康寧光通信：數(shù)據(jù)中心用多模光纖技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

  ICCSZ訊 數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為現(xiàn)代生活發(fā)動(dòng)機(jī)，日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)信息都通過數(shù)據(jù)中心進(jìn)行高速傳輸和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部大部分連接距離較短，從幾米到幾百米不等。這些短距離高速數(shù)據(jù)通信中，多模光纖和以垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)為核心器件的光模塊得到了廣泛應(yīng)用。和單模傳輸方案相比，多模方案采用低成本，低功耗的激光器，實(shí)現(xiàn)了光纖與激光器之間快速高效的耦合。多模光纖可實(shí)現(xiàn)比銅纜更高的傳輸速率或更遠(yuǎn)的傳輸距離，比單模光纖系統(tǒng)更低的成本。目前數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接的速率達(dá)已經(jīng)100 Gbit/s，且400 Gbit/s也指日可待。業(yè)界一直在開發(fā)新型的多模光纖來改善其性能，包括在單根光纖中實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的寬帶多模光纖技術(shù);支持更長(zhǎng)傳輸距離的長(zhǎng)波多模光纖。另外為支持高密度，小型化的連接，提高數(shù)據(jù)中心的空間利用率、散熱效率和線纜管理效率，具有抗彎性能的多模光纖也已經(jīng)快速的發(fā)展和部署。本文將結(jié)合多模光纖的技術(shù)原理與光模塊技術(shù)的演進(jìn)，討論支持高速率光模塊的多模光纖發(fā)展趨勢(shì)。

  1.多模光纖技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景

  云計(jì)算的發(fā)展促進(jìn)了超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，從而產(chǎn)生了和傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心不同的發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)際，云計(jì)算業(yè)務(wù)為主的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心用戶對(duì)服務(wù)器端口速率的演進(jìn)明顯快于傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心。傳統(tǒng)企業(yè)將穩(wěn)定的使用多模OM4光纖，且90%以上的系統(tǒng)鏈路長(zhǎng)度小于100m。

圖1. 傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心OM4系統(tǒng)長(zhǎng)度分布圖

  而超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心用戶則更多的選擇單模光纖，70%的系統(tǒng)鏈路長(zhǎng)度超過100m。

2. 超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心單模系統(tǒng)長(zhǎng)度分布

  圖2. 超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心單模系統(tǒng)長(zhǎng)度分布

  超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的發(fā)展提高了單模光纖的使用率，但多模光纖仍有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括：可使用更低成本的光模塊，更低的功耗，而且傳輸距離可覆蓋數(shù)據(jù)中心內(nèi)大部分的鏈路，因此基于多模光纖和多模光模塊的解決方案對(duì)客戶仍具有很強(qiáng)的吸引力。

  2. 850 nm多模光纖的帶寬

  與單模系統(tǒng)不同的是，多模系統(tǒng)的傳輸距離和速率受到多模光纖的帶寬的限制。為支持高速率系統(tǒng)傳輸更遠(yuǎn)的距離，需要提高多模光纖的模式帶寬。多模光纖的設(shè)計(jì)通常采用漸變折射率的a剖面以減少模式群時(shí)延，實(shí)現(xiàn)高帶寬：

  其中，r0為纖芯半徑，?0為纖芯相對(duì)折射率變化的最大值，可以表示如下：

  其中，n0為纖芯的中心折射率，n1為包層的折射率。

  選擇合適的a值，多模光纖的模式帶寬可以在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。圖3為50 μm多模光纖在850 nm波長(zhǎng)a值變化1%時(shí)的帶寬分布，光纖的a值在最佳位置時(shí)，帶寬值超過13 GHz.km。該圖也反映出多模光纖的帶寬對(duì)a值非常敏感，如實(shí)現(xiàn)最大的帶寬，需要對(duì)a值(纖芯折射率)進(jìn)行非常精細(xì)的控制，否則纖芯剖面在制造過程中的各種缺陷會(huì)影響多模光纖的實(shí)際帶寬。

圖3 50 μm多模光纖在850 nm波長(zhǎng)a值變化1%時(shí)的帶寬分布

  隨著光纖設(shè)計(jì)和制造工藝方面的進(jìn)步，多模光纖的帶寬得到了大幅提升。表1為不同類型的標(biāo)準(zhǔn)多模光纖，62.5 μm的多模光纖具有較高的數(shù)值孔徑和較大的纖芯，可將發(fā)光二極管光源(LED)耦合進(jìn)光纖，支持10 Mbit/s乃至100 Mbit/s的速率下2 km的數(shù)據(jù)傳輸。隨著以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和低成本的850 nm VCSEL的發(fā)展，芯徑為50 μm光纖的多模光纖更受市場(chǎng)歡迎。該光纖具有更低的模式色散和更高的帶寬，且VCSEL的光斑尺寸和數(shù)值孔徑比LED更小，可以方便地將激光耦合到50 μm光纖中。通過優(yōu)化光纖制造工藝，采用先進(jìn)的折射率控制技術(shù)，50 μm多模光纖從OM2(500 MHz.km)發(fā)展至OM3(2 000 MHz.km)，現(xiàn)在已發(fā)展為OM4(4 700 MHz.km)。

表1 不同類型多模光纖的帶寬和鏈路距離

  對(duì)于使用850 nm VCSEL的多模系統(tǒng)，進(jìn)一步提高OM4多模光纖的帶寬并不能使光模塊傳輸更遠(yuǎn)的距離，因?yàn)橄到y(tǒng)帶寬取決于光纖的有效模式帶寬和色散(與VCSEL激光器的譜線寬度及光纖波長(zhǎng)相關(guān))的綜合作用。如需要增加系統(tǒng)帶寬，除了光纖的有效模式帶寬外，還需要優(yōu)化色散值。這可以通過的差分模式時(shí)延(DMD)多模光纖補(bǔ)償部分色散，也可以使用更窄線寬的850 nm VCSEL或工作在色散更低的長(zhǎng)波區(qū)域。

  纖芯的最大相對(duì)折射率?0對(duì)最大帶寬也有影響。因?yàn)閹捙c1/?2成正比，如圖4所示當(dāng)纖芯?0從1%降至0.75%時(shí)，帶寬將會(huì)加倍。但降低纖芯?0會(huì)加大彎曲損耗，需要通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來改善其彎曲性能。

  圖4 多模光纖的帶寬隨纖芯相對(duì)折射率的變化曲線

  3.彎曲不敏感多模光纖

  數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中，彎曲不敏感多模光纖的使用越來越廣泛，它可以優(yōu)化設(shè)計(jì)光纜、硬件和設(shè)備，以節(jié)約更多的空間、具有更好的冷卻效率以及更方便的連接和線纜管理。圖5為一個(gè)彎曲不敏感多模光纖的折射率剖面設(shè)計(jì)。纖芯為漸變折射率，包層有一個(gè)低折射率溝槽。溝槽減小了包層內(nèi)的光功率，可以防光信號(hào)的泄露，從而改善光纖的彎曲性能。光纖設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化纖芯?和溝槽尺寸，在彎曲性能及與標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的兼容性之間取得平衡。通過合理設(shè)計(jì)纖芯和溝槽，多模光纖可以實(shí)現(xiàn)OM4級(jí)別的高帶寬和低彎曲損耗。圖6所示為850 nm處測(cè)得的彎曲損耗對(duì)比，彎曲不敏感多模光纖的宏彎損耗比常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)多模光纖低了10倍以上。

圖5 彎曲不敏感多模光纖的折射率剖面 

圖6 標(biāo)準(zhǔn)和彎曲不敏感多模光纖的彎曲損耗對(duì)比

  4.下一代多模光纖的發(fā)展

  目前850 nm多模光纖的模式帶寬最高的是OM4光纖，可支持100G系統(tǒng)100米的傳輸。如進(jìn)一步提高模式帶寬，則需要更為精細(xì)的控制折射率分布，這對(duì)生產(chǎn)工藝提出了更高要求，而且對(duì)產(chǎn)品的良率有較大影響。另一方面，系統(tǒng)總帶寬受到光纖模式帶寬和光纖色散的兩方面因素限制，單一提高模式帶寬對(duì)系統(tǒng)傳輸性能改善有限。這是因?yàn)槭苣壳笆褂玫腣CSEL的線寬影響，多模光纖色散成為影響速率和鏈路距離最主要的限制因素。如果要增加系統(tǒng)傳速率或傳輸距離，通?？梢圆捎脙煞N方法：使用單模光纖和單模激光器;或仍使用多模光纖，但采用更窄線寬的激光器，以限制多模光纖的入射模式。這兩種方式的缺點(diǎn)是需要更昂貴的激光器，且光纖耦合過程需要更高的對(duì)準(zhǔn)精度，這將導(dǎo)致更高和光模塊的成本和連接成本。因此需要改進(jìn)多模光纖技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高容量和更長(zhǎng)距離的傳輸。對(duì)于新型多模光纖的研究，主要集中在下面幾個(gè)方向。

  4.1 長(zhǎng)波多模光纖

  長(zhǎng)波優(yōu)化的高帶寬多模光纖(980 nm/1 060 nm或1 310 nm)與光源結(jié)合(如長(zhǎng)波VCSEL)，是實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離高速率傳輸?shù)囊环N可行方案。長(zhǎng)波多模光纖系統(tǒng)保留了常規(guī)850 nm多模光纖低耦合損耗和易對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該光纖的色散和衰減值更低。如圖7所示，光纖的色散和損耗隨波長(zhǎng)變化，在1060 nm波長(zhǎng)處色散和損耗比850nm處均減少了一半，在1310 nm處色散幾乎為0，而損耗僅是850 nm處的20%。工作于長(zhǎng)波區(qū)域的低損耗低色散的多模光纖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高的速率和更長(zhǎng)的傳輸距離，近年來的一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論：1310 nm的多模光纖結(jié)合1310 nm的硅光模塊，實(shí)現(xiàn)了超過820 m的傳輸距離，1060nm多模光纖與1060 nm VCSEL激光器的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了超過500m的傳輸(以上實(shí)驗(yàn)均為100G速率)。

圖7 多模光纖的色散和損耗

  4.2 寬帶多模光纖

  基于IEEE802.3ba制定的40G/100G標(biāo)準(zhǔn)，多模光纖40G的傳輸采用每對(duì)光纖支持10Gbps的速率4*10Gbp=40Gbps，需要用到各4根光纖發(fā)送與接收，共8芯光纖，100G采用各4根光纖發(fā)送與接收4*25Gbps=100G，共使用8芯光纖。400 Gb/s傳輸速率需要用到16對(duì)共32芯光纖，這對(duì)于光纖資源的占用非常大。業(yè)界正在探索使用多波長(zhǎng)復(fù)用的方式來減少光纖的使用數(shù)量。

  目前市場(chǎng)上有兩種基于多波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)的產(chǎn)品。一種是BiDi(Bi-direction)技術(shù)，如下圖(以40G為例)所示，光模塊有兩個(gè)20 Gbps的雙向通道，每根光纖都具有發(fā)送和接收功能(多模光纖支持850nm和900nm兩個(gè)波長(zhǎng))，最終在2根光纖上實(shí)現(xiàn)了40G 傳輸，且無(wú)需額外安裝MPT 連接器。值得注意的是，由于BiDi 收發(fā)器的每根光纖既傳輸又接收信號(hào)，所以不支持端口分支功能。另一種技術(shù)是短波分復(fù)用(SWDM)技術(shù)。與BiDi 類似， SWDM僅需要一個(gè)兩芯LC 雙工連接，不同的是SWDM 需要工作在850nm 到940nm 之間4 個(gè)不同的波長(zhǎng)上，其中一根光纖用于傳輸信號(hào)，另一根用于接收信號(hào)。

圖8 40GBiDi光模塊及光路圖

圖9. SWDM模塊光路圖

  常規(guī)OM3/OM4 光纖帶寬通常僅針對(duì)于850 nm優(yōu)化，為了支持SWDM光模塊的工作模式，需要量化光纖在940 nm 性能。因此電信工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)在2014 年創(chuàng)建了工作小組，編制“寬帶多模光纖(WB MMF)”相關(guān)指南來支持SWDM 傳輸，WB MMF 的TIA-492AAAE 標(biāo)準(zhǔn)于2016 年6 月發(fā)布。寬帶多模光纖實(shí)際上是一種性能擴(kuò)展的OM4 光纖，因?yàn)閷拵Ф嗄９饫w仍必須滿足OM4 光纖在850 nm 波長(zhǎng)下EMB ≥ 4700 MHz?km 的帶寬要求，而且還規(guī)定在953 nm 波長(zhǎng)下的EMB 滿足≥ 2470 MHz?km。2016 年10 月國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織將寬帶多模光纖命名為OM5 光纖。

表2：不同光纖類型和收發(fā)器類型的傳輸距離(米)

  注釋1：距離代表收發(fā)器制造商公布的參數(shù);有些交換機(jī)供應(yīng)商提供不同的參數(shù)。

  注釋2：帶* 標(biāo)的項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的傳輸距離，使用市場(chǎng)上存在的某些連接解決方案。

  表3比較了不同光纖(OM3/4/5)匹配不同光模塊的傳輸距離。使用OM4 光纖的BiDi 和SWDM 在40G分別能傳輸150m 和350m， 在100G模塊 OM5 可支持 BiDi 和SWDM光模塊150 m 的傳輸，相比之下，OM3和OM4 的傳輸距離為70m 和100 m，但這個(gè)距離對(duì)于大部分多模方案的應(yīng)用場(chǎng)景已經(jīng)足夠。圖10 列出了基于OM4光纖在100米以各種速率下的光模塊解決方案，OM4可以支持從40G演進(jìn)到400G的多種光模塊方案(如100G SR4，100GBiDi，400GSR4.2， 400GSR8等)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景來選擇合適的多模光纖，例如，在需要使用SR4/eSR4 光模塊進(jìn)行端口分支的場(chǎng)景，OM5和OM4性能基本一致 ，因此OM4是更具性價(jià)比的方案，而在 100G或以上速率傳輸距離超過100 m 的鏈路，OM5 / SWDM 組合可以體現(xiàn)出其長(zhǎng)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。

圖10 基于OM4傳輸100m 的40/100G/400G的解決方案

       作者：康寧光通信中國(guó) 陳皓