопередатчиков.

Типы оптических модулей		Форм-фактор	Скорость оптического интерфейса Gb / s	Скорость электрического интерфейса Gb / s	Расстояние передачи	Количество волокон	Типичная потребляемая мощность
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	КСФП-ДД/ОСФП	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	КСФП-DD800 /ОСФП /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×ФР4		8 × 100	8 × 100	2km	2
	FR4		4 × 200	8 × 100	2km	1

Таблица 2: Требования к оптическим модулям для внутреннего соединения центра обработки данных

2. Оптические модули, используемые для соединения центров обработки данных

На начальном этапе к нему в основном обращались через Интернет. С увеличением бизнес-трафика трафик данных превысил терабайты в секунду, и для решения таких проблем, как задержка в сети, перегрузка и безопасность, требовались специальные интерфейсы. Центры обработки данных относятся к энергоемким производствам. Из-за ограничений электроснабжения и окружающей среды масштаб одного центра обработки данных не может расширяться бесконечно. Широкое применение современных технологий виртуализации позволяет нескольким физически разделенным центрам обработки данных работать как виртуальный центр обработки данных, а крупные интернет-компании могут распределять нагрузку между несколькими центрами обработки данных и службами, эффективно снижая потребность центра обработки данных в энергоснабжении и способствуя быстрому развертыванию. . Кроме того, с учетом аварийного восстановления и резервного копирования многие крупные центры обработки данных состоят из нескольких площадок, между которыми требуется большое количество каналов обмена данными с малой задержкой. Все вышеперечисленные сценарии приложений предъявляют высокие требования к DCI. Расстояние DCI обычно составляет от нескольких километров до десятков километров или даже более 100 километров. Типичные сценарии взаимосвязи следующие:

(a) DCI-Campus: подключение к центру обработки данных на небольшом расстоянии. Дальность передачи обычно составляет около 2 км и далее увеличивается до 10 км;

(b) DCI-Edge: распределенный центр обработки данных в зоне подключения. Дальность передачи обычно составляет 80–120 км;

(c) Метро/Дальние перевозки: Он далее распространяется на городские районы и передачу на большие расстояния, и расстояние может достигать сотен или тысяч километров. Чтобы в полной мере использовать ресурсы оптического волокна, широко используется технология плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM), и для разных расстояний передачи могут использоваться разные коды модуляции. Кроме того, хотя беспроводная сеть и не является частью инфраструктуры DCI, она также интегрируется в сеть центра обработки данных.

Для DCI в пределах 20 км, в зависимости от пропускной способности соединения и ресурсов оптоволокна, можно выбрать технологию прямой модуляции и обнаружения CWDM или DWDM. Для расстояния передачи от 20 до 80 км когерентная технология DWDM и технология прямой модуляции и обнаружения конкурируют с точки зрения стоимости строительства и эксплуатации, надежности и т. д. Для расстояния передачи от 80 до 120 км, когерентный DWDM технология является основным решением. Для дальнейшего снижения технической сложности и стоимости одновременно разрабатываются модули цветного и серого света, основанные на технологии прямой модуляции и обнаружения. Что касается расстояний передачи в сотни километров и более, необходимо передавать более высокоскоростные сигналы на каждой длине волны, чтобы увеличить общую пропускную способность интерфейса, и когерентная технология является основным решением.

Обменный курс	Форм-фактор	Расстояние передачи	Технология обнаружения	Режим модуляции	Справочный стандарт/спецификация
100Gb / s	CFP2	80-120km	слаженность	QPSK	Открыть ZR +
	QSFP28	80-120km	Прямая модуляция и обнаружение	PAM4	ЦветZ
	QSFP28	80km	Прямая модуляция и обнаружение	NRZ	_
400Gb / s	QSFP-DD	80-120km	слаженность	16QAM	ОИФ 400ЗР
800Gb / s	КСФП-DD800	10km	слаженность	16QAM	ОИФ 800LR
	КСФП-DD800	80-120km	слаженность	16QAM	ОИФ 800ЗР

Таблица 3: Требования к оптическим модулям для соединения центров обработки данных

3. Технология оптических модулей, используемая для соединения центров обработки данных.

100G QSFP28 и 400G QSFP-DD, оптические трансиверы OSFP на базе одноволновых 100Гбит/с

Строительство центра обработки данных выдвигает высокие требования к высокой скорости, малым размерам, низкой стоимости и низкому энергопотреблению оптических модулей. Одноволновая технология 100 Гбит/с может эффективно использовать преимущества расширения полосы пропускания и итеративной эволюции фотоэлектрических микросхем, а также высокоинтегрированных процессов и компоновки для достижения более высокой плотности интерфейса и низкой стоимости при соблюдении тех же требований к полосе пропускания и уменьшении оптической сложности.

Что касается международной стандартизации, IEEE802.3 и 100G Lambda MSA выпустили или установили ряд стандартов, связанных со скоростью 100/400 Гбит/с, основанных на одноволновой скорости 100 Гбит/с, как показано в Таблице 4. Что касается отраслевых стандартов, CCSA является разработка отраслевых стандартов «Одноволновой оптический трансивер со скоростью 100 Гбит/с», включая спецификации расстояния DR (500 м), FR1 (2 км), LR1 (10 км), LR1-20 (20 км) и ER1-30/40 (30/40 км). ); YD / T 3538.3-2020: «Подключаемый оптический трансивер с модуляцией интенсивности 400 Гбит / с, часть 3: 4 × 100 Гбит / с», был выпущен в 2020 году и содержит спецификации расстояния DR4 (500 м) и FR4 (2 км); в то же время FiberMall активно занимается исследованиями, такими как оптические модули дальнего действия с модуляцией интенсивности 4×100 Гбит/с и высокоскоростные оптические устройства со скоростью 100 Гбод и выше.

	Гайдлайн	Область	Рабочая длина волны	Расстояние
100G ВР	ИЭЭЭ 802.3дб	в стадии исследования	842-948nm	30 м (ОМ3) 50 м (ОМ4/5)
100G СР	ИЭЭЭ 802.3дб	в стадии исследования	844-863nm	60 м (ОМ3) 100 м (ОМ4/5)
100G др.	IEEE 802.3cd-2018	опубликованный	1304.5-1317.5nm	500m
100 г FR1	IEEE 802.3cu-2021 100G Lambda MSA (100G-FR и 100G-LR Технические характеристики Ред. 2.0)	опубликованный	1304.5-1317.5nm	2km
100 г LR1		опубликованный	1304.5-1317.5nm	10km
100Г ЛР1-20	100G Lambda MSA (100G-LR1-20,100G-ER1-30 and 100G-ER1-40 Технические характеристики Ред. 1.1)	опубликованный	1304.5-1317.5nm	20km
100Г ЭР1-30/40		опубликованный	1308.09-1310.19nm	30 / 40km
400 г ВР4	ИЭЭЭ 802.3дб	в стадии исследования	824-948nm	30 м (ОМ3) 50 м (ОМ4/5)
400 г SR4	ИЭЭЭ 802.3дб	в стадии исследования	844-863nm	60 м (ОМ3) 100 м (ОМ4/5)
400 г DR4	IEEE 802.3bs-2017	в стадии исследования	1304.5-1317.5nm	500m
400 г FR4	IEEE 802.3cu-2021 100G Lambda MSA (Технические характеристики 400G-FR4, версия 2.0)	опубликованный	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	2km
400Г ЛР4-6	IEEE 802.3cu-2021	опубликованный	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	6km
400Г ЛР4-10	100G Lambda MSA (400G-LR4-10 Техническая спецификация Версия 1.0)	опубликованный	1264.5-1277.5nm 1284.5-1297.5nm 1304.5-1317.5nm 1324.5-1337.5nm	10km
400G ER4	100G Lambda MSA	в стадии исследования	нЛВДМ	30 / 40km

Таблица 4: Прогресс международных стандартов, связанных со 100/400 Гбит/с, на основе одноволновой скорости 100 Гбит/с

Что касается форм-фактора, QSFP-DD MSA и OSFP MSA выпустили спецификации 400 Гбит/с QSFP-DD и OSFP 400 Гбит/с соответственно, используя электрический интерфейс 8×56 Гбит/с. QSFP-DD MSA обновил и выпустил версию 6.01 спецификации, включая QSFP400 112 Гбит/с, в 2021 году. QSFP112 MSA, возглавляемый Alibaba и Baidu, вскоре выпустит соответствующие спецификации для продвижения приложений для межсетевого взаимодействия в центрах обработки данных.

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

Как показано на диаграмме ниже, оптический модуль первого поколения с одной длиной волны 100 Гбит/с на базе 400 Гбит/с в основном основан на электрическом интерфейсе 8×56 Гбит/с, который требует DSP для реализации преобразования скорости 8:4 Gearbox. Оптический модуль второго поколения 400 Гбит/с использует электрический интерфейс 4×112 Гбит/с, который может упростить соединение между микросхемой коммутатора и оптическим модулем, тем самым снижая энергопотребление и стоимость.

Диаграмма 2: первое и второе поколение оптических модулей 400 Гбит/с на базе одноволновых модулей 100 Гбит/с

Что касается технологии оптического интерфейса, то оптический модуль DR400 со скоростью 500 Гбит/с и длиной 4 м на основе одномодового волокна вошел в коммерческое использование, и существует три типа решений: EML, DML и кремниевая фотоника. Среди них решение EML является традиционным решением с наивысшей степенью зрелости. В конце 2020 года Lumentum выпустила чип PAM100 DML со скоростью 4 Гбит/с, чтобы обеспечить мощную поддержку решения DML, требующего контроля температуры для обеспечения производительности полосы пропускания при стандартной температуре (0–70 °C). Что касается электронных микросхем, то на первых порах в отрасли не хватало одноволнового PAM100 DML со скоростью 4 Гбит/с, поддерживающего электронные микросхемы. В настоящее время компании оптической связи, такие как Insica и Aluksen, запустили продукты, связанные с Driver и TIA, но зрелость отраслевой цепочки все еще нуждается в дальнейшем повышении.

Инвестиции и энтузиазм в области исследований и разработок в области решений кремниевой фотоники высоки. Intel, Lumentum, II-VI, Acacia, FiberMall и другие компании выпустили кремниевые фотонные модули DR400 со скоростью 4 Гбит/с, а Alibaba также выпустила кремниевые фотонные модули собственной разработки. Решения кремниевой фотоники различных производителей в отрасли неоднородны, что вносит определенные сложности в формирование масштабных преимуществ. Из-за таких факторов, как высокие потери связи, мощные лазеры CW DFB и драйверы с большим размахом, решение кремниевой фотоники все еще далеко от отраслевых ожиданий с точки зрения энергопотребления. Кроме того, в отрасли также существуют разногласия по поводу выбора технических решений CWDM4 и PSM4 в сценариях применения на 500 м. У обоих есть свои плюсы и минусы, поэтому необходимо всесторонне учитывать различные факторы, такие как производительность и стоимость.

	EML-решение	DML-решение	Решения кремниевой фотоники
Потребляемая мощность	Умеренная	Низкий	Умеренная
Цена	Умеренная	Низкий	Зависит от проходимости по шкале
Срок погашения	High	Низкий	Умеренная
Ключевые технологии	_	Линейный DML с высокой пропускной способностью, драйвер DML	Модулятор малой мощности
Решения	CWDM4	PSM4 или CWDM4	PSM4
Количество косичек	2	8 или 2	8
Сращивание волокна	ЛК/УКД/СН/МДК	МПО/ЛК/УКД/СН/МДК	МПО/УКД/СН/МДК

Таблица 5: Сравнение технических решений 400 Гбит/с 500 м DR4

Оптический модуль DR400+ со скоростью 4 Гбит/с дополнительно увеличивает расстояние передачи до 2 км, в настоящее время с решением EML в качестве основного решения. Оптические модули 100 Гбит/с DR и 100 Гбит/с FR1 в основном имеют форм-фактор QSFP28 и используются в 500-метровых и 2-километровых ответвлениях кабеля с оптическими модулями 400 Гбит/с DR4 и 400 Гбит/с DR4+ соответственно.. Сценарий прорыва в настоящее время используется в крупных ОТТ в Северной Америке. Преимущество состоит в том, что он может реализовать практичность и гибкость соединения служебных сигналов и эффективно повысить плотность портов; недостатком является усложнение обслуживания и увеличение типов модулей. Отказ или замена любой ссылки повлияет на другие ссылки. Сценарий приложения FR400 со скоростью 2 Гбит/с, 4 км, в основном использует техническое решение CWDM4, которое может значительно снизить потребность в оптических волокнах и обеспечить преимущества сквозных затрат. В то же время из-за большого количества оптических модулей с разной дальностью передачи некоторые отечественные ОТТ рассчитывают использовать решение FR400 2 Гбит/с 4 км для реализации унифицированного несущего канала 500 м и 2 км для снижения сложности эксплуатации и обслуживания. В настоящее время оптические модули 100/400 Гбит/с на основе одноволновых 100 Гбит/с серийно производятся многими производителями по всему миру.

Тип	Фактор формы	Представитель отечественных и зарубежных производителей
		EML	Кремниевая фотоника/DML
100G др.	КСФП28/СФП56-ДД	Cisco, Juniper, FiberMall, II-VI	Intel
100 г Пт	КСФП28/СФП56-ДД	Сиско, Можжевельник, Файбер Молл	Intel
400 г DR4	QSFP-DD	Cisco, Arista, Juniper, II-VI, FiberMall	Intel, II-VI, АОИ (DML)
400 г ДР4+	QSFP-DD	Broadcom	Intel
400 г FR4	QSFP-DD	Можжевельник,FiberMall,II-VI,Cisco,Ариста	_

Таблица 6. Типичные производители оптических модулей 100 Гбит/с DR/FR1 и 400 Гбит/с DR4/DR4+/FR4

Классификация устройств	Ключевой чип	Представитель производителя
		500m	2km
Оптический чип	Детектор 53 Гбод	Broadcom, GCS	Broadcom, GCS
	53 Гбод лазер	Люментум, II-VI, АОИ (DML)	Mitsubishi, Lumentum, Broadcom (EML)
Электрический чип	53 Гбод линейный TIA	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom
	Линейный драйвер 53 Гбод	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom	Inphi, Broadcom, Semtech, Macom
	DSP	Инфи、Broadcom	Инфи、Broadcom
Интегрированный чип кремниевой фотоники		Интел, Акаика, Рокли	Интел, Акаика, Рокли

Таблица 7: Репрезентативные производители фотоэлектрических микросхем с оптическим модулем 100/400 Гбит/с, 500 м/2 км

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

Основные технические решения оптических модулей 10/40 Гбит/с на 100/400 км показаны в таблице 8. Передающая сторона оптического модуля LR100 1 Гбит/с использует микросхему EML 53 Гбод и имеет два форм-фактора: BOX и TO. Преимущество последнего состоит в низкой стоимости, но запас пропускной способности невелик, а скорость передачи немного ниже. Неохлаждаемый EML со скоростью 53 Гбод имеет преимущества низкой стоимости и низкого энергопотребления. В настоящее время он используется в сценариях 2 км и ниже, а применение 10 км требует дальнейшей проверки. Принимающая сторона использует PIN-чип 53 Гбод с сосуществованием BOX и TO, воздухонепроницаемого и негерметичного форм-фактора, который в будущем может эволюционировать до герметичного форм-фактора TO и негерметичного форм-фактора COB.

Тип модуля	Фактор формы	Электрический интерфейс	Оптический интерфейс	Оптический чип	Форм-фактор OSA
100 Гбит/с LR1	QSFP28	4x25G НРЗ	1x 100G PAM4	ЭМЛ+ ПИН-код	В КОРОБКУ
100 Гбит/с ER1	QSFP28	4x25G НРЗ	1x 100G PAM4	ЭМЛ+ АПД	В КОРОБКУ
400 Гбит/с LR4	QSFP-DD	8x50G ПАМ4	4x 100G PAM4	ЭМЛ+ ПИН-код	УДАР/КОРОБКА
400 Гбит/с ER4	QSFP-DD	8x50G ПАМ4	4x 100G PAM4	ЭМЛ+ АПД EML+(SOA+ПИН-код)	BOX

Таблица 8. Основные технические решения 100/400 Гбит/с на 10/40 км

Блок-схема оптического модуля LR100/ER1 1 Гбит/с показана на рисунках (a) и (b) ниже. В передатчике используется микросхема EML со скоростью передачи данных 53 Гбод; приемник использует микросхему PIN/APD со скоростью 53 Гбод, а микросхема DSP 4:1 PAM4 поддерживает KP4 FEC. Блок-схемы оптических модулей LR400 и ER4 со скоростью 4 Гбит/с показаны на схемах (c) и (d) соответственно. В передатчике LR400 со скоростью 4 Гбит/с используются чипы массива EML 4×53 Гбод (форм-фактор BOX/COB), а в приемнике используется чип массива контактов 4×53 Гбод (форм-фактор BOX/COB; герметичное и негерметичное сосуществование); Передатчик ER400 со скоростью 4 Гбит/с использует микросхему массива EML 4×53 Гбит/с (коробочный пакет), выбор длины волны должен быть определен; Решение для приемника должно быть определено, при этом возможны высокопроизводительные решения APD и SOA+PIN (комплект BOX/COB, сосуществование воздухонепроницаемого и негерметичного форм-фактора). Оптический модуль LR400/ER4 со скоростью 4 Гбит/с использует микросхему цифровой обработки сигналов PAM8 4:4 и поддерживает KP4 FEC. По сравнению с традиционными решениями оптические модули 100/400 Гбит/с, основанные на одноволновой технологии 100 Гбит/с, могут сэкономить несколько оптических микросхем, тем самым снижая стоимость, энергопотребление и сложность производства, а также повышая скорость передачи. В электронном чипе используется DSP со встроенными функциями драйвера, CDR и коробки передач, что снижает сложность конструкции и облегчает разработчикам микросхем концентрацию внимания на продукте.

Диаграмма 3: Оптические модули 100/400 Гбит/с на основе одноволновой технологии 100 Гбит/с

В настоящее время ряд отечественных и зарубежных производителей выпустили серийно продукцию и дорожные знаки на базе одноволновой технологии 100Гбит/с:

• 100 Гбит/с LR1 поставляется несколькими производителями модулей партиями. С постепенным развитием технологии упаковки оптических устройств со скоростью 53 Гбод скорость квалификации оптических модулей постепенно повышается, и ожидается, что текущая стоимость будет лучше, чем у решения LR100 со скоростью 4 Гбит/с;

• Что касается 400 Гбит/с LR4, ряд производителей модулей могут предоставить бета-образцы, и ожидается, что их стоимость будет лучше, чем у решения 400 Гбит/с LR8. С постепенным увеличением спроса на оптические чипы 53 Гбод в будущем есть большие возможности для снижения затрат;

• 100 Гбит/с ER1 и 400 Гбит/с ER4 в настоящее время исследуются несколькими производителями модулей. ER100 со скоростью 1 Гбит/с сделал предварительный прорыв и может обеспечить передачу на 40 км в лабораторных условиях. 400 Гбит/с ER4 находится в стадии исследования, и ожидается, что к концу 2022 года будет запущен прототип на основе хорошей основы 100G ER1. Как 100 Гбит/с ER1, так и 400 Гбит/с ER4 в настоящее время сталкиваются с такими проблемами, как требования высокой эффективности оптической связи на передающей стороне, требования высокой чувствительности чипа на принимающей стороне и необходимость экранирования.

Тип	Фактор формы	Представители производителей оптических модулей
		Герметичность	Негерметичность
100 г LR1	QSFP28	CIG, FiberMall, Juniper, АОИ, Cisco	II-VI
100G ER1	QSFP28	Сифотоники, AOI, FiberMall	_
400 г LR4	QSFP-DD	SEDI, Juniper, FiberMall, АОИ	Молекс, CIG, II-VI
400G ER4	QSFP-DD	FiberMall, Cisco	_

Таблица 9. Типичные производители оптических модулей 100 Гбит/с LR1/ER1 и 400 Гбит/с LR4/ER4

Основные фотоэлектрические микросхемы одноволновой технологии PAM100 со скоростью 4 Гбит/с в основном производятся зарубежными производителями, и некоторые отечественные производители добились прогресса на текущем этапе. Квалификационная скорость экранирования лазеров EML со скоростью 53 Гбод от лазеров EML со скоростью 25 Гбод низкая, и необходимо оптимизировать конструкцию структуры чипа, легирование материалов и т. Д., Чтобы решить проблемы и проблемы увеличения полосы пропускания при обеспечении надежности. Чип детектора APD 53 Гбод является относительно зрелым в стране и за рубежом, и отечественные продукты имеют отличные характеристики. DSP PAM4 Чип быстро развивался в Китае за последние два года со скоростью 50 Гбит / с, с образцами в небольших партиях и хорошей тестовой производительностью. Продукты 100 Гбит/с и 400 Гбит/с находятся в стадии исследований и разработок.

Классификация устройств	Ключевой чип	Представитель производителя
		10km	40km
Оптический чип	53 Гбод EML	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, NeoPhotonics	Mitsubishi, SEDI, Lumentum, Broadcom, NeoPhotonics
	PIN-код 53 Гбод	Киосеми, GCS, Альбис	_
	53 Гбод APD	_	Macom
Электрический чип	53 Гбод линейный TIA	Инфи, Семтех, Маком	Инфи, Семтех, Маком
	DSP	Инфи、Broadcom	Инфи、Broadcom

Таблица 10: 100 Гбит/с, 10/40 км, базовое оптоэлектронное чиповое устройство оптического модуля

Классификация устройств	Ключевой чип	Представитель производителя
		10km	40km
Оптическое устройство	53 Гбод CWDM ЕМЛ	Mitsubishi, SEDI, люментум, Broadcom, NeoPhotonics	_
	53 Гбод nLWDM ОЛС	_	Mitsubishi, SEDI, люментум, Broadcom, NeoPhotonics
	PIN-код 53 Гбод	Киосеми,ГКС,Альбис	_
	53 Гбод APD	_	Macom
Электрический чип	53 Гбод линейный TIA	Инфи, Семтех, Маком	Инфи, Семтех, Маком
	DSP	Инфи, Бродком	Инфи, Бродком

Таблица 11: 400 Гбит/с, 10/40 км, базовое оптоэлектронное чиповое устройство оптического модуля

С точки зрения применения и развертывания оптические модули 100 Гбит/с LR1 и 400 Гбит/с LR4 в основном достигли зрелости, и поставки постепенно увеличиваются в зависимости от рыночного спроса; Ожидается, что 100 Гбит/с ER1 и 400 Гбит/с ER4 станут коммерчески доступными в середине 2022 года. Оптические модули 100/400 Гбит/с, основанные на одноволновой технологии 100 Гбит/с, также начали занимать важное место в планах развертывания операторов и интеграции поставщиков оборудования, и в ближайшие несколько лет на них будет большой спрос. В соответствии с режимом несущей сети операторов оптические модули 30/40 км в основном используются в беспроводных сценариях средней и обратной связи. Когда ER100 со скоростью 1 Гбит/с получит преимущество в цене, она станет сильным конкурентом существующему ER100 со скоростью 4 Гбит/с. В будущем рынок может поддерживать требования к сигналу OTN 400 Гбит/с на основе поддержки приложений Ethernet, и необходимы дальнейшие обсуждения для расширения области применения ER100 1 Гбит/с и ER400 4 Гбит/с.

(3) оптический модуль 50/100/400 Гбит/с, 80–120 км

Для расстояния передачи 80–120 км когерентная технология DWDM может решить проблему дисперсии канала с помощью DSP, снизить требования к отношению оптического сигнала к шуму и обеспечить хорошую производительность. Чтобы еще больше снизить энергопотребление, стоимость и занимаемое пространство, отрасль также активно изучает решения DWDM для цветного и серого света с технологией прямой модуляции и обнаружения для дальности передачи 80–120 км.

Решения		Код модуляции	Диапазон волн	Разнос каналов	Номер канала	Тип ФЭК	Компенсация дисперсии	Энергоэффективность	Емкость волокна	Фактор формы	Относительная стоимость
Цветной свет	слаженность	100G ДКПСК	C	100 GHz	48/96	CFEC	FEC	18 Вт/100 г	4.8/9.6 Тбит/с	КСФП-ДД/ CFP2-DCO/ CFP	3
		400Г 16КАМ	C	100 GHz	48	CFEC	FEC	5 Вт/100 г	19.2 Тб / с	КСФП-ДД/ CFP2-DCO/ ОСФП/ ЦФП-16Л	8
	Прямая модуляция и обнаружение	50G PAM4	C	50 GHz	80	КР4/КП4 /МФЭК/СФЭК	Компенсация внешней дисперсии требуется свыше ±100 пс	4.5 Вт/100 г	4 Тб / с	QSFP28	1
		100G PAM4	C	100 GHz	80	КР4/КП4 /МФЭК/СФЭК	Компенсация внешней дисперсии требуется свыше ±40 пс	4.5 Вт/100 г	8 Тб / с	QSFP28	1.5
Серый свет	Прямая модуляция и обнаружение	4X25G НРЗ	O	_	_	KR4	Компенсация дисперсии не требуется	6.5 Вт/100 г	100 Gb / s	QSFP28	0.5

Таблица 12：Сравнение технических решений 100G/400G 80~120км

Вывод:

Быстрое развитие и строительство центров обработки данных привнесли новые возможности и жизнеспособность на рынок оптических модулей. В то же время они также предъявляют новые требования и предъявляют более высокие требования к оптическим модулям, таким как высокая скорость, высокая производительность, низкое энергопотребление, низкая стоимость и интеллектуальность. Укрепление технологических инноваций, управление рыночными агломерациями и усиление поддержки промышленной базы являются эффективными средствами решения этих проблем. Все стороны в отрасли, а также в производственной цепочке вверх и вниз по течению должны объединить усилия и способствовать скоординированному прогрессу. С точки зрения технологических инноваций, НИОКР и инновации технологий, таких как новые материалы, новые конструкции, новые процессы, новая упаковка и новые полосы частот, используются для удовлетворения новых требований к оптическим модулям в различных сценариях применения.