ZR/ZR+ 光模組
3 秒看懂
一句話定義：ZR/ZR+ 是將相干光傳輸技術濃縮排 QSFP‑DD/OSFP 標準可插拔封裝的光模組，主攻 80–120 km 城域資料中心互連（DCI），讓相干從“機櫃級系統”變成“即插即用的光模組”。
關鍵標籤：相干可插拔 · DCI · 400ZR/800ZR · 低功耗 · OIF 標準 · 矽光子 · 城域點對點
3 分鐘產業解釋
為什麼 DCI 需要相干
傳統資料中心園區內互連（<10 km）多采用 直檢光模組（如 400G‑DR4/LR4），技術簡單、功耗低、單價可做到數百美元級。但當距離拉大到 40–120 km（典型的兩個城市資料中心、或城市不同園區之間），直檢方案面臨光功率預算不足、強色散和非線性損傷，必須引入中繼裝置或敷設更多光纖，後者成本高昂且運營複雜。
相干技術 通過高階調變（如 DP‑16QAM）和強大的數字訊號處理（DSP），在單波長上擠入數倍於直檢的位元，同時對色散、偏振模色散具備電子補償能力，允許無中繼 100 km 以上的傳輸。問題在於傳統相干系統是機框級裝置，功耗動輒數十瓦乃至上百瓦，單埠成本數萬美元，主要用於數千公里骨幹網，對城域 DCI 來說過於昂貴和笨重。
ZR/ZR+ 的市場卡位
距離/容量軸：
直檢方案 (0–10 km, 簡單便宜) ←→ 傳統機框相干 (80–2000+ km, 昂貴複雜)
↑
ZR/ZR+ 填補中間地帶
(40–120+ km, 標準化, 中等成本)ZR/ZR+ 把相干電晶片、矽光整合、調變器、探測器、雷射器打包進 QSFP‑DD/OSFP 模組，典型功耗控制在 15–20 W，單模組成本壓縮到千美元級（具體以廠商報價及批次採購為準），讓雲端廠商可以按需直採模組、架設點對點城域光層，大幅避免向電信運營商租用專線的持續費用。
400ZR 與 ZR+ 的關鍵區別
| 維度 | 400ZR | ZR+（400ZR+/800ZR 等） |
|---|---|---|
| 標準化 | OIF 400ZR 實現協議（IA） | 主要為廠商自定義，“ZR+”非統一標準名稱 |
| 目標距離 | ~120 km，典型城域點對點 | 數百 km，城域/區域網，可靈活配置 |
| 調變格式 | 固定 DP‑16QAM | 可變（QPSK/8QAM/16QAM），可調波特率 |
| 靈活性 | 低——“固定管道”，設定後不改 | 高——支援開放線路、可調引數 |
| 功耗複雜度 | 相對低 | 較高（更復雜的 DSP/彈性調節） |
| 主要客戶 | 超大規模雲端廠商 DCI | 電信運營商、二級雲端商、需異質互通的場景 |
注意：截至 2025 年 4 月，OIF 已啟動 800ZR 專案討論，但正式實現協議尚未釋出，具體規格以 OIF 後續公佈為準。
技術原理
相干檢測基本架構
發射端（Tx）：在 400ZR 裡，雷射器出光後被分成 X、Y 兩路偏振，每路各有同相（I）和正交（Q）調變器，構成雙偏振 16 進位制正交幅度調變（DP‑16QAM）。每個符號攜帶 4 位元/偏振×2=8 位元，在約 60+ Gbaud 的符號速率下產生約 480 Gbps 的線路速率，扣除 FEC 開銷後淨荷 400 GbE。
雷射器 → 分光器 → [Ix/Qx 調變器] ┐
├→ 偏振合束 → 光纖
[Iy/Qy 調變器] ┘接收端（Rx）：訊號光與本振雷射器進入 90°光混合器，平衡探測器輸出 I/Q 電訊號，經高速 ADC 取樣後送入 DSP 晶片。DSP 執行色散補償、偏振解複用、載波相位恢復和多級前向糾錯（FEC），恢復原始位元流。
光纖訊號 ┬→ 90°混合器 → 平衡PD(I)
│ ↓ ADC → DSP → 輸出
本振雷射 ┤ ↑ ADC
└→ 90°混合器 → 平衡PD(Q)抖落功耗：DSP 是核心戰場
相干 DSP 承載的巨大計算量來自：
- 色度色散補償（對於 120 km 單模光纖，色散可達到數百 ps/nm）
- 偏振模色散追蹤與補償
- 載波頻率/相位估計
- 軟判決+硬判決級聯 FEC（如 OIF 建議的 OFEC）
傳統相干 DSP 功耗數十瓦，而 QSFP‑DD 模組整體功耗上限約為 15–20 W（依據硬體規範版本及散熱條件），分配給 DSP 的功率包絡通常須壓縮至 5–8 W。這就要求 7 nm/5 nm 先進製程、專用指令集和高度並行架構，使 DSP 成為整個模組中壁壘最高的環節。
矽光整合的作用
矽光（SiPh）把調變器、鍺探測器、波長分波多工器等大規模整合在矽基晶片上，有利於縮減光器件體積和成本。400ZR 多數方案採用矽光整合，但 InP（磷化銦）方案在雷射器效率、調變器頻寬等方面仍有競爭優勢。兩者長期並存，選擇取決於良率、成本與供應鏈。
關鍵引數
| 引數 | 含義 | 400ZR 典型值/範圍 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 介面速率 | 淨荷速率 | 400 GbE | OIF IA 要求 |
| 線路符號率 | 光纖上的符號速率 | 約 60–64 Gbaud | 需以 OIF IA 和廠商規格書為準 |
| 調變格式 | 光訊號編碼 | DP‑16QAM（固定） | ZR+ 可支援多格式切換 |
| 傳輸距離 | 不加中繼可達 | ~120 km（G.652 單模光纖） | 實際受光纖衰減、色散、OSNR 影響 |
| 功耗 | 模組總功耗 | 15–20 W | 廠商典型規格；QSFP‑DD 散熱條件限制 |
| 封裝形態 | 物理介面標準 | QSFP‑DD / OSFP | OIF 定義了兩種封裝 |
| OSNR 靈敏度 | 所需最小光訊雜比 | 約 20–24 dB（0.1 nm 頻寬） | 取決於具體 DSP 和 FEC 方案 |
| FEC 方案 | 前向糾錯演算法 | 級聯 FEC（如 OFEC） | 結合硬判決與軟判決 |
| 雷射線寬容限 | 本地振盪器線寬要求 | 數百 kHz 至 MHz 級 | 受 DSP 演算法影響 |
| 工作溫度 | 商用級 | 0–70 °C 殼溫（典型） | 部分工業級版本溫度更寬 |
技術路線
相干模組形態演進
| 形態 | 典型尺寸 (mm) | 功耗量級 | 傳輸能力 | 靈活性 | 成本量級（估算） | 典型年份 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 機框相干插卡 | 機框槽位 | >100 W | 數千公里 | 極高 | 數萬美元/埠 | 2008–至今 |
| CFP2‑DCO | 41×102 | 20–30 W | 數百公里 | 中高 | 數千美元 | 2017–2022 |
| QSFP‑DD 400ZR | 18×89 | 15–20 W | ~120 km | 低（固定配置） | 千美元級 | 2021–今 |
| OSFP 400ZR | 22×103 | 類似 QSFP‑DD | ~120 km | 低 | 千美元級 | 2021–今 |
| 800ZR（預計） | QSFP‑DD/OSFP | 預計 20–25 W | 待定 | 待定 | 待定 | 2026+ （暫估） |
以上成本與功耗為行業公開討論範圍，具體以各廠商規格書和合同價格為準。
矽光 vs InP
- 矽光路線：優勢在於利用 CMOS 工藝大規模整合調變器、無源器件和探測器；雷射器通常通過異質整合或外接，整體量產性較好。代表廠商：中際旭創、英特爾、Coherent（部分產品）等。
- InP 路線：雷射器和調變器可通過同一種材料體系實現，光電轉換效率高，調變頻寬潛力大；代工生態較矽光小，但有 Indie Semiconductor、Lumentum、Infinera 等廠商深耕。在 400ZR 市場，矽光佔據主流出貨份額，但 InP 仍活躍於長距 ZR+ 及高階應用。
與直檢方案對比
| 指標 | 400G‑LR4/DR4（直檢） | 400ZR（相干） |
|---|---|---|
| 典型距離 | <10 km | ~120 km |
| 調變 | PAM4 或 NRZ | DP‑16QAM |
| DSP 需求 | 簡單（CDR/均衡） | 複雜（補償色散/PMD/載波恢復/FEC） |
| 功耗 | ~10–12 W | ~15–20 W |
| 單位成本 | 數百美元 | 千美元級 |
| 適用場景 | 資料中心內部/園區 | 跨城 DCI |
上游
DSP 晶片（Marvell/Inphi, Broadcom, Cisco/Acacia）
├─ 設計/流片（7 nm/5 nm）
│
矽光晶片/調變器
├─ 矽光代工（GlobalFoundries, TSMC 矽光工藝, Intel）
├─ InP 外延/晶圓（III‑V 代工廠，如 IQE, WIN Semiconductors）
│
TIA/Driver 晶片
└─ 模擬/混合訊號晶片製造商
│
雷射器（外接或異質整合）
└─ 半導體雷射器供應商
│
光電探測器（PD）/平衡探測器
└─ 光探測器供應商
│
無源光學元件（波長分波多工器、隔離器、光纖陣列等）
└─ 精密光學加工商上游壁壘主要集中於 DSP 晶片，其對演算法、先進製程和系統級驗證要求極高，供應集中度最高。矽光代工和 InP 晶圓製造是擴張產能的物理瓶頸。
下游
- 超大規模雲端廠商 DCI：Google、Microsoft、Amazon、Meta 等是 400ZR 最早和最核心的採購方，用於直連相距數十至一百餘公里的資料中心。
- 電信運營商城域匯聚：部分運營商將 ZR/ZR+ 用作 IP over DWDM 的遠端模組，降低城域 ROADM 網路的每位元成本。
- 二級雲端/託管/企業專線：內容分發網路、金融專線、科研網等需要長距離點對點頻寬且希望自建光層的使用者。
- 邊緣/園區互聯：少數超長距園區（如大學、工業區）亦可能採用 ZR，但非主要市場。
受益公司
按產業鏈環節分類（具體參與程度隨時間變化，以各公司最新財報和行業報告為準）：
| 環節 | 代表公司 | 備註 |
|---|---|---|
| DSP 晶片 | Marvell（2021 年收購 Inphi）、Broadcom、Cisco（2019 年收購 Acacia） | 技術壁壘最高，決定模組內生競爭力 |
| 光模組/收發器 | Coherent（2022 年更名自 II‑VI）、Lumentum、中際旭創（300308.SZ）、新易盛（300502.SZ）、光迅科技 | 負責光學設計、封裝整合、測試 |
| 矽光代工 | GlobalFoundries、TSMC（矽光工藝）、Intel | 光電整合代工產能 |
| 系統/網路裝置 | Cisco、Ciena、Nokia | 自用模組或與裝置整合銷售 |
| 光晶片/材料 | Lumentum（InP 雷射器/調變器）、住友電工、三菱電機 | 有源器件供應 |
提醒：以上僅供參考產業格局，不構成任何投資建議、買賣判斷或目標價展望。
市場規模
公開資料來源以 LightCounting 和 Cignal AI 的追蹤報告為主，以下為行業估算口徑：
- 據 LightCounting（2024 年 3 月釋出）預測，包括 400ZR、ZR+ 及未來 800ZR 在內的可插拔相干模組市場規模在 2023 年約為 3–4 億美元，受益於頭部雲端廠商規模化部署，預計 2026 年有望突破 10 億美元，2028 年可能達到 20 億美元 級別（來源：LightCounting “Coherent Optics Report”，2024）。
- Cignal AI（2024 年 1 月）指出，2023 年 400ZR/ZR+ 出貨量年增率增長逾 80%，是高速光模組中增速最快的細分領域之一。
- 從地區看，北美超大規模雲端廠商貢獻了大部分採購量；中國雲端廠商在 2023 年也開始對 400ZR 進行小規模測試和匯入，但規模明顯小於北美（Cignal AI 報告，2024）。
注意：上述數字為第三方機構估算，與各公司實際財務報表可能有所差異，讀者應以最新報告版本為準。
玩家對比
以光模組環節為例，對比主要供應商（基於公開財報、展會演示及行業採訪）：
| 維度 | 中際旭創 | 新易盛 | Coherent (原 II‑VI) | Lumentum |
|---|---|---|---|---|
| 400ZR 出貨狀態 | 已批次供貨（2023 年） | 2023 年小批次，2024 年規模上量 | 批次供貨，產品線覆蓋 ZR/ZR+ | 批次供貨，側重長距 ZR+ |
| 技術路線 | 矽光 + 外接雷射器 | 矽光為主部分產品採用 InP | 矽光 + InP 均有 | InP 及矽光混合 |
| 主要客戶 | 北美頭部雲端商、國內雲端商 | 北美、國內雲端商及裝置商 | 北美雲端廠商、電信裝置商 | 電信運營商與裝置商 |
| 產能版面配置 | 國內為主，海外產能擴張中 | 國內，具備較大產能彈性 | 全球多地（美、歐、亞） | 全球多地 |
| 800G 產品進展 | 已展示 800ZR 原型（OFC 2024） | 展示 800ZR 原型 | 已展示 800ZR 演示 | 已展示 |
上述資訊來自各公司 2023 年年度報告、OFC 2024 公開展示及行業媒體。具體份額、產能數字公開揭露有限，不可直接對比。
風險
- DSP 供應集中度：相干 DSP 供應商高度集中於 Marvell、Broadcom、Cisco 三家，光模組廠商難以擺脫對上游的依賴。若出現供應中斷或技術路線變化，可能影響全行業交付節奏。
- 雲端廠商資本支出波動：ZR/ZR+ 需求與雲端運算、AI 基礎設施資本支出高度相關。宏觀環境、AI 投資回報週期不確定，可能引發採購計劃的縮減或延遲。
- 價格競爭與盈利壓力：光模組環節參與玩家增多，ASP 存在持續下滑壓力（LightCounting 指出 400ZR 模組單價 2023–2024 年已有明顯降幅）。若降幅快於成本下降，模組廠商獲利率將被壓縮。
- 技術路線迭代風險：800ZR 標準化尚在進行，不同廠商早期方案互不相容，可能出現技術先動者被後發標準淘汰的風險。此外，CPO（共封裝光學）等技術若在城域場景取得突破，有可能對可插拔相干形成長期替代威脅。
- 標準碎片化：“ZR+”命名缺乏統一標準，互操作性差，可能導致客戶鎖定於單一供應商，抑制第二輪市場擴張。
- 散熱與密度限制：高密度部署時，交換器的面板散熱能力可能成為瓶頸，部分場景下會限制埠速率或 ZR 模組的使用數量，影響需求釋放節奏。
以上均為產業層面的潛在風險因素，不指向任何具體公司的投資風險。
誤讀糾偏
❌ 誤讀 1：“ZR 可以替代所有長途相干系統”
ZR 專為 120 km 以下點對點設計，長途網路需要更復雜的非線性補償、靈活柵格和 ROADM 線路適配，這些不在 400ZR 協議範圍內。長途仍依賴機框相干或更高效能的嵌入式光引擎。
❌ 誤讀 2：“ZR+ 是 OIF 正式標準”
OIF 至今僅釋出了 400ZR 實現協議（IA），未制定“ZR+”的統一定義。“ZR+”通常指廠商在 400ZR 硬體基礎上增加高階調變切換、更高發射功率或更長覆蓋距離的專有擴充套件，不同廠商之間可能無法互操作。
❌ 誤讀 3：“矽光已完全取代 InP”
400ZR 大量採用矽光整合，但 InP 在雷射器效率和調變器頻寬上仍有固有優勢，尤其在要求更高鏈路預算的長距 ZR+ 及 800ZR 預研中保持活躍。兩者將在未來較長時期共存。
❌ 誤讀 4：“ZR 功耗低，散熱要求可以忽略”
ZR 模組的總功耗雖遠低於機框相干，但其功率密度極高（15–20 W 濃縮於不及手指粗細的金屬殼內）。交換器面板的散熱設計、最大插裝密度和氣流管理是實際部署時必須仔細評估的工程問題，否則可能引發高溫告警或降速。
❌ 誤讀 5：“ZR 是無中繼百公里傳輸的唯一方案”
雖然 ZR 能在 120 km 內實現無中繼，但對於部分光纜老化或接頭損耗大的線路，也可能需要外接光放或選擇更高鏈路預算的 ZR+。此外，部分雲端廠商仍使用低成本直檢模組配合波長分波多工/中繼器，需根據具體鏈路預算做方案比選。
最新事件
- 2024 年 3 月，OFC 2024：多家供應商展示 800ZR 早期樣機或原型，採用 5 nm DSP 和 ≥120 Gbaud 符號率，目標支援 800 GbE 城域傳輸。OIF 在會場公開討論 800ZR 專案初始需求。
- 2024 年 2 月，Marvell 釋出新一代相干 DSP（Orion 系列），採用 5 nm 製程，支援 1.2 Tbps 總吞吐量，可應用於 800ZR/ZR+ 和可插拔 WDM 場景。
- 2023 年底，雲端廠商批次部署：北美頭部雲端商在 2023 年第四季度電話會中提及 DCI 開支增加，多家分析師指出 400ZR 已成為新建城域連線的主流選擇（來源：LightCounting 2023 年 Q4 季度更新）。
- 2023 年 9 月，OIF 啟動 800ZR 專案：正式立項“800ZR Coherent”，成立工作組，預計 2025–2026 年完成 IA 草案。
- 中際旭創、新易盛 2023 年報：均揭露相干模組營收大幅增長，主要來自北美資料中心客戶及電信級 ZR+ 應用，具體數字見各公司財報。
- CPO 與可插拔的路線之爭：2024 年 OFC 上，關於共封裝光學（CPO）在城域場景的適用性被廣泛討論，但多數受訪專家認為可插拔相干在 2020 年代末前仍將是主流。
追蹤指標
| 指標 | 說明 | 追蹤來源 |
|---|---|---|
| OIF 800ZR IA 釋出進展 | 下一代相干可插拔的標準化節點 | OIF 官網、OFC/ECOC 會議公告 |
| 400ZR/ZR+ 季度出貨量或營收 | 行業規模及增速 | Marvell、Coherent、中際旭創等財報；LightCounting 季度更新 |
| 雲端廠商資本支出展望 | 驅動 DCI 需求的底層變數 | Amazon、Microsoft、Google、Meta 季報及電話會議 |
| DSP 晶片迭代與產能 | 關鍵供給瓶頸 | Marvell、Broadcom 產品釋出；代工廠（台積電等）產能分配 |
| 矽光及 InP 晶圓產能 | 決定模組擴產速度 | 矽光代工廠擴產公告；III-V 代工廠展望 |
| ZR/ZR+ ASP 趨勢 | 價格變動反映供需與競爭 | 行業報告（Cignal AI、LightCounting）及大型招標結果 |
| 交換器面板散熱/供電標準更新 | 封裝密度與功耗約束 | 網路裝置商白皮書、OIF 封裝規範更新 |
| 替代技術進展（CPO、LPO） | 潛在技術威脅 | 行業會議論文、裝置商/晶片商演示 |
| 運營商 ZR+ 招標公告 | 電信級市場滲透進度 | 運營商公開採購資訊 |
信源
- 標準與技術：OIF 400ZR Implementation Agreement；OIF “800ZR Coherent” Project 公告
- 市場資料：LightCounting “Coherent Optics Report” 及季度更新；Cignal AI “Coherent Optical Components” 報告；Dell’Oro Group “Optical Transport” 季度報告
- 廠商資訊：Marvell Technology、Broadcom、Cisco、Coherent、Lumentum、中際旭創、新易盛 等公司官方白皮書、財報與投資者演示材料
- 行業會議：OFC 2023/2024、ECOC 2023/2024 技術論文與 workshop 紀要
- 新聞報道：Lightwave、Optical Connections、Fierce Telecom、光纖線上等行業媒體
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