VCSEL 傳輸技術(shù)的演進(jìn)

??近年來(lái)，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)、設(shè)備連接數(shù)快速增長(zhǎng)，寬帶速率不斷提升，同時(shí)各種高清視頻流、元宇宙、泛在社交網(wǎng)絡(luò)等新興應(yīng)用的興起帶動(dòng)了全球云和企業(yè)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)流量的飛速增長(zhǎng)。在過(guò)去的20 年中，數(shù)據(jù)中心已成為最具活力、增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一，持續(xù)推動(dòng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商正在建設(shè)高密度、快速易安裝、更具成本效益、更加節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)也更加靈活并支持可持續(xù)發(fā)展。

??在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的短距離通信中，垂直腔面發(fā)射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)結(jié)合多模光纖(Multimode fiber, MMF)的方案因高性價(jià)比而被廣泛部署，并形成了完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。根據(jù) IEC 60793-2-10標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，多模光纖按波長(zhǎng)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(fā)器結(jié)合多模光纖支持的傳輸距離參見表1。

??隨著數(shù)據(jù)中心速率的持續(xù)提升，VCSEL收發(fā)器正朝著單通道速率100G的方向發(fā)展，包含使用850nm單波長(zhǎng)和采用波分復(fù)用(WDM)多波長(zhǎng)收發(fā)器兩種形式。采用WDM技術(shù)的VCSEL收發(fā)器有兩種，一種是使用850nm和910nm雙波長(zhǎng)的BiDi收發(fā)器[1,2] ，另一種是使用850nm、880nm、910nm、940nm四波長(zhǎng)的 SWDM收發(fā)器[3] 。

表 1. 25G 波特率的 VCSEL 收發(fā)器支持的系統(tǒng)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(fā)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(jià)格有較大差異，因此業(yè)界在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心鏈路長(zhǎng)度時(shí)將70米作為一個(gè)重要分界點(diǎn)。一些用戶愿意使用更具性價(jià)比的OM3 光纖來(lái)滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景下70米的鏈路長(zhǎng)度需求，而其他用戶則會(huì)同時(shí)使用OM3和OM4兩種光纖來(lái)解決不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

圖 2. IEEE 或 MSAs 規(guī)定的傳統(tǒng) OM3 和 OM4 光纖的傳輸能力

??然而，隨著單通道100G 技術(shù)的引入，受多模光纖模式帶寬的限制，系統(tǒng)的傳輸距離有不同程度的下降。特別是在 IEEE802. 3db標(biāo)準(zhǔn)定義的單通道 100G 傳輸應(yīng)用中，距離下降尤為明顯。根據(jù)IEEE 802.3db標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，幾種工作在850nm波長(zhǎng)的單通道100G收發(fā)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(fā)器的距離一致)，但使用標(biāo)準(zhǔn)OM3光纖的傳輸距離只有60米。這會(huì)給鏈路長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為60~70米的用戶帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。他們或者被迫調(diào)整原本設(shè)計(jì)的鏈路長(zhǎng)度，或者改用價(jià)格更高的OM4光纖。此外，采用WDM技術(shù)的多波長(zhǎng)收發(fā)器(BiDi收發(fā)器和SWDM收發(fā)器)的傳輸距離也會(huì)受到影響。

面向單通道100G 應(yīng)用的多模光纖解決方案

??為了滿足基于單通道100G應(yīng)用的需求，我們推薦一種為高速率優(yōu)化的多模光纖，即HDR多模光纖。HDR多模光纖是基于標(biāo)準(zhǔn)OM3、OM4光纖進(jìn)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(tǒng)80米和100米傳輸距離的要求，具體性能指標(biāo)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(fā)器在這兩個(gè)工作波長(zhǎng)下都能實(shí)現(xiàn)最佳性能。

表 2. “HDR 多模光纖”EMB 值以及對(duì)于單通道 100G 應(yīng)用支持的傳輸距離

??HDR OM3光纖作為標(biāo)準(zhǔn)OM3光纖的一個(gè)子集，完全兼容OM3的各種性能。同時(shí) HDR OM3光纖在850nm上的EMB值從標(biāo)準(zhǔn)OM3光纖的2000 MHz·km 提升到2890 MHz·km，支持單通道100GVCSEL光收發(fā)器的傳輸距離提升到80米，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)要求，這有助于構(gòu)建規(guī)?；?、高性價(jià)比的VCSEL激光器/多模光纖的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。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(chǎng)景的要求，與使用OM4光纖相比, 可降低VCSEL激光器結(jié)合多模光纖連接方案的整體成本，提升客戶對(duì)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)850nm波長(zhǎng)單通道100G傳輸規(guī)定的鏈路帶寬要求，同時(shí)也能支持Terabit MSA中使用850nm和910nm雙波長(zhǎng)的收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)OM3/OM4光纖更遠(yuǎn)的傳輸距離。具體而言，HDR OM4光纖在850nm和910nm波長(zhǎng)的EMB值分別為4700 MHz·km和3100 MHz·km，對(duì)于單通道100G的傳輸，其在兩個(gè)波長(zhǎng)上都可以支持100米的傳輸距離。HDR OM3光纖在850nm和910nm波長(zhǎng)的EMB值分別為2890 MHz·km和2200 MHz·km，其支持的傳輸距離可達(dá)80米。

結(jié) 論

??在本白皮書中，我們介紹了創(chuàng)新性HDR多模光纖的概念。它與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)OM3和OM4光纖一樣易于獲得且與現(xiàn)有技術(shù)方案保持良好的兼容性。使用HDR OM3光纖，可將850nm波長(zhǎng)的VCSEL多模收發(fā)器的傳輸距離大幅提升到80米。對(duì)于單通道100G的VCSEL傳輸系統(tǒng)，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(yīng)用到WDM傳輸方案中，成為一種通用高性能光纖選項(xiàng)。隨著各種應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率和帶寬需求的持續(xù)升高，HDR多模光纖方案可滿足數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展的需求，為100米內(nèi)鏈路長(zhǎng)度的網(wǎng)絡(luò)提供最具成本效益和可持續(xù)性的解決方案。