数据中心400G光模块选择
随着移动互联网以及物联网的广泛应用，数据中心数据流量呈爆炸性的增长，根据思科发布的全球云指数报告，到2020年云计算的流量将占全球数据中心流量的92%，超大规模的数据中心将会占到全球数据中心流量的53%。
超大规模数据中心网络带宽的需求几乎一年半至两年翻一番，为了应付数据中心东西流量的不断增长，超大规模数据中心平均每三年对网络系统进行升级，国内的超大规模数据中心在2014年开始部署40G以太网,2017年开始部署100G以太网,按照这个进度, 国内的超大规模数据中心预计于2020年开始部署400G以太网，大约2022年400G以太网会进入大规模部署阶段。
国内超大规模数据中心网络演进路径
光模块构造
光模块的主要功能是实现电-光（E-O）和光-电（O-E）信号的转换。光模块通常由光组件、电路、光接口、电接口组成，其中光组件(OSA)包括光接收组件(ROSA)、光发射组件(TOSA)、光发射接收组件(BOSA)。电路部分包含发射激光器驱动电路，接收器放大电路，温度监控/控制电路。
光发射组件(TOSA)主要实现电光转换，包含激光驱动器LDD、激光器LD、TEC致冷器、隔离器、Mux合波器、耦合透镜等器件。光接收组件（ROSA）主要实现光电转换，包含PD光探测器、TIA跨阻放大器（配合探测器一起使用，用以放大信号）、Demux分波器、限幅放大器LA（主要把TIA放大的逻辑信号变为数字信号）等组成。
电路除了实现对激光器（Tx部分）的直流驱动和信号调制，另外对接收器（Rx部分）的信号放大和处理以及通过MCU(主控制单元)实现对模块的逻辑控制,MCU的功能包括时序、功率、温度、告警等。
光模块主要部件
光芯片和电芯片是光模块中最关键的部分，占光模块成本的80%左右，光芯片包含激光器芯片和探测器芯片。电芯片包括CDR(时钟和数据恢复）、TIA跨阻放大器、LA限幅放大器、LDD激光驱动器、MCU主控制器等。
激光芯片按照发射方式可分为：面发射器和边发射激光器。面发射激光器目前市场上主要为VCSEL（垂直腔面发射）激光器，VCSEL激光器具有体积小、耦合效率高、功耗低、易集成、价格低等优点，VCSEL激光器一般用于数据中心短距离应用。边发射激光器包括FP（法布里-珀罗）激光器和DFP（分布式反馈激光器）。FP激光器具有输出功率较大、发散角小的优点，一般用于低速、中程距离比如10km以内的应用。DFB（分布式反馈）激光器在FB激光器基础上增加了衍射光栅，从而对特定波长进行筛选，可实现单一纵模输出，DFB激光器具有输出功率大、光谱窄、色散小、调制速率高、距离远等优点，一般用于高速的、40Km以内距离应用。
激光LD芯片按照调制方式可以分为，DML (直接调制) 激光器和EML（外部调制）激光器。DML激光器通过改变激光器注入的电流来控制激光器输出的强度,DML激光器体积小，功耗低，但是消光比小、啁啾大，一般用于10km以内的应用。EML激光器在DML激光器基础之上增加了EAM(电吸收调制器)，通过电吸收效应来调制信号强度,EML激光器调制速率高、抖动小、色散小、消光比大、啁啾小、眼图裕量大， EML激光器比DML激光器功耗高，为了保证调制信号的稳定,EML需要增加昂贵的制冷器TEC,因此EML成本较高，一般用于40km以内的远距离应用。
激光器分类
探测器PD芯片的主要作用是把光信号转换为电信号，有两种类型的探测器，一种是光电二极管(PIN)，另外一种是雪崩光电二极管(APD), PIN灵敏度相对较低，成本也较低，APD利用雪崩倍增效应提高信号接收灵敏度，APD一般应用于40km以上长距离的场景，APD成本远高于PIN。
400G光模块封装方式
衡量数据中心光模块的主要指标是密度、功耗、成本。热容(Thermal Capacity)是衡量光模块功耗的指标之一，热容越大，表示光模块能承受的功耗越大。400G光模块按照封装方式主要分为CDFP、CFP8、QSFP-DD、OSFP。CDFP和CFP8尺寸较大，热容较高，主要用于电信市场。QSFP-DD向前兼容之前的QSFP-28，尺寸最小，密度较高，QSFP-DD更适用于短距离的数据中心使用，QSFP-DD 支持者比较众多包括Facebook, Alibaba,Tencent等公司。OSFP MSA支持者包括Google、Arista，OSFP尺寸较QSFP-DD稍大，QSFP-28光模块需要增加一个适配器才可以跟OSFP插座相互兼容，OSFP可以向后支持800G，OSFP自带散热器，能够支持12w-15w热容，OSFP更适用于电信市场。
400G光模块封装方式
400G光模块命名规则
IEEE802.3工作组对光模块的命名规则进行了定义，例如400G SR4.2的名称中，400G代表速率是400Gbps,S代表数据中心内部机柜之间互连，距离一般在150米以内，4代表光纤对数，也就是8芯光纤，2代表每芯光纤上有2个波长。
IEEE光模块命名方式
m代表物理介质相关层（PMD）， PMD主要实现将物理介质连接层（PMA）传来的信号转换成特定的介质（铜缆、单模或者多模光缆）中传输的信号，主要有以下的PMD类型:
光模块类型
数据中心400G解决方案比较
数据中心主要包含三种应用场景，机柜内ToR交换机和服务器互连，机柜间交换机互连和数据中心之间互连（DCI）。
数据中心应用场景(来源：C-Link)
ToR交换机和服务器互连
ToR交换机和服务器互连有两种方案，直连铜缆DAC和有源光缆AOC。DAC传输距离随着网络速率的提升而变短，DAC又可以分为ACC（有源铜缆）和PCC（无源铜缆）两种，400G PCC无源铜缆距离最远支持2.5米，400G ACC有源铜缆的距离最远可达5米。
DAC的优点是价格低，缺点也非常明显，就是距离短，另外线缆笨重，理线困难，随着数据中心服务器网络速率的提升以及服务器密度的提高，DAC对于服务器机柜散热是很大的挑战。
AOC具有重量轻、距离远、抗电磁干扰（EMI）、容易理线等优点，AOC采用多模光纤理论上最大的传输距离150米，但是AOC由于两边带模块，不适于跨机柜列布放，AOC一般用于距离小于30米的场景。
交换机互连光模块比较
数据中心Spine-Leaf交换机互连或者Leaf-ToR交换机互连目前有四种400G方案，400G SR16由于使用光纤芯数较多，大多数超大规模数据中心用户表示不会采用，我们在这里不作讨论。
首先，从光模块的成本角度来看， 400G SR8方案采用目前市场上成熟的25G波特率 VCSEL激光芯片，信号采用PAM4脉冲幅度调制方式，25G波特率VCSEL激光芯片目前在市场上已经非常成熟,因此400G SR8光模块成本最低。
400G SR4.2光模块采用双波长的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,增加了光模块的成本,另外400G SR4.2光模块生态系统不是非常完善，光芯片供应商只有一家，因此400G SR4.2光模块成本明显要高于400G SR8光模块。
400G DR4光模块采用较贵的DML激光器或者SiPh硅光技术,硅光技术能够将传统的光器件例如调制器、探测器等通过互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺刻蚀在硅基底上，使光模块功耗、体积和封装成本大幅降低，但是硅光技术目前处于产业发展的早期，出货量较低，因此无法形成规模效应，根据LightCounting最近的研究报告，目前基于硅光技术的模块整体出货量相比较传统的基于磷化铟(InP)或者砷化镓（GaAs)材料的光模块低很多。
传统光模块和硅光模块市场份额比较(来源：LightCounting)
目前主流交换机ASIC芯片采用25G波特率PAM-4信号，而400G DR4光模块上采用50G波特率 PAM-4信号，也就是单波100Gbps，为了实现交换机电信号和光模块电信号速率一致，400G DR4光模块内需要增加一个变速器(Gearbox)把8x50Gbps转换成4x100Gbps，变速器会导致成本以及功耗的增加，所以400G DR4 光模块在三种方案之中成本最高,400G DR4适用于交换机互连距离在150-500米的场景。
400G DR4变速器示意图（来源：Arista）
从布线角度来看，400GDR4采用8芯单模光纤并行传输，光纤连接器采用APC(斜８度) MPO/MTP-12或者MPO/MTP-8，斜８度连接器能够降低回波损耗，降低整体光纤链路损耗，保证误码率。
400G SR4.2 采用8芯多模光纤并行传输，光纤连接器采用 MPO/MTP-12或者MPO/MTP-8 。400G SR8采用16芯多模光纤并行传输，为了减低回波损耗，光纤连接器采用斜８度APC端面的MPO/MTP-16光纤连接器。MPO-16光纤连接器键位采用了偏移设计，以防止和MPO/MTP-12或MPO/MTP-8混淆使用。
MPO/MTP-16光纤连接器（来源：US CONEC）
对于新建的数据中心，为了支持400G SR8光模块，建议采用MPO/MTP-16光纤布线系统，能够直接支持400G SR8以太网。
新建数据中心支持400G SR8布线场景（来源：US CONEC）
对于目前已经部署了MPO/MTP-12或者MPO/MTP-24布线的数据中心, 可以通过更换4×3 MPO/MTP转换盒的方式来实现平滑升级到400G SR-8。
旧的数据中心支持400G SR8场景（来源：US CONEC）
从应用角度来看,400GSR8 可以支持最多类型的扇出,包括4x100G,8x50G以及2x200G扇出，400G SR4.2和400G DR4都可以支持4x100G扇出。
交换机互连400G光模块比较100-500m
数据中心网络总体拥有成本包含了光模块成本和布线成本， 400G SR-8虽然需要比较多的光纤芯数，但是数据中心普遍采用模块化设计，通常交换机互连距离一般在50米左右，因此布线成本的差异相比较光模块成本差异低很多，另外400G SR-8生态系统最为完善，能够供货的光模块的厂商最多，支持的扇出应用最多，因此对于新部署的数据中心，在115m的距离以内400GSR-8的整体拥有成本最低，400G SR-8是400G交换机互连性价比最高的解决方案。
数据中心交换机互连总体拥有成本比较（来源：Panduit）
数据中心互连光模块比较2-10km
对于2km-10Km距离范围内的数据中心互连有四种方案，400G FR8需要8个DML激光器，为了降低光模块激光器的数量和复杂程度，400G FR4 光模块仅需要4个EML激光器，降低了器件成本和组装成本。400G FR8采用LAN-WDM波分复用技术，支持八个波长，每个波长传输50Gbps，400G FR4采用CWDM技术，支持四个波长，单波长支持100Gbps,就目前的市场来说，单波长100Gbps意味着必须采用昂贵的50G 波特率光芯片和50G 波特率电芯片。
如下图所示实现100GDR传输有三种方案，方案一采用4:1变速器，将交换机4x25bps电信号转为光模块1x100G bps电信号,光模块功耗3.5W；方案二采用2:1变速器，将交换机4x25bps电信号转为光模块1x100G bps电信号,光模块功耗2.5W；方案三采用单波100Gbps，光模块不需要昂贵的变速器，另外功耗降低为1.5W。
100G DR不同方案功耗比较（来源：Arista）
单波100Gbps的好处是避免使用昂贵的变速器，降低器件成本，另外也会降低光模块的功耗。因此，随着芯片制造技术的改进和50G 波特率芯片出货量的增加， 400G FR4在市场上最终会替代400G FR8 。
数据中心互连网络演进路线图（来源：Molex）
400G FR4采用20nm波长间隔，波长间隔越大，对于合波器Mux/分波器Demux要求越宽松，激光器无需致冷，光模块成本越低。400G LR4波长间隔仅为5nm，所以需要增加致冷器TEC来控制温度， 400G LR4光模块成本较400G FR4高。因此在2km距离内，400G FR4是比较经济的解决方案。
数据中心互连光模块比较2-10km
数据中心互连光模块比较40km
对于距离在40km之内的数据中心互连，可以采用400G ER8或400G ER4,400G ER8采用昂贵的EML激光器，以及昂贵的APD探测器，还需要采用Mux合波器和Demux分波器，此外EML激光器功耗比较高，为了保证调制信号稳定,需要增加致冷器TEC，这些都导致400G ER8和400G ER4光模块成本高居不下。400G ER4和400G ER8的区别是，400G ER4采用单波100Gbps,也就是采用昂贵的50G波特率EML激光芯片，400G ER8采用目前市场成熟的25G波特率EML激光芯片，另外400G ER4光模块需要将在交换机一侧的8X50Gbps电信号转换为4x100Gbps电信号，因此400G ER4比400G ER8需要多加一个变速器(gearbox)，因此400G ER4价格远高于400G ER8。
数据中心互连光模块比较80km
随着网络速率的不断提高，基于简单的开关键控(On Off Keying)幅度调制的传统直接检测方式会使光信号频谱变宽，导致串扰的出现，因而传输距离下降。
相干检测通信正在从远距离的通信场景渗入到数据中心互连场景，相干检测是一种更复杂的、多维度的信号调制方式，它综合了幅度调制、相位调制和偏振调制的方式，从而在一个波特里面承载更多的信息。
光互联网络论坛OIF(Optical Internetworking Forum)正在制定400G ZR的规范，该规范采用相干检测和密集波分复用DWDM相结合的方案，400G ZR采用更复杂的偏振复用16级正交幅度调制(DP-16QAM)方式，能够支持80km传输距离。400G ZR光模块除了需要采用昂贵的ITLA集成可调谐激光器组件、IQM集成IQ相位调制器、高性能的DSP数字信号处理器（用来补偿色散和偏振色散）、ICR集成相干接收机(用来检测复杂的调制光信号)， 400G ZR光模块价格大约是400G ER4价格的两倍。
数据中心互连光模块比较80km
总结
最后总结一下数据中心400G光模块的选择
●不超过2.5米的ToR交换机到服务器互连场景，可以使用400G DAC
●不超过30米的ToR交换机到服务器互连场景，可以使用400G AOC
●不超过100米的Spine-Leaf交换机互连场景，宜使用400GBASE-SR8 QSFP-DD光模块，布线采用MPO/MTP-16 OM4多模光纤
●不超过150米的Spine-Leaf交换机互连场景，可使用400GBASE-SR4.2 QSFP-DD光模块，布线采用MPO/MTP-12 OM5多模光纤
●不超过500米的Spine-Leaf交换机互连场景，可使用400G DR4 QSFP-DD光模块，布线采用MPO/MTP-12 OS1a单模光纤
●不超过2Km的数据中心互连场景，可使用400G FR8 QSFP-DD光模块 OS2单模光纤
●不超过10Km的数据中心互连场景，可使用400G-LR8 OSFP光模块OS2单模光纤
●不超过40km的数据中心互连场景，可使用 400G-ER8 OSFP光模块 OS2单模光纤
●不超过120km的数据中心互连场景，可使用 400G-ZR CSFP2相干光模块 OS2单模光纤
数据中心应用场景及光模块选择
本文来自信息化观察者网，转载请注明出处。
