用於DWDM傳輸的相干光模塊已發展了一段時間，不過通常被用於特定供應商的封閉工程系統。而針對MSA和其他標準而設計的可插拔相干模塊導致了相干可插拔光學工程系統的出現。IEEE802.3在ZR PMD上工作，使用DWDM進行100G和400G的80km傳輸研究，這引起了對可插拔相干光模塊開發和部署的廣泛興趣。
如今的光接口
如今，可插拔接口的靈活性一直是乙太網光傳輸成功的主要因素，它允許用戶擴展帶寬，並適當的調整成本。以400G乙太網為例，最終用戶可以擁有廣泛的接口類型來支持每種潛在的應用：
表1：標準400G乙太網接口的PMD，特徵和應用
傳統上，可插拔光模塊的大多數應用都落在10km及以下，因此可以通過直接連接銅纜、基於多模VCSEL或單模直接檢測光學技術進行有效地解決。隨著數據速率的提高，信令速率穩步提高，並且隨著400G的發展，出現了向更高階調製（NRZ=>PAM4）的升級。但是，絕大多數應用都採用了傳統的「直接檢測」技術。
傳統上，基於可定製的光器件和ASIC（特殊應用集成電路）的高性能，特定於供應商的相干線卡模塊可以解決傳輸更長距離的問題，但是許多供應商已經研發出與客戶端「插槽」兼容的高性能可插拔模塊（儘管對電源，冷卻和管理的要求更高）。最初的重點是電信應用，但是在諸如數據中心互連（DCI）等領域已經出現了一個越來越大的市場。長距離傳輸問題最好通過相干技術解決，並選用有市場潛力的高密度封裝（包括電源和冷卻），並且必須要低成本才能與市場預期保持一致。
如今的客戶側光接口
如今客戶側光模塊已有多種類型的封裝，但在客戶端界面中最受歡迎的有兩個系列，SFP系列和QSFP系列。SFP系列通常具有一條電氣通道和一條光通道，通常用於「終端設備」（例如伺服器或手機基站）；而QSFP系列使用並行光通道和電氣通道（傳統上使用4條電氣通道，而大多數情況下，將4條光通道用作並行光學器件或將單根光纖與CWDM光柵上的信號一起使用）。
當前用於客戶端接口的最先進的400G可插拔模塊是QSFP-DD模塊，它通常用在處理最大帶寬的交換機，路由器和傳輸設備等元件。融合了高速數字電子產品，寬帶和低噪聲模擬電子產品、DSP固件、微控制器、集成的光器件以及機械集成，所有高性能都導致了高成本。
需要解決幾個關鍵問題：
可插拔的電氣接口（在QSFP-DD中是雙面，雙堆棧連接器）將並行的高速電氣主機引入模塊接口。在400G乙太網上，這通常是8條並行差分通道，這些通道使用PAM4調製，並使用高性能數字SERDES，並支持主機到模塊接口的均衡。連接器還需要提供命令/控制接口，通常這些接口基於使用協議的IC之類的雙線接口。最新的400G QSFP-DD通常使用CMIS 4.0，這是一種針對400G的需求和應用而設計的高級狀態協議。電源（通常在超過4A時為3.3V）經過連接器，為模塊中的電器件和光器件提供了電源。
模塊內部的高度集成的IC包括SERDES，現在通常基於DSP，支持主機和模塊之間的均衡，並提供從8通道28Gbd PAM4到4通道100x /λ（56Gbd PAM4）的多路復用和解復用）用於光接口（例如DR4和LR4）。IC需要複雜的固件，尤其是DSP代碼，並且通過微控制器協調對模塊的管理和控制，該微控制器將用於協議模塊管理的協議棧（即CMIS 4.0），所有正常的日常維護和管理（如冷卻和電源管理）整合在一起，DSP的固件加載和管理，當然還有光器件的所有要求。光器件將由高度集成的雷射器和接收器組成，這些發射器和接收器均符合諸如IEEE 802.3之類的嚴格而精確的標準。發射器和接收器都需要展現出寬帶寬，低噪聲和良好的線性度，以應對功率和散熱要求。
組件安裝在必須處理信號完整性問題的微型PCB上，然後全部集成到QSFP-DD封裝的苛刻體積要求中，QSFP-DD確實是一個多學科的工程奇蹟。
如今的相干光模塊
相干光模塊在現代遠程光纖通信鏈路中發揮了重要作用。它們通常專注於最高性能，並在大型固定模塊上使用定製的光器件和ASIC。
圖1：相干光模塊的演進–從線卡到可插拔
如上圖所示，從設計的高性能線卡到開放的可互操作工程系統的演進需要將許多部分整合在一起，並且還對測試，驗證和生產提出了許多挑戰。儘管供應商生產了100G和200G（採用CFP和CFP2封裝）的可插拔模塊，但這種生態系統的最佳選擇出現在400GE上，在兩個不同的市場提供DCI，城域和DWDM服務。
圖2：在400G最佳領域出現的兩個不同的DCO市場
在ZR，ZR+和OpenROADM中，城域傳輸、數據中心互連空間可能會進一步細分，儘管從中期來看，這些應用（基於QSFP-DD和OSFP等更緊湊的封裝）將由用戶使用一種類型的模塊來解決，通過軟體和固件啟用可選操作模式。
客戶光學設備通常使用簡單的強度調製（傳統上是NRZ –開/關鍵控– OOK），但隨著400G的出現，PAM4調製在每通道50G及以上速率中普遍應用。相干調製利用光的相位和偏振來提供更高的調製能力，並且由於接收器具有相位和偏振態靈敏度，因此色散補償也可以電器件執行。傳統的調製將需要補償40km以上距離的鏈路分散。傳統客戶光學器件中使用的簡單強度調製非常直觀，雷射器（直接調製雷射器——DML或通過外部調製雷射器——EML）對其光強度進行調製，與數據保持一致。有時稱為開關鍵控，OOK。目前的實際上限大約為50GHz，因此28Gbd和56Gbd（100G/通道）用於市場的批量生產（成本合理）的設備是可行的。已經證明了200Gb/通道的更高帶寬，但是這些技術仍然比較新。
通過相干調製，可以利用光，偏振和相位的高級屬性來提供更高的數據速率，但代價是發射器和接收器的複雜性更高。
圖3：相干傳輸系統關鍵圖示
典型的相干和DWDM系統使用1550nm波段，這是最小損耗的區域，因此適合更長距離傳輸。發射器雷射器發出的光（通常是可調諧的，並且是集成可調諧雷射器組件的一部分– ITLA）被分成兩個路徑，然後對每個路徑進行相位調製（IQ調製），然後將兩個路徑重組為兩個垂直偏振態。這種光子組件通常將高度集成，並可能利用矽光子技術來滿足可插拔光學封裝的密度，性能和價格要求。在大多數情況下，四個I/Q調製器將由集成在DSP中的高性能DAC驅動。這將執行一系列編碼功能，包括成幀器，FEC和符號映射器，並且通常將成為IC的一部分，該IC還執行相干接收器功能。
現在經過相位，偏振和幅度調製的光信號（與更簡單的客戶端接口上的單幅值調製相反）沿著光纖鏈路傳輸，否則會受到衰減（損耗），色度和偏振色散以及其他影響會降低發射端光信噪比。
在接收器處，輸入光信號被分離為垂直偏振態，然後被分成同相和正交（I＆Q）分量，然後在該分量中被另一個（可調諧）雷射器進行異相處理，從而產生一個入射到光電探測器上的基帶信號。然後，所產生的信號被DSP的接收器部分數位化處理，這將在下面進行詳細描述。
可插拔相干光模塊
大量網絡設備具備可插拔模塊插槽，CFP2系列在QSFP系列主導的電信應用中得到了廣泛部署。由於對QSFP-DD的改進，OSFP在某些方面也獲得了支持。
圖4：QSFP-DD/OSFP/CFP2的可插拔封裝
用於線路側傳輸的相干可插拔模塊比典型的可插拔客戶端模塊要靈活得多。在QSFP-DD等可插拔客戶端模塊中，我們通常在模塊的入口和出口看到相同的信號結構。整個電接口（主機）和光接口（客戶端）的幀和編碼是一致的。相反，相干的應答器可能在主機端支持相同的結構，但是輸出信號結構會非常不同（例如在ZR接口上使用C-FEC（級聯FEC）的單載波相干DP-16QAM調製信號）。
客戶端和線路端編碼之間的顯著差異會影響測試範圍。在相干的CFP2-DCO應答器中，複雜度可能更高。在電信應用中，CFP2-DCO模塊可以支持基於乙太網和基於多服務的客戶端。400GE，4x100GE對於乙太網應用具有廣泛的吸引力，而OTN和FlexO提供了滿足多種服務需求的強大功能，這對於電信來說是重要的應用。
帶寬還可以根據客戶端的動態帶寬需求進行擴展，例如nx100G乙太網的可擴展性，可以從1到4個客戶端擴展以填充400G。對於OTN主機信號，有多種選擇：1或2*帶NRZ的OTL4.4，或400G時編碼為4*OTL4.2/4*OTLC.2的PAM4，具有不同的服務能力。提到的接口反映了較早的結構或較早的400G結構的遷移路徑。
未來的OTN接口可以基於具有100G，200G或400G變體的FOIC（FlexO接口）技術。主機FOIC接口受KP4 FEC保護
表2：FOC標準
線路側結構基於100G，200G和400G實體，但是不再有主機側看到的混合結構。根據鏈路參數（例如損耗，光信號到噪聲和色散），可以使用不同的FEC來匹配所需的編碼增益，性能等。示例包括CFEC（級聯FEC），OFEC（開放式FEC）以及專有FEC 。
可插拔數字相干光模塊（DCO）需要將大型相干線卡的許多功能集成到緊湊型可插拔模塊中。它包括使用可調諧雷射器的高度集成的光學相干接收器和發射器，其中許多元件通常需要諸如矽光子學之類的先進技術。相干光學器件還需要高度集成的DSP，以提供數字相干接收器的所有功能。接收部分的框圖如下所示。
圖5：DCO的接收部分框圖
模數轉換
接收器的輸入必須以奈奎斯特頻率或更高的頻率數位化，並且由於典型的相干系統使用相位和極化分集，因此您至少需要4個高速的ADC。它們需要具有合適的解析度和線性度，儘管它們將由光電二極體和跨阻放大器（TIA）進行處理，但它們可能需要很寬的動態範圍。
DSP功能塊
DSP相干接收器需要以下功能塊：
表3：接收器側所需的數字相干模塊DSP功能
當然，必須對所有功能進行控制，協調和實時跟蹤，因此DSP具有大型複雜的控制結構，通常與複雜的DSP固件交織在一起。DSP必須支持許多不同的工作模式和速率，這些模式和速率可能是ZR或ZR+等標準與特殊供應商專有模式的混合。與簡單的客戶端模塊偶爾需要報告一些簡單的鏈路參數（例如信號丟失（LOS）或光功率）不同，DCO中的DSP必須實時報告多個複雜的參數，以便主機可以管理和跟蹤鏈路的運行狀況。一小部分參數包括：
表4：DSP可以報告的模塊參數選擇
其他常規參數可能包括模塊狀態，工作溫度，雷射參數。這些參數的管理，控制和報告（其中許多參數在製造過程中需要在波長和溫度上進行校準）要求DSP，模塊微控制器和固件以及主機接口之間緊密耦合。
模塊管理與控制
DCO模塊是完整的DWDM線卡已集成到可插拔光學元件中，管理接口是所有功能的關鍵。多年來，客戶端光學已經使用基於簡單內存映射協議的兩線接口（例如IC）（SFF8636如今廣泛用於4通道模塊（例如QSFP28）），但是隨著400G類客戶端模塊的出現，顯而易見的是傳統解決方案無法滿足現代應用的要求。經過業界共同努力，CMIS4.0出現，成為了QSFP-DD等400G客戶光學設備的管理接口標準。DCO的管理要比客戶端光學系統複雜得多，並且業界正在為協調模塊管理尋找不同的途徑。OIF C-CMIS採取的一種方法是在CMIS 4.0的框架上構建並添加用於相干應用的擴展，這是QSFP-DD和OSFP模塊的可能途徑。它們很可能已經用於支持CMIS 4.0堆棧的主機中，因為QSFP-DD和OSFP客戶端將使用它們。另一種方法基於CFP MDIO概念，但對DCO進行了顯著增強，該方法建立在用於100G和200G應用的第一代和第二代CFP和CFP2 DCO模塊使用的基礎上。
圖6：DCO功能塊
可插拔相干光模塊經歷了長時間的升級迭代，在現代遠程光纖通信鏈路中發揮了重要作用。隨著400G的發展，400G可插拔相干光模塊擁有廣闊的前景。