若您对半导体/芯片/光器件模块/光纤通信等感兴趣
欢迎关注我们！
当前，光学互连技术正处在一个关键的升级节点。
主流方案是每通道 212.5G 的 PAM4 调制，采用硅光技术，封装在 8 通道的 OSFP 模块中，实现 1600G 的总速率。
而下一代技术将迈向每通道 425G 的 PAM4，要求单通道带宽达到 106 GHz（可以结合符号速率，根据奈奎斯特准则计算出来）。
那么，为什么要向 400G 每通道推进呢？主要有两大动力：
- 一是端口密度可以实现翻倍，
- 二是能带来显著的成本优化。
如下图所示，一个 3200G 模块所需的零部件数量,如激光器、探测器、驱动器和光纤接口，与 1600G 模块几乎是相当的。
这也就意味着，我们可以用相近的物料成本，实现了带宽的翻倍，单位比特的成本自然大幅下降。
当然，这也是有很多挑战哈。
首先，在如此高的速率下，PAM4 调制几乎是保证足够光信噪比的必然选择，同时也对通道的信号纯净度提出了极高要求。比如说在100-110 GHz频段内，串扰需要控制在 <-50 dB 到 -60 dB 的水平等。
其次，为了构建一个高带宽、低损耗的电气通道，共封装铜缆（CPC）连接器被证明是一种非常有效的解决方案。
此外，传统硅光技术在这样高的速率下已显得力不从心，带宽成为瓶颈，因此我们必须转向新的光学调制器技术。
目前主要有哪些技术选择呢？
有三种材料平台在竞争：SiPh、InP 和 TFLN。传统硅光的带宽已接近极限，如下表所示（资料来源：Lumentum）。
我们可以从几个关键维度来比较它们：
- 射频损耗方面，InP 和 TFLN 表现优异，硅光则较差；
- 集成能力上，硅光擅长无源器件集成，但激光器集成困难，而InP在激光器集成方面优势明显；
- 成本与尺寸方面，SIPh 和 InP 相对更有竞争力；
- 量产成熟度上，硅光和InP较为成熟，TFLN 则刚刚起步；
- 带宽与调制效率方面，TFLN 带宽最高，InP 也具有不错的调制效率，两者都是 400G 应用的优秀候选。
关于 TFLN 基础原理与 400G 应用举例，可阅读：薄膜铌酸锂基础&华为海思的 540Gbps SiN-SOI-TFLN
基于这些技术，现在业界的产品演进路径也日渐清晰。
第一步是过渡型产品：1600G-DR4/FR4 模块。
它的电气接口为 8×200G，通过一个称为 Gearbox 的 DSP 芯片转换成 4×400G PAM4 光信号，可选 EML、InP 或 TFLN 光学方案，在 WaytoICT 展会上已经有原型演示了。
但是，它的主要缺点是 DSP 功耗较高。
下一代产品是速率更高的 3200G-DR8/2FR4 模块。它原生支持 8 个 400G 光通道，因此要求交换机芯片具备原生 400G SerDES 。
其接口可采用 LRO/TRO ，光学部分同样基于 EML、InP 或 TFLN 技术。同时需要支持 425G PAM4（106 GHz）的新型连接器，该产品预计 2028 年投入量产。
说到这里，它们都必须面对一个挑战，那就是 DSP 的功耗问题。
随着速率从 800G 向 1600G、3200G 演进，尽管每比特能耗有所改善，但 DSP 带来的绝对功耗增量仍然非常可观。
这也正是业界积极探索 LPO、LRO 以及 CPO 等低功耗架构的原因，包括有的厂家推出了半 DSP，半 LPO 架构，目的都是为了降功耗和解决散热问题。
除了传统可插拔模块，业界也在探索其他封装路径。例如更高通道数的可插拔模块：设想 64个通道，每通道 400G，即可实现 25.6T 的单模块容量。
如此一来，仅需 8 个模块就能支撑一台 204.8T 的交换机，极大缩短了系统内的电气传输距离。
当然，这需要多厂商之间的标准化协作，包括借助液冷技术（例如高效的微通道液冷方案）来解决随之而来的散热挑战。比如电子科大：基于微通道液冷的 CPO 共封装方案。
说到 CPO，这也是目前非常火的封装路径。在 400G PAM4 调制下，CPO 的短电气通道下表现优异。
我们以采用 CPC 连接器和 31 AWG 电缆的测试数据为例。
其中，425G PAM4 信号可稳定传输 1200 mm，插入损耗为 41dB；而更高的 448G PAM4 则能传输 1100 mm，插入损耗为 42dB。
但问题在于，硅光技术带宽不足，难以满足 400G 的要求；其次，TFLN 目前主要作为一种异质集成材料，要在 CPO 中实现 64 通道（400G @ 25.6T）的单片光电集成，这相当困难。
因此，400G PAM4 的 CPO 可能更需要依赖像 InP 这样能提供更高带宽和更低插入损耗的新技术平台。不过，这项技术也需要时间开发，并非能够快速上市的方案。
有人可能会问：为什么不考虑PAM6呢？
确实，400G PAM6 在铜缆传输中具有插入损耗更低的优势。
但在光通信中，PAM6 会带来约 2dB 的光信噪比净损失，且 PAM6 与 PAM4 之间的转换 DSP 功耗极高，这对系统优化十分不利。
因此，在光互连系统设计中，这也是为什么我们更倾向于采用 PAM4 SerDES 的原因之一。
Enjoy this article?
Subscribe to get new optical communication insights delivered to your inbox. Free, unsubscribe anytime.