400G相干光器件發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

  密集波分復用技術已進入單波400G相干通信傳輸時代。單波400G有多種調制格式，如64GBd-PM-16QAM、96GBd-PM-16QAM-PS、128GBd-PM-QPSK，調制格式階數(shù)越高，光信噪比要求越高，傳輸距離越短。相干光器件是相干通信的核心器件，包括相干光源和相干收發(fā)器件。相干收發(fā)器件按信號波特率可分為64GBd、96GBd和128GBd幾種。64GBd相干光器件實現(xiàn)單波400G短距傳輸（PM-16QAM），128GBd相干光器件實現(xiàn)單波400G長距傳輸（PM-QPSK）。96GBd被認為是過渡速率，本文將著重介紹64GBd和128GBd相干光器件發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。

  現(xiàn) 狀

  相干光源包括固定波長激光器和波長可調諧激光器。固定波長激光器應用于點到點的短距傳輸系統(tǒng)，滿足應用需求的前提下大幅降低成本。波長可調諧激光器應用于密集波分復用系統(tǒng)，關鍵指標包括線寬、功率、功耗、調諧范圍、調諧速度，其中128GBd應用有C+L雙波段需求。波長可調諧激光器按原理分外腔激光器和集成激光器，均可以滿足當前商用需求，器件成本很大部分來自于復雜的生產(chǎn)組裝和測試定標。外腔激光器為增益芯片和外腔濾波器芯片的集成，可以單芯片實現(xiàn)雙波段功能；集成激光器需要設計雙波段芯片切換方案。波長可調諧激光器主流采用熱調方案實現(xiàn)波長調諧，調諧時間為百秒量級。波長可調諧激光器的行業(yè)標準為OIF-iTLA實施協(xié)議，封裝尺寸朝小型化方向演進，同時，朝窄線寬（目標100kHz）、高功率（>+16dBm）、低功耗（<3W）、更快調諧時間不斷優(yōu)化。

  相干收發(fā)器件是指包括光芯片、電芯片、承載基板/管殼和其他輔助元件的光電集成器件，實現(xiàn)相干調制和解調功能。相干收發(fā)器件的核心是光芯片，光芯片材料有硅光、磷化銦和薄膜鈮酸鋰等3種，其特性如表1所示。其中，硅光是當前小型化可插拔模塊的主流選擇；薄膜鈮酸鋰屬于新材料和新技術，當前尚未產(chǎn)品化，有望在128GBd時代廣泛應用。

  發(fā)展趨勢

  相干光模塊和光器件的封裝形態(tài)發(fā)展趨勢是標準化，以滿足開放式光網(wǎng)絡中互聯(lián)互通需求，也有利于降低設計和制造成本。低功耗短距離相干光模塊主流封裝標準為QSFP-DD，大功耗長距離高性能相干光模塊主流為CFP2封裝。在標準發(fā)展方面，器件級有分立光器件（ICR/CDM）和收發(fā)集成光器件（IC-TROSA）協(xié)議，以及相干光源iTLA協(xié)議；模塊級有單跨短距離互聯(lián)互通的64GBd-PM-16QAM 400ZR協(xié)議、多跨段互聯(lián)互通的64GBd-PM-16QAM的400G Open ZR+和Open ROADM等MSA（multi source agreement）協(xié)議。

  相干光模塊采用小型化可插拔封裝將成為主流，收發(fā)器件形態(tài)從分立向集成發(fā)展。數(shù)通模塊采用QSFP-DD封裝，電信模塊CFP2封裝成為主流。當前400G相干QSFP-DD模塊可實現(xiàn)硅光器件和單通道EDFA的集成，應用于低功耗的短距離傳輸場景。硅光器件集成DSP芯片，采用微電子封裝技術將是趨勢，也就是光電共封裝技術概念，即光芯片、模擬電芯片和DSP芯片共基板封裝，實現(xiàn)高速信號更優(yōu)的傳輸質量，在高波特率信號傳輸時尤為重要；磷化銦器件集成窄線寬可調諧激光器將是趨勢，中長期內仍將存在分立器件和集成器件兩種形態(tài)，高速信號采用柔性電路板接口將是趨勢；長期來看，薄膜鈮酸鋰器件和硅光的異質集成將是趨勢。

  相干400G傳輸從城域短距離向長途傳輸演進，促使相干收發(fā)器件波特率從64GBd邁向128GBd。2022年全球市場64GBd相干光器件約20多萬只，2022年底Omdia預測未來五年相干400G模塊的年復合增長率約為50%。2023年有128GBd相干光模塊的現(xiàn)網(wǎng)試驗報道，預計基于128GBd-PM-QPSK的400G長途傳輸技術即將成熟，2025年將規(guī)模商用。產(chǎn)業(yè)界64GBd相干收發(fā)器件現(xiàn)狀是硅光為主，磷化銦為輔，在128GBd時代將導入薄膜鈮酸鋰材料。

  隨著相干收發(fā)器件速率或帶寬的提升，光電協(xié)同設計成為趨勢，以提高光電性能。相干收發(fā)器件中光芯片、電芯片以及基板/管殼的封裝結構影響高速信號的傳輸質量，一般來說，小型化用BGA非氣密封裝，其他封裝用FPC接口。光器件中電芯片帶寬峰化將是必要功能，通過對光芯片、電芯片（以及DSP芯片）、基板的光電協(xié)同設計來保證光器件整體帶寬的滿足需求。

  總體而言，64GBd相干光器件實現(xiàn)400G短距傳輸，處于商用上升期；128GBd相干光器件實現(xiàn)400G長距傳輸，處于商用啟動期。為滿足400G相干光傳輸系統(tǒng)更低成本、更高容量、更長距離的需求，相干光器件將朝著標準化、小型化、高波特率、高性能等技術方向演進。

  作者：中興光電子 沈百林，王會濤