400G光模块的发展现状及数据中心应用方案

引言

根据光通信领域知名市场调研机构LightCounting数据显示，2020年光模块市场规模超过80亿美元。随着网络流量的爆发式增长，预计到2026年，全球光模块市场规模将到达145亿美元。

图 光模块市场规模及预测（百万美元）

随着云计算时代的到来，更高速率、更大带宽、更低时延的网络成为数据中心业务发展的重要诉求。而400G光模块作为数据中心内部光网络互联的关键硬件设备，在构建400G网络系统的过程中，能最大限度的提高数据中心的带宽与端口密度，成为实现互联的必要手段，400G终将是下一代数据中心发展的必然趋势。那么，400G光模块的发展现状（含义，命名方式，分类，标准及封装方式）及在数据中心的应用方案是什么？

400G光模块的含义和命名方式

400G光模块又叫400G光收发模块，在发送端将电信号转变成光信号，再通过光纤进行传送，到了接收端再将光信号转变成电信号，主要用于光通信中电信号和光信号的相互转换。从体积来看光模块，它尺寸很小，一般用在各种网络架构中的服务器、交换机、路由器和无线基站设备等。

IEEE802.3工作组对光模块的命名方式进行了定义，xxxGBase-mRy.z的字段中，xxx表示速率，m表示传输距离，y表示光纤对数，z表示波长数量。比如400GBASE-SR4.2，表示光模块速率为400Gbps，SR表示150m以内的连接（如同机房机柜之间的连接），4表示4对光纤8芯，2表示每芯承载2个波长。

400G光模块的分类，标准及封装方式

400G光模块的分类，从光波长上，分为多模（MM）和单模（SM）；从信号调制方式上，分为NRZ和PAM4调制（目前以PAM4为主）；从传输距离上，分为SR、DR、FR、LR；从封装形式上，分为OSFP、QSFP-DD、CDFP、CFP8、CWDM8和COBO等。主流400G光模块中，光口侧主要采用8路53Gbps PAM4（400G-SR8、FR8、LR8），和4路106Gbps PAM4（400G-DR4、FR4、LR4）来实现400G的信号传输；在电口侧使用8路53Gbps PAM4电信号，采用OSFP或QSFP-DD的封装形式。

封装，可以理解为光模块的款型标准，是区分光模块的主要方式。目前400G光模块的标准与封装形式主要有以下六种：

OSFP（Octal Small Formfactor Pluggable），该标准是一个新的接口标准，与现有的光电接口不兼容。其尺寸为100.4 * 22.58 * 13 mm ^ 3，比QSFP-DD的尺寸稍大一些，需要更大的PCB面积。其电接口的引脚不同于QSFP-DD， 上下各有一排。

QSFP-DD（Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density），该方案是对QSFP的拓展，将原先的4通道接口增加一行，变为8通道，也就是所谓的Double Density。该方案与QSFP方案兼容，原先的QSFP28模块仍可以使用，只需再插入一个模块即可。

CFP8是对CFP4的扩展，通道数增加到8个通道，尺寸相应地增加到40*102*9.5mm^3。该解决方案的成本较高，需要用到16个25G的激光器。

CWDM8是对CWDM4标准的扩展，每个波长的速率为50G，也可以同样实现400G。 新增了四个中心波长，即1351/1371/1391/1411nm。波长范围变得更宽，对Mux/DeMux的要求更高，激光器的数目也增加一倍。最大输入功率为8.5dBm。

CDFP标准诞生较早，CD表示400，其采用16通道，单通道速率为25G。由于通道数较多，尺寸也比较大。

COBO（consortium for on board optics），意思是将所有的光学元件都放在PCB上。该解决方案的主要优点是散热好、尺寸小。但是，由于不支持热插拔，一旦某个模块出现故障，将很难进行维修。

400G光模块在数据中心的应用方案

随着数据中心带宽增大，储存量需求增加，服务器访问端口速度的加快，对光模块实现数据中心之间信息实时海量交互的效率提出了更高要求。目前，400G光模块传输速率为400G，相比100G光模块提升了4倍，能最大限度的提高数据中心的带宽与端口密度，成为实现数据中心网络互联的重要解法。400G光模块在数据中心的应用方案，从传输距离来看，一般分为以下4个场景：

<20m，主要用于机柜内部的服务器和TOR交换机互联。目前数据速率以10G、25G为主，正在向50G或100G过渡，一般可以使用AOC有源光缆或DAC高速线缆直接连接。

<500m，主要用于数据中心同一机房内Leaf到Spine交换机的互联。目前数据速率以40G、100G为主，正在向400G过渡。其中100m以下的短距离主要以850nm的多模（MM）光纤为主；100m～500m距离多采用1310nm波长的单模(SM)光纤，出于成本考虑主要采用并行单模（PSM）技术。

<10km，主要用于数据中心楼宇间交换机或路由器的互联。目前数据速率以100G为主，正在向400G过渡。此场景传输距离较长，光纤的成本占比较大，因此多采用波分复用技术在单根光纤上传输更多路信号，对于100G速率来说，态路通信可提供100G LR4光模块，在500m~2km场景仍可以使用态路通信100G PSM4光模块。

>10km，主要用于多个数据中心间的互联（DCI）。目前实现方式以100G+DWDM（密集波分复用为主），对于100G速率来说，根据数据中心之间的距离态路通信可提供100G LR4、100G ER4和100G ZR4光模块可供选择。

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参考资料：

1.《What is the 400G Optical Module? 》

2.《400G光模块封装类型及数据中心应用方案》

3.《400G光模块应用场景》

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