Page 28 - 网络电信2024年7月刊
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光通信
在G.654.E光纤上，192 GBd方案配合PS-16QAM调制以及更强的 小型化、高集成度成为光器件不断追求的基础需求。早期
前向纠错误码，可以实现1000 km以上的传输，满足骨干网大部 光芯片、驱动器、跨阻放大器、相干DSP芯片均为分立形态，
分应用需求，并且系统传输容量有提升。相干DSP芯片的主流 现阶段光器件集成了光电芯片以满足小型化需求。2012年第一
晶圆代工厂为台积电。台积电3 nm和2 nm工艺路线支持192 GBd 代长距相干100G光模块采用300PIN-MSA模块（127.0 mm×177.8
和256 GBd开发。2022年台积电实现3 nm芯片量产，预计2025— mm）。数据中心短距离相干光模块功耗较低，倾向采用QSFP-DD
2026年量产2 nm芯片。数据中心互联的ZR应用需求远大于长途 封装（18.35 mm×52.40 mm）；电信长途传输应用功耗较大，
传输需求。光互联网络论坛（OIF）标准的1.6T-ZR1标准确定的 倾向采用CFP2模块（41.5 mm×91.5 mm）。光器件尺寸越小，
信号波特率影响128 GBd之后的器件带宽选择。 低功耗和先进散热设计就越重要。2012年第一代长距相干100G
图3 信号波特率的演进过程 光模块功耗大于50 W,2023年400ZR光模块典型功耗不到18 W，
长距400G光模块典型功耗约为25 W，近期研发的100ZR的QSFP28
2）多波段 光模块典型功耗甚至低至5 W。光模块功耗的降低归因于DSP芯
为保持容量的提升，传统波分复用系统的通道数维持80 片、光源和光器件的技术发展。随着信号波特率提升，DSP芯片
波。当波特率提升且频谱效率不变时，需要考虑波段扩展。为 功耗增加，DSP芯片需要采用更先进的工艺节点来优化尺寸和功
确保光信噪比（OSNR）性能，骨干网传输系统首选正交相移 耗。
键控（QPSK）调制方案。100G骨干网波分系统采用C80方案，
200G骨干网波分系统采用C120方案，400G骨干网波分系统采用 5）低成本
C120+L120方案。800G骨干网波分系统如果仍采用QPSK调制， 不断降低成本是相干光收发器件规模应用的需求。波分复
为实现系统传输容量的升级，需要扩展到S+C+L+U波段；如 用系统升级的驱动力是单位比特传输成本的不断下降。提升信
果采用PS-16QAM调制，需要扩展到S+C+L波段。G.652光纤和 号速率或波特率，减少光电器件数量，有利于降低单位比特传
G.654.E光纤均支持多波段。S、U波段的相干光收发器件和光放 输成本。当技术上信号波特率难以持续提升时，多路集成是可
大模块技术成熟度偏低，研发仍处于实验阶段。多波段系统由 行方案，例如数据中心1.6 Tbit/s和3.2 T bit/s的短距ZR/ER
于拉曼通道功率转移效应导致OSNR不均衡代价，因此需要综合 互联场景。当波段扩展和波特率提升不作为优先需求时，需要
考虑多波段系统的性价比。当波段扩展的代价太大或无法持续 考虑多路集成方案。在400G时代，相干光模块下沉到120 km单
扩展波段时，单光纤系统可以不用维持80波，此时多芯光纤将 跨传输；在800G时代，相干光模块下沉到10 km和40 km单跨传
成为传输容量升级的另一技术路径。近年来，具有低时延、小 输。相干光模块下沉的前提是非相干技术的传输能力无法满足
非线性效应、低色散、多波段等优点的空芯光纤被广泛认可， 应用场景需求，同时相干光收发器件的技术发展能够促使成本
但目前距离骨干网规模商用还比较遥远。总之，从技术成熟度 下降。低成本相干光模块设计思路有：光器件规模应用和技术
考虑，下阶段采用S+C+L波段的可能性大于S+C+L+U波段，但 发展降低成本、非气密封装代替气密封装、集成驱动器和跨阻
也不排除考虑性价比继续沿用现有的C+L波段。 放大器的相干DSP、固定波长光源代替可调谐光源、功能简化版
3）高性能 可调谐光源、信号和本振光源同频异纤传输免频率补偿、O波段
相干光模块的OSNR性能决定了传输能力，它取决于DSP算 传输无需色散补偿、降低采样率降低功耗等。
法、光芯片材料、电芯片性能及光电芯片之间高速电信号互联
的质量。骨干网要求传输能力在1 000 km以上，属于OSNR受限 2 未来技术演进
系统，对此一般采用QPSK或PS-16QAM调制方案。相干光收发器
件要求带宽大于所支持最大波特率的一半。从64 GBd相干光收 2.1 新材料光芯片
发器件开始，电芯片带宽峰化功能有效补偿了光芯片的带宽不 光芯片材料有硅光、磷化铟和薄膜铌酸锂，以及硅光-薄膜
足和封装带宽损失。速率越高，器件的实施代价越大。当器件 铌酸锂的异质集成新材料,是实现高波特率、多波段、高性能、
带宽大于110 GHz时，封装设计的信号完整性难度大，芯片设计 高集成度、低成本相干光收发器件的关键要素之一。
和器件封装将是较大的挑战。 当前，高速相干光芯片的主流材料有硅光、磷化铟和薄膜
4）高集成度 铌酸锂。硅光材料支持多波段，具有集成度高、封装友好、成
本低等特性，成为可插拔相干模块市场的主流选择。硅锗探测
器如果要实现110 GHz以上的带宽，就需要减小载流子渡越时
间，采用电感带宽峰化措施。一般认为，硅光技术实现192 GBd
或256 GBd仍存在较大的技术挑战。2023年已有厂商实现相干
128 GBd硅光相干调制和接收。关于磷化铟器件，早在2019年就
有研究团队率先公开192 GBd-QPSK发射机。近期有多个研究团
队实现了110 GHz以上带宽的单行载流子（UTC）结构磷化铟光
电探测器。磷化铟器件存在一些缺点，它需要控制温度，外置
偏振管理器件，封装相对复杂，单芯片仅支持单波段工作。传
统体材料铌酸锂素有“光学硅”的称号。自2018年以来，薄膜
铌酸锂材料以大带宽特性成为研究热点。目前已有多个研究团
队报道了带宽大于110 GHz的调制器，预计薄膜铌酸锂调制器将
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