隨著移動互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)流量呈爆炸性的增長，根據(jù)思科發(fā)布的全球云指數(shù)報告，到2020年云計算的流量將占全球數(shù)據(jù)中心流量的92%，超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心將會占到全球數(shù)據(jù)中心流量的53%。
超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求幾乎一年半至兩年翻一番，為了應(yīng)付數(shù)據(jù)中心東西流量的不斷增長，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心平均每三年對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行升級，國內(nèi)的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心在2014年開始部署40G以太網(wǎng),2017年開始部署100G以太網(wǎng),按照這個進度, 國內(nèi)的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心預(yù)計于2020年開始部署400G以太網(wǎng)，大約2022年400G以太網(wǎng)會進入大規(guī)模部署階段。
國內(nèi)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)演進路徑
光模塊構(gòu)造
光模塊的主要功能是實現(xiàn)電-光（E-O）和光-電（O-E）信號的轉(zhuǎn)換。光模塊通常由光組件、電路、光接口、電接口組成，其中光組件(OSA)包括光接收組件(ROSA)、光發(fā)射組件(TOSA)、光發(fā)射接收組件(BOSA)。電路部分包含發(fā)射激光器驅(qū)動電路，接收器放大電路，溫度監(jiān)控/控制電路。
光發(fā)射組件(TOSA)主要實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，包含激光驅(qū)動器LDD、激光器LD、TEC致冷器、隔離器、Mux合波器、耦合透鏡等器件。光接收組件（ROSA）主要實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，包含PD光探測器、TIA跨阻放大器（配合探測器一起使用，用以放大信號）、Demux分波器、限幅放大器LA（主要把TIA放大的邏輯信號變?yōu)閿?shù)字信號）等組成。
電路除了實現(xiàn)對激光器（Tx部分）的直流驅(qū)動和信號調(diào)制，另外對接收器（Rx部分）的信號放大和處理以及通過MCU(主控制單元)實現(xiàn)對模塊的邏輯控制,MCU的功能包括時序、功率、溫度、告警等。
光模塊主要部件
光芯片和電芯片是光模塊中最關(guān)鍵的部分，占光模塊成本的80%左右，光芯片包含激光器芯片和探測器芯片。電芯片包括CDR(時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)）、TIA跨阻放大器、LA限幅放大器、LDD激光驅(qū)動器、MCU主控制器等。
激光芯片按照發(fā)射方式可分為：面發(fā)射器和邊發(fā)射激光器。面發(fā)射激光器目前市場上主要為VCSEL（垂直腔面發(fā)射）激光器，VCSEL激光器具有體積小、耦合效率高、功耗低、易集成、價格低等優(yōu)點，VCSEL激光器一般用于數(shù)據(jù)中心短距離應(yīng)用。邊發(fā)射激光器包括FP（法布里-珀羅）激光器和DFP（分布式反饋激光器）。FP激光器具有輸出功率較大、發(fā)散角小的優(yōu)點，一般用于低速、中程距離比如10km以內(nèi)的應(yīng)用。DFB（分布式反饋）激光器在FB激光器基礎(chǔ)上增加了衍射光柵，從而對特定波長進行篩選，可實現(xiàn)單一縱模輸出，DFB激光器具有輸出功率大、光譜窄、色散小、調(diào)制速率高、距離遠等優(yōu)點，一般用于高速的、40Km以內(nèi)距離應(yīng)用。
激光LD芯片按照調(diào)制方式可以分為，DML (直接調(diào)制) 激光器和EML（外部調(diào)制）激光器。DML激光器通過改變激光器注入的電流來控制激光器輸出的強度,DML激光器體積小，功耗低，但是消光比小、啁啾大，一般用于10km以內(nèi)的應(yīng)用。EML激光器在DML激光器基礎(chǔ)之上增加了EAM(電吸收調(diào)制器)，通過電吸收效應(yīng)來調(diào)制信號強度,EML激光器調(diào)制速率高、抖動小、色散小、消光比大、啁啾小、眼圖裕量大， EML激光器比DML激光器功耗高，為了保證調(diào)制信號的穩(wěn)定,EML需要增加昂貴的制冷器TEC,因此EML成本較高，一般用于40km以內(nèi)的遠距離應(yīng)用。
激光器分類
探測器PD芯片的主要作用是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，有兩種類型的探測器，一種是光電二極管(PIN)，另外一種是雪崩光電二極管(APD), PIN靈敏度相對較低，成本也較低，APD利用雪崩倍增效應(yīng)提高信號接收靈敏度，APD一般應(yīng)用于40km以上長距離的場景，APD成本遠高于PIN。
400G光模塊封裝方式
衡量數(shù)據(jù)中心光模塊的主要指標是密度、功耗、成本。熱容(Thermal Capacity)是衡量光模塊功耗的指標之一，熱容越大，表示光模塊能承受的功耗越大。400G光模塊按照封裝方式主要分為CDFP、CFP8、QSFP-DD、OSFP。CDFP和CFP8尺寸較大，熱容較高，主要用于電信市場。QSFP-DD向前兼容之前的QSFP-28，尺寸最小，密度較高，QSFP-DD更適用于短距離的數(shù)據(jù)中心使用，QSFP-DD 支持者比較眾多包括Facebook, Alibaba,Tencent等公司。OSFP MSA支持者包括Google、Arista，OSFP尺寸較QSFP-DD稍大，QSFP-28光模塊需要增加一個適配器才可以跟OSFP插座相互兼容，OSFP可以向后支持800G，OSFP自帶散熱器，能夠支持12w-15w熱容，OSFP更適用于電信市場。
400G光模塊封裝方式
400G光模塊命名規(guī)則
IEEE802.3工作組對光模塊的命名規(guī)則進行了定義，例如400G SR4.2的名稱中，400G代表速率是400Gbps,S代表數(shù)據(jù)中心內(nèi)部機柜之間互連，距離一般在150米以內(nèi)，4代表光纖對數(shù)，也就是8芯光纖，2代表每芯光纖上有2個波長。
IEEE光模塊命名方式
m代表物理介質(zhì)相關(guān)層（PMD）， PMD主要實現(xiàn)將物理介質(zhì)連接層（PMA）傳來的信號轉(zhuǎn)換成特定的介質(zhì)（銅纜、單?；蛘叨嗄９饫|）中傳輸?shù)男盘?，主要有以下的PMD類型:
光模塊類型
數(shù)據(jù)中心400G解決方案比較
數(shù)據(jù)中心主要包含三種應(yīng)用場景，機柜內(nèi)ToR交換機和服務(wù)器互連，機柜間交換機互連和數(shù)據(jù)中心之間互連（DCI）。
數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景(來源：C-Link)
ToR交換機和服務(wù)器互連
ToR交換機和服務(wù)器互連有兩種方案，直連銅纜DAC和有源光纜AOC。DAC傳輸距離隨著網(wǎng)絡(luò)速率的提升而變短，DAC又可以分為ACC（有源銅纜）和PCC（無源銅纜）兩種，400G PCC無源銅纜距離最遠支持2.5米，400G ACC有源銅纜的距離最遠可達5米。
DAC的優(yōu)點是價格低，缺點也非常明顯，就是距離短，另外線纜笨重，理線困難，隨著數(shù)據(jù)中心服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)速率的提升以及服務(wù)器密度的提高，DAC對于服務(wù)器機柜散熱是很大的挑戰(zhàn)。
AOC具有重量輕、距離遠、抗電磁干擾（EMI）、容易理線等優(yōu)點，AOC采用多模光纖理論上最大的傳輸距離150米，但是AOC由于兩邊帶模塊，不適于跨機柜列布放，AOC一般用于距離小于30米的場景。
交換機互連光模塊比較
數(shù)據(jù)中心Spine-Leaf交換機互連或者Leaf-ToR交換機互連目前有四種400G方案，400G SR16由于使用光纖芯數(shù)較多，大多數(shù)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心用戶表示不會采用，我們在這里不作討論。
首先，從光模塊的成本角度來看， 400G SR8方案采用目前市場上成熟的25G波特率 VCSEL激光芯片，信號采用PAM4脈沖幅度調(diào)制方式，25G波特率VCSEL激光芯片目前在市場上已經(jīng)非常成熟,因此400G SR8光模塊成本最低。
400G SR4.2光模塊采用雙波長的25G波特率VCSEL激光芯片,需要采用2:1 Mux合波器和1:2 Demux分波器,增加了光模塊的成本,另外400G SR4.2光模塊生態(tài)系統(tǒng)不是非常完善，光芯片供應(yīng)商只有一家，因此400G SR4.2光模塊成本明顯要高于400G SR8光模塊。
400G DR4光模塊采用較貴的DML激光器或者SiPh硅光技術(shù),硅光技術(shù)能夠?qū)鹘y(tǒng)的光器件例如調(diào)制器、探測器等通過互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝刻蝕在硅基底上，使光模塊功耗、體積和封裝成本大幅降低，但是硅光技術(shù)目前處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的早期，出貨量較低，因此無法形成規(guī)模效應(yīng)，根據(jù)LightCounting最近的研究報告，目前基于硅光技術(shù)的模塊整體出貨量相比較傳統(tǒng)的基于磷化銦(InP)或者砷化鎵（GaAs)材料的光模塊低很多。
傳統(tǒng)光模塊和硅光模塊市場份額比較(來源：LightCounting)
目前主流交換機ASIC芯片采用25G波特率PAM-4信號，而400G DR4光模塊上采用50G波特率 PAM-4信號，也就是單波100Gbps，為了實現(xiàn)交換機電信號和光模塊電信號速率一致，400G DR4光模塊內(nèi)需要增加一個變速器(Gearbox)把8x50Gbps轉(zhuǎn)換成4x100Gbps，變速器會導(dǎo)致成本以及功耗的增加，所以400G DR4 光模塊在三種方案之中成本最高,400G DR4適用于交換機互連距離在150-500米的場景。
400G DR4變速器示意圖（來源：Arista）
從布線角度來看，400GDR4采用8芯單模光纖并行傳輸，光纖連接器采用APC(斜８度) MPO/MTP-12或者MPO/MTP-8，斜８度連接器能夠降低回波損耗，降低整體光纖鏈路損耗，保證誤碼率。
400G SR4.2 采用8芯多模光纖并行傳輸，光纖連接器采用 MPO/MTP-12或者MPO/MTP-8 。400G SR8采用16芯多模光纖并行傳輸，為了減低回波損耗，光纖連接器采用斜８度APC端面的MPO/MTP-16光纖連接器。MPO-16光纖連接器鍵位采用了偏移設(shè)計，以防止和MPO/MTP-12或MPO/MTP-8混淆使用。
MPO/MTP-16光纖連接器（來源：US CONEC）
對于新建的數(shù)據(jù)中心，為了支持400G SR8光模塊，建議采用MPO/MTP-16光纖布線系統(tǒng)，能夠直接支持400G SR8以太網(wǎng)。
新建數(shù)據(jù)中心支持400G SR8布線場景（來源：US CONEC）
對于目前已經(jīng)部署了MPO/MTP-12或者MPO/MTP-24布線的數(shù)據(jù)中心, 可以通過更換4x3 MPO/MTP轉(zhuǎn)換盒的方式來實現(xiàn)平滑升級到400G SR-8。
舊的數(shù)據(jù)中心支持400G SR8場景（來源：US CONEC）
從應(yīng)用角度來看,400GSR8 可以支持最多類型的扇出,包括4x100G,8x50G以及2x200G扇出，400G SR4.2和400G DR4都可以支持4x100G扇出。
交換機互連400G光模塊比較100-500m
數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)總體擁有成本包含了光模塊成本和布線成本， 400G SR-8雖然需要比較多的光纖芯數(shù)，但是數(shù)據(jù)中心普遍采用模塊化設(shè)計，通常交換機互連距離一般在50米左右，因此布線成本的差異相比較光模塊成本差異低很多，另外400G SR-8生態(tài)系統(tǒng)最為完善，能夠供貨的光模塊的廠商最多，支持的扇出應(yīng)用最多，因此對于新部署的數(shù)據(jù)中心，在115m的距離以內(nèi)400GSR-8的整體擁有成本最低，400G SR-8是400G交換機互連性價比最高的解決方案。
數(shù)據(jù)中心交換機互連總體擁有成本比較（來源：Panduit）
數(shù)據(jù)中心互連光模塊比較2-10km
對于2km-10Km距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)中心互連有四種方案，400G FR8需要8個DML激光器，為了降低光模塊激光器的數(shù)量和復(fù)雜程度，400G FR4 光模塊僅需要4個EML激光器，降低了器件成本和組裝成本。400G FR8采用LAN-WDM波分復(fù)用技術(shù)，支持八個波長，每個波長傳輸50Gbps，400G FR4采用CWDM技術(shù)，支持四個波長，單波長支持100Gbps,就目前的市場來說，單波長100Gbps意味著必須采用昂貴的50G 波特率光芯片和50G 波特率電芯片。
如下圖所示實現(xiàn)100GDR傳輸有三種方案，方案一采用4:1變速器，將交換機4x25bps電信號轉(zhuǎn)為光模塊1x100G bps電信號,光模塊功耗3.5W；方案二采用2:1變速器，將交換機4x25bps電信號轉(zhuǎn)為光模塊1x100G bps電信號,光模塊功耗2.5W；方案三采用單波100Gbps，光模塊不需要昂貴的變速器，另外功耗降低為1.5W。
100G DR不同方案功耗比較（來源：Arista）
單波100Gbps的好處是避免使用昂貴的變速器，降低器件成本，另外也會降低光模塊的功耗。因此，隨著芯片制造技術(shù)的改進和50G 波特率芯片出貨量的增加， 400G FR4在市場上最終會替代400G FR8 。
數(shù)據(jù)中心互連網(wǎng)絡(luò)演進路線圖（來源：Molex）
400G FR4采用20nm波長間隔，波長間隔越大，對于合波器Mux/分波器Demux要求越寬松，激光器無需致冷，光模塊成本越低。400G LR4波長間隔僅為5nm，所以需要增加致冷器TEC來控制溫度， 400G LR4光模塊成本較400G FR4高。因此在2km距離內(nèi)，400G FR4是比較經(jīng)濟的解決方案。
數(shù)據(jù)中心互連光模塊比較2-10km
數(shù)據(jù)中心互連光模塊比較40km
對于距離在40km之內(nèi)的數(shù)據(jù)中心互連，可以采用400G ER8或400G ER4,400G ER8采用昂貴的EML激光器，以及昂貴的APD探測器，還需要采用Mux合波器和Demux分波器，此外EML激光器功耗比較高，為了保證調(diào)制信號穩(wěn)定,需要增加致冷器TEC，這些都導(dǎo)致400G ER8和400G ER4光模塊成本高居不下。400G ER4和400G ER8的區(qū)別是，400G ER4采用單波100Gbps,也就是采用昂貴的50G波特率EML激光芯片，400G ER8采用目前市場成熟的25G波特率EML激光芯片，另外400G ER4光模塊需要將在交換機一側(cè)的8X50Gbps電信號轉(zhuǎn)換為4x100Gbps電信號，因此400G ER4比400G ER8需要多加一個變速器(gearbox)，因此400G ER4價格遠高于400G ER8。
數(shù)據(jù)中心互連光模塊比較80km
隨著網(wǎng)絡(luò)速率的不斷提高，基于簡單的開關(guān)鍵控(On Off Keying)幅度調(diào)制的傳統(tǒng)直接檢測方式會使光信號頻譜變寬，導(dǎo)致串?dāng)_的出現(xiàn)，因而傳輸距離下降。
相干檢測通信正在從遠距離的通信場景滲入到數(shù)據(jù)中心互連場景，相干檢測是一種更復(fù)雜的、多維度的信號調(diào)制方式，它綜合了幅度調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制的方式，從而在一個波特里面承載更多的信息。
光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇OIF(Optical Internetworking Forum)正在制定400G ZR的規(guī)范，該規(guī)范采用相干檢測和密集波分復(fù)用DWDM相結(jié)合的方案，400G ZR采用更復(fù)雜的偏振復(fù)用16級正交幅度調(diào)制(DP-16QAM)方式，能夠支持80km傳輸距離。400G ZR光模塊除了需要采用昂貴的ITLA集成可調(diào)諧激光器組件、IQM集成IQ相位調(diào)制器、高性能的DSP數(shù)字信號處理器（用來補償色散和偏振色散）、ICR集成相干接收機(用來檢測復(fù)雜的調(diào)制光信號)， 400G ZR光模塊價格大約是400G ER4價格的兩倍。
數(shù)據(jù)中心互連光模塊比較80km
總結(jié)
最后總結(jié)一下數(shù)據(jù)中心400G光模塊的選擇
●不超過2.5米的ToR交換機到服務(wù)器互連場景，可以使用400G DAC
●不超過30米的ToR交換機到服務(wù)器互連場景，可以使用400G AOC
●不超過100米的Spine-Leaf交換機互連場景，宜使用400GBASE-SR8 QSFP-DD光模塊，布線采用MPO/MTP-16 OM4多模光纖
●不超過150米的Spine-Leaf交換機互連場景，可使用400GBASE-SR4.2 QSFP-DD光模塊，布線采用MPO/MTP-12 OM5多模光纖
●不超過500米的Spine-Leaf交換機互連場景，可使用400G DR4 QSFP-DD光模塊，布線采用MPO/MTP-12 OS1a單模光纖
●不超過2Km的數(shù)據(jù)中心互連場景，可使用400G FR8 QSFP-DD光模塊 OS2單模光纖
●不超過10Km的數(shù)據(jù)中心互連場景，可使用400G-LR8 OSFP光模塊OS2單模光纖
●不超過40km的數(shù)據(jù)中心互連場景，可使用 400G-ER8 OSFP光模塊 OS2單模光纖
●不超過120km的數(shù)據(jù)中心互連場景，可使用 400G-ZR CSFP2相干光模塊 OS2單模光纖
數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景及光模塊選擇
