4K 虚拟现实（VR）、物联网以及云计算等新兴业务的涌现，对网络的带宽、并发性以及实时性提出了更为严苛的要求。伴随未来数年中带宽需求的持续攀升，尽管 100、200 和 400Gbit/s 光模块仍会占据最大的市场比重，但 800Gbit/s 光模块将于 2025 年实现大规模的部署应用。

   依照 800GE 网络架构来看，从架顶交换机（TOR）至 Leaf 交换机之间的连接距离，短的仅有几十米，长的可达几百米。在这部分连接领域，大型互联网企业广泛采用 100Gbit/s 的连接技术，自 2021 年起逐步升级至 200Gbit/s 或 400Gbit/s 技术，部分领先企业在 2023 年已开始对 800Gbit/s 技术进行尝试。

    从 Leaf 到 Spine 交换机，或者从 Spine 交换机到核心路由器的连接，能够解决校园内或是相邻校园之间的互联互通常见问题，连接距离能够达到 2 公里甚至 10 公里。其接口速率从 2021 年开始由 100G 逐步升级为 200G 或者 400G。数据中心互联（DCI）一般指的是几个相邻的数据中心之间的连接，用于实现负载均衡或者容灾备份，连接距离或许长达几十公里。对于如此长的距离，鉴于光纤资源较为宝贵，人们主要采用密集波分复用结合相干通信的方式，尽最大可能地复用光纤资源。我们把 800G 光模块的应用场景划分为 SR（100 米场景）、DR/FR/LR（500 米 / 2 公里 / 10 公里场景）、ER/ZR（40 公里 / 80 公里场景）。

技术方案

项目简述

   800Gbit/s 技术方案历经三代演进。第一代是 8 光 8 电模式，光接口为 8×100Gbit/s，电接口也是 8×100Gbit/s，于 2021 年实现商用；第二代是 4 光 8 电模式，光接口为 4×200Gbit/s，电接口为 8×100Gbit/s，2024 年投入商用；第三代为 4 光 4 电模式，光接口和第二代相同为 4×200Gbit/s，电接口同样为 8×100Gbit/s，预计在 2026 年实现商用。从长远的五年内来看，光 / 电单通道 200gbit/s 技术将会得到广泛普及；而在短期的三年内，由于单通道 200gbit/s 光电芯片器件以及均衡技术尚未完全成熟，行业仍需要一定时间来突破相关技术瓶颈。

电气接口与封装

   从 100Gbit/s 直接调制直接检测光模块的发展进程可知，当电接口单通道速率与光接口一致时，光模块的架构将达到最佳状态，具备低功耗和低成本的优势。单通道 100Gbit/s 电接口是 8×100Gbit/s 光模块的理想电接口，单通道 200Gbit/s 电接口则是 4×200Gbit/s 光模块的理想电接口。在封装方面，800Gbit/s 光模块可能存在诸如双密度四元小尺寸可插拔（QSFPDD800）以及八进制小尺寸可插拔（OSFP）等不同的封装形式。然而，由于模块内布线以及连接器损耗等因素影响，基于 200gbit/s 电接口的可插拔光模块仍然面临诸多严峻挑战。

光学接口

   800Gbit/s 光收发器的光接口架构主要包含三种类型：

  其一为 8×100Gbit/s4 级脉冲幅度调制（PAM4）光收发器，该 PAM4 收发器工作在 53Gbd，采用 8 对数字模拟转换器（DAC）和模数转换器（ADC）、8 个激光器、8 对光收发器以及 1 对 8 通道粗波分复用器（CWDM），或者基于以太网通道的波分复用（LAN-WDM）（这取决于光纤色散损耗情况）复用器和解复用器（在 SR/DR 应用场景下不需要）。

   其二是 4×200Gbit/sPAM4 光收发器，其 PAM4 收发器工作在 106Gbd，运用 4 对 DAC 和 ADC，4 对光收发器（包含 4 个激光器），1 对 4 通道 CWDM 或 LAN-WDM（依据光纤色散损耗而定）复用器和解复用器（同样在 SR/DR 应用场景下不需要）。

   其三是 800Gbit/s 相干光模块，它在双偏振十六正交幅度调制（16QAM）下工作在 128Gbd，使用 4 对 DAC 和 ADC，1 个激光器，1 对光收发器，使得数据中心相干光模块能够使用固定波长激光器，从而降低成本和功耗。

   8×100Gbit/s 直调直检方案能够利用现有的技术架构，相关技术和标准相对较为成熟，供应链也较为完备。在 SR 场景中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）100Gbit/s 技术面临诸多挑战，提升多模方案性能以及降低多模光纤成本将是该技术持续演进的关键要点。

   以硅光子学（SiPh）和直接调制激光器（DML）为代表的单模技术发展迅猛。其中，SiPh 技术发展尤为突出，有望在未来 100 米及以下传输距离的应用场景中与多模解决方案展开激烈竞争。在 DR/FR 场景中，存在三种解决方案，分别是电吸收调制激光（EML）、DML 和 SiPh。

   在 LR 场景中，基于粗波分复用（CWDM）、局域网波分复用（LWDM）和窄带局域网波分复用（nLWDM）的 800Gbit/sLR8 方案仍处于研究阶段。在波长选择方面，由于 O 波段边缘波长色散较大，LWDM8 在色散惩罚方面要优于 CWDM8。目前，10 公里及以上距离的直接调整和直接检测方案主要面临 “最坏情况” 色散以及窄色散容差匹配的巨大挑战。

   构建全新的波长系统，压缩多通道波长范围，能够相应地缩小最坏色散，进而简化数字信号处理（DSP）设计，降低理论功耗。例如，8×100Gbit/sPAM4 直接调制直接检测方案，在采用 800GHz 间隔的 LWDM 方案时，色散限制距离约为 10km；采用 400GHz 间隔的 nLWDM 方案时，色散限制距离能够扩展到 20km；采用 200GHz 间隔的 nLWDM 方案时，色散限制距离可以进一步延伸到 40km。同时，压缩零色散点分布或漂移范围，减小相应的色散范围也是一种解决方案。但由于不同厂家的光纤产品零色散点分布并不均匀，要实现大规模压缩仍具有一定的难度。

   对于 4×200Gbit/s 直接调制直接检测方案，单通道 200Gbit/s 继续采用 PAM4 调制码型，可以借助目前相对成熟的 PAM4 产业基础（不过也不排除出现新调制码型的可能性）。在 4×200Gbit/sDR 和 FR 应用场景中，目前主要有 4 通道单模并行（PSM4）和 CWDM4 两种技术方案。

   这两种方案依旧面临众多挑战，需要进一步深入研究。针对 LR 应用场景，目前有基于 CWDM、LWDM、nLWDM 的 800Gbit/sLR4 种方案，这些方案还处于研究探讨阶段，需要高带宽的光电芯片器件、更强的均衡技术以及前向纠错（FEC）来确保纠正后的误码率（BER）处于较低水平。800Gbit/s 相干光模块的器件带宽需要大幅提升，很难一步到位实现带宽翻倍。基于 96GBd 器件的 800Gbit/s 相干光模块必须采用高阶的调制码型，这种方式存在光信噪比（OSNR）较低、传输距离和应用场景受到限制等缺陷。基于 128GBd 的双偏振（DP）-16QAM 相干光模块具有更为优良的 OSNR 和传输容量，将成为 800Gbit/s 相干的主流实现方案。

前向纠错

   FEC 一般分为端到端 FEC、嵌套级联 FEC、分段 FEC 三类，业界普遍认为在 40km 传输距离内 8×100Gbit/s 直调直检方案的应用能够通过端到端 KP4FEC 来实现，对于 40km 以上的传输距离，则可以采用更强的 FEC。

   4×200Gbit/s 直接调制直接检测方案具有更高的速率，因此需要引入新的 BER 标准、新的 FEC 编码方法以及更复杂的均衡器。IEEE802.3B400GSG（美国电气和电子工程师协会 802.3Post-400Gbit/s 研究组）和 800GPluggableMSA（800Gbit/s 可插拔多源协议）工作组已经开始相关的讨论。

   级联的方式或将成为 4×200Gbit/s 直接调制直接检测方案的一条全新路径，这种方式不仅保留了 KP4FEC，避免了在主芯片中集成新 FEC 所带来的额外成本，而且还通过光收发器中轻量级且易于实现的 FEC 为光链路提供了额外的保护，降低了解码所产生的功耗和时延。

   在纠错性能方面，各种级联内码如 KP4+BCH（144,136）能够在纠错前误码率范围 1~2E-3 的基础上，将纠错后的范围缩小到 1E-13 以内。同时，目前 800Gbit/s 最强的需求来自于 OTT（互联网运营商）数据中心和高性能计算场景，这些场景对时延敏感度要求极高，低时延 FEC 算法成为 800Gbit/s 最为核心的需求之一。

   800Gbit/s 相干包括 800Gbit/sLR 和 800Gbit/sZR，所以需要针对不同的应用场景设计专门的 FEC 算法。

   800LR 场景需要满足 10km 的园区网需求，对时延和功耗要求较高，目前的方案包括 KP4+eHamming/eBCH 级联、空间耦合码 FEC（XR-FEC）、聚类 FEC（CFEC）、Zipper、轻量级开放 FEC（OFEC）等。其中级联方案与 4×200Gbit/s 直接调制 + 直接检测级联方案存在共同之处，两种路径之间的衔接能够进一步降低主芯片的复杂度。

   800ZR 场景主要应用于 DCI，是光互联网络论坛（OIF）400ZR 标准的延续。800ZR 采用 DP-16QAM 调制格式，对 CFEC 能力提出了一定的挑战，可能需要采用纠错能力更强的 FEC 方案，比如多级编码（MLC）、OFEC 等。

均衡技术

   要实现单通道 200Gbit/s 的数据传输速率，光电芯片必须进行性能升级，例如 200Gbit/s 的串并转换（SerDes）、带宽高于 50GHz 的光电芯片及器件等。从目前的技术研究报告来看，带宽高于 50GHz 的光芯片相对较容易实现。如何在提升带宽的同时确保其他指标性能达到最优是需要重点考虑的问题。目前 Driver、TIA 电芯片的带宽无法满足速率要求，还需要具备均衡能力。这些电芯片在提升自身带宽的同时，需要实现系统级的信号优化效果。高效的均衡技术能够大大放宽系统对光电器件带宽的要求。

   常见的均衡技术有前馈均衡（FFE）、判决反馈均衡（DFE）、最大似然序列均衡（MLSE）。其中 FFE 由于实现较为简单，在 SerDes 系统和光信号数字信号处理（oDSP）芯片中得到了广泛应用。

   为了缓解单通道 200Gbit/s 对光电器件带宽的需求，一方面可以在发射端采用 FFE 预均衡技术，补偿发射端器件的带宽；另一方面，在 oDSP 中可以应用功能更强大的均衡技术，缓解带宽限制对系统性能下降所产生的影响。

   对于单波长 100Gbit/s 标准中使用的 5 抽头 FFE 均衡，当速率提升到 200Gbit/s 时，FFE 抽头的数量会增加，虽然也可以采用性能更高的 MLSE 均衡算法作为解决方案，但 MLSE 实现较为复杂，计算量较大，会增加 oDSP 的功耗。

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