寬帶多模光纖（WBMMF）的演變歷程、技術(shù)優(yōu)勢及發(fā)展前景

      Iccsz訊 多模光纖自上世紀80年代進入市場以來，經(jīng)歷了從OM1、OM2、OM3到OM4的演進。隨著100G-NG,200G/400G以太網(wǎng)乃至1T以太網(wǎng)的提出，傳統(tǒng)的多模光纖在芯數(shù)和距離上成為阻礙未來以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，而寬帶多模光纖(WBMMF)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)多模光纖的技術(shù)瓶頸。

　　未來以太網(wǎng)的發(fā)展路線圖

　　以太網(wǎng)自上個世紀70年代出現(xiàn)以來，由于其低成本，易部署，兼容性好，方便管理等特點目前已經(jīng)成為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域真正的統(tǒng)治者。在過去的40年里，以太網(wǎng)過去一直以10為倍數(shù)跨躍式地向前發(fā)展，從10Mbps發(fā)展到2010年的100Gbps，以及目前正在討論中的400Gbps，速度提高了40, 000倍。

　　以太網(wǎng)未來需要解決三個市場需求：

　　1. 運營商和光纖傳輸網(wǎng)(OTN)，必須提供領(lǐng)先的技術(shù)滿足帶寬需求的急劇增長

　　2. 超大型的數(shù)據(jù)中心，交換機帶寬平均2-2.5年翻一番

　　3. 企業(yè)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，未來計劃采用云技術(shù)

　　從技術(shù)上來講，以太網(wǎng)以10為倍數(shù)向前發(fā)展是可行的，但是從投資和成本的角度來看，以10為倍數(shù)發(fā)展非常不經(jīng)濟，功耗和價格都會很高。2010年，以太網(wǎng)開始以4為倍數(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了40G以太網(wǎng)的標(biāo)準，未來以太網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會以2為倍數(shù)向前發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)主干會以4為倍數(shù)向前發(fā)展，這個全新的發(fā)展路線圖會對以太網(wǎng)的發(fā)展注入新的活力。

　　IEEE目前正在開發(fā)的以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準有2.5Gbps, 5Gbps以太網(wǎng)，主要應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)接入點;25Gbps, 40Gbps，50Gbps以太網(wǎng)主要應(yīng)用于服務(wù)器;100Gbps, 200Gbps以太網(wǎng)主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)主干;400G主要用于運營商中心機房，400G以太網(wǎng)的標(biāo)準預(yù)計于2017年頒布。

來源: 以太網(wǎng)聯(lián)盟 (Ethernet Alliance)

　　數(shù)據(jù)中心內(nèi)單模光纖和多模光纖通信的技術(shù)區(qū)別及成本考量

　　A. 波分復(fù)用 (Wavelength Division Multiplexing)

　　單模光纖通常采用波分復(fù)用 (WDM)的方式來增加網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，2010年發(fā)布的100GBase-LR4，采用2芯單模光纖1收1發(fā)，能夠在一芯光纖上同時復(fù)用4個波長，每個波長傳輸25Gbps。單模光纖傳輸100Gbps的方案傳輸距離遠，布線成本低，然而，單模光纖需要采用高成本的激光 (LD) 光源收發(fā)器，單模光纖的激光收發(fā)器價格至少是多模光纖收發(fā)器的3倍以上, 功耗至少2倍以上。(備注：來源OFS 2014年數(shù)據(jù))

　　B. 串行傳輸(Serial Transmission)

　　傳統(tǒng)的多模光纖一般采用串行傳輸模式，在這種模式下增加以太網(wǎng)的傳輸速率必須增加每芯光纖/通道的傳輸速率。目前以太網(wǎng)最大串行傳輸速率為10Gbps/通道，IEEE正在制定25Gbps/通道,50Gbps/通道的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準，以400G以太網(wǎng)為例，會有25Gbps/通道， 50Gbps/100Gbps通道3個不同的版本，光纖芯數(shù)分別需要32芯/16芯/8芯。400G以太網(wǎng)采用的編碼方式有NRZ,PAM4,DMT,更高級的編碼方式意味著更復(fù)雜的電路和功耗，因而成本更高。

　　C.并行傳輸(Parallel Transmission)

　　多模光纖提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的另外一種方法是采用并行傳輸模式，即通過增加光纖芯數(shù)來增加傳輸速率。2010年發(fā)布的100G Base-SR10采用10Gbps/通道的傳輸方式，10通道接收10通道發(fā)送，總共需要20芯光纖。

　　D. 短波波分復(fù)用 (Short Wavelength Division Multiplexing, WDM)

　　隨著100G-NG,200G/400G以太網(wǎng)乃至1T以太網(wǎng)的提出，傳統(tǒng)的多模光纖在芯數(shù)和距離上成為阻礙未來以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。短波波分復(fù)用技術(shù)利用性價比較高的短波的垂直腔面發(fā)射激光(VCSEL) 光源，優(yōu)化的寬帶多模光纖 (WBMMF) 能夠在一芯多模光纖上支持4個波長，把需要的光纖芯數(shù)降低為之前的1/4，同時提高了有效模式帶寬(Effective Modal Bandwidth, EMB), 延長了40/100G的傳輸距離到300米左右。

來源: Finisar

      目前全球96%的數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)核心區(qū)骨干(Spine)交換機到服務(wù)器機柜分支(Leaf)交換機的距離在300米以內(nèi)，因此短波波分復(fù)用技術(shù)(SWDM)和寬帶多模光纖(WBMMF)未來會繼續(xù)延續(xù)多模光纖作為數(shù)據(jù)中心40/100/400G以太網(wǎng)的主流傳輸介質(zhì)的傳統(tǒng)。未來通過短波波分復(fù)用 (SWDM) 和并行傳輸技術(shù)相結(jié)合，只需要8芯寬帶多模光纖 (WBMMF) ，就能夠支持更高速的應(yīng)用，比如200/400G以太網(wǎng)。

　　WBMMF的定義及其核心技術(shù)

　　多模光纖自上世紀80年代進入市場以來，經(jīng)歷了從OM1、OM2、OM3到OM4的演進。網(wǎng)絡(luò)速率的不斷提升，對光收發(fā)器的光源要求也越來越高，光收發(fā)器的光源從傳統(tǒng)的滿注入發(fā)射(Overfilled lunch)的發(fā)光二極管(LED)發(fā)展到高性能低成本的垂直腔面發(fā)射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser ,VCSEL)，OM3光纖是針對垂直腔面發(fā)射激光(VCSEL)光源優(yōu)化的多模光纖，有效模式帶寬(EMB)達到2000MHZ.Km，支持100GBase-SR10距離達到100米, 而OM4光纖有效模式帶寬(EMB)相比OM3光纖提高了1倍多，達到4700MHZ.Km，然而支持100GBase-SR10距離僅有150米，相對于OM3光纖，100G以太網(wǎng)傳輸距離僅僅增加了50%。

　　進入2010年代，隨著100G-NG,200G/400G以太網(wǎng)乃至1T以太網(wǎng)的提出，傳統(tǒng)的多模光纖在芯數(shù)和距離上成為阻礙未來以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，而寬帶多模光纖(WBMMF)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)多模光纖的技術(shù)瓶頸。

　　首先，它借鑒了單模光纖的波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，延展了網(wǎng)絡(luò)傳輸時的可用波長范圍，能夠在一芯多模光纖上支持4個波長，把需要的光纖芯數(shù)降低為之前的1/4。

　　此外，寬帶多模光纖(WBMMF)在有效模式帶寬(EMB)上有了更高的突破。如下圖所示，在光纖有效模式帶寬(EMB)方面遠超傳統(tǒng)的OM4多模光纖，850納米波長上有效模式帶寬(EMB)提高到6000MHZ.km,在880納米波長附近更是達到8000MHZ.km。更高的帶寬意味著為未來可能出現(xiàn)的更高速的以太網(wǎng)提供余量空間。

來源:OFS

　　其次，寬帶多模光纖(WBMMF)支持高速以太網(wǎng)傳輸能夠達到更遠的距離。網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器廠商Finisar于2015年初推出了100G SWDM4 QSFP28的光纖收發(fā)器，該收發(fā)器僅需要兩芯寬帶多模光纖 (WBMMF), 每芯光纖采用4個不同波長，每個波長傳輸25Gbps。在最近全球各地的現(xiàn)場演示中，100G SWDM4 QSFP28的光纖收發(fā)器在康普 2芯寬帶多模光纖 (WBMMF) 上最遠達到了450米的傳輸距離。

　　WBMMF的工作波長及采用短波波長的原因

　　100G SWDM4采用短波波分復(fù)用 (SWDM) 技術(shù)，在一芯多模光纖上復(fù)用4個短波波長，短波波分復(fù)用 (SWDM) 設(shè)備要求不同的波長之間保持30納米的間隔, 康普實驗室在傳統(tǒng)OM4多模光纖上的測試數(shù)據(jù)表明：當(dāng)波長超過850納米，垂直腔面發(fā)射激光 (VCSEL) 光源的優(yōu)勢會被充分發(fā)揮，多模光纖的色散帶寬 (Chromatic Bandwidth) 會增加，傳輸距離會相應(yīng)提高。因此，工作波長從850納米開始，每隔30納米增加一個波長，一共4個波長，因而寬帶多模光纖(WBMMF)工作波長在850到950納米區(qū)間范圍內(nèi)。

　　光收發(fā)器設(shè)備的成本與波長成正比，波長越長，收發(fā)器成本越高。寬帶多模光纖(WBMMF) 在850-950納米短波波長區(qū)間能夠支持低成本高性能的垂直腔面發(fā)射激光 (VCSEL) 光源。垂直腔面發(fā)射激光 (VCSEL) 光源價格和功耗遠低于長波的激光(LD)光源，相對于發(fā)光二級管(LED)光源只能支持622Mbps以下的以太網(wǎng)，垂直腔面發(fā)射激光 (VCSEL) 光源能夠支持100Gbps甚至更高速的以太網(wǎng)。

　　簡而言之，寬帶多模光纖(WBMMF)采用低成本的短波波長，收發(fā)器的成本和功耗都會遠低于采用長波激光光源的單模光纖解決方案。

　　工作波長增加，色散帶寬增加(傳輸距離增加)

　　WBMMF相關(guān)的國際標(biāo)準

　　寬帶多模光纖 (WBMMF)的標(biāo)準化工作得到了TIA、ISO、IEEE的共同關(guān)注和支持。

　　TIA TR42委員會在2014年就把討論寬帶多模光纖 (WBMMF) 標(biāo)準化列入了討論項目，得到了所有網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器廠商，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商和布線廠商的一致贊同，2015年6月TIA TR42委員會投票通過，同意開發(fā)寬帶多模光纖 (WBMMF) 標(biāo)準，并將命名為TIA-492AAAE ，預(yù)計正式標(biāo)準最遲會在2016年11月前正式頒布 。

　　ISO/IEC JCT1 SC25委員會WG3工作組在2015年聽取了TIA代表的匯報，決定在2016年將把制定寬帶多模光纖 (WBMMF) 標(biāo)準納入議程, ISO/IEC JCT1 SC25委員會WG3工作組正在就這種新型的多模光纖 (WBMMF) 命名征求各國專家意見。

　　2016年1月在IEEE亞特蘭大的會議上，TIA代表向IEEE匯報了寬帶多模光纖 (WBMMF) 標(biāo)準的最新進展。

　　WBMMF如何解決色散的問題

　　色散(Chromatic Dispersion)是多模光纖特有的現(xiàn)象，色散是由于不同的波長傳輸?shù)乃俣炔煌虼说竭_終點的時間不一致而導(dǎo)致的。色散和差模延遲(DMD) 非常類似，差模延遲是由于多模光纖內(nèi)存在不同的傳輸模式，不同模式到達接收端時間不一致，如果延遲過大，會對網(wǎng)絡(luò)造成丟包，通常實驗室采用專業(yè)的檢測設(shè)備評估差模延遲的影響。

差模延遲測試(DMD)

　　事實上，在所有采用波分復(fù)用和并行傳輸?shù)母咚?A href="http://m.3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e4%bb%a5%e5%a4%aa%e7%bd%91&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">以太網(wǎng)，普遍存在著信號到達接收端出現(xiàn)延遲的情況，這種現(xiàn)象稱為偏移(Skew)，最快和最慢的信號之間的偏差稱為偏移時差(Skew variation)。例如，100GBase-SR10采用20芯光纖并行傳輸，10發(fā)10收，這10芯接受或發(fā)送的光纖之間也會產(chǎn)生信號到達接收端不一致的現(xiàn)象。

　　IEEE對于偏移和偏移時差有嚴格的定義，光纖收發(fā)器廠商在定義收發(fā)器標(biāo)準的時侯會遵循IEEE的100G以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準最大偏移79ns，通道/波長之間偏移時差不超過2.5ns的要求，光纖收發(fā)器通過估算最差的偏移進行信號補償，從而嚴格控制偏移誤差的范圍。實驗室模擬不同類型的場景測試表明，色散導(dǎo)致的偏移時差原低于IEEE標(biāo)準要求，幾乎可以忽略不計。

　　WBMMF是否兼容傳統(tǒng)的OM3, OM4多模光纖

　　寬帶多模光纖(WBMMF)的光纖預(yù)制棒制造工藝得到了優(yōu)化，因而能夠支持更廣闊的帶寬范圍，在物理上它仍然保持50/125微米的纖芯/涂敷層的結(jié)構(gòu)，因此完全向前兼容傳統(tǒng)的OM3,OM4多模光纖。

　　WBMMF在未來數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用前景

　　寬帶多模光纖(WBMMF)的出現(xiàn)為多模光纖，特別是在超大型數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域賦予了更強勁的生命力，它突破了傳統(tǒng)多模光纖所采用的并行傳輸技術(shù)和傳輸速率的瓶頸。它不但能夠以更少的多模光纖芯數(shù)支持更高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸，而且由于它采用低成本的短波波長，收發(fā)器的成本和功耗都會遠低于采用長波激光光源的單模光纖解決方案。因此，在未來100G/400G/1T超大型的數(shù)據(jù)中心中將會具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　以未來第一代400G以太網(wǎng)400GBase-SR16為例，每個通道傳輸25Gbps，16芯發(fā)送16芯接收，總共需要32芯光纖多模光纖。這意味著在數(shù)據(jù)中心里面需要部署32芯MPO/MTP接口的布線系統(tǒng)，高昂的布線成本會讓數(shù)據(jù)中心設(shè)計者望而卻步。

　　如果采用寬帶多模光纖(WBMMF)和短波分復(fù)用的收發(fā)器，總共只需要8芯多模光纖4收4發(fā)，每根光纖傳輸4個波長，每個波長傳輸速率25Gbps，每芯光纖可以傳輸100Gbps,通過采用這種短波分復(fù)用加并行傳輸?shù)募夹g(shù)，光纖數(shù)量只需要傳統(tǒng)多模光纖的1/4。

　　在10米以上500米距離內(nèi)100G以太網(wǎng)目前有哪些解決方案，這些方案有什么差異，哪種方案性價比最高?

　　IEEE于2010年頒布了100Base-SR10, 采用20芯多模光纖并行傳輸，10收10發(fā)，每個通道傳輸10Gbps，需要24芯的MPO/MTP多模光纜，在OM3/OM4上的最大傳輸距離分別是100/150米, 這是目前最為成熟和市場化的100G網(wǎng)絡(luò)解決方案。由于出現(xiàn)時間早，出貨量大, 因此設(shè)備成本低，其缺點是布線需要20芯光纖。

　　此外，IEEE正在開發(fā)下一代的100Base-SR4標(biāo)準，采用8芯多模光纖并行傳輸，4收4發(fā)，每個通道傳輸25Gbps，在OM3/OM4上的最大傳輸距離分別是70/105米。其缺點是每個通道采用較高傳輸速率，設(shè)備成本可能會較高，且距離相對較短，不適合超大型的數(shù)據(jù)中心，優(yōu)點是布線只需要8芯光纖。

　　IEEE計劃開發(fā)第三代的100G-SR2, 每個通道傳輸50Gbps，2收2發(fā)，采用4芯多模光纖并行傳輸，在OM3/OM4上的最大傳輸距離應(yīng)該不會超過70/105米, 缺點是由于每個通道采用更高傳輸速率，設(shè)備成本必然會很高，距離相對較短，不適合超大型的數(shù)據(jù)中心，優(yōu)點是布線只需要4芯光纖。

　　除了IEEE的100G標(biāo)準，F(xiàn)inisar和CommScope、Dell、 Huawei、 H3C、Juniper等12家廠商組成短波分復(fù)用(SWDM)聯(lián)盟，推廣100Base-SWDM4。Finisar計劃在2016年12月份正式推出市場化的產(chǎn)品。100Base-SWDM4采用2芯多模光纖, 1收1發(fā)，在每芯光纖上采用4個短波波長，每個波長傳輸25Gbps，在寬帶多模光纖(WBMMF)上目前測試的最大傳輸距離是450米。其優(yōu)點是布線只需要2芯多模光纖，采用性價比較高的短波光源，功耗為3.5瓦，且可以支持300-450米的距離，能夠滿足超大型數(shù)據(jù)中心不同樓層骨干(Spine)交換機和分支 (Leaf)交換機之間的互聯(lián)。

　　此外Avago, Broadcade, Finisar, Juniper, Microsoft等公司組成了PSM4聯(lián)盟，推廣100Base-PSM4。其采用8芯單模光纖并行傳輸，每個通道傳輸25Gbps，4發(fā)4收，最大傳輸距離是500米。優(yōu)點是支持500米的距離，能夠滿足超大型數(shù)據(jù)中心樓層之間骨干交換機的互聯(lián)，缺點是采用8芯單模MPO，布線成本較高。此外，因其采用1310納米長波激光光源，收發(fā)器設(shè)備成本比采用短波垂直腔面發(fā)射激光 (VCSEL)貴。

　　總之，光收發(fā)器的價格通常和出貨量成反比，未來100G解決方案的整體成本取決于光收發(fā)器的出貨量。對于客戶來講，需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心實際的距離需求同時考慮向前的兼容性、未來擴展性和易部署性來進行綜合考量。

數(shù)據(jù)來源:Cisco, Avago, Finisar, Colorchip