高速光模塊的應(yīng)用場景、需求分析及有哪些要求

  ICCSZ訊 科技的飛速發(fā)展，使人們的生活日新月異。5G、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等應(yīng)用市場快速發(fā)展，給數(shù)據(jù)流量帶來了爆炸性增長，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)逐漸發(fā)展成為光通信的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前高速光模塊應(yīng)用場景主要分為互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和城域網(wǎng)光傳送網(wǎng)絡(luò)及以5G承載網(wǎng)為代表的電信網(wǎng)絡(luò)。

  光模塊在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

  現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心已不再僅僅是一座或幾座機(jī)房，而是一組數(shù)據(jù)中心集群。為實(shí)現(xiàn)各種互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用市場的正常工作，要求數(shù)據(jù)中心之間協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)中心之間信息實(shí)時(shí)海量交互，這就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)需求，光纖通信則成為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的必要手段。

  與傳統(tǒng)的電信接入網(wǎng)傳輸設(shè)備不同，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)要實(shí)現(xiàn)信息量更大、更密集的傳輸，就要要求交換設(shè)備擁有更高速率、更低功耗，以及更加小型化。而決定這些性能是否能夠?qū)崿F(xiàn)的一個(gè)核心因素，則是光模塊。信息網(wǎng)絡(luò)主要以光纖作為傳輸介質(zhì)，但目前計(jì)算、分析還必須基于電信號，而光模塊就是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件。

  數(shù)據(jù)中心通信光模塊可按照連接類型分為三類：

  (1)數(shù)據(jù)中心到用戶，由訪問云端進(jìn)行瀏覽網(wǎng)頁、收發(fā)電子郵件和視頻流等終端用戶行為產(chǎn)生;

  (2)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，主要用于數(shù)據(jù)復(fù)制、軟件和系統(tǒng)升級;

  (3)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，主要用于信息的存儲(chǔ)、生成和挖掘。根據(jù)預(yù)測，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信占數(shù)據(jù)中心通信70%以上的比例，數(shù)據(jù)中心建設(shè)的大發(fā)展，也就催生了高速光模塊的發(fā)展。

  數(shù)據(jù)流量持續(xù)增長，數(shù)據(jù)中心大型化、扁平化趨勢推動(dòng)光模塊向兩方面發(fā)展：

  · 傳輸速率需求提升

  · 數(shù)量需求增長

  數(shù)據(jù)中心大型化趨勢導(dǎo)致傳輸距離需求提升，多模光纖的傳輸距離受限于信號速率的提升，預(yù)計(jì)將逐漸被單模光纖代替。而光纖鏈路成本由光模塊和光纖兩部分組成，針對不同的距離，也有不同的適用方案。就數(shù)據(jù)中心通信所需的中長距離互聯(lián)而言，有著誕生自MSA的兩種革命性方案：

  · PSM4(Parallel Single Mode 4 lanes)

  · CWDM4(Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 lanes)

  其中，PSM4光纖使用量是CWDM4的4倍，當(dāng)鏈路的距離較長時(shí)，CWDM4方案成本則相對較低。

  國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心光模塊的應(yīng)用的區(qū)別

  美國數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換機(jī)互連以單模光纖為主，在100G時(shí)代廣泛采用CWDM4/PSM4光模塊， 400G時(shí)代目前以DR4為主;服務(wù)器與交換機(jī)互連大多采用電纜DAC。隨著時(shí)間的推移和模塊速率的提升，美國數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)方案中多模光纖和直連電纜DAC的比重將越來越低。

  中國數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換機(jī)互連以多模光纖為主，單模光纖占比逐漸上升。目前國內(nèi)400G的需求很少，在100G時(shí)代采用SR4/CWDM4模塊，服務(wù)器和交換機(jī)之間的互連大多采用有源光纜AOC。

  光纖傳送網(wǎng)中的翹楚：CWDM光模塊

  CWDM光模塊采用CWDM技術(shù)，可以通過外接波分復(fù)用器，將不同波長的光信號復(fù)合在一起，通過一根光纖進(jìn)行傳輸，從而節(jié)約光纖資源。同時(shí)，接收端需要使用波分解復(fù)用器對復(fù)光信號進(jìn)行分解。

  CWDM光模塊通常用于CWDM系統(tǒng)內(nèi)，比DWDM光模塊的成本要低，應(yīng)用也十分廣泛。在一個(gè)CWDM系統(tǒng)內(nèi)，CWDM光模塊插在交換機(jī)里，用跳線將CWDM光模塊和CWDM分解復(fù)用器或OADM光分插復(fù)用連接進(jìn)行工作。

  CWDM光模塊在CWDM系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮了巨大的作用，成功解決了光纖傳送網(wǎng)中的問題。CWDM光模塊有8大優(yōu)勢，總結(jié)如下：

  1、對數(shù)據(jù)的“透明”傳輸;

  2、超大容量，充分利用光纖巨大的帶寬資源;

  3、大大節(jié)省了光纖資源，降低建設(shè)成本;

  4、高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性;

  5、可全光網(wǎng)交換，實(shí)現(xiàn)長距離的無電中繼傳輸;

  6、簡化的激光器模塊，從而減小了設(shè)備的體積，節(jié)約機(jī)房空間;

  7、光層恢復(fù)獨(dú)立于業(yè)務(wù)和速率，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效保護(hù);

  8、無需半導(dǎo)體制冷器和溫度控制功能，所以可以明顯減小功耗，僅為DWDM的12.5%。

  5G承載光模塊應(yīng)用場景

  5G時(shí)代即將到來，為光通信領(lǐng)域帶來無限的商機(jī)，基于5G基站的光模塊成為近兩年的研究熱點(diǎn)。5G承載網(wǎng)絡(luò)一般分為城域接入層、城域匯聚層、城域核心層/省內(nèi)干線，實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的前傳和中回傳功能，其中各層設(shè)備之間主要依賴光模塊實(shí)現(xiàn)互連。

  5G前傳網(wǎng)絡(luò)條件下25Gb/s(eCPRI/CPRI)速率模塊以SFP28為主，雙纖雙向、單纖雙向、25G WDM(包含Tunable波長可調(diào)諧)模塊等方案可減少光纖使用量大幅降低建設(shè)成本。

  中傳可利用現(xiàn)有成熟的25G光器件，采用PAM4技術(shù)將光器件帶寬提升一倍;10km和40km傳輸距離將覆蓋90%以上的應(yīng)用場景，超過80km的傳輸距離則采用相干技術(shù)。

  5G光模塊典型應(yīng)用場景及需求分析如表1所示。

  5G前傳的典型應(yīng)用場景如圖2所示，包括光纖直連、無源WDM和有源WDM/光傳送網(wǎng)(OTN)/切片分組網(wǎng)(SPN)等。光纖直連場景一般采用25Gb/s灰光模塊，支持雙纖雙向和單纖雙向兩種類型，主要包括300m和10km兩種傳輸距離。無源WDM場景主要包括點(diǎn)到點(diǎn)無源WDM和WDM-PON等，采用一對或一根光纖實(shí)現(xiàn)多個(gè)AAU到DU間的連接，典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模塊。有源WDM/OTN場景，在AAU/DU至WDM/OTN/SPN設(shè)備間一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模塊，在WDM/OTN/SPN設(shè)備間需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的雙纖雙向或單纖雙向彩光模塊。

  圖2 | 5G前傳典型應(yīng)用場景

  5G前傳應(yīng)用場景對光模塊的典型要求如下：

  (1) 滿足工業(yè)級溫度范圍，可靠性要求高：考慮AAU全室外應(yīng)用環(huán)境，前傳光模塊需滿足-40℃~+85℃的工業(yè)級溫度范圍，以及防塵等要求。

  (2) 低成本：5G光模塊總需求量預(yù)計(jì)超過4G，尤其前傳光模塊可能存在數(shù)千萬量級的需求，低成本是產(chǎn)業(yè)對光模塊的主要訴求之一。5G中回傳覆蓋城域接入層、匯聚層與核心層，所需光模塊與現(xiàn)有傳送網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心使用的光模塊技術(shù)差異不大，接入層將主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模塊，匯聚層及以上將較多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模塊。

  5G承載光模塊發(fā)展現(xiàn)狀

  目前，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織國際電聯(lián)(ITU-T)、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)、光互聯(lián)論壇(OIF)、4WDM等多源協(xié)議(MSA)、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)等正在開展5G承載相關(guān)的光模塊規(guī)范制定，涉及的模塊類型和接口特性各不相同、種類繁雜。前傳光模塊主要包括25Gb/s和100Gb/s兩大速率類型，支持?jǐn)?shù)百m到20km的典型傳輸距離，具體技術(shù)現(xiàn)狀如表2所示。

  5G中回傳光模塊主要包括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等多種速率，典型傳輸距離從幾km到數(shù)百km，支持CPRI、eCPRI、以太網(wǎng)、OTN等多種接口協(xié)議，以及NRZ、PAM4、DMT等調(diào)制格式，具體技術(shù)現(xiàn)狀如表3所示。

  隨著光器件芯片技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用需求的發(fā)展，未來光模塊類型可能還會(huì)增加。過多的產(chǎn)品類型和規(guī)格將導(dǎo)致光模塊整體產(chǎn)業(yè)市場碎片化，造成產(chǎn)業(yè)鏈上下游研發(fā)、制造與運(yùn)維等諸多環(huán)節(jié)資源浪費(fèi)。