陳蘇,孫莉萍,任海蘭,鄒暉
(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074; 2.武漢光迅科技股份有限公司,武漢 430074)
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400GE客戶側(cè)光收發(fā)模塊的技術(shù)方案
陳蘇1,2,孫莉萍2,任海蘭1,鄒暉2
(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074; 2.武漢光迅科技股份有限公司,武漢 430074)
摘要:隨著數(shù)據(jù)通信及互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展,P2P(對(duì)等)網(wǎng)絡(luò)、在線應(yīng)用及視頻業(yè)務(wù)都呈現(xiàn)出爆炸式增長,而云計(jì)算時(shí)代的到來需要大容量、高密度的數(shù)據(jù)互聯(lián)及交換處理,上述業(yè)務(wù)需求均成為超100 Gbit/s技術(shù)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。400 GE(吉比特以太網(wǎng))能夠在100 GE的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量并降低每比特的傳輸成本,有效地解決運(yùn)營商日益面臨的業(yè)務(wù)流量及網(wǎng)絡(luò)帶寬持續(xù)增長的壓力,其將在數(shù)據(jù)中心得到大規(guī)模應(yīng)用。文章對(duì)400 GE客戶側(cè)光模塊的技術(shù)方案、傳輸性能、規(guī)格指標(biāo)和功耗要求做了詳細(xì)地介紹和分析。
關(guān)鍵詞:400吉比特以太網(wǎng);垂直腔面發(fā)射激光器;脈沖幅度調(diào)制;離散多載波技術(shù)
400GE(吉比特以太網(wǎng))能夠在100 GE的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量并降低每比特的傳輸成本,能有效地解決運(yùn)營商面臨的業(yè)務(wù)流量及網(wǎng)絡(luò)帶寬持續(xù)增長的壓力。在今后1~2年內(nèi),在以下核心網(wǎng)絡(luò)場景將會(huì)得以廣泛應(yīng)用:(1)集群路由器機(jī)框間的互聯(lián),傳輸范圍30~100 m;(2)數(shù)據(jù)中心的設(shè)備間互聯(lián),傳輸范圍約500 m;(3)運(yùn)營商機(jī)房間的互聯(lián),傳輸范圍約2 km;(4)城域核心網(wǎng)及匯聚層間的互聯(lián),傳輸范圍10~40 km。
針對(duì)前兩項(xiàng)的短距離應(yīng)用需求,400 GE光收發(fā)模塊可以采用MMF(多模光纖)傳輸方案;而針對(duì)后兩項(xiàng)的中、長距離應(yīng)用需求,400 GE光收發(fā)模塊將采用SMF(單模光纖)傳輸方案。本文將分別針對(duì)這兩種應(yīng)用方案中400 GE光收發(fā)模塊的電接口國際標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品的技術(shù)方案、傳輸實(shí)驗(yàn)、結(jié)論與建議進(jìn)行詳細(xì)地論述。
圖1 以太網(wǎng)模塊的電接口工業(yè)發(fā)展趨勢
在高速電接口方面,OIF(光互聯(lián)論壇)正在制定CEI-28 G-SR/CEI-28G-VSR(基于28 G速率芯片-模塊通用電接口)標(biāo)準(zhǔn),將以太網(wǎng)模塊的電接口引入28 Gbit/s(下文中簡稱為G)時(shí)代。當(dāng)前,CEI-56 G-VSR的電接口標(biāo)準(zhǔn)也已開始討論,其技術(shù)發(fā)展可以期待。圖1給出了10、40、100和400 G以及1 Tbit/s以太網(wǎng)模塊的電接口工業(yè)發(fā)展趨勢[1]。
400GE MMF短距離互聯(lián)光接口目前正處于Study Group技術(shù)研討階段,業(yè)界的解決方案可以歸納為以下幾個(gè)研究方向:(1)增加并行通道數(shù)量:基于16通道25 G直接調(diào)制的VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)方案;(2)引入高階調(diào)制技術(shù):在可行的光電帶寬下采用高階調(diào)制技術(shù)提升單通道速率的方案,如采用PAM-4(脈沖幅度調(diào)制)的8×50 G方案;(3)增加單通道速率:隨著更高帶寬的光電器件技術(shù)的發(fā)展與成熟,提出了基于8通道50 G直接調(diào)制的VCSEL方案。
2.116×25GNRZ(非歸零)光模塊方案
當(dāng)前IEEE(電氣和電子工程師學(xué)會(huì)(美國))正在標(biāo)準(zhǔn)化的下一代100 GE是基于25 G/28 G電接口技術(shù)平臺(tái)的。在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi),400 GE將同樣基于25 G/28 G電接口技術(shù)平臺(tái),因此基于多路VCSEL的16×25 G將成為MMF 400 GE光互聯(lián)技術(shù)的第一代方案。類似于IEEE 802.3 bm制定的100 GE BASE-SR4(基于100 GE 4通道多模光纖傳輸標(biāo)準(zhǔn))方案,400 GE BASE-SR4的最大區(qū)別是將4通道變成16通道。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 16×25 G NRZ光模塊方案結(jié)構(gòu)圖
隨著25 G VCSEL技術(shù)的日漸成熟,16×25 G VCSEL可以借鑒100 GE BASE-SR4接口的大部分規(guī)格指標(biāo)定義[2],最大限度地利用其成熟的光電平臺(tái),有效降低器件成本,快速響應(yīng)400 GE的市場需求;傳輸媒介為MMF OM3(萬兆光纖)或者OM4,應(yīng)用距離應(yīng)該與100 GE BASE-SR4保持一致,即基于OM3光纖(IEC 60793-2-10type A1a.2),滿足0.5~70 m應(yīng)用;基于OM4光纖(IEC 60793-2-10typeA1a.3),滿足0.5~100 m應(yīng)用。但32通道光模塊MMF接口對(duì)模塊的封裝尺寸、光纖陣列耦合、光接插件以及可靠性等帶來了挑戰(zhàn)。此外應(yīng)考慮增加FEC(前向糾錯(cuò)),以有效地提升鏈路余量,減小光器件指標(biāo)方面的壓力,降低光器件的成本。
2.28×50GPAM-4光模塊方案
為減少并行通道數(shù)目,提升光口密度,將單通道速率提升到50 G是下一步的研究方向,采用PAM-n是比較可行的技術(shù)選擇。PAM在模塊成本、封裝尺寸和功耗方面具有優(yōu)勢,是后續(xù)向更高速率演進(jìn)的有力解決方案。
高階調(diào)制的引入對(duì)光模塊的設(shè)計(jì)、測量和測試工作帶來新的挑戰(zhàn),對(duì)光傳輸技術(shù)和器件提出了新的要求,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)高階調(diào)制對(duì)驅(qū)動(dòng)器、VCSEL芯片、接收機(jī)和接收放大器等光電器件均要求具有較高的線性度;(2)高階調(diào)制會(huì)帶來更大的抖動(dòng),對(duì)信噪比要求提高,需要通過較強(qiáng)的FEC、均衡補(bǔ)償技術(shù)來降低誤碼率,提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量;(3)由于PAM等多幅度調(diào)制要求VCSEL工作在更高的偏置電流上,因而會(huì)產(chǎn)生更多的功耗和熱耗,可能會(huì)對(duì)器件的可靠性造成影響。
文獻(xiàn)[3]介紹了圖3所示的PAM-4調(diào)制的研究進(jìn)展,其中,VCSEL的工作波長為850 nm,偏置電流為12 m A,最大帶寬為24 GHz;接收機(jī)帶寬約為22 GHz,速率為40/50/56/60 G;無預(yù)失真、均衡和FEC等處理。
圖3 MMF PAM-4實(shí)驗(yàn)測試框圖
2.38×50 G NRZ光模塊方案
實(shí)現(xiàn)50 G直接調(diào)制的方案需要以下兩方面的技術(shù)突破和器件成熟:(1)高帶寬的VCSEL和PD(光電二極管)陣列等光器件;(2)驅(qū)動(dòng)器、TIA、放大器的高速電芯片和高速電接口能否滿足需求。
文獻(xiàn)[4]報(bào)道了高速VCSEL的研究進(jìn)展,設(shè)計(jì)了850 nm的高速VCSEL芯片,采用NRZ編碼,實(shí)現(xiàn)了57 G背靠背傳輸、OM4光纖55 G傳輸50 m 和OM4光纖50 G傳輸100 m。50 GHz帶寬VCSEL的方案是未來MMF單通道實(shí)現(xiàn)100 G速率傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù),但目前受限于光電器件的帶寬,還需要持續(xù)投入研究。
當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)廠商和標(biāo)準(zhǔn)組織都已啟動(dòng)了400 GE的相關(guān)研究,現(xiàn)有的基于SMF的光接口備選技術(shù)方案包括若干不同通道數(shù)量、不同傳輸速率和不同高階編碼調(diào)制格式的組合應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的NRZ碼,涉及的高階編碼調(diào)制包括PAM-n、DMT(離散多載波技術(shù))等,下面將對(duì)這些方案進(jìn)行分析和對(duì)比。
3.116×25GNRZ光模塊方案
400GE光層最直接的演進(jìn)思路,即擴(kuò)展當(dāng)前100 GE BASE-LR4/ER4(基于100 GE的遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離SMF通信)的通道數(shù)量,保留NRZ碼型,較大限度地重用現(xiàn)有資源,縮短標(biāo)準(zhǔn)化過程,以利于快速推出第一代標(biāo)準(zhǔn)。
基于16通道400 GE方案架構(gòu)可形成如下3種演進(jìn)思路:(1)擴(kuò)展當(dāng)前100 GE BASE-LR4/ER4 LAN-WDM(波分復(fù)用局域網(wǎng))接口的波長數(shù)量,可以獲得400 GE BASE-LR16/ER16。這種方案基本上可以參考現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn),但業(yè)界需要開發(fā)新的16通道的光器件和16路波長的光合波/分波模塊,而該模塊的差損相對(duì)較大,同樣意味著需要縮短傳輸距離,因此這種方案受到一定質(zhì)疑。(2)直接組合使用4 個(gè)100 GE BASE-LR4/ER4模塊,用4路光纖進(jìn)行空分互聯(lián)。這種方案不需要迫切地進(jìn)行400 GE的新方案研究和標(biāo)準(zhǔn)制定,最為快速可行,但由于與100 GE沒有形成差異化,因此并沒有明顯的密度和成本優(yōu)勢。(3)面向數(shù)據(jù)中心等超短距離應(yīng)用,可以直接采用16通道的光纖進(jìn)行25 G NRZ光信號(hào)的傳輸,降低器件指標(biāo)并實(shí)現(xiàn)器件的歸一化,采用新的硅光集成技術(shù),以期降低功耗成本。由于需要使用大量的光纖資源,該方案的應(yīng)用場景和傳輸距離都受到較多限制。
3.28×50GNRZ光模塊方案
考慮到16通道方案遇到的“瓶頸”,8通道和4通道方案受到了較多關(guān)注。相比PAM-4等高階碼型引入的調(diào)制代價(jià),NRZ碼具有出色的靈敏度特性,可采用直接檢測和硬判決技術(shù),且無需復(fù)雜的信號(hào)處理,可滿足業(yè)界對(duì)低成本、低功耗和高密度等光模塊的需求。
為實(shí)現(xiàn)50 G NRZ傳輸,并避免引入復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)和過高的傳輸代價(jià),需要收發(fā)端都具備40 GHz以上的系統(tǒng)帶寬。但這已超越了現(xiàn)有器件規(guī)格,特別是電芯片和接口技術(shù)以及TOSA/ROSA(光發(fā)射組件/光接收組件)的封裝后帶寬均無法達(dá)到。目前ROSA的TIA/AGC(自動(dòng)增益控制)等典型帶寬范圍都在22~25 GHz,相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)難以獲得實(shí)際應(yīng)用。在這種背景下,考慮引入DSP(數(shù)字信號(hào)處理)和FEC以及較為復(fù)雜的高性能均衡技術(shù),以補(bǔ)償50 G傳輸?shù)南到y(tǒng)帶寬限制,但目前仍停留在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究階段。同時(shí),由于50 G NRZ電芯片和Ser Des(串行器/解串器)接口技術(shù)尚未成熟,標(biāo)準(zhǔn)化和大規(guī)模商用仍需要較長周期,系統(tǒng)功耗和成本也成為“瓶頸”。即使將符號(hào)速率降低至40 G,并采用10通道架構(gòu),10×40 G NRZ仍因受到通道數(shù)、端口密度和器件成本等制約,難以成為當(dāng)前400 GE的主要備選方案。
3.38×50GPAM-4光模塊方案
由于400 GE要達(dá)到兩倍于當(dāng)前100 GE CFP2光模塊的光口密度,這意味著需要在CFP相當(dāng)?shù)某叽缟蠈?shí)現(xiàn)400 GE光模塊。因此基于PAM-4碼型的8通道方案受到部分研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)廠商的青睞。8×50 G PAM-4方案可以基于預(yù)期的規(guī)模應(yīng)用的25 G/22~25 GHz器件,以每通道50 G的傳輸容量解決400 GE的傳輸。基于AWG(陣列波導(dǎo)光柵)技術(shù)的8通道光合波/分波模塊的插損較大,要滿足數(shù)公里到十公里的400 GE應(yīng)用,需要引入FEC和一定的模擬和數(shù)字均衡補(bǔ)償技術(shù)。
首先模塊外部采用25 G NRZ電接口與系統(tǒng)芯片接口,模塊內(nèi)部用PAM-4收發(fā)芯片完成25 G NRZ信號(hào)的接收和CDR功能;然后映射轉(zhuǎn)PAM-4信號(hào)輸出,經(jīng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行信號(hào)幅度的線性放大,再驅(qū)動(dòng)光調(diào)制器件,8個(gè)不同波長的調(diào)制后的PAM-4光功率電平信號(hào)經(jīng)過光合波器后,經(jīng)400 GE模塊光接口送入光纖。在反方向上,8個(gè)波長的光信號(hào)經(jīng)過分波器分離后分別送PIN管進(jìn)行功率電平檢測, 光/電轉(zhuǎn)換后的光電流經(jīng)TIA/AGC匹配放大,轉(zhuǎn)為PAM-4電信號(hào)并送至PAM-4接收機(jī)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)和接收判決;最后轉(zhuǎn)換成NRZ信號(hào)輸出。模塊外部的系統(tǒng)側(cè),MAC/PCS/FEC芯片完成基帶信號(hào)處理,包括物理編擾解碼和FEC編解碼[5]。
28GPAM-4采用較為成熟的25 G的器件,每個(gè)波長50 G的傳輸容量解決400 G的傳輸。目前TOSA/ROSA、TIA、DSP等器件和芯片均可以達(dá)到25 G,但由于調(diào)制代價(jià)的存在,PAM-4信號(hào)兩個(gè)相鄰電信號(hào)電平之間的距離為原來的1/3,因而需要引入FEC和均衡技術(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)傳輸距離需要滿足10 km的應(yīng)用,8個(gè)通道的設(shè)計(jì)和PAM-4的引入給光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)尺寸、性能也帶來了挑戰(zhàn)。
3.44×100GPAM-4光模塊方案
為了減少并行光通道和器件數(shù)量,降低模塊成本,提高光口密度,業(yè)界提出了引入多電平調(diào)制實(shí)現(xiàn)單波100 G的解決方案(如高階PAM-n),該方案具備向400 GE演進(jìn)的可行性。在單波100 GE PAM-n系統(tǒng)架構(gòu)中,發(fā)端先由CDR電路對(duì)4通道25 G電信號(hào)進(jìn)行同步和數(shù)據(jù)恢復(fù),再由FEC芯片對(duì)恢復(fù)后的信號(hào)進(jìn)行編碼和多電平調(diào)制。
然而,高階PAM-n(n=8、16)的符號(hào)率較高,對(duì)器件帶寬提出了更高要求,同時(shí)長距離傳輸情況下色散效應(yīng)使得系統(tǒng)性能顯著劣化。而PAM-4信號(hào)經(jīng)10 km傳輸后相比PAM-8/16有更低的色散代價(jià),顯示出了較為均衡的系統(tǒng)要求及傳輸性能[5]。此外,單波100 G PAM-n方案對(duì)信噪比要求較高,需較強(qiáng)糾錯(cuò)能力的FEC技術(shù)來彌補(bǔ)系統(tǒng)信噪比不足。但引入高增益FEC的同時(shí),也提升了編碼冗余和符號(hào)率,大幅提高了對(duì)系統(tǒng)線性度和器件帶寬的要求,包括對(duì)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制器和接收機(jī)等光電器件的要求,使得高階PAM-8/16系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中受阻,也難以克服隨之而來的功耗和成本問題。
3.54×100GDMT光模塊方案
日本Fujitsu公司主導(dǎo)4×100 G DMT光模塊技術(shù)方案,其主要原理如下:首先對(duì)電信號(hào)進(jìn)行FEC編碼,然后進(jìn)行DMT編碼,包括星座映射、IFFT(快速傅里葉逆變換)、加載循環(huán)前綴以及DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換);編碼后的DMT信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后加載到DML上轉(zhuǎn)化為光信號(hào)輸出。接收端通過光電探測器進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換,獲得電流信號(hào),再經(jīng)TIA/ AGC轉(zhuǎn)化為所需幅度的電壓信號(hào);對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行DMT解碼,包括ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)、循環(huán)前綴移除、FFT(快速傅里葉變換)以及星座解映射;最后經(jīng)FEC解碼獲得原始的數(shù)據(jù)信號(hào)[6]。
相比其他多通道技術(shù)方案,DMT可實(shí)現(xiàn)單通道100 G傳輸,并能有效降低光通道和器件數(shù)量,從而具備了潛在的成本、功耗和封裝尺寸等優(yōu)勢。但由于涉及高階調(diào)制/解調(diào)以及信號(hào)處理,指標(biāo)定義及測試方式不能與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。與PAM-n方案類似,DMT對(duì)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制器和接收機(jī)等光電器件均有較高的線性度要求,且噪聲容忍度差[7]。
在100GE時(shí)代,客戶側(cè)光模塊在系統(tǒng)中的成本和功耗占比尤為突出,面臨著成本、端口密度和功耗等多方面的挑戰(zhàn),甚至逐步成為制約100 GE規(guī)模應(yīng)用的“瓶頸”。鑒于此,400 GE的光接口需要綜合考慮成本、體積和功耗等多種因素。
基于MMF的高速、高密光互聯(lián)方案可以滿足集群路由器框間互聯(lián)、數(shù)據(jù)中心短距離高密光互聯(lián)等需求,具有廣闊的市場前景。而針對(duì)70m/100 m MMF應(yīng)用場景,由于25 G VCSEL近年來取得了突破性的進(jìn)展,16×25G直調(diào)將成為400GEMMF較為可行的解決方案;而PAM和8×50GNRZ等還有待關(guān)鍵技術(shù)的突破和高速光電平臺(tái)的升級(jí)。
面向SMF光互聯(lián)應(yīng)用,對(duì)單通道速率的選擇(25/40/50/100 G)成為400 GE光接口實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。目前,25G具有較為成熟的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),能最大程度地利用現(xiàn)有的光電技術(shù),降低開發(fā)成本。而8×50GPAM-4方案可基于100G器件平臺(tái),采用多電平調(diào)制提升單通道速率,進(jìn)一步減少光通道和器件數(shù)量,從而降低模塊成本,減小封裝尺寸;PAM-4系統(tǒng)性能較為均衡,引入輕量級(jí)RSFEC(前向糾錯(cuò)RS碼)能夠支持2km及以上長距離傳輸,成為目前400 GE快速產(chǎn)業(yè)化的可行方案。未來采用高階PAM-n和DM T實(shí)現(xiàn)N×100G光互聯(lián)模塊成為主要技術(shù)趨勢,同時(shí)結(jié)合FEC提升傳輸性能,擴(kuò)展應(yīng)用場景,為大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。上述方案在一定程度上都需要光電集成技術(shù)的支持,以降低成本、體積和功耗。
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光電器件研究與應(yīng)用
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Technical Solutions to 400 GE Client-side Optical Transceiver Module
CHEN Su1,2,SUN Li-ping2,REN Hai-lan1,ZOU Hui2
(1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications,Wuhan 430074,China;
2.Accelink Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China)
Abstract:With the rapid development of data communications and the Internet,the network P2P,online applications and video services are all showing explosive growth and the advent of cloud computing era requires a large-capacity,high-density data interconnect and exchange processing,all these services have become the core driving force for the development of the N× 100 Gbit/s technology.400 GE can further enhance network capacity and reduce transmission cost per bit on the basis of 100 GE,effectively easing off the continuously growing pressure of traffic flow and network bandwidth that the operators daily face and will find large-scale applications in data centers.This article makes a detailed introduction and analysis of the technical scheme for 400 GE client side optical modules,transmission performances,specifications and power consumption requirements.
Key words:400 GE;VCSEL;PAM;DMT
中圖分類號(hào):TN256
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0051-04
收稿日期:2015-07-14
作者簡介:陳蘇(1990-),男,湖北武漢人。碩士研究生,研究方向?yàn)楣馔ㄐ庞性雌骷c模塊。
doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.016