Ciena：800G及更高速率相干可插拔光模块
2024-07-25 16:52:22
自CFP数字相干光（DCO）模块问世以来，它们在光通信行业中的重要性日益凸显。CFP 模块的推出使得 100Gb/s DWDM 相干接口得以以与单波长客户端光模块一致的可插拔形式进行部署。
相干DCO光模块
随着技术的进步，200Gb/s 接口已经在 CFP2 封装形态中得到应用，而近期 400Gb/s 速率也已在 CFP2、QSFP-DD 和 OSFP 等封装形态中获得支持。DCO 这一术语现已泛指所有采用可插拔封装的相干模块。新一代的相干线路速率首先以离散线路卡解决方案的形式推出，大约五年后，可插拔模块随之推出，不仅实现了更低的功耗，也扩大了其在市场中的覆盖范围。
在 100Gb/s 速率时，相干解决方案主要应用于长途和海底通信市场；而在 200Gb/s 至 400Gb/s 速率时，城域网和数据中心互联（DCI）已几乎完全过渡到使用相干技术。可以预见的是，下一代可插拔模块无疑将继续这一发展趋势，开拓更多新的应用领域，并伴随着速率的持续提升。
相干技术的演进
随着线路速率向 800Gb/s 提升，调制方式将需要达到 120-130Gbaud 的范围，这就需要DSP 采用更先进的工艺节点，并对手电光设计进行相应的调整。800Gb/s ASIC 预计将采用 5nm 和 3nm 硅工艺，与目前 400Gb/s 使用的 7nm 工艺相比，预计能实现约20-50%的功耗降低。这些新的工艺节点将为800G应用提供更为定制化的工具。
在评估不同调制格式接收机所需的信噪比（RSNR）时，必须考虑到 DSP 和光学器件实现的非理想性。RSNR 与理论 RSNR（RSNRth） 之间的偏差可以通过眼图闭合（EC）和实现噪声（IN）来近似估算，其中 EC 代表调制点平均位置与理论完美位置的偏差，而 IN 则代表信号中添加的高斯白噪声。RSNR 和 RSNRth 之间的关系可以用以下公式表示：
此外，标准还要求计入一个额外的噪声项，以解决不同模块供应商间互操作时可能遇到的性能降低问题。
800G应用场景
800G 技术主要针对三大应用场景：数据中心内部互联、数据中心互联（DCI）和城域网。
正在开发针对 2-10km 单通道 800Gb/s 的优化相干解决方案。在这些短距离应用中，延迟和功耗成为主要考虑因素。以太网在高达 400GbE 的速率下采用了 Reed-Solomon FEC ，延迟通常保持在 100ns 以下。
为满足这些要求，设计了一种采用串联FEC方案的相干实现。在 800LR 中，为满足功耗、延迟和 SNR 要求，在端到端 RS FEC 中增加了内部 BCH(126,110) FEC 码，该串联 FEC 具有 10.4dB 的净编码增益（NCG）。
10km 800G以太网设计的串联 FEC 的示意图
800ZR DCI 应用覆盖 80-120km 的点对点链路。这些应用利用多路复用器和解复用器的滤波功能，以在所需的覆盖范围内提供高容量传输。
DCI架构图
在 400G 时，OIF 引入了基于串联 Hamming/Staircase FEC 码的 DCI 应用实现协议，净编码增益为 10.8 dB，允许在 75GHz 间隔下部署 64 个信道。为提升至 800Gb/s，将使用更高增益的 FEC 以及提高波特率，以改善 SNR 容忍度。这可以通过在 118 Gbaud DP-16QAM 调制上使用 oFEC实 现，净编码增益为11.6 dB。800ZR 将 OSNR 要求提高到 27dB ，以实现与 400ZR 相当的覆盖范围。
OpenROADM 和 ITU 城域网要求更长的覆盖范围，通常使用波长无关组合器接入 ROADM 。这些应用的覆盖范围通常在 500km 左右，穿越相隔数十公里的 OADM 节点。为实现这些覆盖范围，需要采用更高容忍 SNR 的传输方案。
OpenROADM架构图
在 800G 应用中，还引入了概率星座整形（PCS）技术，以进一步提高 SNR 容忍度，将理论 SNNR 要求降低了 0.8 dB，包括 16dB IN 和 0.4dB EC 项，与未整形的800G DP-16QAM 相比，改进达到约 1.5dB 。
概率整形
结论
800Gb/s 相干解决方案已为单通道、DCI 和城域网/ROADM 应用进行了专门的定制，采用了不同的波特率、FEC 和 PCS 实现。
面向未来 1.6T Ethernet 速率的挑战，相干技术将继续演进，可能采用 2x800G 解决方案或将波特率提升至 200-240Gbaud 范围。随着速率的提高，相干技术在覆盖范围上将更加灵活，特别是在数据中心内部互联领域，需要新的方法来最小化延迟和功耗。而 QPSK 的改进灵敏度被认为是一种潜在的解决方案，以实现 DCI 相干的端到端 RS FEC。在 1.6T 应用中，功耗和延迟的权衡将是定制相干解决方案的关键议题。
来源：Optical Fiber Communication
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