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向800G及以上的演进

Whoscored中文官网 | 编译自 Effect Photonics

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对数据和其他数字服务的需求正在成倍增加。从2010年到2020年，全球互联网用户的数量翻了一番，全球互联网流量增加了12倍。从2020年到2026年，互联网流量可能会增加5倍。为了满足这一需求，数据通信和电信运营商需要不断升级他们的传输网络。

400Gbps链路正在成为整个电信传输网络和数据中心互连的链路标准，但供应商已经在考虑下一步的发展。LightCounting预测，未来五年，数据速率为600G、800G及以上的密集波分复用（DWDM）端口的出货量将大幅增长。

图1：按数据速率划分的高速DWDM端口出货量（历史数据和预测）。资料来源：LightCounting光通信市场预测，2022年4月。

这个发展路线图的主要障碍仍然是收发器的功耗、热管理和可负担性。在过去的二十年里，随着我们从直接检测到更耗电的相干传输，可插拔模块的额定功率也在增加：从SFP模块的2W到QSFP模块的3.5W，现在QSSFP-DD的功率为14W，OSFP外形系数为21.1W。Rockley Photonics的研究人员估计，未来一个装满800G模块的电子开关，仅光模块就需要1千瓦左右的功率。

因此，存在许多激励措施，以继续提高可插拔式光收发器的性能和功耗。通过接受更多的光子集成、协同设计的PIC和DSP以及多激光器阵列，可插拔模块将能够更好地扩展数据速率，同时保持经济实惠和低功率。

800G及以上的是采用直接探测还是相干技术？

虽然相干技术已经成为地铁距离（80公里以上）的主导技术，但校园（<10公里）和数据中心内（<2公里）的距离，仍然在直接检测技术（如PAM 4）和相干技术之间争夺。

当数据速率为100Gbps时，这些链接原本是直接检测产品的领域。然而，当我们进入Terabit速度时，相干技术的功耗更接近直接检测PAM-4解决方案的功耗。

这种差距缩小的一个主要原因是，直接检测技术在这些数据速率下往往需要额外的放大器和补偿器，而相干插件则不需要。这也使得相干技术的部署和维护更加简单。此外，随着相干收发器产量的增加，其价格也将变得与直接探测解决方案有竞争力。

提高集成度和协同设计是降低功耗的关键

最近，我们已经看到了许多努力，以进一步提高整个电子行业的组件水平的集成度。例如，在电子处理器中，在单个芯片中集成更多的组件，已经产生了显著的效率。苹果公司的M1处理器将所有的电子功能都集成在一个系统芯片（SoC）中，与他们前几代电脑中使用的分立元件的处理器相比，消耗的功率只有三分之一。我们可以从下表中观察到这种进步。

表1：采用M1 SoC芯片的Mac Mini与前几代Mac Minis的耗电量比较。来源：苹果公司网站

光子学可以通过遵循类似的集成方法来实现更大的效率提升。耦合离散光学元件所需的互连导致电和光的损失，必须用更高的发射器功率和更多的能源消耗来补偿。相比之下，制造商在单个芯片上集成的有源和无源光学元件（激光器、调制器、探测器等）越多，他们就能节省更多的能源，因为他们避免了分立元件之间的耦合损失。

图2：通过不同的集成方法将激光器与其他光子元件集成的例子。完全集成的方法（右侧）是使损失最小的方法。

用多激光器阵列降低复杂度

今年早些时候，英特尔实验室展示了一个完全集成在硅片上的八波长激光阵列。这些里程碑式的成果将为可插拔设备提供更具成本效益的方式，以扩展到更高的数据速率。

假设我们需要一个容量为1.6 Terabits/s的数据中心互连。我们有三种方式可以实现：

四个400G的模块：这个解决方案使用现有的现成模块，但占用的空间最大。它需要路由器面板上的四个插槽和一个外部多路复用器，将这些插槽合并成一个1.6T通道。
一个1.6T的模块：这种解决方案不需要外部多路复用器，只占用路由器面板上的一个插头槽。然而，制作一个单通道的1.6T设备具有最高的复杂性和成本。
一个有四个内部通道的400G的模块：一个有四个激光器阵列的模块（因此有四个不同的400G通道）将只需要面板上的一个插槽，同时避免了单通道1.6T方法的复杂性和成本。

表2：实现1.6 Terabit/s链路的不同方式的比较：四个400G的模块，一个单通道的1.6T模块，和一个有四个通道的400G模块。

多激光阵列和多通道解决方案将变得越来越有必要，以增加相干系统的链接容量。它们将不需要在路由器面板上有更多的插槽，同时避免了仅用单一通道提高速度的更高成本和复杂性。

启发

全球数据需求的步伐是无情的，数据通信和电信网络所需的链路升级速度也是如此。400G收发器目前正在取代以前的100G解决方案，几年后，它们将被数据速率为800G或1.6兆字节的收发器取代。

相干技术的成本和功耗仍然是更广泛的容量升级的障碍，但业界正在寻找克服它们的方法。更紧密的光子集成可以将光学系统的损失和功耗降到最低。最后，多激光器阵列的出现可以避免只用一个收发信道来增加容量的更高成本和复杂性。