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400G相干端口的需求將快速增長。推動400G相干端口增長的動力有兩個：
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網(wǎng)絡(luò)帶寬增長；
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客戶端400GE端口數(shù)量的增加。
用一個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)測報告，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)，運營商可以根據(jù)需要動態(tài)配置波長路徑，通過光路實現(xiàn)點對點連接，降低時延和功耗。由于這些好處，越來越多的運營商正在采用這種解決方案。
例如，2017年中國T運營商在長江中下游沿線建設(shè)了多達364個波長的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)的趨勢向著更高的光譜效率，接近香農(nóng)極限 相干光模塊向三個方向發(fā)展：
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頻譜效率：根據(jù)oDSP算法的進步，提高頻譜效率和單纖容量；
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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；
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體積更小、功耗更低：采用集成光電元件、先進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更高，更難以補償。因此，需要更強的補償算法來補償物理車道損傷。
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甚至幾十個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oDSP中的補償算法提出了更高的要求。下圖為多級 ROADM 對光通道帶寬的影響
此外，許多運營商希望根據(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，同時支持40nm C波段譜寬和48nm Super C波段，最大支持120個波長。
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對數(shù)據(jù)鏈路帶寬進行頻譜整形和補償。之后，數(shù)據(jù)驅(qū)動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)換為光信號以供輸出。在Rx側(cè)，光信號進入ICR，與本振波長發(fā)生干涉，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。高速ADC對電信號進行采樣后，對色散（CD）、偏振態(tài)（SOP）進行補償，下圖是相干光模塊框圖。
針對用于400G大容量遠距離傳輸?shù)?00G CFP2模塊，有如下建議：
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符合CFP2協(xié)議（MSA）；
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使用CFP2封裝；
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編譯符合400G CAUI-8和FlexO接口規(guī)范；
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支持多種調(diào)制格式，包括QPSK和16QAM；
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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)實現(xiàn)可插拔和低功耗特性。
對于400G CFP2，支持多種調(diào)制格式，包括 400G 16QAM、200G QPSK 和 DQPSK。對于大容量傳輸，推薦16QAM實現(xiàn)單波長400G@75GHz傳輸。對于新網(wǎng)絡(luò)，建議使用 QPSK 進行 200G@75 GHz 傳輸，傳輸距離為 2000 公里。相反，DQPSK適用于混合場景的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，以減少對線性的影響。
● 超強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個波長的400G@75G，實現(xiàn)32T的單纖光傳輸能力。Super C波段的實現(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）。
為了實現(xiàn) CFP2 封裝的低功耗緊湊設(shè)計，Tx 和 Rx 共用一個激光器，在此過程中使用的激光器更少。此外，海思獨特的激光器設(shè)計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，需要對輸出光功率進行微調(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。由于其獨特的光學(xué)特性，硅光子具有更大的光場限制，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，可以實現(xiàn)雙偏振16QAM信號的調(diào)制和相干檢測，同時最大限度地減小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，可降低對驅(qū)動器的要求，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)用于實現(xiàn)緊湊的尺寸，但會導(dǎo)致相對較大的插入損耗。為滿足高性能光傳輸?shù)囊螅敵龆瞬捎煤Ｋ甲灾餮邪l(fā)的小型OA放大光信號。此外，OA的NF針對高質(zhì)量的放大光信號進行了優(yōu)化。
針對長距離、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)量和級聯(lián)濾波器數(shù)量增加時，采用快于奈奎斯特（FTN）算法來增強濾波器的直通能力，確保多級濾波器不會造成損失。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處提供光信號以進行調(diào)制。在Rx處，另一個可調(diào)激光器提供光信號，用作相干檢測的本地參考信號。激光器應(yīng)具有以下特點：
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通過光纖傳輸后引入的，線寬與相位噪聲直接相關(guān)。對于高正交幅度調(diào)制 (QAM) 傳輸尤其如此，它進一步提高了對線寬的要求。采用具有SOA的獨特InP集成激光器來確保高輸出光功率。
此外，采用獨特的光柵設(shè)計和波長控制方案，實現(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)。每個人都有自己的長處和短處。LiNbO 3是成熟的光學(xué)元件平臺，可以實現(xiàn)高帶寬和低驅(qū)動幅度，但元件尺寸相對較大。InP支持高帶寬調(diào)制，可集成SOA實現(xiàn)高輸出光功率。但是InP對溫度很敏感，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，在芯片級集成了偏振復(fù)用功能單元，但需要較大的驅(qū)動電壓。400G MSA使用半絕緣基板和獨特的Mach-Zehnder調(diào)制器，實現(xiàn)高帶寬InP I/Q-MZ和SOA集成。這樣，就實現(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，需要一個驅(qū)動器來放大電信號以驅(qū)動光調(diào)制器。在Rx端，需要一個TIA將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大電壓信號。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，實現(xiàn)了超高帶寬、超高線性度、超低噪聲的線性驅(qū)動器和TIA。相干驅(qū)動調(diào)制器 (CDM) 和 ICR 還提供高帶寬。如下圖為TIA和驅(qū)動。
● 高性能ICR
在相干光接收器中，在Rx處使用ICR來接收光信號。此過程還涉及用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光混頻器和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InP PD。
基于SiN技術(shù)的光混頻器可用于實現(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)動器和調(diào)制器封裝在一個組件中，減少了高速射頻信號的走線長度，從而確保了高速信號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
憑借強大的oDSP和高帶寬光學(xué)元件，該微模塊支持高階QAM。同時，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。
對更高容量、更低每比特成本和更低功耗的需求正在推動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)場景。
