VCSEL 傳輸技術的演進
??近年來,全球互聯網用戶數、設備連接數快速增長,寬帶速率不斷提升,同時各種高清視頻流、元宇宙、泛在社交網絡等新興應用的興起帶動了全球云和企業數據中心互聯網流量的飛速增長。在過去的20 年中,數據中心已成為最具活力、增長最快的市場之一,持續推動相關技術領域的創新。數據中心運營商正在建設高密度、快速易安裝、更具成本效益、更加節能的數據中心。數據中心的設計也更加靈活并支持可持續發展。
??在數據中心內部的短距離通信中,垂直腔面發射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)結合多模光纖(Multimode fiber, MMF)的方案因高性價比而被廣泛部署,并形成了完善的產業生態。根據 IEC 60793-2-10標準規定,多模光纖按波長和帶寬的不同分為OM2、OM3、OM4、OM5四類。在基于25G波特率的傳輸方案中 (例如采用25G NRZ或50G PAM4) , OM3和OM4兩種多模光纖被廣泛采用,支持70米和100米距離的傳輸。25G波特率VCSEL收發器結合多模光纖支持的傳輸距離參見表1。
??隨著數據中心速率的持續提升,VCSEL收發器正朝著單通道速率100G的方向發展,包含使用850nm單波長和采用波分復用(WDM)多波長收發器兩種形式。采用WDM技術的VCSEL收發器有兩種,一種是使用850nm和910nm雙波長的BiDi收發器[1,2] ,另一種是使用850nm、880nm、910nm、940nm四波長的 SWDM收發器[3] 。
表 1. 25G 波特率的 VCSEL 收發器支持的系統傳輸距離
單波25G/50G 傳輸距離:OM3 光纖支持70 米,OM4 光纖支持100 米
??如圖2所示,基于25G波特率的收發器,使用OM3光纖和OM4光纖的傳輸距離分別為70米和100米。由于OM3光纖和OM4光纖價格有較大差異,因此業界在設計數據中心鏈路長度時將70米作為一個重要分界點。一些用戶愿意使用更具性價比的OM3 光纖來滿足特定應用場景下70米的鏈路長度需求,而其他用戶則會同時使用OM3和OM4兩種光纖來解決不同應用場景的需求。
圖 2. IEEE 或 MSAs 規定的傳統 OM3 和 OM4 光纖的傳輸能力
??然而,隨著單通道100G 技術的引入,受多模光纖模式帶寬的限制,系統的傳輸距離有不同程度的下降。特別是在 IEEE802. 3db標準定義的單通道 100G 傳輸應用中,距離下降尤為明顯。根據IEEE 802.3db標準規定,幾種工作在850nm波長的單通道100G收發器(包括100G SR,200G SR2和400G SR4)使用OM4 光纖的傳輸距離為100米(這跟基于單通道25G/50G收發器的距離一致),但使用標準OM3光纖的傳輸距離只有60米。這會給鏈路長度設計為60~70米的用戶帶來很大的挑戰。他們或者被迫調整原本設計的鏈路長度,或者改用價格更高的OM4光纖。此外,采用WDM技術的多波長收發器(BiDi收發器和SWDM收發器)的傳輸距離也會受到影響。
面向單通道100G 應用的多模光纖解決方案
??為了滿足基于單通道100G應用的需求,我們推薦一種為高速率優化的多模光纖,即HDR多模光纖。HDR多模光纖是基于標準OM3、OM4光纖進行重新分類定義的光纖,包括了HDR OM3光纖和HDR OM4光纖兩種,其有效模式帶寬值(EMB)滿足單通道100G系統80米和100米傳輸距離的要求,具體性能指標參見表二。而且HDR多模光纖定義了850nm和910nm上的EMB 帶寬值,支持光收發器在這兩個工作波長下都能實現最佳性能。
表 2. “HDR 多模光纖”EMB 值以及對于單通道 100G 應用支持的傳輸距離
??HDR OM3光纖作為標準OM3光纖的一個子集,完全兼容OM3的各種性能。同時 HDR OM3光纖在850nm上的EMB值從標準OM3光纖的2000 MHz·km 提升到2890 MHz·km,支持單通道100GVCSEL光收發器的傳輸距離提升到80米,遠高于標準OM3光纖支持的60米的距離。
??HDR OM3光纖定義的850nm 最低EMB值為2890 MHz·km低于OM3光纖EMB范圍(2000 MHz·km到4700 MHz·km)的中值,有較多比例光纖符合HDR OM3 指標要求,這有助于構建規模化、高性價比的VCSEL激光器/多模光纖的產業生態。HDR OM3光纖在單通道100G速率下支持80米的傳輸距離,可以滿足大部分多模光纖場景的要求,與使用OM4光纖相比, 可降低VCSEL激光器結合多模光纖連接方案的整體成本,提升客戶對多模方案的接受度。
??本文介紹的HDR多模光纖的EMB值既能滿足IEEE 802. 3db標準對850nm波長單通道100G傳輸規定的鏈路帶寬要求,同時也能支持Terabit MSA中使用850nm和910nm雙波長的收發器,實現比標準OM3/OM4光纖更遠的傳輸距離。具體而言,HDR OM4光纖在850nm和910nm波長的EMB值分別為4700 MHz·km和3100 MHz·km,對于單通道100G的傳輸,其在兩個波長上都可以支持100米的傳輸距離。HDR OM3光纖在850nm和910nm波長的EMB值分別為2890 MHz·km和2200 MHz·km,其支持的傳輸距離可達80米。
結 論
??在本白皮書中,我們介紹了創新性HDR多模光纖的概念。它與傳統標準OM3和OM4光纖一樣易于獲得且與現有技術方案保持良好的兼容性。使用HDR OM3光纖,可將850nm波長的VCSEL多模收發器的傳輸距離大幅提升到80米。對于單通道100G的VCSEL傳輸系統,包括IEEE Std.802.3db定義的SR4和IEEE P802.3df定義的800G SR8,HDR OM3光纖是一種很具有吸引力的光纖方案。另外,HDR多模光纖也可應用到WDM傳輸方案中,成為一種通用高性能光纖選項。隨著各種應用對網絡速率和帶寬需求的持續升高,HDR多模光纖方案可滿足數據中心不斷發展的需求,為100米內鏈路長度的網絡提供最具成本效益和可持續性的解決方案。
發布日期: 2024-06-17
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