Когерентный оптический модуль

Существует несколько вариантов электрического интерфейса когерентных оптических модулей.

В 2016 году организация Optical Internetworking Forum опубликовала стандарт CFP2-ACO (CFP2 - Analog Coherent Optics Module Interoperability Agreement). Этот стандарт поддерживает конфигурацию, в которой цифровой сигнальный процессор (ЦСП) располагается на основной плате, а аналоговые оптические компоненты — в самом модуле. Такая схема используется в случаях, когда ЦСП превышает допустимый тепловой режим модуля^[6]. Интерфейс применим в тех случаях, когда линия связи может обеспечивать гибкую пропускную способность, например, в сочетании с технологией FlexE. Начальный стандарт разработан для модуля форм-фактора CFP2. Типичные используемые оптические модуляции для скоростей 100G и 200G включают двойную поляризационную квадратурную модуляцию фазы (DP-QPSK) и квадратурную амплитудную модуляцию QAM-16^[7].

С момента выпуска в 2016 году стандарт CFP2-ACO не обновлялся. Развитие когерентных технологий пошло по пути интеграции ЦСП непосредственно в сменный модуль (архитектура DCO). В октябре 2018 года OIF опубликовал конкурирующий стандарт CFP2-DCO, который упрощал интеграцию для производителей оборудования^[8]. Последующий переход индустрии на скорости 400 Гбит/с и выше, закреплённый в стандартах OIF 400ZR^[9], окончательно сместил фокус на архитектуру DCO в более компактных форм-факторах, таких как QSFP-DD и OSFP, фактически остановив развитие ACO.

В модулях, использующих архитектуру цифровой когерентной оптики (DCO), цифровой сигнальный процессор (ЦСП) интегрирован непосредственно в сменный модуль. Это позволяет использовать стандартизированный цифровой электрический интерфейс для связи с основной платой, что значительно упрощает разработку и интеграцию для производителей оборудования. Архитектура DCO, впервые получившая широкое распространение в форм-факторе CFP2, стала доминирующей в отрасли. Она легла в основу современных стандартов, таких как 400ZR и 800ZR, которые способствовали переходу индустрии на компактные сменные форм-факторы QSFP-DD и OSFP.

Современные когерентные оптические модули используют сложные методы модуляции и мультиплексирования для достижения высоких скоростей передачи данных, таких как 400 Гбит/с и 800 Гбит/с. Эти технологии стандартизированы в соглашениях о реализации (IA) от OIF и многосторонних соглашениях (MSA).

Ключевым типом модуляции для высокоскоростных интерфейсов, таких как 400ZR, является двойная поляризационная квадратурная амплитудная модуляция 16-го порядка (DP-16QAM). Этот метод позволяет кодировать несколько битов информации в одном символе, изменяя как амплитуду, так и фазу оптического сигнала в двух поляризациях, что значительно увеличивает пропускную способность канала. Для обеспечения целостности данных на больших расстояниях в таких стандартах применяется упреждающая коррекция ошибок (FEC), например, C-FEC (Concatenated FEC) в спецификации 400ZR.

Для дальнейшего увеличения пропускной способности волокна используется технология мультиплексирования по длине волны (DWDM). Она позволяет передавать несколько независимых каналов данных по одному оптическому волокну, используя разные длины волн (цвета) света. Стандарты нового поколения, такие как 800ZR, рассчитаны на применение в усиленных DWDM-линиях для соединений на расстояния до 120 км^[10]. Фундаментальным компонентом для реализации DWDM-систем являются настраиваемые лазеры, которые могут изменять свою рабочую длину волны, позволяя модулю работать на любом из каналов в сетке DWDM. Стандартизация таких лазеров стала основой для разработки современных совместимых когерентных модулей^[11].

Некоторые когерентные оптические модули могут переключаться на использование более простых типов модуляции, таких как NRZ и/или амплитудно-импульсная модуляция с четырьмя уровнями (PAM-4), если это требуется по условиям эксплуатации. Это используется, например, когда выясняется, что модуль на противоположном конце линии не поддерживает когерентную модуляцию.

Когерентная модуляция обычно реализуется с помощью техник, таких как двойная поляризационная квадратурная фазовая манипуляция (DP-QPSK) и квадратурная амплитудная модуляция QAM-16. Для современных высокоскоростных интерфейсов, таких как 400ZR, стандарты OIF определяют использование двойной поляризационной квадратурной амплитудной модуляции 16-го порядка (DP-16QAM), что позволяет передавать данные со скоростью 400 Гбит/с по одному оптическому каналу.

Настраиваемые лазеры являются фундаментальным компонентом современных когерентных модулей. Их способность перестраивать рабочую частоту (длину волны) как на передающей, так и на приёмной стороне, лежит в основе технологии мультиплексирования по длине волны (DWDM). Это позволяет одному и тому же модулю работать на любом из каналов в сетке DWDM, что является ключевым требованием для гибких оптических сетей, например, построенных на базе реконфигурируемых оптических мультиплексоров (ROADM).

Ранняя стандартизация механических и программных интерфейсов настраиваемых лазеров, проведённая OIF, создала рынок совместимых компонентов. Это стало технологической основой для разработки современных совместимых когерентных модулей, включая стандарты 400ZR и 800ZR, которые полностью полагаются на данную технологию.

В некоторых когерентных оптических модулях различные оптические длины волн, или lambdas, мультиплексируются с помощью мультиплексирования с разделением по длинам волн (WDM). Существуют варианты, такие как грубое WDM (CWDM) и плотное WDM (DWDM). Именно технология плотного мультиплексирования (DWDM) стала стандартом для увеличения пропускной способности волокна в современных когерентных системах. Стандарты нового поколения, такие как 800ZR, рассчитаны на применение в усиленных DWDM-линиях для соединений между центрами обработки данных на расстояния до 120 км.

Внутри когерентных оптических модулей содержится ряд компонентов, на которые обращают внимание стандартизирующие организации.

Часто скорость передачи данных оптического интерфейса не совпадает со скоростью электрического интерфейса, и для согласования этих скоростей внутри модуля используют преобразователь скоростей (англ. gearbox). Поскольку когерентные модули обычно оснащаются ЦСП, преобразование скоростей зачастую реализуется на уровне программного обеспечения.

Особенно на рынке модулей для больших расстояний поддерживается внутренняя коррекция ошибок (FEC). Реализованы как проприетарные, так и стандартные механизмы. В некоторых когерентных модулях применяются алгоритмы FEC с декодером с мягким решением. Примером современного стандартизированного подхода является упреждающая коррекция ошибок (C-FEC, Concatenated FEC), применение которой определено в соглашении о реализации OIF 400ZR.

Optical Internetworking Forum (OIF) разработала соглашения о совместимости (англ. Implementation Agreements, IA), нацеленные на многостороннюю совместимость для ряда внутримодульных компонентов, особенно по части когерентной передачи данных. В частности:

• Высокополосные интегральные квадратурные модуляторы с мультиплексированием поляризаций^[12]
• Интегральные передатчики с квадратурной модуляцией и мультиплексированием поляризаций^[13]
• Интегральные когерентные приёмники с двойной поляризацией и микровнутренним детектированием^[14]
• Интегрированная когерентная оптическая сборка приёмопередатчика (англ. Integrated Coherent Transmit-Receive Optical Sub Assembly, IC-TROSA). Соглашение, опубликованное в 2019 году, определяет спецификации для компонента, объединяющего функции передатчика и приёмника, что способствует созданию более компактных модулей^[15].
• Высокопроизводительный когерентный драйвер-модулятор версии 2.0 (англ. High Bandwidth Coherent Driver Modulator 2.0, HB-CDM 2.0). Опубликованное в 2021 году, это соглашение удваивает производительность когерентных драйверов-модуляторов для поддержки систем со скоростью 800 Гбит/с на одной длине волны^[16][15].

Optical Internetworking Forum разработала соглашения о многосторонней совместимости для настраиваемых лазеров, используемых в оптических модулях, например:

• Многоисточниковое соглашение об интегрируемых настраиваемых лазерах^[17]
• Соглашение о реализации микроинтегрируемых настраиваемых лазеров^[18]

Хотя после 2015 года OIF не выпускал новых соглашений, посвящённых непосредственно настраиваемым лазерам, проведённая ранее стандартизация их механических и программных интерфейсов создала рынок совместимых компонентов. Эта технология стала фундаментальной основой для разработки современных когерентных модулей, включая стандарты 400ZR и 800ZR, которые полностью полагаются на доступность и производительность стандартизированных настраиваемых лазеров.

400ZR — это соглашение о реализации (англ. Implementation Agreement, IA), опубликованное OIF в 2020 году с целью создания совместимых когерентных оптических модулей со скоростью 400 Гбит/с. Стандарт ориентирован на применение в соединениях между центрами обработки данных (DCI) на расстояниях до 120 км. Технология основана на одноканальной когерентной модуляции DP-16QAM и использует упреждающую коррекцию ошибок (англ. Concatenated FEC, C-FEC). Соглашение было разработано для экономичных и энергоэффективных решений в компактных сменных форм-факторах, таких как QSFP-DD и OSFP.

OpenZR+ — это многостороннее соглашение (MSA), которое расширяет возможности 400ZR, сочетая его спецификации с требованиями Open ROADM. Это позволяет поддерживать более широкий спектр применений, включая региональные и магистральные сети с увеличенной дальностью, а также обеспечивает гибкость за счёт поддержки нескольких скоростей передачи (100G, 200G, 300G и 400G) и различных типов трафика, таких как Ethernet и OTN^[19].

800ZR — это соглашение о реализации (англ. Implementation Agreement, IA), опубликованное OIF в октябре 2024 года. Являясь развитием стандарта 400ZR, оно определяет требования для когерентных интерфейсов со скоростью 800 Гбит/с. Стандарт ориентирован на применение в соединениях между центрами обработки данных (DCI) для однопролётных усиленных DWDM-линий на расстояния 80–120 км. 800ZR позволяет объединять клиентские Ethernet-интерфейсы (от 100GE) до суммарной пропускной способности 800G и делает акцент на решениях с низким энергопотреблением в сменных модулях малого форм-фактора.

800LR — соглашение о реализации OIF, опубликованное в апреле 2025 года, которое определяет требования к когерентному интерфейсу 800G для коротких расстояний — до 10 км по одной неусиленной линии^[20]. Оно предназначено для соединений внутри и между ЦОД, на границах городских сетей и в кампусных сетях. Стандарт поддерживает один клиентский интерфейс 800GE или два по 400GE, обеспечивая низкую задержку и энергопотребление^[20].

Существуют несколько многоисточниковых соглашений (MSA), в рамках которых определяются когерентные оптические модули.

В современных когерентных системах доминируют два сменных форм-фактора: QSFP-DD (Quad Small Form-Factor Pluggable Double Density) и OSFP (Octal Small Form-Factor Pluggable). Они обеспечивают поддержку скоростей 400 Гбит/с, 800 Гбит/с и имеют дорожную карту для перехода на 1,6 Тбит/с^[21].

QSFP-DD регулируется одноимённым многосторонним соглашением (MSA)^[22]. Ключевым преимуществом этого форм-фактора является полная обратная совместимость с предыдущими поколениями модулей, такими как QSFP+, QSFP28 и QSFP56^[23]. Это позволяет операторам проводить поэтапную модернизацию сетей без полной замены оборудования, что снижает затраты^[5]. Благодаря компактным размерам, QSFP-DD обеспечивает высокую плотность портов — до 36 портов в одном юните (1U)^[24]. Изначально рассчитанный на мощность 7–12 Вт, стандарт был доработан для поддержки модулей с энергопотреблением свыше 25 Вт, что сделало его пригодным для когерентных решений, таких как 400ZR/ZR+^[25]. Спецификация Rev 7.0, выпущенная в 2023 году, определяет поддержку модулей QSFP-DD1600 для скорости 1,6 Тбит/с^[25][21].

OSFP был изначально спроектирован с прицелом на будущие поколения высокопроизводительных сетей^[26]. Он немного крупнее QSFP-DD, что позволяет интегрировать более эффективную систему охлаждения (часто со встроенным радиатором) и поддерживать более высокое энергопотребление — от 15 Вт и выше (современные спецификации поддерживают >30 Вт)^[27][28]. Это делает OSFP предпочтительным для наиболее энергоёмких когерентных модулей и для новых инсталляций («greenfield»), где не требуется поддержка унаследованного оборудования^[5]. Для подключения модулей семейства QSFP требуется специальный адаптер^[5].

Хотя оба форм-фактора являются зрелыми и конкурентоспособными решениями, выбор между ними зависит от конкретных требований: QSFP-DD часто выбирают для модернизации существующих ЦОД, а OSFP — для новых развёртываний и приложений, требующих максимальной мощности, например, для кластеров ИИ^[5].

Существовали и другие форм-факторы, например, MicroQSFP, однако они не получили широкого распространения в когерентных системах.

Модуль форм-фактора C (англ. C-form-factor pluggable, CFP) — это многоисточниковое соглашение (MSA) о форм-факторе для высокоскоростных цифровых сигналов. Семейство CFP было одним из первых решений для когерентной оптики 100G, но после 2017 года было в значительной степени вытеснено более компактными и энергоэффективными форм-факторами, такими как QSFP-DD и OSFP^[30]. Различные версии семейства имеют разный статус актуальности.

• CFP/CFP2: Оригинальный модуль CFP был одним из первых для когерентных сетей 100G^[31]. Его более компактная версия, CFP2, сохраняет нишевую актуальность. Модули CFP2-DCO для скоростей 200G и 400G продолжают использоваться в операторских сетях и для межцентровых соединений (DCI) на большие расстояния. Их относительно крупный размер и бюджет мощности (до 12 Вт) позволяют размещать более сложную оптику для требовательных к качеству сигнала линий, однако они активно вытесняются более современными решениями^[32].
• CFP4: Этот форм-фактор был промежуточным шагом в миниатюризации, но для скоростей 100G и выше был быстро вытеснен модулями семейства QSFP, в частности QSFP28. В современных когерентных системах CFP4 практически не применяется и считается неактуальным^[33].
• CFP8: Представленный в 2017 году как решение для первого поколения интерфейсов 400 Гбит/с, модуль CFP8 не получил широкого распространения^[34]. Причинами стали его крупные габариты, высокое энергопотребление (до 24 Вт) и быстрое появление более компактных и эффективных конкурентов — QSFP-DD и OSFP. На сегодняшний день CFP8 считается устаревшим для новых развёртываний^[35].

Некоторые модульные решения предполагают размещение ключевых компонентов, таких как цифровой сигнальный процессор (ЦСП), непосредственно на печатной плате, а не внутри сменного модуля. Такой подход был характерен для архитектуры ACO, где ЦСП выносился на основную плату для лучшего управления тепловыделением. Однако развитие когерентных технологий пошло по пути полной интеграции ЦСП в сменный модуль (архитектура DCO), что упростило разработку оборудования и повысило гибкость. Появление и широкое распространение компактных сменных форм-факторов высокой плотности, таких как QSFP-DD и OSFP, окончательно сместили фокус индустрии с решений, монтируемых на плату, на полностью автономные сменные модули.

Ранние когерентные решения использовали модули, монтируемые на плату, такие как исторические MSA 5″×7″ (Gen 1) и MSA 4″×5″ (Gen 2). Этот подход, при котором цифровой сигнальный процессор (ЦСП) размещался на основной плате, а не в сменном модуле, был также реализован в архитектуре CFP2-ACO.

Однако развитие технологий привело к отказу от таких решений в пользу полностью интегрированных сменных модулей. Переход на архитектуру DCO, где ЦСП находится внутри модуля, и появление компактных форм-факторов высокой плотности, таких как QSFP-DD и OSFP, сделали монтируемые на плату решения неактуальными для новых развёртываний.

Изначально когерентную модуляцию применяли в магистральных сетях оптических транспортных сетей (OTN). В настоящее время ключевыми потребителями когерентных оптических модулей являются крупные облачные провайдеры и операторы центров обработки данных (ЦОД). Основным драйвером рынка стали соединения между ЦОД (англ. Data Center Interconnect, DCI), для которых были разработаны стандарты, такие как 400ZR и 800ZR. Эти технологии позволяют организовывать высокоскоростные Ethernet-каналы на расстояния до 120 км, где преимущества когерентной модуляции перевешивают увеличение стоимости.

Новым значимым потребителем стали кластеры для искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (ML). Построение таких систем требует организации высокопроизводительных сетей для обмена огромными объёмами данных (англ. east-west traffic), где когерентные технологии обеспечивают необходимую пропускную способность и энергоэффективность.

Помимо этого, когерентные модули применяются в региональных и городских сетях (стандарт OpenZR+), а также для соединений внутри кампусов (стандарт 800LR).

Главной профессиональной выставкой индустрии когерентных оптических модулей является ежегодная Optical Fiber Conference (OFC), проходящая на юге Калифорнии. Среди других заметных событий — ECOC в Европе и FOE в Японии.