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我國光模塊行業標準制定部分領先于國際標準

摘要:我國已完成25/50/100/200/ 400Gbps系列光模塊行業標準立項或發布,研究布局較為完整。我國光模塊通信行業標準化工作在中國通信標準化協會(CCSA)TC6/WG4有序進行。

  光通信是新基建的重要承載技術,其發展水平更是成為衡量國家綜合國力的一項重要指標?,F在,光通信正面臨新一輪的技術演進與革新,正如“中國光纖之父”趙梓森所言:“5G的發展會帶動光纖通信的發展。未來,中國的光纖通信國內市場大,世界市場更大?!惫馔ㄐ旁鯓又洕l展?作為光通信發展核心的光模塊呈現怎樣的發展趨勢?我國光通信企業在5G領域取得了哪些進展?“F5G﹢5G”如何相互助力,使能新基建?請關注本版的報道。

  全球信息技術正處于創新活躍時期,新型業務和應用模式驅動數據流量呈爆發式增長,位于網絡底層的傳輸、接入、數據中心互聯等對上層應用發展起著基礎性的支撐作用。高速光模塊用于實現電光/光電轉換等基本功能,是光通信網絡及系統設備的基礎構成單元和影響網絡穩定性的重要因素,其內部的光電子芯片器件更是光通信產業發展的核心。近年來,高速光模塊在光通信系統設備中的成本占比不斷攀升,部分設備中甚至高達50% ~70%。未來3~5年,隨著我國5G承載網絡建設持續推進和數據中心光互聯等蓬勃發展,光模塊需求量巨大,越發引起業界的廣泛關注。

  兩大主流應用場景

  推動光模塊技術發展

  光模塊整體向高速率、集成化發展演進,電信和數據中心是兩大主流應用場景。光模塊分類方式多樣化,按速率可分為10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等;按封裝形式可分為SFP﹢、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等;按傳輸距離可分為100米、500米、2千米、10千米、40千米、80千米等;按調制格式可分為NRZ強度調制、PAM4強度調制、DP-QPSK/nQAM相位調制;按是否支持波分復用,可分為灰光和彩光;按工作溫度的不同,又可分為商業級和工業級等。

  電信和數據中心是光模塊的兩大主流應用場景,推動光模塊技術向更高速率、更高集成度方向發展,在移動通信前傳網絡中,光模塊正由支持4G CPRI接口的10Gb/s向支持5G eCPRI接口的25Gb/s演進;中回傳網絡光模塊正從50Gb/s、100Gb/s向200Gb/s、400Gb/s速率演進。在數據中心傳統三層交換架構中,光模塊速率向25/50/100/200/400Gbps演進;在新型兩層交換架構中,光模塊速率正在向800Gb/s演進。近年來,隨著帶寬需求和光模塊技術的快速發展,光模塊光電接口、封裝形式等方面的國內外標準化工作同步推進。

  板上光學和共封裝光學

  成為重要發展方向

  IEEE 802.3側重客戶側以太網光電接口規范,已發布400Gb/s及以下速率系列標準。IEEE 802.3已發布25GBASE-SR/LR/ER、50GBASESR/FR/LR/ER、100GBASE- SR4/ DR/LR4/ER4、200GBASE- SR4/ DR4/FR4/LR4/ER4、400GBASEDR4/FR8/LR8/ER8等接口規范,目前仍有多個項目處于在研階段。IEEE 802.3cp正在定義10/25/ 50GE速率、10/20/40km傳輸距離的單纖雙向光接口規范;IEEE 802.3cu主要定義單通道100Gb/s、四通道400Gb/s,2/6km傳輸距離的雙纖雙向光接口規范;2020年新立項的IEEE 802.3db面向單光纖100Gb/s、雙光纖200Gb/s、四光纖400Gb/s,面向幾十米短距傳輸的光接口規范;IEEE 802.3ct和cw分別定義單通道100Gb/s和400Gb/s,面向80km傳輸距離的相位調制彩光接口規范。IEEE 802.3 cp/cu/ct/cw幾項標準預計未來1~2年內完成制定。

  ITU-T SG15物理層研究當前熱點為25/200/400Gbps速率的波分復用接口規范。ITU-T SG15主要面向傳送與接入網技術及架構、邏輯接口、成幀和映射、物理層接口等相關規范,包括“WP1接入、家庭和智能電網傳送”“WP2光技術和物理基礎設施”“WP3傳送網絡特性”,與光模塊相關的標準化工作主要在WP2進行。當前研究熱點一是修訂G.698.2,增加200G/400G應用代碼,面向百km量級傳輸距離;二是修訂G.698.1/2/4,增加25G應用代碼,面向10km量級傳輸距離。其中,25Gb/s DWDM已就通道間隔、發光功率、色散、接收靈敏度等參數初步達成共識;基于O波段的25Gb/s WDM于2020年9月完成立項。

  OIF側重相干光模塊、發射接收機、集成光器件等具體實現以及電接口和互聯等標準化工作。在電接口方面,2017年OIF已發布28/56G速率的OIF- CEI- 04.0標準,目前56/ 112G速率中的部分規格正處于在研階段,224G將輸出白皮書。在相干光器件及組件方面,2018年OIF已發布64GBaud的高帶寬調制器標準OIFHB- CDM- 01.0,96/128GBaud更高帶寬處于在研階段。在相干光模塊方面,OIF已發布168-pin不可插拔、CFP2-DCO可插拔系列光模塊標準,2020年3月最新發布了面向400Gb/s速率的OIF- 400ZR- 01.0。OIF400ZR-01.0的應用場景包括傳輸距離為80km~120km的放大點對點DWDM鏈路和鏈路預算為11dB的非放大單波長鏈路。同時,OIF已立項400ZR Maintenance項目,將在OIF-400ZR-01.0版本基礎上增加75GHz間隔等內容,預計2021年完成標準修訂。

  業界針對800Gb/s光模塊的標準化工作拉開帷幕。隨著400Gb/s光模塊已完成多種距離規格和不同實現方案的標準化工作,并在數據中心和電信網絡中逐步走向規模部署,業界開始討論800Gb/s光模塊的發展需求、應用場景和技術方案,并進行數字信號處理等器件芯片產品的研發。國際上有四大標準化組織與800Gb/s標準化工作密切相關:一是以太網技術聯盟于 2020 年 4 月發布800GMAC層相關規范。二是800G Pluggable MSA于2019年9月成立,2020年發布白皮書,基于PAM4調制的8×100G、4×200G業務場景定義光接口參數。三是QSFPDD800 MSA于2019年9月成立,2020年發布QSFP- DD800 Spec. R1.0技術規范,基于QSFP-DD制定800G光模塊、連接器等相關規范。四是OIF已多次進行800G技術討論,基于OIF研究基礎,選擇相關方案的可能性較大。

  板上光學和共封裝光學成為重要發展方向。目前,光模塊的封裝以可插拔形式為主,具備小尺寸、低功耗優勢,相關規范由CFP、SFF、NGSFP、QSFP- DD、OSFP等多源協議組織(MSA)討論制定;部分高性能領域仍采用不可插拔形式。隨著數據中心內部流量快速增長,交換機容量、端口密度及速率、功耗等均面臨挑戰,集成化的板上光學(OBO)和共封裝光學(CPO)成為光模塊封裝的重要發展方向。預計在800Gb/s以下速率,傳統可插拔形式仍是光模塊封裝的優先選項,在800Gb/s、1.6Tb/s及以上速率,OBO和CPO可能被更多采用。

  國內高速光模塊標準

  向800Gb/s及更高速率演進

  我國已完成25/50/100/200/ 400Gbps系列光模塊行業標準立項或發布,研究布局較為完整。我國光模塊通信行業標準化工作在中國通信標準化協會(CCSA)TC6/WG4有序進行。

  從具體速率來看,25Gb/s雙纖雙向和單纖雙向灰光模塊行業標準已經發布,產品均已成熟;CWDM/ LWDM/MWDM/DWDM彩光模塊呈并行發展態勢,行業標準均已立項,預計2021年上半年整體完成制定。雙纖雙向50Gb/s PAM4光模塊行業標準已發布,目前研究熱點為50Gb/s單纖雙向光模塊標準制定。強度調制100Gb/s光模塊標準化工作和相關產品已較為成熟,城域百km量級傳輸距離的100Gb/s低成本相位調制相干光模塊產業鏈尚不完善,亟需標準引導。在200/400Gb/s領域,強度調制光模塊行業標準已經發布,相位調制400Gb/s相干光模塊包括雙載波400Gb/s和單載波400Gb/s兩種技術方案,后者為目前標準研究熱點。800Gb/s已立項標準類研究課題,將對強度和相位調制高速光模塊的標準化需求、技術方案和關鍵參數開展研究。

  綜上所述,400Gb/s及以下速率光模塊已完成多種距離規格和不同實現方案的標準化工作,業界標準化重點開始向800Gb/s及以上更高速率演進。近年來,我國在200/400Gb/s波分復用、25Gb/s等領域發展速度加快,行業標準制定時間部分領先于國際標準,并積極向國際標準組織輸出。無論在電信領域還是數據中心領域,光模塊均呈多方案并行發展態勢,存在標準及市場碎片化問題,產業鏈上下游需進一步聚焦共識,推動共性技術協同,使資源得到有序配置,實現定向突破。

作者:中國信息通信研究院技術與標準研究所 吳冰冰

內容來自:人民郵電報
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文章標題:我國光模塊行業標準制定部分領先于國際標準
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