以太网新型高速光模块关键技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研 究 报 告 要 点 在云计算、移动互联网、视频、 AR/VR 等新型业务和应用模式的驱动下，全球 IP 流量呈爆炸式增长，对以太网提出了更高要求。本研究报告首先对以太网的发展趋势进行了简要分析，进而提出了光模块的演进方向。其次，以以太网速 率为维度，分别对 25GE、 50GE、 100GE、 200GE 和 400GE 新型高速光模块的电接口、多模光纤光接口、单模光纤光接口、封装的技术规范 和 最新进展 进行了分析，涵盖 OIF、 IEEE802.3 等主要国际标准组织、以及 PSM、 CWDM、 SWDM、 CFP、SFF、 QSFP-DD、 OSFP、 COBO 等多源协议或联盟组织的研究内容，并对不同封装 形式 的带宽密度、线卡容量等参数进行了比较。第三，对以太网新型接口的主要光学参数进行了总结。最后，对研究报告的主要内容进行总结，为后续国内进行以太网新型高速光模块相关标准的制定 提出建议。 (传送网与接入网技术工作委员会光器件工作组 ) 研究单位： 中国信息通信研究院，深圳新飞通光电子技术有限公司，烽火科技集团有限公司，武汉华工正源光子技术有限公司 ， 中兴通讯股份有限公司 项目负责人： 吴冰冰 项目参加人： 赵文玉， 陈悦， 曹丽 ， 刘王来 ，武成宾 完成日期： 2017 年 4 月 30 日 目 录 1 前言 . 1 2 缩略语 . 1 3 以太网新型高速光模块应用背景 . 3 3.1 以太网发展趋势 . 3 3.2 光模块发展趋势 . 4 4 25G 以太网新型高速光模块关键技术 . 4 4.1 电接口 . 5 4.2 光接口 . 6 4.2.1 多模光纤 . 6 4.2.2 单模光纤 . 7 4.3 封装 . 8 4.4 小结 . 9 5 50G 以太网新型高速光模块关键技术 . 9 5.1 电接口 . 10 5.2 光接口 . 13 5.2.1 多模光纤 . 13 5.2.2 单模光纤 . 14 5.3 封装 . 15 5.4 小结 . 15 6 100G 以太网新型高速光模块关键技术 . 15 6.1 电接口 . 16 6.2 光接口 . 17 6.2.1 多模光纤 . 17 6.2.2 单模光纤 . 18 6.3 封装 . 22 6.4 小结 . 24 7 200G 和 400G 以太网新型高速光模块关键技术 . 24 7.1 电接口 . 25 7.2 光接口 . 28 7.2.1 多模光纤 . 28 7.2.2 单模光纤 . 28 7.3 封装 . 33 7.4 小结 . 39 8 主要光学参数 . 40 9 总结 . 40 10 参考文献 . 41 1 以太网新型高速光模块关键技术研究 1 前言 在云计算、移动互联网、视频、 AR/VR 等新型业务和应用模式的驱动下，全球 IP流量呈爆炸式增长，驱动以太网一方面向 400GE 更高速率发展，另一方面出现了 25GE、50GE、 200GE 等新速率。光模块技术 随着以太网的发展 适需演进，正经历着系列变革，因此在 CCSA 开展以太网新型高速光模块课题研究、探讨共性技术问题具有重要意义。本报告对 25GE、 50GE、 100GE、 200GE 和 400GE 新型高速光模块的电光接口、封装形式和光学参数等内容进行了 研究，可为后续相关标准的制定提供参考。 本报告内容共分 10 章，主要内容安排如下： 第 1 章： 前言 ，介绍报告主要 研究内容； 第 2 章： 缩略语 ； 第 3 章：以太网新型高速光模块应用背景 ，包括以太网及光模块 的 发展趋势 ； 第 4 章 ： 25G 以太网新型高速光模块关键技 术 ，包括电接口、光接口、封装等内容 ； 第 5 章： 50G 以太网新型高速光模块关键技术 ，包括电接口、光接口、封装等内容 ； 第 6 章： 100G 以太网新型高速光模块关键技术 ，包括电接口、光接口、封装等内容 ； 第 7 章： 200G 和 400G 以太网新型高速光模块关键技术 ，包括电接口、光接口、封装等内容 ； 第 8 章： 以太网新型高速光模块的主要光学参数； 第 9 章： 对报告进行总结 ； 第 10 章：参考文献。 2 缩略语 下列缩略语适用于本 文件 。 APD： 雪崩光电二极管 （ Avalanche Photo Diode） AUI：附加单元界面（ Attachment Unit Interface） BER：比特差错率（ Bit Error Ratio） C2M：芯片到模块（ Chip to Module） CAUI： 100Gb/s 附加单元界面（ 100Gb/s Attachment Unit Interface） CDFP： 400Gb/s 可插拔封装（ 400Gb/s Form factor Pluggable） CEI：通用电气接口（ Common Electrical Interface） CFP： 100Gb/s 可插拔封装（ Centum Form factor Pluggable） CWDM：粗波分复用（ Coarse Wavelength Division Multiplex） DCO：数字相干光（ Digital Coherent Optical） DML：直接调制激光器（ Directly Modulated Lasers） EH：眼高（ Eye Height） 2 EML：电吸收调制激光器 （ Electro-Absorption Modulated Laser ） ER：消光比（ Extension Ratio） EW：眼宽（ Eye Width） FEC：前 向纠错（ Forward Error Correction） LAUI： 50Gb/s 附加单元界面（ 50Gb/s Attachment Unit Interface） MMF：多模光纤（ Multi-Mode Fiber） MSA：多源协议（ Multi-Source Agreement） MPO：多光纤连接器（ Multi-fiber Push-On） NRZ：不归零码（ None Return to Zero） OBO：板载光模块（ On-Board optics） OMA：光调制幅度（ Optical Modulation Amplitude） OTN：光传送网（ Optical Transport Network） PAM：脉冲幅度调制（ Pulse Amplitude Modulation） PCS：物理编码子层（ Physical Coding Sub-layer） PD：光电探测器（ Photo Detector） PIN： PIN 结二极管（ Positive Intrinsic Negative） PMA：物理介质接入（ Physical Medium Attachment） PMD：物理介质相关（ Physical Medium Dependent） PSM：并行单模（ Parallel Single Mode） QSFP： 4 通道小型可插拔（ quad small form factor pluggable） RIN：相对强度噪声（ Relative Intensity Noise） RMS：均方根（ Root Mean Square） RS FEC：理德 -所罗门 FEC（ Reed-Solomon FEC） SFP：小型化可插拔（ small form factor pluggable） SFP+：增强型小型化可插拔（ enhanced small form factor pluggable） SMF：单模光纤（ Single-Mode Fiber） SMSR：边模抑制比（ Side Mode Suppression Ratio） SWDM：短波波分复用（ Short-wavelength Wavelength Divison Multiplex） TDEC：发送和色散眼闭合（ transmitter and dispersion eye closure） TDECQ： PAM4 发送和色散眼闭合（ transmitter and dispersion eye closure quaternary） TDP：发送和色散代价（ Transmitter and Dispersion Penalty） TEC：半导体制冷器（ Thermo-Electric Cooler） TIA：跨阻放大器（ Trans-Impedance Amplifier） VCSEL：垂直腔面发射激光器（ Vertical Cavity Surface Emitting Laser） WBMMF：宽带多模光纤（ Wideband Multimode Fiber） WDM：波分复用（ Wavelength Division Multiplex） 3 3 以太网新型高速光模块应用背景 3.1 以太网发展趋势 在云计算、移动互联网、视频、增强虚拟现实（ AR/ VR）等新型业务和应用模式的驱动下，全球 IP 流量呈爆炸式增长，根据思科研究数据，全球 IP 流量在 2016 年已超过 1Zettabyte，到 2020 年将以 22%的年复合增长率达到 2.3Zettabyte1，急剧增长的数据流量对以太网提出了越来越高的要求 。 一方面，以太网向更高速率发展。 随着 40/100G 以太网标准制定完成，技术应用及产业链日益成熟，国际国内标准组织纷纷开展超 100Gb/s 技术研究和标准制定。电气和电子工程协会（ IEEE） 802.3 于 2013 年率先通过了 400GE CFI 立项，并成立 802.3bs 工作组推进 400GE标准化进程；国际电信联盟（ ITU-T） SG15 在 2012 年提出标准化 Nx100G OTUCn 构想，讨论 400Gb/s OTN 架构、帧结构和开销等技术建议， 2016 年 2 月正式批准包含 B100G OTN 的G.709 V5 标准；光互连 论坛（ OIF）启动了 56Gb/s 电接口和 400Gb/s Transponder 方面的标准制定。国内标准方面，中国通信标准协会（ CCSA）相继完成了 “400G/400GE 承载和传输技术研究 ”2、 “400GE 客户侧光模块关键技术研究 ”3等课题报告，目前正在进行 “400Gb/s强度调制可插拔光收发合一模块 ”、 “400Gb/s相 位调制光收发合一模块 ”和 “N400Gb/s光波分复用（ WDM）系统技术要求 ”等标准的制定。 图 1 以太网发展线路图 4 另一方面，以太网速率出现分化。 回顾以太网发展历史，速率通常是以 10 倍为单位增长演进，例如从 10M 到 100M，从 100M 到 1GE，再到 10GE、 100GE，期间也有 40GE。然而在 2014 年，以太网标准打破常规，推出了 2.5GE 和 25GE 两个新速率，以提供更 加灵活和多样化的业务应用支撑。与 4 通道的 40GE 技术相比，单通道的 25GE 在连接性能和物理通道效率方面优势明显，可提供更大的端口密度及更低的单位成本。数据中心互连可分为机架内互连、机架间互连和数据中心之间的互连，三种互连方式的以太网连接速率正在由传统的10GE/40GE/100GE 逐渐向 25GE 甚至 50GE/100GE 甚至 200GE/400GE 发展。此外， IEEE 已经开始着手 50GE 和 200GE 的以太网标准化工作，预计将在 2018 年完成。 4 图 2 数据中心互连方式 3.2 光模块发展趋势 随着以太网的迅速发展，光模块经历了系列变革，不断向高速率、热插拔、小型化、低功耗、低成本等方向演进。一方面，为了适应 25GE、 50GE、 200GE、 400GE 等新的以太网速率，出现了新的光电接口标准，以及 SFP28、 SFP56、 QSFP56、 CDFP、 CFP8、 QSFP-DD、OSFP 等新的封装形式。另一方面，以 100GE 速率为例，为了满足以太网高密度端口互连、低功耗、低成本等发展需求，出现了像并行光纤（ PSM）、粗波分复用（ CWDM）、高阶调制等更多 物理层 技术方案，模块封装也从第一代的 CFP、 CXP 逐渐向 CFP2/4、 QSFP28、以及microQSFP 等更小尺寸、更低功耗的方向演进。因而，对近年来快速发展的以太网新型高速光模块技术展开研究具有重要意义，可为后续国内标准的制定提供参考和建议。 4 25G 以太网新型高速光模块关键技术 图 3 25G 以太网架构 5 2014 年，由 Arista、 Broadcom、 Google、 Mellanox 和 Microsoft 等公司发起成立了 25G以太网联盟（ 25 Gigabit Ethernet Consortium），该 组织的主要目的是提升 25/50G 以太网标准化，并促进相关产品的研发及改进，到 2016 年 6 月，该组织推出的 25/50G 规范已更新至 2.0版本 5。 IEEE 从 2015 年开始进行 25G 以太网标准化研究，提出的 25G 以太网架构如 图 3 所示， 2016 年 8 月发布 IEEE 802.3by 标准，为电背板、铜双轴电缆以及基于多模光纤（ MMF）的短距（ SR） 25G 以太网传输提供规范 6；在此基础上， IEEE 2016 年又成立 了新的 802.3cc工作组，制定基于单模光纤（ SMF）的 10km（ LR）和 30/40km（ ER） 25GE 物理层标准 7。国内 CCSA 在 2015 年已开展了 “ 单路 25Gbps SFP+光收发合一模块 ” 的课题研究 8。 4.1 电接口 2014 年 2 月， OIF 正式发布了 OIF-CEI-03.19，其中 CEI-28G-VSR 规范了 NRZ 编码、19.6Gb/s28.1Gb/s 速率下芯片到模块（ C2M）的电接口技术要求，从而为基于 25Gb/s 速率传输的主机和模块电路设计提供了依据。 IEEE 802.3 同样开展了基于 25Gb/s 速率的电接口技术标准研究， 2015 年 3 月， IEEE 802.3bm 正式 发布，其中 Annex 83E 定义了 425G（ CAUI-4） C2M 高速电接口规范。 CAUI-4由相互独立的输入和输出路径组成，每条路径包含 4个标称速率为 25.78125 Gb/s的差分通道。在 IEEE 802.3by 标准中， Annex 109B 定义了单通道 25GAUI C2M 高速电接口规范，其在以太网模型中的位置如 图 4 所示，近似等同于 CAUI-4 中的其中一个通道。 25GAUI 相关电接口规范和测试方法与 CEI-28G-VSR (OIF-CEI-03.1)类似，电接口特性与 CAUI-4 类似。 图 4 25GAUI 接口在以太网中的位置 25GAUI 链路差损包括 Host 侧电层链路损耗、模块侧电层链路损耗、以及两者之间的连接器损耗，典型的插入损耗预算如 图 5 所示。 6 图 5 25GAUI C2M 链路模型与插入损耗 12.89GHz 表 1 和 表 2 对 OIF-CEI-28G-VSR 和 IEEE802.3 Annex 83E 标准中的 25Gb/s 电接口特性进行了比较。 表 1 25Gb/s 模块输入高速电接口规范 参数名称 OIF-CEI-28G-VSR IEEE 802.3 Annex 83E 单位 最大差分电压（峰峰值） 900 900 mV 共模电压（ Vcm） -3502850 -3502850 mV 最大共模噪声电压（ RMS） 17.5 17.5 mV 最大差分终端阻抗失配 10 10 % 差分输入回损（ SDD11） 参考 OIF-CEI-28G-VSR 公式 13-19 参考 IEEE 802.3 公式 83E-5 dB 差分到共模输入回损（ SCD11） 参考 OIF-CEI-28G-VSR公式 13-20 参考 IEEE 802.3 公式 83E-6 dB 模块输入高速电接口加压测试条件 比特误码率（ BER）或 10-15 10-15 - 对应 BER 下的眼宽（ EW） 0.46 0.46 UI 对应 BER 下的眼高（ EH） 95 95 mV 表 2 25Gb/s 模块输出高速电接口规范 参数名称 OIF-CEI-28G-VSR IEEE 802.3 Annex 83E 单位 最大差分电压（峰峰值） 900 900 mV 共模电压（ Vcm） -3502850 -3502850 mV 最大共模噪声电压（ RMS） 17.5 17.5 mV 最大差分终端阻抗失配 10 10 % 差分输出回损（ SDD22） 参考 OIF-CEI-28G-VSR公式 13-19 参考 IEEE 802.3 公式 83E-2 dB 差分到共模输出回损（ SCD22） 参考 OIF-CEI-28G-VSR公式 13-21 参考 IEEE 802.3 公式 83E-3 dB 比特误码率（ BER） 10-15 10-15 - 对应 BER 下的眼宽（ EW） 0.57 0.57 UI 对应 BER 下的眼高（ EH） 228 228 mV 4.2 光接口 4.2.1 多模光纤 基于多模光纤的短距光互连相比于基于铜线的电互连，具有高带宽、低损耗、低串扰等优势，目前已广泛应用于机柜间、框架间、以及 板间的高速互连。 IEEE 802.3by 标准定义了