随着网络数据通讯量的迅猛增长,近年来,多模光纤及其应用的相关标准在持续升级。以太网速率从10gbe/40gbe/100gbe升级到25gbe/50gbe/200gbe/400gbe,将来还会升级到更高速的800gbe/1．6tbe;光纤通道速率从8gfc/16fc升级至串行的32gfc/64gfc和并行的128gfc/256gfc,以及将来更高速的串行128gfc和并行512gfc。同时,多模光模块技术逐步从nrz编码发展至4电平的pam4信号编码;从单波长光源发展至多波长复用,如2波复用的bidi技术、4波复用的swdm技术,以及将来可能的8波长复用。此外,多模光纤还有模分复用(mdm)的潜力,通过利用多模光纤中的多个可用模式来增加传输容量。
01数据中心中布线应用现状
近年来,数据中心网络需求持续增长,根据思科的统计和预测,2015至2020年间,全球数据中心总体流量年复合增长27%,其中云数据中心年复合增长30%,传统本地数据中心每年保持9%的稳定增长。
目前,大多数数据中心的布线方案是采用铜、短距离多模光器件、长距离单模光器件共同完成。其中多模sr4和单模psm4解决方案占主导。数据中心内部布线选择的最关键指标之一是成本,往往成本最低的解决方案最具有优势。因此, sr用于数百米距离内,lr用于2千米以上的长距离。阿里巴巴目前在其网络中采用100gbase-sr4多模光纤连接,发现其比基于单模光纤和psm4或cwdm4的连接方式更具性价比。鉴于企业本地数据中心的规模、架构、网络容量和存储需求,多模光纤和vcsel仍将是这一重要市场的首要解决方案。
02om5光纤厂家及swdm联盟
om5光纤将传统om4光纤在850nm的带宽性能拓宽到953nm,利用4波长短波波分复用(swdm4)技术,在一根多模光纤上同时传输四个波长,将多模光纤传输容量提高至原来的4倍,同时完全向下兼容。
作为一种能够大大提升多模光纤传输容量并增加传输距离的新技术,swdm对于数据中心建设以及相关光纤、器件和设备厂家的意义不言而喻。目前,该联盟成员包括长飞、康宁、ofs、prysmian、康普等光纤和布线厂家,还包括戴尔、华为、华三、juniper等设备厂家和finisar、lumentum等模块厂商。该联盟于2017年3月发布了多源协议(msa),定义了40ge swdm4和100ge swdm4的应用需求,并表示将在今后进一步拓展到400gb/s应用。
03om5光纤相关标准更新进展
om5光纤建立在om3/om4光纤的基础之上,并扩展其性能以支持多个波长,om5展示了多模光纤系统可持续发展的未来。自2015年至今,几大国际标准组织均新增了对om5光纤及其应用的规范。
3．1 tia和iec
电信工业协会(tia)率先于2016年6月正式发布tia-492aaae光纤标准,定义了可支持850nm～950nm波段波分复用技术的宽带多模光纤(wbmmf)。2016年10月发布ansi/tia-568．3-d光纤结构化布线标准,批准使用tia-492aaae光纤进行布线。
国际电工委员会(iec)于2017年8月正式发布iec 60793-2-10 ed． 6光纤标准,将wbmmf定义为a1a．4光纤类型,并得到iso/iec对11801． ed． 3请求联络的支持,随即于2017年11月正式发布iso/iec 11801-1光纤布线标准,确定了用这种光纤布线的名称为om5。
3．2 ieee 802．32016年9月起草、2017年12月正式发布的ieee 802．3bs标准,定义了200gb/s和400gb/s以太网的媒体访问控制参数、物理层和管理参数,其中也为宽带多模光纤布线正式命名为“om5”,并规定了om3/om4/om5三类光纤在400gbase-sr16系统中可支持的最短链路距离,如表1所示。
pmd typerequired operating range a
400gbase-sr16 0．5 m to 70 m for om3
0．5 m to 100 m for om4
0．5 m to 100 m for om5
表 1 om3/om4/om5三类光纤在400gbase-sr16系统中可支持的最短链路距离2016年11月起草,2018年12月发布的ieee 802．3cd标准定义了50gb/s、100gb/s和200gb/s以太网的媒体访问控制参数、物理层和管理参数,并规定了om5光纤均可以支持100米以上的50gbase-sr、100gbase-sr2和200gbase-sr4。
2017年11月,ieee 802．3成立下一代200gb/s与400gb/s多模光纤物理层研究组,旨在采用比现有以太网更少的多模光纤来实现200gb/s和400gb/s系统的传输,简称“ngmmf研究组”。在2018年1月举行的研究组第一次正式会议上,提出了400gbase-sr8或400gbase-sr4．2两种方案替代400gbase-sr16来实现对400g以太网的支持,最小传输距离100m。400gbase-sr8方案采用8对光纤,可以充分利用现有技术的优势(采用对pam4更友好的vcsel),目标波长为850nm,目前有qsfp-dd、osfp和cobo 8-lane几种光模块封装。400gbase-sr4．2方案采用4对光纤,保持了跟现有100 gbase-sr4方案相同的布线方式,每根光纤传2个波长,同样也采用pam4调制技术,目标波长为850nm和一个更长波长的光源。400gbase-sr4．2方案更适合采用可支持多波长的om5光纤进行布线。相关标准ieee 802．3cm于2020年1月发布。
04om5光纤的应用及未来发展
om5光纤的设计初衷,即为应对多模传输系统的波分复用(wdm)需求。因此,其最具价值的应用,是在短波波分复用领域。目前,单波50gb/s基于多模光纤的多波长光模块大都还在研发阶段,只有少数光模块厂商能够提供少量的样品,但仅供内部实验使用。pam4调制方式可以在现有25gb/s的vcsel基础上提供单波50gb/s的速率。两波长双向(bidi)技术和四波长复用(swdm4)技术分别为100gb/s以上高速以太网链路精简了二分之一和四分之三的光纤用量。
研究者发现,通过在光纤芯层掺入适当的氟元素,能减小不同波长对应的最优alpha值差异,从而使得“超宽带多模光纤”在850nm～1050nm整个波长范围内带宽得以提高。这一结果证明了“超宽带多模光纤”有能力在850nm～1050nm窗口内支持8个间隔为30nm的波分复用通道。
近三年来,各光纤厂商和光模块厂商纷纷报道了om5以及“超宽带多模光纤”在pam4调制技术及波分复用技术加持下的最新传输结果,如表2。从报道的实验结果来看,om5光纤足以支持150米以上的100gb/s、200gb/s和400gb/s多波长传输系统。
此外,经过优化设计,50μm芯径的多模光纤可获得1550nm窗口下比少模光纤更低的差分模式群时延(dmgd),用于多输入-多输出(mimo)模分复用(mdm)系统中,从而将光纤容量提升数倍,这证明了未来多模光纤进行模分复用的潜力。
fitfinisarofsprysmianpanduit长飞
0m30m40m50m40m50m40m50m40m50m30m40m50m40m5
100gb/s-bidi(850nm、910nm)
70m
100m
150m
200m
400m
70m
100m
200m
300m
200gb/s-swdm4(850nm、880nm
910nm、940nm)
100m
300m
300m
100m
300m
50gb/s @980nm
300m
300m
200m
200m
50gb/s @1060nm
200m
200m
表2 最新报道的pam4传输实验进展05总结
多模光纤一直是高效灵活的传输媒介,不断开发多模光纤新的应用潜能,能使其适应更高速的传输网络。多模光纤搭配vcsel具有低链路成本、低功耗、更高可用性的优势,成为大多数企业客户最具成本效益的数据中心解决方案。云数据中心和企业本地数据中心持续稳定的需求增长,为经济高效的多模光纤解决方案提供了广大的市场前景。新行业标准定义的om5光纤解决方案是针对多波长swdm和bidi收发器而优化的,为100gb/s以上的高速传输网络提供更长的传输链路和网络升级余量。
