康寧光通信：數(shù)據(jù)中心用多模光纖技術及發(fā)展趨勢

  ICCSZ訊 數(shù)據(jù)中心已經成為現(xiàn)代生活發(fā)動機，日益增長的網絡信息都通過數(shù)據(jù)中心進行高速傳輸和存儲。數(shù)據(jù)中心內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，實現(xiàn)了光纖與激光器之間快速高效的耦合。多模光纖可實現(xiàn)比銅纜更高的傳輸速率或更遠的傳輸距離，比單模光纖系統(tǒng)更低的成本。目前數(shù)據(jù)中心內部連接的速率達已經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現(xiàn)波分復用的寬帶多模光纖技術;支持更長傳輸距離的長波多模光纖。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快速的發(fā)展和部署。本文將結合多模光纖的技術原理與光模塊技術的演進，討論支持高速率光模塊的多模光纖發(fā)展趨勢。

  1.多模光纖技術及應用場景

  云計算的發(fā)展促進了超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，從而產生了和傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心不同的發(fā)展趨勢。無論是國內還是國際，云計算業(yè)務為主的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心用戶對服務器端口速率的演進明顯快于傳統(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)鏈路長度小于100m。

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

  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)鏈路長度超過100m。

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

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

  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特的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：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客戶仍具有很強的吸引力。

  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)傳輸更遠的距離，需要提高多模光纖的模式帶寬。多模光纖的設計通常采用漸變折射率的a剖面以減少模式群時延，實現(xiàn)高帶寬：

  其中，r0為纖芯半徑，?0為纖芯相對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范圍內進行優(yōu)化。圖3為50 μm多模光纖在850 nm波長a值變化1%時的帶寬分布，光纖的a值在最佳位置時，帶寬值超過13 GHz.km。該圖也反映出多模光纖的帶寬對a值非常敏感，如實現(xiàn)最大的帶寬，需要對a值(纖芯折射率)進行非常精細的控制，否則纖芯剖面在制造過程中的各種缺陷會影響多模光纖的實際帶寬。

圖3 50 μm多模光纖在850 nm波長a值變化1%時的帶寬分布

  隨著光纖設計和制造工藝方面的進步，多模光纖的帶寬得到了大幅提升。表1為不同類型的標準多模光纖，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。隨著以太網標準和低成本的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，采用先進的折射率控制技術，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

  對于使用850 nm VCSEL的多模系統(tǒng)，進一步提高OM4多模光纖的帶寬并不能使光模塊傳輸更遠的距離，因為系統(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相關)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延(DMD)多模光纖補償部分色散，也可以使用更窄線寬的850 nm VCSEL或工作在色散更低的長波區(qū)域。

  纖芯的最大相對折射率?0對最大帶寬也有影響。因為帶寬與1/?2成正比，如圖4所示當纖芯?0從1%降至0.75%時，帶寬將會加倍。但降低纖芯?0會加大彎曲損耗，需要通過優(yōu)化光纖結構設計來改善其彎曲性能。

  圖4 多模光纖的帶寬隨纖芯相對折射率的變化曲線

  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)化設計光纜、硬件和設備，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為一個彎曲不敏感多模光纖的折射率剖面設計。纖芯為漸變折射率，包層有一個低折射率溝槽。溝槽減小了包層內的光功率，可以防光信號的泄露，從而改善光纖的彎曲性能。光纖設計時優(yōu)化纖芯?和溝槽尺寸，在彎曲性能及與標準多模光纖的兼容性之間取得平衡。通過合理設計纖芯和溝槽，多模光纖可以實現(xiàn)OM4級別的高帶寬和低彎曲損耗。圖6所示為850 nm處測得的彎曲損耗對比，彎曲不敏感多模光纖的宏彎損耗比常規(guī)標準多模光纖低了10倍以上。

圖5 彎曲不敏感多模光纖的折射率剖面 

圖6 標準和彎曲不敏感多模光纖的彎曲損耗對比

  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。如進一步提高模式帶寬，則需要更為精細的控制折射率分布，這對生產工藝提出了更高要求，而且對產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系統(tǒng)傳輸性能改善有限。這是因為受目前使用的VCSEL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。這兩種方式的缺點是需要更昂貴的激光器，且光纖耦合過程需要更高的對準精度，這將導致更高和光模塊的成本和連接成本。因此需要改進多模光纖技術來實現(xiàn)更高容量和更長距離的傳輸。對于新型多模光纖的研究，主要集中在下面幾個方向。

  4.1 長波多模光纖

  長波優(yōu)化的高帶寬多模光纖(980 nm/1 060 nm或1 310 nm)與光源結合(如長波VCSEL)，是實現(xiàn)較長距離高速率傳輸?shù)囊环N可行方案。長波多模光纖系統(tǒng)保留了常規(guī)850 nm多模光纖低耦合損耗和易對準的優(yōu)點，同時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變化，在1060 nm波長處色散和損耗比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%。工作于長波區(qū)域的低損耗低色散的多模光纖系統(tǒng)可實現(xiàn)更高的速率和更長的傳輸距離，近年來的一系列的實驗結果也驗證了這一結論：1310 nm的多模光纖結合1310 nm的硅光模塊，實現(xiàn)了超過820 m的傳輸距離，1060nm多模光纖與1060 nm VCSEL激光器的結合實現(xiàn)了超過500m的傳輸(以上實驗均為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標準，多模光纖40G的傳輸采用每對光纖支持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對共32芯光纖，這對于光纖資源的占用非常大。業(yè)界正在探索使用多波長復用的方式來減少光纖的使用數(shù)量。

  目前市場上有兩種基于多波長復用技術的產品。一種是BiDi(Bi-direction)技術，如下圖(以40G為例)所示，光模塊有兩個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兩個波長)，最終在2根光纖上實現(xiàn)了40G 傳輸，且無需額外安裝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，所以不支持端口分支功能。另一種技術是短波分復用(SWDM)技術。與BiDi 類似， SWDM僅需要一個兩芯LC 雙工連接，不同的是SWDM 需要工作在850nm 到940nm 之間4 個不同的波長上，其中一根光纖用于傳輸信號，另一根用于接收信號。

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(TIA)在2014 年創(chuàng)建了工作小組，編制“寬帶多模光纖(WB MMF)”相關指南來支持SWDM 傳輸，WB MMF 的TIA-492AAAE 標準于2016 年6 月發(fā)布。寬帶多模光纖實際上是一種性能擴展的OM4 光纖，因為寬帶多模光纖仍必須滿足OM4 光纖在850 nm 波長下EMB ≥ 4700 MHz?km 的帶寬要求，而且還規(guī)定在953 nm 波長下的EMB 滿足≥ 2470 MHz?km。2016 年10 月國際標準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);有些交換機供應商提供不同的參數(shù)。

  注釋2：帶* 標的項目可實現(xiàn)更長的傳輸距離，使用市場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，但這個距離對于大部分多模方案的應用場景已經足夠。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演進到400G的多種光模塊方案(如100G SR4，100GBiDi，400GSR4.2， 400GSR8等)。在實際應用中，應結合應用場景來選擇合適的多模光纖，例如，在需要使用SR4/eSR4 光模塊進行端口分支的場景，OM5和OM4性能基本一致 ，因此OM4是更具性價比的方案，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)出其長距離傳輸?shù)膬?yōu)勢。

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 陳皓