2022年5G承载与数据中心光模块

2019年我国正式启动第五代移动通信（5G）技术商用，2020年5G网络、数据中心等又被确定为新型基础设施建设重点内容，2021年政府工作报告明确写入“加大5G网络和千兆光网建设力度，丰富应用场景”，5G、数据中心和全光接入网络等相关技术与产业加速发展。光模块是5G承载网络、数据中心互连和全光接入网络的基础构成单元，主要完成光电/电光转换功能，近年来随着速率的逐渐提升，其在系统设备中的成本占比不断攀升，已成为各应用领域高带宽、广覆盖、低成本和低能耗的关键要素。5G承载、数据中心和全光接入网络在速率容量、传输距离、工作环境、光纤资源等方面对光模块提出了差异化要求，业界存在多种光模块解决方案。2019年和2020年，IMT-2020(5G)推进组5G承载工作组分别发布了两版《5G承载光模块白皮书》，对5G承载光模块进行了详细研究，其中部分方案已逐步成熟并走向规模应用。随着5G建设的分阶段持续推进、以及数据中心和全光接入网络的蓬勃发展，涌现出新型的光模块应用需求，并逐步成为业界关注的焦点。本白皮书结合5G承载、数据中心、以及全光接入网络对光模块的核心需求，研究技术方案和产业发展的基础共性问题，对新型光模块及核心光电子芯片的产业化能力进行评估验证并提出后续发展建议，推动5G承载、数据中心和全光接入光模块产业链协同有序发展。 1、5G前传光模块是连接基带处理单元（BBU）与远端射频单元（RRU）/有源天线处理单元（AAU）CPRI链路物理承载的重要构成部分。从2G时代的1.25Gb/s、到3G时代的2.5Gb/s、再到4G时代的6/10Gb/s，承载光模块速率不断演进，传输距离主要包括300m、1.4km和10km等。随着5G时代的到来，AAU天线数量实现8T/8R至64T/64R的8倍提升，空口带宽由20MHz提升至100MHz，若保持CPRI切分方案，带宽需求将出现10Gb/s至400Gb/s的40倍提升。为减轻带宽压力，业界采用eCPRI切分方案，将部分BBU基带处理部署在AAU上，从而降低BBU与AAU之间的带宽需求。以100MHz空口带宽、64T/64R为例，5G前传单接口带宽需求下降至25Gb/s量级，可复用以太网成熟产业链来有效支撑。5G部署初期，三大运营商将BBU集中，降低机房资源需求，从而实现快速规模部署。但集中17/Rel18）的重点将在Sub10GHz50Gb/s图15G前传承载需求演目前，业界正在积极探索高速率、高性价比、满足前传工业级温度要求、并可保证十年以上长期可靠的下一代前传光模块解决方案，潜在需求如表1所示。表15G前传新型光模块潜在需5G中回传接入层通常以环形拓扑为主，分布式无线接入网（DRAN）典型带宽需求为10/25/50Gb/s，CRAN典型带宽需求为50/100Gb/s。随着400Gb/s30/40km光模块技术方案的日益表25G中传新型光模块潜在需更长远来看，随着6G技术研究和应用探索的不断推进，6G《6G无线热点技术研究白皮书（2020）》，6G接维度与广度方面存在巨大提升，可支持超大带宽视频传输、超低延时工业物联网、空天地一体互联等应用场景，系统性能需支持1Tb/s峰值速率和1Gb/s用户体验速率、0.1ms超低延时和高移速通信、超高频谱利用率等。6G无线接入网传输需求相比于5G空口峰值速率或将有百倍提升，加之空天地一体互联等新型需求，预计前传容量将需要数十倍提升。2不断增加，网络数据流量迅猛增长，对数据中心互连提出更高挑战。以Spine-LeafCLOS架构数据中心表3高速率方面，亚马逊、谷歌、微软、Facebook等北美超大型数据中心内部互连已从201~2020年开始商用部署400Gb/s光模块；国内数据中心正由100Gb/s逐步向400Gb/s过渡，预计2022年实图2低功耗方面，随着交换芯片容量不断提升，光模块功耗已开始超过交换芯片功耗，成为网络解决方案的关键因素。400Gb/s光模块的早期功耗为10~12W，预计长期功耗将为8~10W；800Gb/s光模块功耗约为16W左右。此外，业界期望通过将光引擎与交换芯片合封来降低互连SerDes功耗及成本，光电共封装光引擎（CPO）技术成为业界研究热点。低成本方面，数据中心存在海量互连需求，低成本是驱动光模块技术方案不断发展的主要动力之一。一是场景一中的接入线缆呈现多样化趋势，部分方案通过调整机柜布局来降低互连距离，采用更低成本的直连铜缆（DAC）替代光缆；二是数据中心光模块运行环境稳定、更新换代快，业界正积极探索通过降低温度和长期可靠性等要求来降低成本；三是随着速率不断提升，相干方案下沉趋势明显，同时非相干方案也在努力向长距拓展，两种方案在部分应用场景中出现“相遇”，未来不同方案在“相遇”场景的需求占比将与成本等因素密切相关。智能化方面，随着光模块数量的急剧增加，OTT开始关注光模块的运维能力增强和质量提升，通过人工智能、机器学习和大数据等实现光模块健康度监测、故障提前预警等，对光模块的功能特性及规格提出了新的要求。表4数据中心之间的互连早期主要通过互联网接入，随着业务流量的增加，数据流量达到Tb/s以上，网络时延、拥塞、安全等问题要求有专门的接口来支持。数据中心是高能耗产业，受电力供应和周边环境限制，单个数据中心的规模不能无限制增大。现代虚拟化技术的广泛应用使得多个物理上分开的数据中心可以像一个虚拟的数据中心一样工作，大型互联网企业可以在多个数据中心和业务之间分担负荷、有效降低数据中心对电力供应的要求，并便于快速部署。此外，出于容灾备份考虑，很多大型数据中心由多个站址组成，各站址之间需要大量低时延数据交互通道，以上应用场景均对DCI互连提出强烈需求。DCI互连距离一般在几km到几十km、甚至百km以上，典型互连场景如下：a)DCI-Campus：连接距离较近的数据中心，传输距离通常为2km左右，并进一步向10km更长距离拓展；b)DCI-Edge：连接区域的分布式数据中心，传输距离通常为80km~120km；c)Metro/LongHaul：进一步延伸至城域和长距传输，距离可达几百或千km。为充分利用光纤资源，密集波分复用技术被广泛使用，不同传输距离可采用不同的调制码型。此外，尽管不是DCI基础设施的一部分，无线网络也正在被集成到数据中心网络中。针对20km以内的DCI互连，根据连接带宽和光纤资源的不同，可选择采用CWDM或DWDM直调直检技术。针对20km~80km传输距离，DWDM方面存在竞争。针对80km~120km传输距离，DWDM和成本，基于直调直检技术的彩光及灰光模块也在同步研发。针对几百km及以上传输距离，需要在每波长上传输更高速率的信号以提高总接口带宽，相干技术为主流方案。表53随着接入带宽需求不断攀升，接入网容量持续增长，未来5~10年光接入网的发展目标是每户接入速率提升至1~10Gb/s。同时，随着5G的全面部署，出现5G小站等新场景，基于PON架构的5G承载因具备大幅节省主干光纤等优点，成为备选方案之一。因此，有线及无线接入网均存在对超10G光接入技术实现方案的潜在需求。10GPN目前已规模部署，考虑到运营商后续演进一般需提升4并支持10GPON的平滑演进。鉴于此，单波50GPON目前已进入加速研究发展阶段。1、5G、25Gb/sC25Gb/sC波段波长可调谐光模块的应用场景以5G10Gb/s速率，后续会探讨向25Gb/s速率演进的可行性。25Gb/s波长可调谐光模块需支持波长自动适配功能，可通过ITU-TG.698.4规定的消息通道机制实现。波长可调谐技术的实现方案较多，包括分布反馈（DFB）阵列、分布布拉格反射（DBR）、数字超模DBR（DSDBR）、调制光栅Y型激光器（MG-Ybranch），采样光栅DBR（SGDBR）、垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、外腔激光器（EL）硅光微环腔和V形耦合腔等，主要采用温度控制、电流控制和机械控制等方式，技术比较见表6。表6从波长调谐范围上，可分为全C波段可调谐和窄带C波段部分可调谐；从调制方式上，可分为基于EML和MZM的波长可调技术，其中，EA方便与激光器芯片进行单片集成，MZM可实现更高消光比、且可灵活控制啁啾系数；从接收方案上，可分为PIN接收和APD接收；从光模块接口类型上，分为单纤双向和双纤双向，匹配不同的DWDM合分波器使用。25Gb/sC波段波长可调谐光模块的核心光电子芯片与器件包括可调谐激光器芯片、PIN/APD探测器芯片、以及Driver、TIA、CDR等电芯片。其中，可调谐激光器芯片最为核心，也是光模块成本关键所在，其他芯片器件可共享25Gb/s灰光模块产业链。除全C波段可调谐激光器芯片外，业界也在推动窄带C波段部分可调谐激光器芯片（包括6波、12波可调谐等）的发展，并在YD/T3125.3行业标标准化方面，国内25Gb/sDWDM光模块、N×25Gb/sDWDM系统技术要求行业标准均已在报批流程中、即将发布。国际ITU-TG.698.x系列标准正在修订，目前主要剩余谱偏移（spectrumexcursion）和纹波（ripples）等参数在讨论中，标准修订预计2022年完成。应用部署方面，目前已有海信、海思、瑞泰、华工正源、II-VI等多个国内外厂商可提供25Gb/sC波段波长可调谐光模块样品，其他厂商正在开发中。中国联通已完成华为、烽火、欣诺、瑞斯康达、格林威尔和深圳震有等多家设备商的25Gb/s前传DWDM实验室集采测试，目前正在现网试点中。海外运营商已经在5G前传领域开始商用25Gb/sC波段波长可调谐光模块。O25Gb/sO波段波长可调谐光模块主要应用于5G前传领域，12个通道波长规划如图3所示，1~6通道图312通道O25b/s波段波长可调谐光模块的功能框图如图4所示，发射部分的可调谐光组件（TA）需采用TEC进行温度稳定，通过改变施加在IP和IF上的电流源大小调节波长输出，PD1、PD2用于检测相关光电流，通过稳定PD1、PD2的比例大小对输出光波长进行锁定。光模块可采用SFP28封装，光接口类型根据需要可实现单纤双向或双纤双向。图4可调谐光模块的成本主要体现在可调谐DBR光组件，几乎占整个光模块成本的80%以上，从封装来看可分为BOX封装和TO同轴封装，前者的高频性能好且体积更小，但成本较高。光调制器主要有EAM、MZM和DML直调三种方式，其中MZM成本最高，EAM成本居中，DML直调方式成本最低、但高频性能相对较差，眼图质量和传输距离受到限制。5G前传领域对成本较为敏感，在满足应用条件的前提下，对模块内技术方案进行优化选型极其重要。例如，波长规划方面可结合O波段可调谐DBR光芯片波长调节范围为十几nm的特点，采用400GHz通道间隔的12波长通道，以兼顾应用场景和制造成本；此外，可采用TO同轴封装配合DML直调方式来降低成本。25Gb/sO波段波长可调谐光模块涉及较多技术难点，如波长可调谐激光器芯片的研制和批量生产；带制冷小体积DBR管芯封装及光组件设计；低成本DBR波长锁波和光功率监控、稳定、调谐机制；Pilottone调顶机制的性能和可靠性；端到端光模块之间通信协议开发和可靠性；波长可调谐工业级温度光模块的低功耗和散热实现；波长可调谐光模块的低成本批量波长标定、测试和生产方法等。目前，O波段波长可调谐光模块的国际标准目前仍处于空白阶段。25Gb/sO测器、以及Driver、TIA、TEC和MCU等电芯片。可提供25Gb/sAPD的代表性厂商有Sifotonics、Macom和光迅等；采用DML调制方式的电芯片供应商有Maxim、Macom、Semtech等，采用EML调制方式的电芯片供应商有Macom、Semtech等。TEC温度控制芯片主要供应商有Maxim、AD、MPS等；MCU芯片主要提供商有ADI等。国内在O波段波长可调谐光电芯片的研制开发领域仍需大量工作，目前已有部分厂商开始试制O波段25Gb/sDBR激光器芯片。应用探索方面，25Gb/sO波段波长可调谐光模块目前整体处于设计研发阶段，预计2022年制作样机及α样品，2023年制作β样品并实现小批量生产，未来的具体应用将依赖业界对于前传方案的综合评估。、基于单波100Gb/s的100/400Gb/s5G承载与数据中心建设对光模块高速率、小尺寸、低成本和低功耗提出强烈诉求。单波100Gb/s技术可有效借助光电芯片的带宽提升和迭代演进，以及高度集成的工艺与封装，在满足同等带宽需求、降低光学复杂性的同时，实现更高接口密度和低成本。国际标准化方面，IEEE802.3和100GLambdaMSA已经发布或立项系列基于单波100Gb/s的100/400Gb/s相关标准，如表7所示。国内行业标准方面，CCSA正在制定《100Gb/s单波长光收发合一模块》行业标准，包含DR（500m）、FR1（2km）、LR1（10km）、LR1-20（20km）、ER1-30/40（30/40km）距离规格；2020年已发布YD/T3538.3-2020《400Gb/s强度调制可插拔光收发合一模块第3部分：4×100Gb/s》，包括DR4（500m）、FR4（2km）距离规格；同时，积极开展4×100Gb/s强度调制长距光模块和100GBaud及以上高速光器件等研究课题。表7基于单波100Gb/s的100/400Gb/s封装方面，QSFP-DDMSA和OSFPMSA已分别发布400Gb/s的QSFP-DD和OSFP规范，采用8×56Gb/s电接口。QSFP-DDMSA又于2021年更新发布了包含400Gb/sQSFP112在内的6.01版本规范。国内由阿里巴巴、百度牵头成立的QSFP112MSA也即将发布相关规范，推进国内数据中心互联应用。（1）500m/2km100/400Gb/s如图5所示，第一代基于单波100Gb/s的400Gb/s光模块主要基于8×56Gb/s电接口，需采用DSP实现8：4Gearbox速率变换。第二代400Gb/s光模块采用4×112Gb/s电接口，可简化交换芯片与光模块的对接，从而可降低功耗和成本。图5第一代和第二代基于单波100Gb/s的400Gb/s在光接口技术方面，基于单模光纤的400Gb/smDR4光模块已步入商用，存在EML、DML和硅光三类方案。其中，EML方案是成熟度最高的传统方案。2020年底Lumentum发布100Gb/sPAM4DML芯片，为DML方案提供有力支撑，该方案需通过温控来保障商温（0~70℃）下的带宽性能。电芯片方面，早期业界缺乏单波100Gbs/sPAM4DML配套电芯片，目前英思嘉、傲科等已推出Driver、TIA相关产品，产业链成熟度仍需进一步提升。硅光方案的投资和研发热情较高，海信、光迅、博创、SiFotonis、亨通等均推出了400Gb/sDR4硅光模块产品，阿里巴巴也发布了自研的硅光模块。业内各厂家的硅光方案并不统一、呈现碎片化，对规模优势的形成带来一定挑战。硅光方案由于高耦合损耗、大功率CWDFB激光器、大摆幅驱动器等因素，在功耗方面距离产业预期仍有差距。此外，业界在500m应用场景CWDM4和PSM4的技术方案选择上也存在争议，两者各具优缺点，还需综合考虑性能和成本等多方面因素。表8400Gb/s500mDR4400Gb/sDR4+光模块将传输距离进一步扩展到2km，目前以EML方案为主。100Gb/sDR100Gb/sFR1光模块主要采用QSFP28封装，分别与400Gb/sDR4、400Gb/sDR4+光模块配套使用于500m和2km分支线缆（BreakoutCable）场景。Breakout场景目前在北美大型OTT中有相关应用，优点是可提供业务信号互联互通的实用性和灵活性、有效提升端口密集度；缺点是维护复杂、模块种类增多，任一链路出现故障或更换会影响其他链路。400Gb/s2kmFR4应用场景主要采用CWDM4技术方案，光纤需求量可大幅减少，实现端到端成目前，基于单波100Gb/s的100/400Gb/s光模块产品国内外已有多家厂商实现量产，但核心光电子芯片器件仍以国外领先厂商为主，国内开始进行相关探索。表9100Gb/sDR/FR1和400Gb/sDR4/DR4+/FR4表10100/400Gb/s500m/2km（2）10km/40km100/400Gb/s10km/40km100/400Gb/s光模块的主流技术方案如表11所示。100Gb/sLR153GBaudEML芯片，有BOX和TO两种封装方案，后者具备低成本优势，但带宽裕量偏小、良率略低。53GBaud非致冷EML具有低成本、低功耗优势，目前在2km及以下场景有应用，10km距离有待进一步验证。接收侧采用53GBaudPIN芯片，BOX与TO、气密与非气密封装方式共存，未来可能会向TO气密封装和COB非气密封装形态演进。表11100/400Gb/s10/40km100Gb/sLR1/ER1光模块框图如图6(a)和(b)所示，发送侧采用53GBaudEML53GBaudPIN/APD芯片，4:1PAM4DSP芯片支持KP4FEC。400Gb/sLR4和ER4光模块框图分别如图6(c)和(d)所示，400Gb/sLR4发送侧采用4×53GBaudEML阵列芯片（BOX、COB封装），接收侧采用4×53GBaudPIN阵列芯片（BOX、COB封装，气密、非气密共存）；400Gb/sER4发送侧采用4×53GBdEML阵列芯片（BOX封装），波长选择待定；接收侧方案待定，高性能APD及sPAM4DSP芯片，支持KP4FEC。基于单波100Gb/s技术的100/400Gb/s光模块与传统方案相比，可节省多枚光芯片，从而降低成本、功耗和制造复杂度、提升良率。电芯片采用集成Driver、CDR及Gearbox功能的DSP，降低设计复杂度，便于芯片设计厂商进行产品聚焦。(a)100Gb/s (b)100Gb/s(c)400Gb/s (d)400Gb/s图6基于单波100Gb/s技术的100/400Gb/s目前，国内外已有多个厂商发布基于单波100Gb/s技术的量产产品及路标：1）100Gb/sLR1有多个模块厂商可批量供货，随着53GBaud光器件封装技术的逐步成熟，光模块产品良率已逐步提升，目前成本预期优于100Gb/sLR4方案；2）400Gb/sLR4已有多个模块厂商可提供Beta样品，成本预期优于400Gb/sLR8方案，未来随着53GBaud光芯片需求量的逐渐增加，成本降幅空间较大；3）100Gb/sER1、400Gb/sER4目前有多个模块厂商在研，100Gb/sER1已初步突破，在实验室环境下可实现40km传输；400Gb/sER4处于在研阶段，在100GER1的良好基础上，预期2021年底可推出表12100Gb/sLR1/ER1和400Gb/sLR4/ER4单波100Gb/sPAM4技术的核心光电子芯片器件以国外厂商为主，国内部分厂商已取得阶段性进展。从25GBaudEML激光器中筛选53GBaudEML激光器的方式良率较低，需要在芯片结构设计、材料掺杂等方面做出新优化，以解决在保障可靠性的同时提高带宽的挑战和难题。53GBaudAPD探测器芯片目前国内外已比较成熟，且国产产品性能优良。PAM4DSP芯片国内近两年发展迅速，50Gb/s速率已具备样品/小批量、测试表现良好，100Gb/s及400Gb/s产品处于研发阶段。表13100Gb/s10/40km表14400Gb/s10/40km应用部署方面，100Gb/sLR1和400Gb/sLR4光模块产品已基本成熟，基于市场需求出货量逐步攀升；100Gb/sER1和400Gb/sER4预计于2021年底趋于成熟，2022年中具备商用条件。基于单波100Gb/s技术的100/400Gb/s光模块产品在运营商部署和设备商集成的蓝图上也开始占据重要位置，未来几年存在较大需求空间。按照运营商承载组网模式，30/40km光模块产品主要应用于无线中回传场景，100Gb/sER1在具备成本优势时，将与现有的100Gb/sER4形成有力竞争。未来，市场可能存在支持以太网应用的基础上，同时支持OTN400Gb/s信号需求，或将进一步提升100Gb/sER1和400Gb/sER4应用空间，有待进一步研讨。、50/100/400Gb/s80~120km针对80~120km传输距离，相干DWDM技术可通过DSP解决链路色散问题，降低光信噪比要求、性能良好。为进一步降低功耗、成本和占用空间，业界也在积极探索面向80~120km传输距离的直调直检DWDM彩光和灰光技术方案。表 （1）100/400Gb/s100Gb/s80~120km相干光模块标准化方面，ITU-TSG15于2018年发布G.698.2标准，规范了含光放的100Gb/s8~mDWDM应用；IEEE于2021年发布802.3ct-2021，规范了100Gb/sDWDM应用，均采用DP-DQPSK调制格式和SC-FEC纠错编码。CCSA也相应制定了《城域应用线路侧光收发合一模块第1部分：100Gb/s》等行业标准。400Gb/s80~120km相干光模块标准化方面：1）OIF于2020年发布OIF-400ZR-01.0标准，规定了两大应用场景：一种是基于DWDM并结合光放大的彩光点到点OSNR受限传输系统，工作距离在120km及以内；一种是基于单波长无光放大的灰光点到点功率预算受限传输系统，传输距离小于40km。400ZR采用DP-16QAM调制码型，通路间隔为100GHz，帧结构与FlexO-4-DSH类似，但开销较少，OSNR容限为26dB@0.1nm。400ZR采用CFEC，在14.8%的FEC开销占比下，编码净增益约10.8dB；支持QSFP-DD、OSFP、CFPx等封装，数据中心互连更倾向采用QSFP-DD封装，以获得更大的面板集成度。因部分参数在OIF-400ZR-01.0版本中尚未完善，结合更窄通道间隔和更长传输距离等新型需求，后续将围绕75GHz通路间隔的参数规范、EVM，以及更长距离或更多应用场景的ZR+等开展研究。2）IEEE802.3cw正在制定80kmDWDM400GE标准，采用DP-16QAM调制码型，CFEC纠错编码。3）ITU-TSG15主要关注光传送网相关标准的定义，2012年9月全会正式开始超100Gb/sOTN标准化工作，与IEEE400GE标准化具有一定相关性，主要包括OTUC4须高效承载400GE信号，OTUC4IrDI接口需共用400GE光模块等。ITU-TSG152016年发布G.709V5，制定了n×100Gb/s的OTUCn接口，在后续增补版本进一步制定400GE通过ODUflex映射到OTN的承载技术。2018~2020年相继制定发布G.709.1和G.709.3标准，G.709.1定义了400GFlexO-4-RS接口，用于短距IrDI接口互联；G.709.3定义了用于80km互连互通的400GFlexO-4-DSH接口(采用CFEC)、以及用于200k~450km互连互通的FlexO-4-DO接口(采用OFEC)。同时，ITU-TSG15Q6根据G.709.3要求，在G.698.2中正在进行光层标准的讨论，主要聚焦符号映射和光层参数等内容。4）CCSA已制定《城域N×400G光波分复用（WDM）技术要求》、《400Gb/s相位调制光收发合一模块第2部分：1×400Gb/s》行业标准，包含80~120km单跨段，8×22dB（640km）、12×16dB（720km）80~120km主要面向县乡波分、DCI互连和5G回传等城域边缘应用场景，需求量较大且成本敏感，对小型化可插拔相干光模块及低成本诉求明显，可通过硅光集成、低成本激光器（如降低线宽和频偏要求，减小波长调谐范围等）、简化DSP功能（如减小色散补偿容限、SOP追踪速度等）等方式来实现小尺寸、低功耗和低成本。相干光模块的核心光电芯片器件主要包括窄线宽集成可调谐激光器（ITLA）（HB-CDM）、相干接收机（ICR）和DSP等。100Gb/s相干光模块用光电芯片国内外已相对成熟，但国内供应商产品仍以面向长距离应用为主，缺乏低成本解决方案；400Gb/s相干光模块用光电芯片国zITLA等相关产品。应用部署方面，Acacia、Inphi等可提供100Gb/s80~120km相干光模块产品，包括CFP2、兼容80~120km需求，尚未专门开发100Gb/s80~120km相干光模块产品。Acacia、Neophotonics、旭创、光迅和海信等可提供400Gb/s80~120km相干光模块产品，随着DCI需求的快速增长，400Gb/s80~120km相干光模块2021年开始规模部署，未来几年将快速占据400Gb/s相干主要市场。（2）50/100Gb/s彩光直调直检方案基于C波段PAM4调制码型，采用高度集成的硅光技术和4：2PAM4DSP芯片。典型配置如图7所示，KR4信号首先剥离主机FEC，两路25Gb/sNRZ数据流合并为一路50Gb/sPAM4数据流，并加入更强的IFEC或SFEC，编码增益>6.3dB。方案需采用外部色散补偿模块（DCM），支持对所有波长通道进行补偿，并包含固定和可调两种模式。可调色散补偿模块（TDCM）通常基于可调谐光纤布拉格光栅（FBG）或可调谐标准具技术，两种技术均按ITU-T定义的波长通道进行设计与优化，可补偿50GHz通道间距的光载波。图 彩光直调直检方案典型配DSP支持KR4、KP4两种FEC，以及专有的IFEC或SFEC，不同FEC模式的数据速率开销和相对信噪比性能见图8。IFEC是一种低功耗、多级迭代代码，具备10.5dB编码增益，理论修正极限BER为1E-2，优于KR4FEC1E-5的修正极限BER；在相同OSNR性能情况下，IFEC编码增益有大于2dB优势。此外，DSP也可工作在旁路模式，保留主机FEC和帧。来源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.图8三种FECPAM4信号在光纤传输过程中容易受到色散损伤影响，28.125GBaudPAM4信号的固有色散容忍度如图9所示，存在±100ps/nm窗口，窗口中典型的SNR损失约为0.8dB。所以，PAM4直调直检光模块在系统中一般与色散补偿和光放大器配合工作。来源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.图928.125GBaudPAM4一般来说，5km以内的标准单模光纤传输在28.125GBaudPAM4固有色散容忍度内，5km以上的标准单模光纤传输均需要进行外部色散补偿。图10为使用TDCM补偿80km单模光纤传输的色散损伤结果，对TDCM补偿方式和40km固定DCM+TDCM共同补偿的方式进行了比较。测试中采用EDFA外部多路复用器、解复用器和TDCM完整链路配置。基线背靠背误码率为1.1E-3，基于光纤光栅的TDCM色散值设为零的背靠背误码率为1.8E-3，由于TDCM的带宽和相位纹波限制，存在一定残余损耗。在误码率测量的容忍范围内，五种色散补偿策略中，使用任何一种差异（或代价）均可忽略不计。一个TDCM可用于补偿80km单模光纤造成的色散损伤。来源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.图10应用单个TDCM到80km链路中色散设置值与BER除线性补偿外，光纤光栅还可提供多跨段的色散斜率补偿，但需要以牺牲滤波器的通频带宽度为代价，随着色散补偿的增加，通频带宽度会变得更窄，可能产生调制载波裁剪边缘等不良影响，在接收端造成码间干扰代价。此外，相比于标准具方案，光纤光栅方案通常具有更高和不受控制的组延迟涟漪，可能导致额外代价，因此该方案可单独应用于波分多跨段，但信号速率越高、通道间隔要求越大。标准具方案对调制信号采用最小通带滤波，FSR主要是相位效应，对通带影响很小，但缺乏色散斜率补偿能力，可以满足单跨段DCI-Edge应用。此外，标准具方案的色散补偿范围比光纤光栅更有限，对称度约为0ps/nm，因而对于更长传输距离，须与固定DCM技术相结合。TDCM两种色散补偿条件，当每通道发射功率为6~8dBm关，表明波长之间的非线性相互作用可以忽略，PAM4信号主要受自相位调制影响，与OFC、Photon.Technol.Lett.已报道的PAM4来源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.图11标准单模光纤下PAM4对于具有预放和后放两个EDFA的点到点传输系统，传输距离受到发射功率的限制。图12为两波长经120km单模光纤传输的仿真结果。每个波长的发射功率在发射EDFA处被放大10dBm，以实现非线性有限的传输距离。FEC纠错极限约为24dB信噪比。商用EDFAs饱和输出功率通常被限制在24dBm左右，如此高功率下可以发射的波长数量将受到限制。单跨链路应用由于受到这些限制，需要在传输距离和通道数量之间进行权衡。来源：VOL.10,NO.7/JULY2018/J.OPT.COMMUN.图12在产业链方面，50Gb/s光模块产品已比较成熟，双载波100Gb/s光模块的光电芯片器件可与其共产业链，主流供应商以国际领先企业为主。表16100Gb/s双波长PAM4DWDM表17（3）100Gb/s100Gb/s灰光直调直检光模块基于4×25Gb/sLWDMEML激光器、PIN探测器和半导体光放大器（SOA），可在获得O波段低色散的同时，通过光放大器和FEC解决链路损耗问题。目前，100Gb/s80km灰光直调直检方案标准化仍为空白。在80km应用中，光纤链路损耗通常为25.6dB~28dB，此外插入损耗、色散代价等约为3.5dB，整体链路预算约为29.1dB~31.5dB。为满足该传输指标，光模块中引入了具有高增益、高饱和输出功率、低噪声指数和低偏振相关特性的SOA。SOA已于2016年在100Gb/s40km传输产品中取得广泛应用，但因尺寸限制多用于CFP/CFP2封装。随着技术积累及进步，SOA尺寸进一步小型化，目前可在100Gb/smQSFP28光模块产品中批量应用。如图13所示，100Gb/s80km延续了100Gb/s40km技术方案，采用NRZ调制码型，电接口遵循CAUI-4标准，光接口采用LWDM4路25Gb/s传输，发射端采用EML激光器，接收端采用SOA+PIN图13图1425℃下25.78Gb/s速率FEC纠前（Pre-FEC）相对于传统相干方案，100Gb/s灰光直调直检光模块由于O波段低色散优势，在80km传输中无需进行额外的色散补偿。电芯片采用4路CDR时钟信号恢复，无需DSP芯片，模块整体最大功耗小于6.5W，约为相干模块功耗的1/3左右。表18100Gb/s尽管SOA+PIN光器件的QSFP28封装已经规模应用，由于实际装配过程中的精度控制要求较高，耦合差损对器件的相对位移非常敏感，增加了耦合封装的难度和成本，批量生产需具备的工艺流程仍是严峻考验。产业链方面，25Gb/sPIN探测器国内外已较为成熟，25Gb/sEML激光器、4×25Gb/sDriver、4×25Gb/sTIA、4×25Gb/sCDR主要以国外厂商为主。安利、住友具备先发优势，可提供低噪声、表19、400Gb/s网络带宽的快速增长和400GE端口的逐步成熟，正在推动骨干网由100Gb/s向400Gb/s演进。1000km以上的400Gb/s相干光模块及核心光电芯片器件是长距400Gb/s技术发展的基石和骨干网速率代际演进的关键。近年来，长距400Gb/s技术和光电芯片器件水平不断提升，国内运营商及设备商已开展系列系统级实验验证和现网试点，但在标准化、关键技术、产业生态等方面距离成熟商用仍存挑战。标准化方面，ITU-T、IEEE、OIF、CCSA等国内外标准组织已开展系列中短距400Gb/s标准制定，详见1.2节和1.3节。长距400Gb/s应用场景的标准地图目前仍为空白、亟需开展相关研究布局，明确代际路线牵引产业链协同攻关。关键技术方面，400Gb/s长距光模块采用成熟的相干技术架构，在发射端，电信号通过DSP芯片完成概率分布匹配、FEC编码和QAM映射等功能，再对基带数字QAM信号进行频谱整形和发端预补偿，以弥补光电器件的不理想特性。在接收端，借助DSP均衡能力对信号在线路及模块中所经受的损伤进行补偿，进一步提升信号的OSNR容限，确保在合适的应用场景中实现无误码传输。相比数据中心内部及DCI互连场景中对400Gb/s光模块的核心诉求是低成本和低功耗，骨干网400Gb/s长距光模块面临的首要问题是传输性能、距离和容量的有效提升。400Gb/s长距传输对器件水平、系统损伤等非常敏感，需要从调制技术、高波特率器件、新波段扩展等方面开展技术研究。业界目前存在多种400Gb/s调制码型，如DP-QPSK/8QAM/16QAM/32QAM/64QAM，涉及64/90/96/128GBaud多种波特率；针对DP-16QAM，又存在75GHz、100GHz和112.5GHz多种频谱间隔，调制码型及频谱间隔收敛是首要问题。400Gb/sDP-16QAM目前可满足600km传输需求，1000km以上距离存在DP-QPSK、DP-16QAM-PCS等竞争方案。2021年，中国移动联合华为、中PAMPb/s长距传输实验验证，实现了满足工程余量要求下的14×22dBG.652.D光纤和17×22dBG.654.E光纤传输，将400Gb/s无电中继传输距离提升至1000km以上。采用DP-QPSK码型理论上可实现更长传输距离，目前仍处于技术研究阶段，需推出原型产品进行传输性能验证。400Gb/s长距存在单载波和电域子载波两种技术路线。其中，单载波方案延续100/200Gb/s相干系统技术，无需保护间隔，具有更好的频谱效率、更低的滤波代价、更低的DSP复杂度和潜在成本，但更高的波特率将带来更大的均衡增强相位噪声。电域子载波方案中，不同子载波可使用不同的调制码型和调制阶数，能更好地均衡系统性能，但更大的信号峰均比需要更大的AD/DA幅度动态响应范围。提升信号波特率是提升线路速率、且不带来额外传输性能降低的有效方式，并可降低单位比特的传输成本及功耗。例如，100Gb/s相干光模块采用波特率为30+GBaud的DP-QPSK码型；若波特率提升至60+GBaud，采用单载波DP-QPSK和DP-16QAM码型可分别将速率提升至200Gb/s和400Gb/s。若波特率为90+GBaud或120+GBaud，采用单载波DP-16QAM-PCS或DP-QPSK码型，速率可进一步提升，且相比基于60+GBaud的400Gb/sDP-16QAM码型可显著延长传输距离。业界正在开展高带宽调制器及接收机、高速ADC/DAC、高功率激光器或放大器、以及弥补由于ADC/DAC采样率不足而使用的欠采样算法引起的性能劣化等关键技术研究，力争突破高波特率技术挑战。400Gb/s相干光模块的核心光电芯片器件主要包括：调制器Driver、TIA、DSP等电芯片；双偏IQ调制器、激光器、相干光混频器、平衡探测器等光芯片。其中，高性能DSP对制程工艺要求较高，目前正从14nm向7nm演进。从光芯片材料体系及制造工艺来看，分为InP、硅基和薄膜铌酸锂三类。InP材料可用于制造激光器、放大器、调制器和探测器等光芯片，易于将激光器、CDM、SOA和ICR等集成或共封装，在输出光功率和带宽（~130GHz）方面具备优势，但不支持非气密封装。硅基平台可制造调制器、相干接收机等，支持非气密封装，并可将DSP和除激光器以外的其他PIC在量产能力和成本方面潜在优势，但带宽和出光功率等性能略差。薄膜铌酸锂材料主要用于高速调制器，可提供更优的理论带宽，支持与硅光共Foundry及非气密封装，但该技术出现时间较晚，工艺良率等问题有待提升，目前商用成熟度较低。400Gb/s长距光模块波特率较高，通道间隔将由75GHz（64GBaud）提升至100GHz、甚至150GHz。随着200Gb/sDP-QPSK75GHz技术的应用，804THzC波段扩展至6THz。但6THz的扩展C波段仍无法支持80波400Gb/s长距系统，需进一步开展频谱扩展技术研究，收敛多种潜在方案及频谱边界。目前来看，L波段是潜在的相对成熟的新波段选择。L波段光模块在DSP芯片方面可与传统C波段光模块兼容，但激光器、调制器、接收机，以及WSS、光放大器等光芯片器件需升级支持扩展频谱范围，且性能与C波段相近，目前产业链尚不成熟，有待进一步研究验证。图15频谱扩展示意图（图中波长单位为产业链方面，华为、中兴、烽火等主流系统设备厂商已具备基于~90GBaudDP-16QAM-PCS的量要求的1000km长距传输。而具备更远传输能力的基于~130GBaudDP-QPSK的400Gb/s长距光模块、800Gb/s800Gb/s光模块相关产品研发及标准化推进成为业界研究热点，国内外多个标准化组织竞相开图16800Gb/s光接口方面的标准化研究目标如表20所示，IEEE802.3、OIF、IPEC已对800Gb/s直调直检和相干方案进行了立项，800GPluggabbleMSA已发布8×100Gb/s100m和4×200Gb/s2km规范；CCSA也对国内行业标准进行了立项。电接口方面，OIF已启动系列112G电接口标准制定和224G电接口标准研究；IEEE802.3ck工作组正在制定112G电接口标准。封装方面，QSFP-DD800MSA将面向800Gb/s的技术规范统一合并至新发布的QSFP-DDSPEC6.01。OSFPMSA发布适用于800Gb/sOSFP模块的4.0规范。表20800Gb/s表21800Gb/s1）8×100Gb/s0m及以下：在单通道速率小于100Gb/s时，100m及以下传输距离通常采用基于VCSEL激光器和多模光纤的多模方案。随着单通道速率提升至100Gb/s，VCSEL激光器速率突破面临挑战，多模方案性能的提升和多模光纤成本的下降将成为其能否持续演进的关键因素。2021年Broadcom演示了单通道多模100Gb/s的传输性能，并给出VCSEL等光电器件的演进路线。同时，以硅光和DML为代表的单模技术方案迅速发展，尤其是硅光方案，如成品率进一步提升，未来有望在100m及以下传输距离与多模方案展开竞争。0m/2km：8×100Gb/s500m应用场景可借鉴400Gb/s500m技术方案，从材料体系及激光器类型来看，存在EML、DML和硅光三种方案；从光接口实现方式来看，有1310nmPSM8和1270nm/1330nmBD4.2方案在研。8×100Gb/s2km应用场景可采用800Gb/sCWDM8或借鉴100GLambdaMSA对400GEFR4的接口定义，通过通道数量翻倍来承载800Gb/s带宽；此外，800GPSM8和800GLWDM8也有相关讨论，需要在功耗、市场潜力和成本等方面进一步研究确定。表228×100Gb/s500m/2km0km/20km：10km应用场景目前有基于CWDM、LWDM和nLWDM的800Gb/sLR8方案在研，发送/接收端由8个波长进行波分复用/解复用，可重用50GBaud光电芯片器件及直调直检技术。波长选择上，由于O波段边缘波长的色散较大，LWDM8在色散代价方面优于CWDM8。此外，业界正在m800Gb/s20需求对标，放宽灵敏度指标和发光功率，可覆盖10km需求形成良率梯度。800Gb/snLWDM8方案可与100GLambdam400G-ER4复用激光器产业链。0km：部分厂商提出基于nLWDM（波长间隔为200GHz）支持40km传输距离的ER8/800GnLWDM-40方案。目前，10km及以上距离的直调直检方案主要面临最坏情况色散和狭窄的色散容限匹配挑战。构建新的波长体系、压缩多通道波长范围，最坏情况色散可相应变窄，从而简化DSP设计、降低理论功耗。例如，8×100Gb/sPAM4直调直检方案采用800GHz间隔的LWDM方案色散受限距离约为10km，采用400GHz间隔的nLWDM方案色散受限距离可拓展至20km，采用200GHz间隔的nLWDM，色散受限距离可拓展至40km。同时，压缩“零色散点分布或飘移范围”，缩小对应的色散范围也是解决方案之一，但由于不同厂家光纤产品零色散点的分布并不统一，大范围压缩存在难度。a）500m/2km：单通道200Gb/s极有可能继续沿用PAM4调制码型，以继承相对成熟的PAM4业基础，但也不完全排除新调制码型的可能性。4×200Gb/s500m和2km应用场景，目前有PSM4和b）10km：10km应用场景目前有基于CWDM、LWDM和nLWDM的800Gb/sLR4方案在讨论，发送/接收端由4个波长进行波分复用/解复用，需要高带宽光电芯片器件、更强的均衡技术、以及更强的FEC来支撑，以确保纠后BER。不同方案的波长范围和色散分析如图17所示。图173）800Gb/s800Gb/s相干光模块的器件带宽需要极大提升，器件设计难以一步到位实现带宽翻倍，加之早期标准未明朗，部分光电芯片器件厂商采用循序渐进的研发策略，优先规划96GBaud产品。但基于96GBaud器件来实现相干800Gb/s，需采用更高阶的调制码型，OSNR性能低、传输距离和应用场景受限。随着标准化日益明确和相关技术的逐步攻克，预计未来2~3年内，100+GBaud器件将逐渐成熟。基于128GBaud的DP-16QAM拥有更好的OSNR性能和传输能力，将成为800Gb/s相干的主流实现方案，波道宽度也将扩展为150GHz。扩展C波段按6Tb/s计算，只能承载40CH传输，为了保证单根光纤传输不低于80CH，还需占用新波段。目前C+L波段扩展及波长分配处于研究阶段，标准尚未制定。0km：OIF800ZR是支持80~120km的单跨放大DWDM链路，用于DCI互连，目前已基本确定0km：IEEE802.3B400GSG和OIF800LR正在讨论单波长链路800Gb/s10km相干方案。OIF800LR是支持园区应用的固定波长无放大2~10km链路，目前已基本确定在G.652光纤上采用DP-16QAM调制码型和193.7THz工作频率。此外，基于双子载波的800Gb/sLR2、800Gb/sLR4/随着调制阶数的增大，同样BER对应的SNR增大，高阶调制格式即使具备降低波特率的优势，但OSNR容限显著加大。以FEC冗余为15.3%来计算，DP-16QAM、DP-32QAM、DP-64QAM调制格式对应的波特率需求分别为126GBaud、101GBaud和84GBaud。概率整形技术通过对QAM星座点的概率进行设计，可进一步提高调制效率，近年来得到广泛关注。在非概率整形QAM格式中，映射规则中各星座点的分布概率相同；在概率整形QAM格式中，各星座点的位置不变，但分布概率发生了变化。概率整形QAM的最小欧氏距离比非概率整形大，可改善OSNR容限。概率整形程度越重，OSNR容限改善越大，但同时概率整形编码的冗余度也越大，从而所需要的波特率也越高。从100Gb/s直调直检光模块发展来看，电接口单通道速率与光接口单通道速率相同时光模块的架构最佳，可获取低功耗、低成本等优势。以此类推，单通道100Gb/s电接口将是8×100Gb/s光模块的理想电接口；单通道200Gb/s电接口将是4×200Gb/s光模块的理想电接口。封装方面，800Gb/s光模块可能存在QSFP-DD800、QSFP224、OSFP、CPO等不同形式。由于模块内走线和连接器损耗等因素，基于200Gb/s电接口的可插拔光模块存在挑战，业界期望通过CPO技术在功耗、密度方面构建优势，实现带宽和集成度最优化。FEC总体分为三类：a)端到端（End-to-End）FEC；b)嵌套级联（EncapsulatedConcatenated）FEC；c)分段式（Segmented）FEC。8×100Gb/s直调直检方案40km以内传输距离业界普遍认为可由端到端KP4FEC实现，40km传输距离则有可能采用更强的FEC。4×200Gb/s直调直检方案由于速率更高，需引入新的误码率标准、新的FEC编码方式以及更复杂的均衡器，IEEE802.3B400GSG、800GPluggableMSA已开展相关讨论。级联方式可能成为4×200Gb/s直调直检方案的新路径，既保留KP4FEC、避免主芯片集成新FEC所带来的额外成本，又可通过光模块中集KP4+BCH(144,136)等多种级联内码均可在纠前误码率1~2E-3区间达到纠后<1E-13对800Gb/s最强烈的诉求来自OTT数据中心与高性能计算等场景，对时延敏感度较高，低时延FEC法是800Gb/s800Gb/s相干光模块包括800Gb/sLR、800Gb/sZR和800Gb/s城域（ZR+）等，需针对不同应用场景设计FEC算法：a）800LR场景应用于10km园区网络，对时延和功耗要求高，目前存在KP4+eHamming/eBCH级联、空间耦合码FEC(XR-FEC)、CFEC、Zipper、轻量化OFEC等多种解决方案。其中，级联方案与4×200Gb/s直调直检级联方案有共通之处，两种路径的相通可进一步降低主芯片复杂度。b）800ZR场景主要应用于80~120kmDCI，是OIF400ZR标准的延续。800ZR采用lC等纠错能力更强的FEC方案。c）800Gb/s城域传输可能包含800Gb/sDP-16QAM/64QAM等码型，波特率介于85.3~128GBaud之间，可能会采用TPC、OFEC和LDPC等SD-FEC方案。8×100Gb/s光模块核心光电芯片器件仍为单通道100Gb/s（~40GHz带宽）的激光器、探测器光芯片，Driver、TIA和DSP电芯片。其中，DSP、单通道100Gb/s的紧凑型Driver和TIA均已推出，电芯片产业链相对成熟；单通道100Gb/s的EML、DML解决方案主要由国际主流厂商提供，国内已有部分企业尝试研制。LWDM8/nLWDM8MEML样品，性能需进一步优化。表238×100Gb/s4×200Gb/s光模块需要200Gb/sSerDes、更高带宽（~65GHz）的光电芯片器件及均衡技术，目前尚不成熟，学术和产业界正在进行积极探索。800Gb/s相干光模块的核心光电子芯片器件主要包括ITLA、DSP、HB-CDM和ICR等。具体来看：1）DSP方面，2019年下半年开始Inphi、NEL、Infinera、Ciena等厂商陆续推出基于7nm工艺、90/96GBaudPS-64QAM码型的产品，目前尚未广泛商用。800Gb/sDP-16QAM对A/DA采样率要求高达170+Gm工艺制程和较高的光电芯片器件封装技术，Acacia、NEL、Inhpi已推出新一代DSP芯片聚焦单波800Gb/~1.2Tb/s。2）ITLA主要分为micro-iTLA和nano-iTLA两种类型，代表性供应商包括Neophotonics、住友、Lumentum、古河等。3）相干光器件方面，800Gb/sDP-16QAM相干光模块将需要波特率为128GBaud、带宽~75GHz以上的相干光器件，目前尚未实际量产。带宽取决于光电芯片及封装工艺，当光芯片带宽不足时，需要电芯片具有带宽peaking功能，采用先进封装技术可减少电信号传输距离和阻抗不连续点，从而降低封装带来的带宽损失。HB-CDM以铟磷和硅光方案（硅光方案可实现96GBaud）为主，采用薄膜铌酸锂等新材料或可大幅提升带宽性能；ICR主要有铟磷和硅光两种路线。同时，随着速率提升至b/s，相干方案下沉，光电芯片器件除了高带宽要求外，还需要更简化、低功耗、低成本和低时延的DSP，以及低成本激光器等技术进行支撑。根据交换芯片演进趋势、市场需求及技术成熟度，800Gb/s直调直检光模块预计于2021或2022年开始进入市场，2025年左右规模应用，早期将以8×100Gb/s方案为主，优先实现400Gb/s向800Gb/s的平滑演进。相干光模块方面，预计DP-16QAM方案不可插拔模块将于2022年下半年进入测试阶段，2023年小批量商用；可插拔模块将于2023年下半年进入测试阶段，2024年小批量商用。更长远来看，随着高带宽芯片器件及算法技术的不断演进，800Gb/s相干光模块传输距离将从ZR及以下发展至超长距，应用场景也将从DCI逐渐向城域、省干甚至骨干网扩展。标准化方面，IPEC已立项“NestGenerationWirelessFronthaul”项目。本部分重点介绍基于50Gb/sPAM4的下一代前传光模块当前研究进展及技术挑战，主要包含灰光和彩光两大类。其他50Gb/s灰光模块存在CDR和DSP两种技术方案。5G初期的25Gb/sSFP光模块多采用CDR+DRV的Combo芯片，50Gb/s光模块需要的Combo芯片Semtech、Macom等厂商目前已能提供初步样品，从已有数据来看，可满足300m短距离应用场景，但10km传输距离仍存在较大挑战。DSP方案方面，Inphi、橙科、Credo等已可提供初步样品，可满足10km传输距离的全温场景应用，但芯片性能受限于先进工艺（目前普遍采用16nm/12nm制程，未来可能向7nm等先进工艺演进）及算法（接收补偿、色散补偿和MPI补偿等）。基于DSP方案的光模块功耗相比于CDR方案高约0.3W~0.5W，芯片性能及可靠性还需进一步优化。在核心光电芯片方面，50Gb/sPAM4灰光模块可以和25Gb/sNRZ用25GBaud光电平台，激光器带宽的典型要求为17GHz~19GHz左右。目前，满足工业级温度要求的激光器产品国内外已相对成熟，住友、三菱、源杰、海信等均可提供。50Gb/s彩光模块主要包括CWDM和DWDM两种技术方案。5G初期，我国已部署25Gb/sCWDM无源彩光模块及配套合分波器。从保护已有投资并持续演进的角度，期望50Gb/s彩光模块能够支持CWDM6波解决方案。但随着速率提升至50Gb/s，1371nm波长存在色散风险，需要在接收端DSP进行色散补偿，具体补偿方案目前仍在评估阶段；基于CDR的技术方案目前来看无法有效解决色散问题。在日韩市场中，由于无线运营商需要向固网运营商租用光纤，或受限于已部署的有源/无源传输设备，对高收敛比（节省光纤）或灵活配置（编码归一）的DWDM固定定波长/可调谐彩光光模块存在需求。25GBaud的波长可调谐TOSA业界资源较少，仅II-VI、海思等少数厂商能够提供。下一代50Gb/sPAM4前传光模块在MPI断。IEEE已对50Gb/s2km、10km和40km的MPI规格进行了定义，链路接头越多指标越严格。从无线前传实际情况来看，CRAN典型场景下，BBU/AAU侧、合分波器、ODF架已确定存在6个接头，再考虑主干光纤可能存在多个接头，MPI指标要求优于-37dB。但参考现网数据，部分站点前传链路质量不能满足相关要求，因此需针对前传链路进行精确建模，研究检测及补偿方案。图18MPIBBU为风冷散热系统，可从BBU工作的-20℃~+50℃环境温度推演得到前传光模块需满足0℃~70℃的温度要求，功耗需满足~2W或更低@70℃需求。AAU为自然散热系统，可从AAU工作以25Gb/s10km链路预算约6.5dB为参考，CWDM合分波器插入损耗按照3~4dB估算，再考虑随着速率提升、50Gb/s接收灵敏度降低至-10dBm左右（按平均光功率），以及潜在的色散和MPI代价等因素，对50Gb/s彩光模块的出光功率提出了很高要求，后续需进一步细化链路预算研究并进行大功率激光器可靠性评估。下一代50Gb/sPAM4前传光模块仍存在较多挑战，亟需业界形成合力、协同开展相关研究，定义250GPON是ITU-T正在制定的下一代PON标准，单波长支持上下行50Gb/s速率、相比10GPON带宽可提升5倍。50GPON沿用TDMPON机制，支持现网已部署的ODN基础设施，满足10GPON的平滑演进；同时，考虑到智能新业务特性需求，在低时延、切片、节能和可靠性方面进行了扩展。50GPON主要适用于有线接入网和5G承载等应用场景，在5G承载应用场景中，OLT和ONU可提供CU与DU之间的业务传输，通过专用激活波长（DAW）、协作DBA（CO-DBA）、减小分配周期等技术来实现低时延。50GPON系统技术研究正在不断推进、标准逐步完善，光接口参数指标定义部分已基本完成。在有线接入网应用中，50GPON定位在中心机房，向上连接业务网络，向下通过各种类型ONU用户侧接口接入用户，系统支持点对多点拓扑，同时支持视频、数据、语音等业务。与GPON、10GPON一样，50GPON利用波分复用实现单纤双向传输，下行采用TDM时分复用，上行采用TDMA入，实现OLT和ONU之间的点到多点通信。目前，50GPON的波长方案已确定，支持与XGS-PON或10GEPON共存，支持外置CEx器件方式和多点到多点（MPM）方式共存机制。具体来看，对于50GPON与XGS-PON的MPM共存方式，即50GPONOLT的Combo型光模块，其功能框图如图19所示。模块内部需集成1340~1344nmPONOLT下行发射激光器、1290~1310nm（窄带可选择1300±2nm）50GPON1575~1580nmXGS-PONEML下行发射激光器和1260~1280nmXGS-PON上行APD探测器，以单纤双向光组件（BOSA）的方式实现光信号的发射与接收。对于50GPONOLT路预算需求，需优先考虑集成半导体光放大器（SOA）的EML激光器、50Gb/sEML驱动器和DSP芯片。对称模式的上行接收，可以考虑50Gb/sAPD探测器或SOA+PIN探测器，也可以采用25Gb/sAPD探测器，通过DSP补偿技术实现上行信号的接收。非对称模式的上行接收，可以考虑采用25Gb/sAPD、25Gb/sBIM-TIA和25Gb/sBIM-TIA来实现上行信号处理。对于XGS-PON10Gb/s激光器驱动器和突发LIA，实现上下行信号的光电转化。为了保持波长的稳定性，下行激光器一般需采用TEC。图1950GPONOLT与XGS-PONOLTCombo模式的OLT对于50GPONONU光模块，由突发上行发射机和连续模式的接收机组成，根据应用场景选择不同上行波长的激光器。非对称模式（24.8832Gb/s或12.5Gb/s）优先选择采用DFB激光器及驱动器；对称模式可考虑采用EML激光器提升上行RF性能，也可以选择DFB激光器，但需要依赖DFB激光器性能的优化，以满足50Gb/s传输要求。接收端可以考虑50Gb/sAPD探测器或PIN+SOA采用25Gb/sAPD探测器，通过DSP补偿实现上行信号接收。同样，对于ONU也可能存在与10GPON共存的ComboONU模式。50GPON的核心光电芯片与器件主要包括DSP、50Gb/s大功率激光器、EMLDriver、APD接收机、50Gb/sBM-TIA等：1）DSP：由于高带宽和大功率预算等需求，50GPON需引入DSP芯片来提升系统性能，支持G.HSP标准定义LDPCFEC，纠错能力>1e-2，以实现50Gb/sNRZ信号的连续发送和突发接收。2）50Gb/s大功率激光器：为满足50GPON超高功率预算要求(如classC+:32dB)，需要大功率高带宽激光器件，现有的50Gb/sEML激光器较难满足要求，需定制化开发EML+SOA集成光器件，是50GPON光模块的难点之一。EMLDriver：随着数据中心光模块速率的持续增长，50GHzEMLDriver可以匹配112Gb/sPAM4应用，业界产品已相对成熟。50GPON下行方向需高速EMLDriver，可以复用数据中心产业APD：25Gb/sAPD产业链目前基本成熟，倍增因子的业界平均水平约为5左右、响应度0.8，较高水平的3dB带宽接近20GHz，配合DSP可实现50Gb/s信号的高性能接收。高灵敏度的50Gb/s仍存挑战，目前尚未成熟。5）50Gb/sBM-TIA：为实现上行突发信号的快速可靠建立及接收，线性突发BM-TIA成为必需，在高带宽、大增益、快速响应AGC、低成本、高速封装等方面存在挑战。50GPON目前主要基于50Gb/sNRZ调制格式，发射机测试要求对带宽要求极高，测试方面也存在难点和挑战。另外，由于50GPON采用了更强的FEC，纠前误码率进一步放宽，传统TDP参数不再适合高目标误码率的传输链路，需借鉴其他标准规范中对类似传输通道的要求。ITU-TG.9804.3用了IEEE802.3中TDEC的相关内容，可作为50GPON发射机的测试参考。国际标准化方面，2018年ITU-T启动了基于单波长50GPON标准制定工作，命名为“G.G.HigherSpeedPON”，2021年ITU-T全会完成了物理层和TC层第一版。50GTDMPON物理层在全会中Consent，获得标准号G.9804.3。50GTDMPONTC层在全会中Consent，获得标准号G.9804.2，并决定启动G.9804.2Amd1增补研究项目，针对遗留的上行FEC准制定。国内标准化方面，50GPON总体要求、物理层要求、TC层要求等系列行业标准于2020年在CCSATC6WG2工作组立项。50GPON的OLT和ONU光模块是构建50GPON系统升级的核心部件，直接影响到系统的可靠性、成本和运维，行业标准《xPON光收发合一模块技术条件第11部分：用于50GTDMPON光线路终端/光网络单元（OLT/ONU）的光收发合一模块》和《xPON光收发合一模块技术条件第12部分：用于10GPON和50GPON共存的光线路终端（OLT）的光收发合一模块》也相继在CCSATC6WG4工作组立项。产业推进方面，50GPON光模块产业链目前仍处于起步阶段，高速率、低功耗的DSP芯片研发进度较慢、暂无实际进展。在高带宽光电芯片器件领域，国内厂商存在赶超机会。相比于10GPON，50GPON光模块技术难度大幅增加，在光模块封装、突发发射/接收性能、光功率链路预算等方面技术挑战较大，需整个产业链协同突破，共同推进50GON发展。3随着数据中心流量快速增长，交换机容量、端口密度、功耗等均面临挑战，CPO技术期望通过将交换芯片与光电引擎共同封装在同一基板上，引擎尽量靠近ASIC，以最大程度地减少SerDes功耗、高速电通道损耗和阻抗不连续性，从而获得高速率、大密度和低功耗。CPO技术将对现有光模块产业产生较大影响，原开放解耦的标准化光模块产业将与交换芯片产业交互融合。目前，CPO主要技术方案及应用场景有两类，一是基于VCSEL激光器的多模方案，面向30m及以内的超算及AI机群短距离光互连；二是基于硅光集成的单模方案，面向2km及以内的数据中心机架及机群间光互连。其中，基于硅光集成的单模方案具有无需气密封装、高带宽、易集成等优势，预计将成为CPO的主流技术方案，部分厂商已取得一定成果或制定了相关规划。国际标准化方面，CPOJDF2019年成立，以需求为主导为制造商提供端到端设计指南和开放规范，2021年发布《3.2Tb/sCopackagedOpticsOpticalModuleProductRequirementsDocument》，提出51.2Tb/s交换芯片合封光引擎设计框架，光接口支持400GEFR4/DR4规格。OIF于2020年启动CPO框架项目计划，项目主要内容：确定CPO技术的应用及要求，研究并确定与CPO相关的关键问题，针对互操作性标准达成协议，发布技术白皮书，开展后续标准化活动等；2021年3月启动用于数据中心内部交换应用的3.2Tb/sCPO模块项目；2021年5月启动外置激光小型可插拔(ELSFP)模块项目，研究外置光源模块的封装形式、封装尺寸以及连接方式等。COBO2020年底成立Co-PackedOpticsWG，将开发CPO技术指南和标准等；IPEC于先进技术研究工作组中启动OIO/CPO研究项目；CW-WDMMSA2020年成立，2021年发布技术规范，以1300.05nm为中心波长，定CPO光器和外置激光器两种技术方案，内置激光器方案具备单片集成等优点，以及可维护性差、低功耗等缺点；外置激光器方案具备便于散热和维护、高可靠性和低成本等优势，以及耦合效率低、插损大、PIC到光源需PM光纤、人眼安全性低和非线性效应等问题。CPO产业生态构建尚处于早期阶段，目前仍面临较多挑战，尤其在工程能力方面，具体包括：外置光源方案复杂度高、耦合损耗大；光与电的可靠性相差较大，如何满足电能力存在挑战；超大基板设计与制造、密集出纤能力、走纤一致性、光连接器等高密无源封装、多路串扰抑制、异质集成等规模互连问题存在挑战；传统光器件主要基于InP平台，核心器件如何CMOS或