从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

2019-01-07 15:08

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。从下面的表格，我们就可以看到数据中心100G光模块方案的比较：

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

如今，400G光模块的实现技术成为了业界关注的重点。400G光模块的主要作用是能够提高数据的吞吐量，能最大限度的提高数据中心的带宽与端口密度。其未来的趋势是实现宽增益、低噪声、小型化和集成化等性能，满足下一代无线网络与超大规模数据中心通信的应用需求。

早期的400G光模块使用的是16路25GNRZ（Non－Returnto Zero，不归零码）信号调制的方式，采用CFP8的封装。其优点是可以借用在100G光模块上成熟的25G NRZ信号调制技术，但缺点是需要16路信号进行并行传输，功耗和体积都比较大，不太适合数据中心的应用。目前的400G光模块中，主要使用的是8路53G NRZ或者4路106G PAM4（4 Pulse Amplitude Modulation， 4级脉冲幅度调制）信号调制的方式，来实现400G的信号传输。

模块封装方面，采用的则是OSFP或QSFP－DD，这两种封装形式都可以提供8路电信号接口。相较来说，QSFP－DD封装尺寸更小，更适合数据中心应用；OSFP封装尺寸稍大一些，功耗更大，更适合电信应用。

解析100G／400G光模块的“芯”力量

我们已经简单介绍了100G和400G光模块的实现方式，以下可以看到100G CWDM4方案、400G CWDM8方案和400G CWDM4方案的原理图：

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

100G CWDM4原理图

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

400G CWDM8原理图

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

400G CWDM4原理图

光模块中，实现光电信号转化的关键是光电探测器。想最终满足以上这些方案，从“芯”出发，需要满足怎样的需求呢？

100G CWDM4方案需要4λx25GbE实现，400G CWDM8方案则需要8λx50GbE实现，而400G CWDM4方案则需要4λx100GbE实现。与调制方式相对应，100G CWDM4和400G CWDM8方案采用NRZ调制方式，分别对应调制速率25Gbd和53Gbd的器件；400G CWDM4方案采用PAM4调制方式，同样需要器件具有53Gbd以上的调制速率。

将器件调制速率和器件带宽对应，对于1310nm波段100G光模块来说，带宽25GHz InGaAs探测器或探测器阵列则可满足需求。

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

100G光模块中的滨松探测器

滨松可为100G光模块提供具备低暗电流、高灵敏度、高可靠性特性的一整套系列完整的单点／阵列（前照式／背照式）InGaAsPIN探测器。

接下来，我们将来重点聊聊满足1310nm波段400G光模块需求的器件。

毫无疑问，相较100G，400G光模块需要探测器具有更高的带宽，而探测器的带宽主要受到其终端电容的影响，终端电容越小带宽越高。那怎样才能将它做小呢？很“简单”，探测器的芯片面积缩小就可很大程度上助攻了。不过注意了，这里的“简单”是打了个双引号的。

上文我们提到了，数据中心通信是中长距的互联。光模块的一个重要参数——Minimum Sensitivity很大程度上将决定模块可实现的传输距离，与之相关的，光模块的探测器则必须保证高灵敏度、低暗电流的性能。也就是说，探测器芯片面积的缩小，需要在保证灵敏度的前提下进行。这无论对于半导体材料还是工艺而言，都有着极高的要求。

克服了一系列难题，针对1310nm波段的400G光模块，滨松也于近年陆续推出了单点／阵列调制速率56Gbd的InGaAs PIN探测器。其中，在单点产品中，除了前照式外，针对10km及更长距离的传输应用，滨松还可提供背照式的产品。而背照式探测器要实现高灵敏度和较好的光耦合效率，其光敏面需要一个透镜来达到目的。而此透镜是直接生长在芯片上的，产品良率为一个很大的问题。利用自有的独特半导体材料生长工艺，对此，滨松可以给予极大的保障，全方位满足数据中心中长距通信的应用需求。

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？

400G光模块中的滨松探测器

作为一家拥有60余年的光电企业，滨松在光通信器件和InGaAs探测器的研发和生产上，有着丰富的经验。滨松InGaAs探测器通过掌握核心技术——晶圆生长，芯片刻蚀，芯片切割，芯片测试，实现了所有的生产工序和测试均在内部工厂完成，保证了产品的品质，不断地为世界提供优质的产品。接下来，我们也希望通过不断精进自身的技术，为光通信和数据中心通信光模块的发展提供更好地可能。

从100G到400G，数据中心通信需要怎样的“芯”力量？