高速光模块的应用场景、需求分析及有哪些要求

科技的飞速发展，使人们的生活日新月异。5G、大数据、区块链、云计算、物联网以及人工智能等应用市场快速发展，给数据流量带来了爆炸性增长，数据中心互联逐渐发展成为光通信的研究热点。当前高速光模块应用场景主要分为互联网数据中心网络和城域网光传送网络及以5G承载网为代表的电信网络。

光模块在数据中心的应用

现在的数据中心已不再仅仅是一座或几座机房，而是一组数据中心集群。为实现各种互联网业务和应用市场的正常工作，要求数据中心之间协同运转。数据中心之间信息实时海量交互，这就产生了数据中心互联网络需求，光纤通信则成为了实现互联的必要手段。

与传统的电信接入网传输设备不同，数据中心互联要实现信息量更大、更密集的传输，就要要求交换设备拥有更高速率、更低功耗，以及更加小型化。而决定这些性能是否能够实现的一个核心因素，则是光模块。信息网络主要以光纤作为传输介质，但目前计算、分析还必须基于电信号，而光模块就是实现光电转换的核心器件。

数据中心通信光模块可按照连接类型分为三类：

（1）数据中心到用户，由访问云端进行浏览网页、收发电子邮件和视频流等终端用户行为产生；

（2）数据中心互联，主要用于数据复制、软件和系统升级；

（3）数据中心内部，主要用于信息的存储、生成和挖掘。根据预测，数据中心内部通信占数据中心通信70％以上的比例，数据中心建设的大发展，也就催生了高速光模块的发展。

数据流量持续增长，数据中心大型化、扁平化趋势推动光模块向两方面发展：

· 传输速率需求提升

· 数量需求增长

数据中心大型化趋势导致传输距离需求提升，多模光纤的传输距离受限于信号速率的提升，预计将逐渐被单模光纤代替。而光纤链路成本由光模块和光纤两部分组成，针对不同的距离，也有不同的适用方案。就数据中心通信所需的中长距离互联而言，有着诞生自MSA的两种革命性方案：

· PSM4（Parallel Single Mode 4 lanes）

· CWDM4（Coarse Wavelength Division Multiplexer 4 lanes）

其中，PSM4光纤使用量是CWDM4的4倍，当链路的距离较长时，CWDM4方案成本则相对较低。

国内外数据中心光模块的应用有所区别。

美国数据中心内部交换机互连以单模光纤为主，在100G时代广泛采用CWDM4/PSM4光模块， 400G时代目前以DR4为主；服务器与交换机互连大多采用电缆DAC。随着时间的推移和模块速率的提升，美国数据中心内部互联方案中多模光纤和直连电缆DAC的比重将越来越低。

中国数据中心内部交换机互连以多模光纤为主，单模光纤占比逐渐上升。目前国内400G的需求很少，在100G时代采用SR4/CWDM4模块，服务器和交换机之间的互连大多采用有源光缆AOC。

光纤传送网中的翘楚：CWDM光模块

CWDM光模块采用CWDM技术，可以通过外接波分复用器，将不同波长的光信号复合在一起，通过一根光纤进行传输，从而节约光纤资源。同时，接收端需要使用波分解复用器对复光信号进行分解。

CWDM光模块通常用于CWDM系统内，比DWDM光模块的成本要低，应用也十分广泛。在一个CWDM系统内，CWDM光模块插在交换机里，用跳线将CWDM光模块和CWDM分解复用器或OADM光分插复用连接进行工作。

CWDM光模块在CWDM系统内发挥了巨大的作用，成功解决了光纤传送网中的问题。CWDM光模块有8大优势，总结如下：

1、对数据的“透明”传输；

2、超大容量，充分利用光纤巨大的带宽资源；

3、大大节省了光纤资源，降低建设成本；

4、高度的组网灵活性、经济性以及可靠性；

5、可全光网交换，实现长距离的无电中继传输；

6、简化的激光器模块，从而减小了设备的体积，节约机房空间；

7、光层恢复独立于业务和速率，可对数据进行有效保护；

8、无需半导体制冷器和温度控制功能，所以可以明显减小功耗，仅为DWDM的12.5%。

5G承载光模块应用场景

5G时代即将到来，为光通信领域带来无限的商机，基于5G基站的光模块成为近两年的研究热点。5G承载网络一般分为城域接入层、城域汇聚层、城域核心层/省内干线，实现5G业务的前传和中回传功能，其中各层设备之间主要依赖光模块实现互连。

5G前传网络条件下25Gb/s（eCPRI/CPRI）速率模块以SFP28为主，双纤双向、单纤双向、25G WDM（包含Tunable波长可调谐）模块等方案可减少光纤使用量大幅降低建设成本。

中传可利用现有成熟的25G光器件，采用PAM4技术将光器件带宽提升一倍；10km和40km传输距离将覆盖90%以上的应用场景，超过80km的传输距离则采用相干技术。

5G光模块典型应用场景及需求分析如表1所示。

5G前传的典型应用场景如图2所示，包括光纤直连、无源WDM和有源WDM/光传送网（OTN）/切片分组网（SPN）等。光纤直连场景一般采用25Gb/s灰光模块，支持双纤双向和单纤双向两种类型，主要包括300m和10km两种传输距离。无源WDM场景主要包括点到点无源WDM和WDM-PON等，采用一对或一根光纤实现多个AAU到DU间的连接，典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模块。有源WDM/OTN场景，在AAU/DU至WDM/OTN/SPN设备间一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模块，在WDM/OTN/SPN设备间需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的双纤双向或单纤双向彩光模块。

图2 | 5G前传典型应用场景

5G前传应用场景对光模块的典型要求如下：

（1） 满足工业级温度范围，可靠性要求高：考虑AAU全室外应用环境，前传光模块需满足-40℃~+85℃的工业级温度范围，以及防尘等要求。

（2） 低成本：5G光模块总需求量预计超过4G，尤其前传光模块可能存在数千万量级的需求，低成本是产业对光模块的主要诉求之一。5G中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层，所需光模块与现有传送网及数据中心使用的光模块技术差异不大，接入层将主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模块，汇聚层及以上将较多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模块。

5G承载光模块发展现状

目前，国内外标准化组织国际电联（ITU-T）、电气和电子工程师协会（IEEE）、光互联论坛（OIF）、4WDM等多源协议（MSA）、中国通信标准化协会（CCSA）等正在开展5G承载相关的光模块规范制定，涉及的模块类型和接口特性各不相同、种类繁杂。前传光模块主要包括25Gb/s和100Gb/s两大速率类型，支持数百m到20km的典型传输距离，具体技术现状如表2所示。

5G中回传光模块主要包括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等多种速率，典型传输距离从几km到数百km，支持CPRI、eCPRI、以太网、OTN等多种接口协议，以及NRZ、PAM4、DMT等调制格式，具体技术现状如表3所示。

随着光器件芯片技术、标准和应用需求的发展，未来光模块类型可能还会增加。过多的产品类型和规格将导致光模块整体产业市场碎片化，造成产业链上下游研发、制造与运维等诸多环节资源浪费。