相干光收發(fā)器在接入領(lǐng)域的前景

  對數(shù)據(jù)和其他數(shù)字服務(wù)的需求正在成倍增加。從2010年到2020年，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶增加了一倍，全球互聯(lián)網(wǎng)流量增加了12倍。從2020年到2026年，互聯(lián)網(wǎng)流量可能會增加5倍。為了滿足這一需求，數(shù)據(jù)通信和電信運營商需要不斷升級他們的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

  這一升級道路上的主要障礙仍然是收發(fā)器的功耗、熱管理和可負擔性。在過去的二十年里，隨著我們從直接探測到更耗電的相干傳輸，可插拔模塊的額定功率不斷增加：從SFP模塊的2W到QSFP模塊的3.5W，到現(xiàn)在QSSFP-DD的14W和OSFP外形尺寸的21.1W。這種功耗的增加似乎與邊緣網(wǎng)絡(luò)的功率要求相矛盾。

  本文將回顧旨在解決這些挑戰(zhàn)的邊緣網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器在數(shù)據(jù)率、功耗和安裝空間要求方面的趨勢。

  降低接入的數(shù)據(jù)速率

  鑒于400ZR可插拔式相干解決方案在市場上的成功，電信部門關(guān)于400G可插拔式設(shè)備的未來，往往集中在討論800G解決方案和800ZR上。然而，對于邊緣網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的 "縮減 "到100G相干產(chǎn)品，人們也越來越興奮。

  在未來幾年，100G相干上行鏈路將在整個邊緣網(wǎng)絡(luò)的部署和應(yīng)用中變得越來越廣泛。一些移動接入網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用案例必須將其現(xiàn)有的10G DWDM鏈路聚合升級為單一的相干100G DWDM上行鏈路。同時，有線電視網(wǎng)絡(luò)和商業(yè)服務(wù)正在將其客戶鏈路從1Gbps升級到10Gbps，這種遷移將會是增加對相干100G上行鏈路需求的重要因素。對于提供融合電纜/移動接入的運營商來說，這些對100G上行鏈路的升級將使他們有機會在現(xiàn)有的電纜網(wǎng)絡(luò)中疊加更多的商業(yè)服務(wù)和移動流量。

  向低功耗邁進

  數(shù)據(jù)中心和5G網(wǎng)絡(luò)可能是炙手可熱的商品，但實現(xiàn)它們的基礎(chǔ)設(shè)施運行更熱。電子設(shè)備會產(chǎn)生大量的熱量;電子設(shè)備散失的熱能越多，就必須花更多的錢和精力來給它降溫。這些電源效率問題不僅影響環(huán)境，也影響通信公司的底線。

  如下表所示，數(shù)據(jù)中心和無線網(wǎng)絡(luò)的增長將繼續(xù)推動電力消耗上升。

圖：2020年和2030年估計的ICT電力消耗比較，按不同的ICT部門劃分。資料來源： Anders Andrae(華為)，2020年。

  在接入網(wǎng)領(lǐng)域，這些電力限制甚至更加緊迫。與數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)核心不同，接入網(wǎng)設(shè)備生活在不受控制的環(huán)境中，冷卻能力有限。因此，每一個額外的可插拔電源消耗瓦特都會影響供應(yīng)商和運營商如何設(shè)計他們的機柜和設(shè)備。

  這些矛盾是QSFP28外形尺寸解決方案在100ZR領(lǐng)域變得越來越有吸引力的一個主要原因。它們的功耗(最高6瓦)比QSFP-DD外形尺寸(最高14瓦)低，這使得它們可以在接入網(wǎng)機房中更密集地堆放。此外，QSFP28模塊與現(xiàn)有的接入網(wǎng)設(shè)備兼容，這些設(shè)備通常具有QSFP28槽位。

  除了在100G相干性方面轉(zhuǎn)向QSFP28外形尺寸外，我們還相信另外兩種降低功耗的方法：

  增加集成度：較小的、高度集成的光學元件之間的互連比更多的分立元件之間的互連耗電更少。我們將在下一節(jié)進一步討論這個問題。

  協(xié)同設(shè)計：正如我們在前一篇關(guān)于適合平臺的DSP的文章中所解釋的，在磷化銦平臺上設(shè)計的收發(fā)器光學引擎可以被設(shè)計成在與DSP的信號輸出兼容的電壓下運行。這樣，經(jīng)過優(yōu)化的DSP可以直接驅(qū)動PIC，而不需要單獨的模擬驅(qū)動器，從而避免了大量的電源轉(zhuǎn)換開銷。

  我們還能向更小的安裝空間邁進嗎?

  朝著更小的可插拔芯片的方向發(fā)展不一定是一個目標，但正如我們在上一節(jié)中提到的，它是實現(xiàn)低能耗目標的一種手段。減少光學元件及其互連的尺寸，意味著芯片內(nèi)的光傳播的距離更小，積累的光損耗更少。

  讓我們看一下激光器的例子。在過去的十年里，可調(diào)諧激光器的封裝和集成的技術(shù)進步與對更小尺寸的需求相匹配。2011年，可調(diào)諧激光器遵循多源協(xié)議(MSA)，用于可集成可調(diào)諧激光器組件(ITLAs)。ITLA封裝的寬度約為30.5毫米，長度為74毫米。到2015年，可調(diào)諧激光器以更緊湊的Micro-ITLA外形尺寸出售，將原來的ITLA封裝尺寸減少了一半。而在2019年，激光器開發(fā)商宣布了一種新的Nano-ITLA外形尺寸，將尺寸再次減少了近一半。

用于相干光學的可調(diào)諧激光器尺寸大小的演變(2011-2021)。圖片來源：Laser Focus World。

  未來減少可調(diào)諧激光器的安裝面積將需要對其部件進行更大的整合。例如，每個可調(diào)諧激光器都需要一個波長鎖定器部件，它可以穩(wěn)定激光器的輸出，而不受溫度等環(huán)境條件的影響。將波長鎖定器部件集成在激光器芯片上，而不是在外部安裝，將有助于減少激光器封裝的尺寸和功耗。

  減少可調(diào)諧激光器封裝尺寸的另一個潛在前景與控制電子裝置有關(guān)。目前的ITLA標準包括激光器封裝上的完整控制電子元件，包括功率轉(zhuǎn)換和溫度控制。然而，如果由收發(fā)器的主板來處理其中的一些電子功能，而不是在激光器封裝里面處理，那么激光器封裝的尺寸就可以縮小。

  這種方法意味著縮小后的激光器封裝只有在連接到收發(fā)器主板上時才會有完整的功能。然而，一些收發(fā)器的開發(fā)者會欣賞激光器封裝的減少，以及提供自己的激光控制電子元件的額外自由。

  啟示

  接入網(wǎng)絡(luò)中不斷增長的帶寬需求迫使相干插件面臨復雜的問題，即在保持足夠好的性能的同時轉(zhuǎn)向更低的成本和功率消耗。

  向QSFP28外形尺寸的100G相干解決方案的轉(zhuǎn)變將在滿足接入網(wǎng)領(lǐng)域的功耗要求方面發(fā)揮重要作用。進一步的收益可以通過提高光學元件的集成度和共同設(shè)計收發(fā)器的光學和電子引擎以減少低效率來實現(xiàn)。通過消除激光器封裝和主收發(fā)器板中多余的激光器控制功能，也可以進一步提高收發(fā)器的占地面積。