流量增長給長途傳輸帶來帶寬壓力 網(wǎng)絡(luò)流量的增長導(dǎo)致傳輸網(wǎng)絡(luò)上端口帶寬的增加。對(duì)于長距離和高帶寬傳輸，基于波分復(fù)用器（WDM）的相干傳輸技術(shù)提供了最佳解決方案。
隨著400G相干解決方案的成熟，對(duì)400G相干端口的需求將快速增長。推動(dòng)400G相干端口增長的動(dòng)力有兩個(gè)：
-
網(wǎng)絡(luò)帶寬增長；
-
客戶端400GE端口數(shù)量的增加。
用一個(gè)400G波長承載400GE業(yè)務(wù)被證明是最具成本效益的方法。
根據(jù)LightCounting的預(yù)測(cè)報(bào)告，400G相干端口將在越來越多的網(wǎng)絡(luò)中使用，并將在未來 5 年內(nèi)出現(xiàn)最快的增長。隨著網(wǎng)絡(luò)流量、總波長、單網(wǎng)波長數(shù)的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商也將提高網(wǎng)絡(luò)管理和調(diào)度的靈活性要求，從而推動(dòng)可重構(gòu)光分插器的大規(guī)模部署。多路復(fù)用器（ROADM）和光交叉連接（OXC）。
通過波長選擇交換（WSS）技術(shù)，運(yùn)營商可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)配置波長路徑，通過光路實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，降低時(shí)延和功耗。由于這些好處，越來越多的運(yùn)營商正在采用這種解決方案。
例如，2017年中國T運(yùn)營商在長江中下游沿線建設(shè)了多達(dá)364個(gè)波長的ROADM網(wǎng)絡(luò)。靈活速率調(diào)制和靈活網(wǎng)格技術(shù)使 DWDM 網(wǎng)絡(luò)更加靈活和彈性，而傳統(tǒng)的 DWDM 系統(tǒng)使用固定的 50/100 GHz 網(wǎng)格、中心頻率和通道寬度。如果靈活調(diào)制和網(wǎng)格技術(shù)可用，每個(gè)端口的調(diào)制格式和通道寬度可以根據(jù)容量和傳輸距離進(jìn)行定制，提高頻譜效率和傳輸容量。下圖是靈活網(wǎng)絡(luò)配置的靈活速率和網(wǎng)格示意圖。
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化需要支持 Flex Rate 和 Flex Grid 的更靈活的線路側(cè)光模塊。
目前光網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)向著更高的光譜效率，接近香農(nóng)極限 相干光模塊向三個(gè)方向發(fā)展：
-
頻譜效率：根據(jù)oDSP算法的進(jìn)步，提高頻譜效率和單纖容量；
-
波特率：提高單波長波特率，獲得更高的單端口帶寬，降低每比特成本和功耗；
-
體積更小、功耗更低：采用集成光電元件、先進(jìn)的制造工藝和專用的oDSP算法。
由于香農(nóng)限制，64 Gbaud 400G 波長無法達(dá)到長距離光傳輸所需的性能。需要使用更高的波特率和更復(fù)雜、更強(qiáng)大的oDSP算法來滿足城際（區(qū)域）和長途骨干網(wǎng)的要求。
例如，對(duì)于長距離鏈路（> 1000 km），400G 波長的波特率應(yīng)在90 Gbaud以上，并且需要同時(shí)提高oDSP中的ADC和DAC速率。然而，隨著波特率的提高，光纖傳輸?shù)拇鷥r(jià)更高，更難以補(bǔ)償。因此，需要更強(qiáng)的補(bǔ)償算法來補(bǔ)償物理車道損傷。
鑒于ROADM已經(jīng)被廣泛使用，一條端到端的波長鏈路需要通過幾個(gè)甚至幾十個(gè)ROADM，其中包含波長選擇開關(guān)（WSS）。WSS濾波疊加效應(yīng)縮小了鏈路的有效帶寬，對(duì)oDSP中的補(bǔ)償算法提出了更高的要求。下圖為多級(jí) ROADM 對(duì)光通道帶寬的影響
此外，許多運(yùn)營商希望根據(jù)端口速率和傳輸距離靈活配置調(diào)制格式和波特率。例如，為400G長距離傳輸部署400G 16QAM，為數(shù)十公里城域數(shù)據(jù)中心互連部署800G 64QAM，以提高頻譜效率并降低每比特成本。借助這種靈活的調(diào)制技術(shù)和光層的柔性網(wǎng)格，可以最大限度地提高光纖容量，從而節(jié)省光纜投資。
長距離大容量傳輸網(wǎng)絡(luò)400G光模塊 海思光電長距離大容量400G相干光模塊解決方案滿足不同客戶的需求，每個(gè)模塊都支持靈活速率調(diào)制（100G/200G/400G），采用CFP2和微封裝。為滿足客戶大容量需求，同時(shí)支持40nm C波段譜寬和48nm Super C波段，最大支持120個(gè)波長。
小尺寸硅光子元件或高性能高帶寬InP元件用于滿足一系列不同的應(yīng)用場(chǎng)景。不同封裝的400G相干光模塊原理相同。400G相干光模塊的Tx端由oDSP、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器、波長可調(diào)激光器和PDM-I/Q調(diào)制器組成。
首先，來自主板的數(shù)據(jù)被映射和編碼。然后，Tx-oDSP對(duì)數(shù)據(jù)鏈路帶寬進(jìn)行頻譜整形和補(bǔ)償。之后，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器放大幅度并將放大后的數(shù)據(jù)輸入調(diào)制器。然后調(diào)制器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)以供輸出。在Rx側(cè)，光信號(hào)進(jìn)入ICR，與本振波長發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。高速ADC對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣后，對(duì)色散（CD）、偏振態(tài)（SOP）進(jìn)行補(bǔ)償，下圖是相干光模塊框圖。
針對(duì)用于400G大容量遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?00G CFP2模塊，有如下建議：
-
符合CFP2協(xié)議（MSA）；
-
使用CFP2封裝；
-
編譯符合400G CAUI-8和FlexO接口規(guī)范；
-
支持多種調(diào)制格式，包括QPSK和16QAM；
-
支持400G 16QAM 500 km @ 75 GHz和200G QPSK 2000 km @ 75 GHz。
400G CFP2是可插拔光模塊，提供最優(yōu)性能，融合多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，提升400G傳輸性能。下圖為400G CFP2框圖。
● 高性能低功耗oDSP
為增加傳輸距離，采用Turbo Product Codes (TPC) FEC技術(shù)——高性能、低功耗——不斷逼近香農(nóng)極限。還支持從 200G 到 400G 的彈性速率。此外，采用低功耗IP/DSP架構(gòu)實(shí)現(xiàn)可插拔和低功耗特性。
對(duì)于400G CFP2，支持多種調(diào)制格式，包括 400G 16QAM、200G QPSK 和 DQPSK。對(duì)于大容量傳輸，推薦16QAM實(shí)現(xiàn)單波長400G@75GHz傳輸。對(duì)于新網(wǎng)絡(luò)，建議使用 QPSK 進(jìn)行 200G@75 GHz 傳輸，傳輸距離為 2000 公里。相反，DQPSK適用于混合場(chǎng)景的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，以減少對(duì)線性的影響。
● 超強(qiáng)C波段能力
在波分復(fù)用系統(tǒng)中，單纖系統(tǒng)容量直接受傳輸波長數(shù)的影響。該CFP2模塊是業(yè)界首款Super C波段光模塊，支持80個(gè)波長的400G@75G，實(shí)現(xiàn)32T的單纖光傳輸能力。Super C波段的實(shí)現(xiàn)依賴于其他能力，包括底層激光器、ICTR和內(nèi)置光放大器（OA）。
為了實(shí)現(xiàn) CFP2 封裝的低功耗緊湊設(shè)計(jì)，Tx 和 Rx 共用一個(gè)激光器，在此過程中使用的激光器更少。此外，海思獨(dú)特的激光器設(shè)計(jì)采用緊湊型納米激光器，具有高輸出光功率。下圖為超寬帶光譜（120 個(gè)波長）。
圖片
● 輸出光功率調(diào)節(jié)范圍大
在長距離傳輸中，需要對(duì)輸出光功率進(jìn)行微調(diào)以獲得更好的性能。400G CFP2的輸出光功率可以在+1dBm到+4dBm的范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，以滿足不同光層的輸入功率要求。
● 硅光子集成 ICTR
400G CFP2光模塊中采用了硅光子ICTR技術(shù)，以最小化物理尺寸。由于其獨(dú)特的光學(xué)特性，硅光子具有更大的光場(chǎng)限制，從而產(chǎn)生更緊湊的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。此外，硅光子支持偏振處理，可以實(shí)現(xiàn)雙偏振16QAM信號(hào)的調(diào)制和相干檢測(cè)，同時(shí)最大限度地減小ICTR芯片的尺寸。
● 光電多芯片封裝
從oDSP到光調(diào)制器的射頻鏈路性能經(jīng)過優(yōu)化，可降低對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求，從而降低功耗。此外，光學(xué)芯片和電子芯片封裝在一起以減小物理尺寸。
● 高性能緊湊型OA
硅光子 ICTR 技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)緊湊的尺寸，但會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較大的插入損耗。為滿足高性能光傳輸?shù)囊?，輸出端采用海思自主研發(fā)的小型OA放大光信號(hào)。此外，OA的NF針對(duì)高質(zhì)量的放大光信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化。
針對(duì)長距離、超大容量傳輸?shù)?00G MSA光模塊，有如下建議。
● 高性能oDSP
為增加傳輸距離，采用高性能 FEC 技術(shù)不斷逼近香農(nóng)極限，同時(shí)支持 200-800G 的彈性速率。當(dāng)全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中ROADM數(shù)量和級(jí)聯(lián)濾波器數(shù)量增加時(shí)，采用快于奈奎斯特（FTN）算法來增強(qiáng)濾波器的直通能力，確保多級(jí)濾波器不會(huì)造成損失。將光纖鏈路數(shù)據(jù)采集分析模塊集成到網(wǎng)管系統(tǒng)中，提升全生命周期運(yùn)維能力下圖400G MSA 傳輸性能。
● 高性能激光器
在相干400G系統(tǒng)中，可調(diào)激光器在Tx處提供光信號(hào)以進(jìn)行調(diào)制。在Rx處，另一個(gè)可調(diào)激光器提供光信號(hào)，用作相干檢測(cè)的本地參考信號(hào)。激光器應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
高輸出光功率：保證模塊的高入射光功率，提高傳輸性能；
窄線寬：非線性相位噪聲是光信號(hào)通過光纖傳輸后引入的，線寬與相位噪聲直接相關(guān)。對(duì)于高正交幅度調(diào)制 (QAM) 傳輸尤其如此，它進(jìn)一步提高了對(duì)線寬的要求。采用具有SOA的獨(dú)特InP集成激光器來確保高輸出光功率。
此外，采用獨(dú)特的光柵設(shè)計(jì)和波長控制方案，實(shí)現(xiàn)超窄線寬和高穩(wěn)定性波長鎖定。此外，通過優(yōu)化激光器的增益介質(zhì)和可調(diào)光柵，覆蓋了超C波段的可調(diào)激光器。下圖為高性能激光器。
● 高性能調(diào)制器
通常，調(diào)制器是通過使用以下三種技術(shù)之一創(chuàng)建的：鈮酸鋰 (LiNbO 3 )、銦磷 (InP) 或硅光子技術(shù)。每個(gè)人都有自己的長處和短處。LiNbO 3是成熟的光學(xué)元件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)高帶寬和低驅(qū)動(dòng)幅度，但元件尺寸相對(duì)較大。InP支持高帶寬調(diào)制，可集成SOA實(shí)現(xiàn)高輸出光功率。但是InP對(duì)溫度很敏感，溫度控制需要TEC。
另一方面，硅光子調(diào)制器在減小物理尺寸的同時(shí)，在芯片級(jí)集成了偏振復(fù)用功能單元，但需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓。400G MSA使用半絕緣基板和獨(dú)特的Mach-Zehnder調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)高帶寬InP I/Q-MZ和SOA集成。這樣，就實(shí)現(xiàn)了高調(diào)制帶寬和高輸出光功率。如下圖為InP 調(diào)制器支持的高調(diào)制帶寬。
● 高性能光電orRFIC
在相干光接收器的Tx處，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器來放大電信號(hào)以驅(qū)動(dòng)光調(diào)制器。在Rx端，需要一個(gè)TIA將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大電壓信號(hào)。相干系統(tǒng)采用QAM；因此，Driver 和 TIA 需要具有更高的帶寬和更好的線性度。
基于創(chuàng)新的電路架構(gòu)和有源均衡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超高帶寬、超高線性度、超低噪聲的線性驅(qū)動(dòng)器和TIA。相干驅(qū)動(dòng)調(diào)制器 (CDM) 和 ICR 還提供高帶寬。如下圖為TIA和驅(qū)動(dòng)。
● 高性能ICR
在相干光接收器中，在Rx處使用ICR來接收光信號(hào)。此過程還涉及用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光混頻器和PD。ICR相關(guān)技術(shù)包括：用于ICR集成的絕緣體上硅 (SOI) 技術(shù)；用于光學(xué)混頻器的平面光波電路 (PLC) 技術(shù)；和一個(gè)InP PD。
基于SiN技術(shù)的光混頻器可用于實(shí)現(xiàn)良好的光纖耦合和偏振處理，以獲得最佳的光混頻效果。具有高帶寬和高靈敏度的 InP PD 通過獨(dú)特的倒裝芯片封裝安裝在SiN芯片上，形成了高集成度、高性能和小尺寸的ICR。ICR圖如下。
● 高性能封裝
400G MSA使用高性能充電設(shè)備模型 (CDM) 封裝。高帶寬驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器封裝在一個(gè)組件中，減少了高速射頻信號(hào)的走線長度，從而確保了高速信號(hào)的完整性和組件的高帶寬。一些電口使用管腳來保證接入信號(hào)的穩(wěn)定連接和帶寬，從而提高CDM組件的性能。如下圖為高性能組件封裝示意圖。
● 200-800G彈性速率，單波800G大容量傳輸
憑借強(qiáng)大的oDSP和高帶寬光學(xué)元件，該微模塊支持高階QAM。同時(shí)，星座整形2.0用于支持200-800G調(diào)整。此外，內(nèi)置OA可以保證更高階調(diào)制下的輸出光功率。下圖展示靈活的調(diào)制格式。
對(duì)更高容量、更低每比特成本和更低功耗的需求正在推動(dòng)光模塊的傳輸速率越來越高。100G作為上一代的主流技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入生命周期的成熟穩(wěn)定階段，單位成本降低極為有限。目前，主流的400G光模塊已經(jīng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)、城域綜合承載網(wǎng)、大容量長距離傳輸網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。
