摘要:近年來,網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信量增長迅速。2016年思科發(fā)布的《2015-2020全球年度云指數(shù)報告》顯示,2015年的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)總流量為4.7 ZB,而這一數(shù)值在2020年將增長 3.25倍,達到 15.3 ZB(ZettaByte,1 ZB == 2^70 B)。
1.背景
近年來,網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信量增長迅速。2016年思科發(fā)布的《2015-2020全球年度云指數(shù)報告》顯示,2015年的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)總流量為4.7 ZB,而這一數(shù)值在2020年將增長 3.25倍,達到 15.3 ZB(ZettaByte,1 ZB == 2^70 B)。同時,思科預計,全球范圍內(nèi)的思科超級數(shù)據(jù)中心將從 2015 年的 259 個增長到 2020 年的 485 個,超級數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)流量也將在未來的 5 年間增長 5 倍。因此,數(shù)據(jù)中心對帶寬的要求越來越高,下一代數(shù)據(jù)中心的建設需要成本更低、帶寬更寬的傳輸介質。在短距離應用中,垂直腔面發(fā)射激光(VCSEL)光源的成本優(yōu)勢,使得多模光纖依然是數(shù)據(jù)中心首選的性價比較高的布線介質。
圖1. 全球數(shù)據(jù)中心IP流量增長和數(shù)據(jù)中心增長
與此同時,IEEE目前正在開發(fā)100Gbps, 200Gbps以太網(wǎng)標準,主要應用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡主干;400G主要用于運營商中心機房,400G以太網(wǎng)的標準預計于2017年頒布。支持850nm-950nm短波波分復用(Shortwave wavelength division multiplexing,SWDM)技術的寬帶多模光纖(Wide band multimode fiber,WBMMF)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心100G網(wǎng)絡傳輸?shù)膬?yōu)質解決方案,同時也能為未來可能出現(xiàn)的更高速200G乃至400G以太網(wǎng)提供余量空間。
圖2. 2016以太網(wǎng)路線圖
2.SWDM技術與SWDM聯(lián)盟
2.1 SWDM技術
短波波分復用,就是借鑒單模光纖的波分復用(WDM)技術,擴展傳輸時所用的波長范圍,從傳統(tǒng)的多模光纖所用的850nm擴展至850nm-950nm,利用性價比高的短波的垂直腔面發(fā)射激光(VCSEL)光源和優(yōu)化的寬帶多模光纖(WBMMF),在一根多模光纖上支持四個波長傳輸數(shù)據(jù),把需要的光纖芯數(shù)降低為原來的1/4,同時提高光纖的有效模式帶寬(Effective Modal Bandwidth,EMB),延長傳輸距離。
圖3. 短波波分復用
當波長大于850 nm時,多模光纖的色散帶寬增加,傳輸距離提高。SWDM技術采用的工作波長從850 nm開始,每隔30 nm增加一個波長,即:880nm, 910nm和940nm,因而寬帶多模光纖工作波長位于850nm-950nm范圍內(nèi)。在短波波分復用模塊中,4個VCSEL產(chǎn)生4個不同波長的光信號,復用到單條鏈路上,所有的VCSEL和光耦合在光模塊中進行。在模塊的接收端,信號被解復用,并轉化為平行的電信號。采用并行的兩根光纖,即可完成一發(fā)一收的數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 SWDM聯(lián)盟
圖4. SWDM聯(lián)盟
作為一種能夠大大提升多模光纖傳輸容量并增加傳輸距離的新技術,SWDM對于數(shù)據(jù)中心建設以及相關光纖、器件和設備廠家的意義不言而明。在2015年,包括康普、康寧、戴爾、Finisar、H3C華三、華為、Juniper、Lumentum和OFS在內(nèi)的九家公司成立了SWDM聯(lián)盟,此后不少國內(nèi)外廠家加入該聯(lián)盟。目前,在該聯(lián)盟成員包括長飛、康寧、OFS、Prysmian、康普等光纖和布線廠家,還包括戴爾、華為、華三、Juniper等設備廠家和Finisar、Lumentum等模塊廠商。
該聯(lián)盟致力于促進SWDM技術的發(fā)展和推廣,促進SWDM光模塊在WBMMF寬帶多模光纖的使用。SWDM聯(lián)盟表示他們將首先著重與40Gbps的4*10Gbs和100Gbps的4*25Gbps的應用需求,并將在今后進一步拓展到400Gbps應用。該聯(lián)盟表示,他們不會參與標準制定,也沒有計劃成立光模塊MSA。該組織也將避免市場分割、定價和競爭等問題。
3. 寬帶多模光纖
OM3光纖的有效模式帶寬(EMB)是2000MHz*Km,OM4光纖的有效模式帶寬達到4700MHz*Km,隨著100G、200G和400G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)絡發(fā)展的瓶頸。寬帶多模光纖的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)多模光纖的技術瓶頸,是實現(xiàn)SWDM技術的關鍵所在。寬帶多模光纖支持850nm-950nm,能夠在一根多模光纖上傳輸4個波長,提高傳輸速率,降低光纖芯數(shù),延長傳輸距離。同時寬帶多模光纖可以與傳統(tǒng)的OM3和OM4多模光纖兼容,在傳統(tǒng)應用方面與OM4有同樣優(yōu)秀的表現(xiàn)。
寬帶多模光纖在TIA標準中稱為OM5,在IEC標準中叫做A1a.4,IEC正式標準預計今年下半年發(fā)布。2016年發(fā)布的TIA-492AAAE-2016標準中,與OM4多模光纖相比,OM5光纖增加了953nm的滿注入帶寬(OMB)和有效模式帶寬(EMB)要求。滿注入帶寬的光源為LED,有效模式帶寬的光源為VCSEL。單位為MHz*km,即帶寬和距離的乘積,可以簡單地理解為信號傳輸速率小則傳得遠,而傳輸速率大傳得近。
表1. TIA標準中對多模光纖的帶寬要求
相對于OM4而言,OM5光纖在長波長范圍內(nèi)的帶寬要求更高,以滿足SWDM技術的需要。長飛生產(chǎn)的OM5光纖具體參數(shù)如圖所示。對比TIA標準和OM4光纖的特征曲線,OM5光纖的有效模式帶寬遠高于標準。
圖5. OM5標準(TIA)和OM4、OM5光纖的有效模式帶寬
4. SWDM MSA
SWDM多源協(xié)議(Multisource Agreement,MSA)是致力于定義SWDM光收發(fā)機的光學參數(shù)并促進其應用的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。其成員包括以下六個公司。
圖6. SWDM MSA
4.1 傳輸速率
今年三月,100G 短波波分復用多源協(xié)議(SWDM MSA)組首次發(fā)布了40G和 100G的兩個SWDM標準。MSA定義了用于以太網(wǎng)的100Gbit/s的光收發(fā)機的4 x 10 Gbps和4 x 25 Gbps的SWDM光接口。對于40G,兩個收發(fā)機間的多模光纖長度范圍為2m至440m,單方向上的每個通道的信號速率為10.3125 Gbps。在100G標準中,為了保證系統(tǒng)的可靠性,需要增加前向糾錯模塊。兩個收發(fā)機間的多模光纖長度范圍為2m至150m。單方向上的每個通道的信號速率為25.78125 Gbps。
4.2傳輸距離:
對OM3、OM4和OM5多模光纖而言,在40G的工作范圍最小為2m,最大傳輸距離分別為240m、350m和440m。在100G的工作范圍最小是2m,OM3、OM4和OM5多模光纖的最大傳輸距離分別為75m、100m和150m。。
表2. 寬帶多模光纖的傳輸距離
4.3 光模塊框圖
SWDM4模塊包括以下幾個部分:四個不同波長的光發(fā)射機,四個帶有信號探測器的光接收機,波分復用器和解復用器,多模光纖雙工光連接器。如圖所示的是100G的光模塊框圖:
圖7. 100G光模塊框圖
4.4鏈路指標
40G短波(850~940nm)波分復用多源協(xié)議中鏈路指標為:
表3. 40G SWDM4鏈路指標
SWDM MSA小組發(fā)布的標準相對于TIA針對多模光纖的標準略有不同,40G SWDM4的有效模式帶寬要求:
圖8. 40G SWDM4中OM3、OM4和OM5的有效模式帶寬要求
100G短波(850~940nm)波分復用多源協(xié)議中鏈路指標為:
表4. 100G SWDM4鏈路指標
100G SWDM4的有效模式帶寬要求:
圖9. 100G SWDM4中OM3、OM4和OM5的有效模式帶寬要求
5總結
短波波分復用技術(SWDM)和寬帶多模光纖(WBMMF)具有更高的傳輸速率,更長的傳輸距離,更少的光纖芯數(shù),以及較低的布線成本。對于下一代數(shù)據(jù)中心建設,SWDM和WBMMF仍然是數(shù)據(jù)中心40/100以太網(wǎng)的主流傳輸介質。進一步將短波波分復用和并行傳輸技術相結合,只需要8芯寬帶多模光纖,就能夠支持更高速的應用,比如200/400G以太網(wǎng)。