400G可插拔光模块与相干DWDM结合实现长距离DCI

易飞扬

DWDM和路由技术的结合是400G可插拔DWDM光模块长期合作的关键。相干DWDM产品准备与400G相干DWDM可插拔光模块的引入保持同步。

本文将研究相干DWDM的演进，更深入地研究400G QSFP-DD相干DWDM可插拔光模块背后的细节，并探讨如何实现DWDM和路由技术的融合。

相干DWDM发展

在不到10年的时间里，DWDM模块取得了长足的进步，光器件变得越来越小，速率越来越高。它在同一时间段内速率增长了10倍：从2011年的40G增长到今天的400G，在不久的将来还会有800G的可插拔光模块出现。

图1： 相干DWDM模块的演变

相干光学技术的引入是DWDM系统开发中最重要的创新之一。相干光学设备利用先进的光学器件和数字信号处理器（DSP）来发送和接收复杂的光波调制，从而实现高速数据传输。在非常高的水平上，相干调制仍然是高速光学设备（包括400G及更高版本）背后的驱动力。

第一个可商用的相干DWDM系统是40G，紧随其后的是100G。这些系统是基于线卡和机箱的，能够在每个系统中支持许多线卡，并且与10G速率产品占用相同的空间，是一项重大进步，现在已可以传输100G速率以及更长的传输距离。随着时间的推移，线卡速度已提高到200G甚至更高，但是随着云提供商的出现，行业正接近一个拐点。

随着云提供商网络开始呈指数级增长，制造商创建甚至更小，更快和更便宜的网络组件的压力也越来越大。正是这一拐点促使创建了“比萨盒” DWDM系统。

“比萨盒”系统取消了机箱和线路卡。它是一个物理上很小的独立系统，是一个小型数据中心交换机，高度为1或2RU（1.5”-3”）。“比萨盒”封装可行性的工程关键是将相干光传输中的两个主要组件分离：光器件（激光、接收器、调制器等）和DSP（数字信号处理器），直到现在它们都位于安装在线卡上的大型模块。

光学方面的创新导致了需要更低功耗和更小尺寸的组件。这些创新产生了可插拔的CFP2-ACO（模拟相干光学器件），这是一种尺寸相对较小的CFP2的可插拔DWDM模块。DSP技术也不断发展，使一个DSP芯片可以支持多个CFP2-ACO模块。

通过在可为多个CFP2-ACO服务的“比萨盒”中放置多个DSP，制造商生产了能够在2个机架单元（3英寸）内传输2Tbps（20x100G客户端连接）的系统。相反，基于机箱的系统将需要12个机架单元。除了节省空间外，它们还更加节能。

为什么将CFP2-ACO称为“模拟”，难道这些系统不是数字的1和0？ 这就是相干技术的光辉之处，它可以将1和0调制为模拟波形，从而将更多数据打包到每个波形中，然后在另一端进行准确解码。

当然，这是对相干信号传输的非常简单的解释，但开发商的目的关键是需要将数字信号转换为模拟信号以传输数据，并在另一端将模拟信号转换回数字信号。CFP2-ACO仅可处理模拟信号，它从DSP接收要发送的相干模拟信号，或者将接收到的相干模拟信号传递到DSP以转换为数字信号，如图所示。

图2：ACO DWDM传输系统

CFP2-ACO系统在缩小占位面积，降低功耗和降低光网络设备（特别是转换器）的成本方面一直在进步。这些平台已在整个行业中被广泛采用，并已成为几乎每个云提供商网络中光传输的标准形式。

自从引入基于CFP2-ACO的系统以来，供应商就引入了新的，更快的“比萨盒”系统，该系统不依赖于DWDM可插拔设备。光器件和DSP位于小型现场可更换模块或小型线卡上，这些系统每个波长可支持600Gbps+。

在同一时间，随着CFP2-DCO的推出，可插拔相干DWDM光学器件继续得到发展。“D”代表数字相干光学中的“数字”。相干光学的开发人员再次缩小了组件的尺寸和功耗，因此光器件和DSP都置于CFP2中。

这样就无需使用机架来容纳DSP，从而可以直接从路由器或交换机进行相干DWDM传输，这是DWDM和路由器真正融合的转折点。

图3：路由器或交换机内的DCO DWDM传输

现在，相干光模块发展到400G ZR和400G ZR+，采用QSFP-DD封装，与CFP2-DCO采用相同的技术，但尺寸更小。如此紧凑的封装容纳400G相干DWDM光器件，确实为路由和DWDM的融合提供了可行的解决方案。

400G标准
400G发展到现在，已有多项标准。包括400ZR、400G ZR+、400G OpenROADM、400G OpenZR+，它们的方向略有不同。

首先是光互联网络论坛（OIF），它创建了400ZR标准。400ZR的目标是边缘和相对短距离（120km以内）数据中心互连应用。大约在同一时间，OpenROADM多源协议也定义了400G DWDM可插拔的规范，规范集中在服务提供商网络将需要的内容上。例如长距离光传输（>120km），高级前向纠错（称为oFEC）和可选数据速率（100G、200G、300G或400G）。尽管可以实现附加功能，但所需功率要比ZR规定的15W多。因此，OpenROADM的规范被称为ZR+。

最终，在两个组织和各种光器件制造商之间，他们同意采用OIF和OpenROADM结合的最佳标准，并称为OpenZR +。通过以相同的封装组合每种器件的特性，可以提供一种高度通用的相干DWDM光器件，如图4所示。

图4：400ZR和OpenRoadm标准的组合——OpenZR+

借助封装，功能和数据速率，我们可以看到光传输范围， 像任何相干DWDM模块一样，数据速率越高，传输距离越短。而使用OpenZR +标准，可实现1400km传输距离，是400ZR传输距离的10倍以上。图5显示了数据速率，调制类型和传输距离，可能会有特定的供应商差异，但这是基于供应商和标准数据的可靠估计。

图5：  400G DWDM速率和距离

考虑到400G OpenZR+与高密度路由平台相结合的功能，DWDM和路由的融合非常有必要。最明显的应用是数据中心互连，但这里的情况要大得多。 借助路由器中的高密度DWDM，再加上流量工程的简便性和分段路由的路径冗余性，我们有望在传输网络体系结构方面发生重大转变。

20年11月，易飞扬受邀成为OpenZR+ MSA首位贡献者成员，易飞扬于2018年初正式投资进入相干光模块开发，开放性地与上游供应链进行战略合作，在低功耗设计、信号调制模型上进行优化创新，取得了重大成果。现已推出100G CFP-DCO和100G CFP2-DCO数字相干光模块，适用于数据中心互连和城域网超长距离光传输，两款产品皆可支持最高2000km链路传输。并将在后续依次推出严格遵循OpenZR+标准的200G、400G和800G数字相干DWDM光模块，助力下一代光网络。