【導讀】為了支持云和其他數據中心在可靠、低延遲通信方面的需求，對高速、低功耗和耐用的光纖互連器件的需求也在增長。可通過對光纖收發器進行優化，以滿足特定數據中心對高達每秒 400 吉比特 (G) 傳輸速度的要求。光纖數據中心通信的重要模塊標準包括小型可插拔 (SPF)）、SPF+ 和四通道小型可插拔 (QSFP)。SPF、SPF+ 和 QSPF 之間的區別之一是其額定傳輸速度。然而，這只是選擇收發器需要考慮的一個因素；必須權衡功耗和熱管理、所需的傳輸距離、工作溫度范圍、集成診斷功能和其他因素。此外，網絡工程師需要一種有效的方法來測試光收發器的傳輸距離和接收器的靈敏度。
為了支持云和其他數據中心在可靠、低延遲通信方面的需求，對高速、低功耗和耐用的光纖互連器件的需求也在增長。可通過對光纖收發器進行優化，以滿足特定數據中心對高達每秒 400 吉比特 (G) 傳輸速度的要求。光纖數據中心通信的重要模塊標準包括小型可插拔 (SPF)）、SPF+ 和四通道小型可插拔 (QSFP)。SPF、SPF+ 和 QSPF 之間的區別之一是其額定傳輸速度。然而，這只是選擇收發器需要考慮的一個因素；必須權衡功耗和熱管理、所需的傳輸距離、工作溫度范圍、集成診斷功能和其他因素。此外，網絡工程師需要一種有效的方法來測試光收發器的傳輸距離和接收器的靈敏度。
本文首先回顧選擇光纖收發器時的重要考慮因素，比較 SPF、SPF+、QSFP 和 QSFP-DD（雙密度）的硬件接口選項，并介紹 Intel Silicon Photonics、II-VI 和 Cisco Systems 的收發器模塊。本文最后介紹光纖設備的測試，包括 ColorChip 為 400 G 設備提供的回送模塊和 Multilane 為下一代 800 G 收發器提供的評估板。
單模與多模
數據通信光纖由包裹在玻璃包層中的玻璃纖芯組成，且每根纖芯都有不同的折射率。典型多模 (MM) 光纖采用 50 μm 玻璃芯，工作波長為 750 nm 至 850 nm，而單模 (SM) 光纖采用 9 μm 玻璃芯，工作波長通常為 1310 nm 至 1550 nm。在 MM 光纖的情況下，光波長比截止波長短，造成有多種模式的光在光纖中傳播。SM 光纖中較小的纖芯只能在指定的波長內傳播一種模式的光（圖 1）。
圖 1：SM 光纖中的小纖芯限制了其只能傳播一種模式的光。（圖片來源：Cisco）
與不受這些影響的 SM 光纖相比，模態色散和模態噪聲限制了 MM 光纖的帶寬。此外，與 MM 光纖相比，SM 光纖具有更長的傳輸距離。用光學形式傳輸數據是通過在通信的每個方向使用不同的波長來實現的。例如，一套光收發器使用 1330 nm 和 1270 nm 的波長組合。其中一個收發器發射 1330 nm 信號并接收 1270 nm 信號，而另一個收發器發射 1270 nm 信號并接收 1330 nm 信號（圖 2）。
圖 2：光收發器采用不同的波長來傳輸和接收數據。（圖片來源：Cisco）
電源和熱
數據中心運營商對電源和熱成本非常敏感。雖然用于數據通信布線的非屏蔽雙絞線 (UTP) 價格低廉，但 UTP 收發器可能會消耗約 5 W 的功率，而光纖收發器只需要 1 W 或更少。
UTP 收發器額外產生的熱量必須從數據中心移除，這將使整個能耗成本增加一倍，甚至達到十倍。與 UTP 解決方案相比，除了線路非常短和數據低率，光纖收發器總是具有幾乎很低的總壽命運行成本。
與光纖布線相比，UTP 電纜的直徑也較大。UTP 電纜直徑可能太大，無法接入在高密度數據中心地板下安裝的一些電纜盤中。此外，對于傳輸速度為 10 G 的 Cat 6A 電纜，UTP 電纜之間的交叉串擾可能難以控制。MM 光纖使用成本較低的收發器，但當并行光學器件用于 40 G 或 100G 傳輸時，布線會更昂貴。隨著數據率的不斷升高，SM 光纖可能提供了低功耗、低成本和小尺寸解決方案的最佳組合。
溫度范圍選擇
數據中心所處環境各異，從專用設施到辦公室、倉庫和工廠的通訊間。光纖收發器有三個標準溫度范圍，以滿足特定環境的需要：
· 0°C 至 +70°C，稱為 C-temp 或 COM，用于商業和標準數據中心環境。
· -5℃ 至 +85℃，稱為 E-temp 或 EXT，用于更具挑戰性的環境。
· -40°C 至 +85°C，稱為 I-temp 或 IND，用于工業裝置。
典型光收發器預計將在比環境溫度高約 20 度的條件下運行。在環境超過 +50°C 或低于 -20°C 的環境中，需要使用 IDN 級收發器。一些應用要求收發器能夠“冷啟動”。冷啟動期間，網絡可以訪問收發器的 I2C 和其他低速接口，但需要在外殼溫度達到 -30℃ 時才開始數據通訊。為了確保網絡可靠運行，監測光纖收發器的工作溫度很重要。
數字光學監測
數字光學監測 (DOM) 也被稱為數字診斷監測 (DDM)，由 SFF-8472 定義，是多源協議 (MSA) 的一部分，專注于光纖收發器的數字監測。具體監測能力如下：
· 監測模塊的工作溫度
· 監測模塊的工作電壓
· 監測器模塊的工作電流
· 監測發射和接收光功率
· 如果參數超過安全水平，發出警報
· 根據要求提供模塊工廠信息
SFF-8472 規定的 DOM 定義了具體的報警標志或報警條件。DOM 幫助網絡管理員監測模塊性能，并在模塊出現故障前確定可能需要更換的模塊。
高達 100 G 的光收發模塊已通過 I2C 控制接口管理，使用 SFF 8636 定義的基本存儲期映射命令系統。由于包含了需要復雜均衡的 PAM-4 接口，較高速模塊的管理更加復雜。通用管理接口規范 (CMIS) 是為了在高速模塊中取代或補充 SFF-8472/8636 而制定的。
外形尺寸和調制方案
SFP 收發器可用于銅和光纖網絡。使用 SFP 模塊可以使各個通信端口采用不同類型的收發器。SFP 的外形尺寸和電氣接口是由 MSA 規定的。基本 SFP 收發器可支持光纖通道高達 4G 的數據速率。較新的 SFP+ 規范支持高達 10 G 的數據速率，而最新的 SFP28 規范支持高達 25 G 的數據速率。
較大型 QSFP 收發器標準支持的傳輸速度比相應的 SFP 單元快四倍。QSFP28 變體具有高達 100G 的數據速率，而 QSFP56 則達到 200G。一個 QSFP 收發器集成了四個發射通道和四個接收通道，“28”意味著每個通道可以支持高達 28 G 的數據速率；因此，一個 QSFP28 可以支持 4 × 25 G 配置（分線），2 × 50 G 分線或 1 × 100 G（取決于具體收發器）。由于 QSFP 端口比 SFP 大，所以有適配器，從而可將 SFP 收發器放入 QSFP 端口中。
最新的變體是 QSFP-DD，與普通 QSFP28 模塊相比，其接口數量增加了一倍。此外，新規范還包括對脈沖振幅調制 4 (PAM4) 的支持，其傳輸速度達到 50 G，與 QSFP28 模塊相比，傳輸速率增加一倍，使端口速度總體上增大 4 倍。
在光纖收發器中使用的傳統不歸零 (NRZ) 調制將光強調制為兩級。PAM 使用四個光強級別，在每個光脈沖周期內進行雙比特編碼，而非單比特，從而在相同的帶寬內幾乎可以實現兩倍的數據（圖 3）。
圖 3：更復雜的 PAM4 比 NRZ 傳輸更多的數據。（圖片來源：Cisco）
用于大型數據中心的 QSFP-DD
大型云和企業數據中心的設計者可以采用 Intel Silicon Photonics 的 SPTSHP3PMCDF QSFP-DD 光收發器。該模塊具有 2 km 的傳輸能力，規定在 0°C 至 +70°C 范圍內運行，支持通過 SM 光纖實現 400 G 光鏈路或支持 4 個 100 G 光鏈路的分線應用（圖 4）。這款 QSFP-DD 收發器的特點包括：
· 符合 4 x 100 G Lambda MSA 光接口規范和 IEEE 400GBASE-DR4 光接口標準
· 符合 IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) 電氣接口標準
· 符合 CMIS 管理接口標準，通過 I2C 進行全模塊診斷和控制
圖 4：QSFP-DD 收發器的傳輸范圍為 2 km。 （圖片來源：Intel）
多模 SFP+
FTLF8538P5BCz SFP+ 光收發器集成了 DDM 功能，用于在 MM 光纖上實現 25 G 數據速率（圖 5）。設計工作范圍為 0°C 至 +70°C。其他特性包括：
· 850 nm 垂直腔側發射激光器 (VCSEL) 發射器
· 通過 50/125 μm OM4、M5F MMF 光纜可傳輸 100 m
· 通過 50/125 μm OM3、M5E MMF 光纜傳輸 70 m
· 使用 OM3 光纜時，30 m 的誤碼率為 1E-12；使用 OM4 光纜時，40 m 的誤碼率為 1E-12
· 最大功耗 1W
圖 5：SFP+ 收發器的額定傳輸能力為 25 G，使用 MM 光纖。（圖片來源：II-VI）
SPF 單模
Cisco 的 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 采用 SM 光纖，支持長達 10 km 的傳輸距離。一個 SFP-10G-BXD-I 總是與一個 SFP-10G-BXU-I 連接。SFP-10G-BXD-I 傳輸 1330 nm 通道，接收 1270 nm 信號，而 SFP-10G-BXU-I 以 1270 nm 波長發射，接收 1330 nm 信號。這些收發器還包括 DOM 功能，可實時監測性能。
用于測試的環回
網絡和測試工程師、技術人員可以使用光纖環回和環回模塊來測試光網絡設備的傳輸能力和接收器靈敏度。ColorChip 提供了一種回環模塊，可在 -40°C 到 +85°C 條件下支持 2000 次循環的高使用場景（圖 6）。這種環回模塊包括由軟件定義的多種功耗，可對光模塊功率和嵌入式插入損耗特性進行仿真，從而對 200/400 G 以太網、Infiniband 和光纖通道的真實布線的進行仿真。內置浪涌電流保護降低了被測設備的損壞風險。這種環回模塊的用途包括端口測試、現場部署測試和設備故障排除。
圖 6：這種環回模塊用于測試光收發器性能。（圖片來源：Digi-Key）
800 G QSFP 開發套件
Multilane 為準備使用下一代 800 G 收發器的網絡工程師提供了高效易用的 ML4062-MCB 平臺，可用于 QSFP-DD800 收發器和有源光纜的編程、測試（圖 7）。GUI 支持 QSFP-DD MSA 定義的所有功能，并簡化配置過程。該平臺可用于仿真 QSFP-DD 收發器模塊測試、特征描述和制造的實際環境，符合 OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 和 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 規范。
圖 7：該開發平臺旨在與下一代 800G 收發器搭配使用。（圖片來源：Digi-Key）
結語
光纖收發器滿足數據中心網絡工程師對高速、緊湊和低功耗解決方案的需求。這些收發器的格式多樣，具有三個標準工作溫度范圍，配備 SM 或 MM 光纖。環回模塊可用于驗證光纖網元的性能。開發平臺可用于探索 800 G 收發器的功能，為下一代基于光纖的網絡做好準備。
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