2023-09-26新增 共同封裝光學元件 co-packaged optics, CPO簡介
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此篇文章統整了以下的參考資料，彙整出一份800G光通訊應用市場趨勢與規格近況報告
內容涵蓋
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800G 市場應用趨勢
雲端運算，AR/VR，AI，5G應用的普及使得Data Centor的需求越來越強烈，該圖顯示從2017~2021年對於interconnect的頻寬需求成長了約48 %。當時的估計，400G的光模塊會在2020年開始應用，而800G則是會在約2022-2023開始被採用。其中之前一直被討論的Co-package的技術LightCounting Market Research的CEO，Vladimir Kozlov認為在800G的時代傳統的光模塊仍就會是主流，而Co-package的技術則是將被開始啟用。
在2021年開始有800G的QSFP-DD/OSFP的模組的樣品產生。SerDes的技術方面，100G SerDes將會在2021導入，2023開始成為主流。至於200G SerDes的技術門檻更高更複雜，因此可能100G SerDes會有較長時間的存在的可能性
Lightcounting在2021七月發布了最新的Forecast。前 5 大相關公司：阿里巴巴、亞馬遜、Facebook、谷歌和微軟 2020 年在以太網收發器上的支出為 14 億美元，到 2026 年，它們的支出將增加到 30 億美元以上。
到 2026 年底，800G 收發器將主導整個DC市場。
Google 計劃在 4-5 年後開始部署 1.6T 模塊，不包括在此預測中。
此內容包含了Co-Package Optics的封裝，它將在 2024-2026 年開始取代數據中心中的可插拔光學器件。
有幾個因素導致Forecast增加：
根據Google在 OFC 2021 上分享的最新數據，人工智能應用程序驅動的數據流量增長前景增加。
800G 光模塊的供應商在研發上有不錯的進展
數據中心集對於這頻寬的需求高於預期
Ethernet的交換機IC也將在2021-2022發布25.6 Tb/s的prototype
Data Center的應用，過去的400G和100G將分別被800G與200G取代。而光模塊的form factor仍就是QSFP-DD/OSFP。
AI Cluster的數據中心，應用架構的層數沒那麼多。原本的200G/400G則會被400G/800G取代。
8x100G 短距離應用場景
關於短距離 Short Reach (SR)的使用場景，一般長度的要求為1~100M，但在800G的高頻寬下，多模的技術可能只能支援到最長30~50M的傳輸距離。
主要限制原因主要是VCSEL本身的頻寬以及多模光纖的色散(Dispersion)。在此架構下若要達到100M的需求，是有機會靠增加DSP的效能達到，但如此可能造成：
高成本
高延遲
高功耗
的缺點。因此800G MSA協會建議在800G-SR8的規格下，使用過去在500M以上才會用到的單模(Parallel Single Mode, PSM )技術
考慮到價格與功耗，單模的技術應該會SR短距離傳輸的最佳解。其中在Tx傳輸端雷射的技術方面，DML，EML，或是矽光子都是可能的方案
目前看起來EML和SiPh較為成熟的技術在BER的特性上有較佳的表現。DML的方案雖然有較差的BER表現，仍就有機會靠著DSP強大的equalization進行補償，但可能造成更高的功耗與成本
8x100G 主動元件發展近況
Lumemtum的100G PAM4 DML已經被驗證在2km的傳遞距離下，從25~85 degC的光消逝比ER仍就可以達到3.0 dB以上的水準
AOI則是驗證其DML經過5-taps feed forward equalizer (FFE) filter後的TDECQ= 2.54 dB
華為則已經在module端demo了100G/lane的眼圖，TDECQ可達3.0 dB的水準
4x200G 長距離應用場景
在FR的使用場景中，200G/lane PAM4的信號傳遞將是最重要的技術，而該技術也將可被應用在未來1.6T的互聯平台。為達到此規格，使用更先進的低奈米製程達到更低功耗將是重要的關鍵
CWDM4的Power Budget需考慮
Link Insertion loss
Multipath interference (MPI)
Differential group delay (DGD)
Transmitter dispersion penalty (TDP)
根據IEEE的規範模型MPI和DGD大約在0.4 dB。TDP方面考量到傳輸速率多一倍，合理數值應該在3.9 dB左右。綜合以上，800G MSA認為Rx Sensitility的數值落在-5 dBm左右。而為了達到此規格，更強大的FEC必須被導入
800G FR4主要是使用CWDM4的技術，可以選擇2xCWDM4，而在此條件下必須有八組的Laser和PD，因此相對的成本較高。若是CWDM4，使用的主動元件少，價格有機會降低，但相對了單通道需要支持200G的傳輸，因此頻寬的要求會多一倍。另外Coherent的技術當然也可以涵蓋到2km的應用，但個人認為無論是功耗或是價格都過高，不敷使用
4x200G 信號調製方式的選擇
為了增加頻寬，PAM4的技術在400G已經成功被導入，該技術可以在相同頻寬限制下提供多一倍的資料傳輸。因此PAM6更高階的調製也將被考慮，但目前技術尚未成熟，看起來PAM4仍是未來的主流
在800G FR4的規格下，CWDM4 4x200G的技術應該是最Cost-effective的選擇。而112 Gbaud的主動元件開發近況方面：
Sumitomo的PD和EML的S21接可以達到112 Gbaud的頻寬需求。
50 GHz的RF-IC也獲得初步的驗證
因此在未來技術的演進後，200G/lane的傳遞是有機會達成的
800G MSA透過數學預算，在BER=2E-3的目標規格，認為在800G的TDECQ規格應該定義為3.9 dB (400G 為3.4 dB)
TDECQ的計算中，更高TAP number的FFE必須導入
另外因為有更多的Noise，建議Tx的光強要上調0.5 dB補償DGD的損失。
Rx的Sensitivity則是因為FEC功能上調，目前建議事先不改變
4x200G的封裝方式評估
為了達到更高的頻寬(56 GHz)，Solution A和B的封裝方案也被提出。
Solution A是傳統的封裝方式，而S則是將Driver使用Flip Chip的方式封裝。
Solution B理論上有較佳的S21曲線，而Solution A則是有機會在Driver端的匹配上作進一步的調整。因此這兩種封裝方式都是有機會達到56 GHz的頻寬的。
4x200G FEC方案
為了成功修正2E-3的誤碼率，FEC的技術也必須更進，目前有兩種方案
方案1：在光模塊端使用新的FEC技術
方案2：考慮整體的系統導入全新的FEC技術
800G DR應用場景的可能
總和以上，根據SR與FR的場景。對於DR (500 m)的應用可能如下。
PSM8, 100G/lane：延續100m的傳遞，達到500m的距離是有可能的。
2xCWDM4, 100G/lane
PSM4, 200G/lane
CWDM4, 200G/lane：考量到未來1.6T的應用、技術的成熟、與元件和光纖的比例。此方案為800G MSA最偏好的方案，但目前功耗與價格上仍有空間需要努力
簡單的說，越高的頻率需求，長距離的規格需求的產品越有機會涵蓋更短距離的規格
IEEE協會200G~1.6T於DAC與光模塊規格的近況
可以看出50 Gbps/lane的規格基本上已經很完備了，而100 Gbps/lane則是還在制定中。Ethernet 1.6 Tb/s雖然距離應用還有一段時間，但IEEE也已經開始評估相關的規格。
藍字= 已標準化
紅字= 規格制訂中
* 注意：截至發佈時，可能會發生變化
800G光模塊可能的選擇
下表為根據800G MSA與IEEE規範，於800G光模塊可能的選擇。基本上和過往的400G雷同，最大的差異在於100m以下的傳遞是單模或是多模的技術仍然是個問號。
QSFP-DD800 Form Factor的更新
因應更高的功耗需要有更佳的散熱途徑，在QSFP-DD800中多了Type 2B的module，差異主要在於Heat Sink的長度增加了
光接頭介面的更新
也因為各種不同的封裝技術，光接頭的介面也更加的琳琅滿目
