康宁光通信中国陈皓：数据中心用多模光纤技术及发展趋势
发布时间：2019-10-17 13:15:54 热度：2685
10/17/2019， 数据中心已经成为现代生活发动机，日益增长的网络信息都通过数据中心进行高速传输和存储。数据中心内部大部分连接距离较短，从几米到几百米不等。这些短距离高速数据通信中，多模光纤和以垂直腔面发射激光器（VCSEL）为核心器件的光模块得到了广泛应用。和单模传输方案相比，多模方案采用低成本，低功耗的激光器，实现了光纤与激光器之间快速高效的耦合。多模光纤可实现比铜缆更高的传输速率或更远的传输距离，比单模光纤系统更低的成本。目前数据中心内部连接的速率达已经100 Gbit/s，且400 Gbit/s也指日可待。业界一直在开发新型的多模光纤来改善其性能，包括在单根光纤中实现波分复用的宽带多模光纤技术；支持更长传输距离的长波多模光纤。另外为支持高密度，小型化的连接，提高数据中心的空间利用率、散热效率和线缆管理效率，具有抗弯性能的多模光纤也已经快速的发展和部署。本文将结合多模光纤的技术原理与光模块技术的演进，讨论支持高速率光模块的多模光纤发展趋势。
1.多模光纤技术及应用场景
云计算的发展促进了超大规模数据中心的发展，从而产生了和传统企业数据中心不同的发展趋势。无论是国内还是国际，云计算业务为主的超大规模数据中心用户对服务器端口速率的演进明显快于传统企业数据中心。传统企业将稳定的使用多模OM4光纤，且90%以上的系统链路长度小于100m。
图1. 传统企业数据中心OM4系统长度分布
而超大规模数据中心用户则更多的选择单模光纤，70%的系统链路长度超过100m
图2. 超大规模数据中心单模系统长度分布
超大规模数据中心的发展提高了单模光纤的使用率，但多模光纤仍有其独特的优势。这些优势包括：可使用更低成本的光模块，更低的功耗，而且传输距离可覆盖数据中心内大部分的链路，因此基于多模光纤和多模光模块的解决方案对客户仍具有很强的吸引力。
2. 850 nm多模光纤的带宽
与单模系统不同的是，多模系统的传输距离和速率受到多模光纤的带宽的限制。为支持高速率系统传输更远的距离，需要提高多模光纤的模式带宽。多模光纤的设计通常采用渐变折射率的剖面以减少模式群时延，实现高带宽：
其中，r0为纤芯半径，∆0为纤芯相对折射率变化的最大值，可以表示如下：
其中，n0为纤芯的中心折射率，n1为包层的折射率。
选择合适的域值，多模光纤的模式带宽可以在一定波长范围内进行优化。图3为50 µm多模光纤在850 nm波长域值变化1％时的带宽分布，光纤的值在最佳位置时，带宽值超过13 GHz.km。该图也反映出多模光纤的带宽对值非常敏感，如实现最大的带宽，需要对值（纤芯折射率）进行非常精细的控制，否则纤芯剖面在制造过程中的各种缺陷会影响多模光纤的实际带宽。
图3 50 µm多模光纤在850 nm波长域值变化1％时的带宽分布
随着光纤设计和制造工艺方面的进步，多模光纤的带宽得到了大幅提升。表1为不同类型的标准多模光纤，62.5 µm的多模光纤具有较高的数值孔径和较大的纤芯，可将发光二极管光源（LED）耦合进光纤，支持10 Mbit/s乃至100 Mbit/s的速率下2 km的数据传输。随着以太网标准和低成本的850 nm VCSEL的发展，芯径为50 µm光纤的多模光纤更受市场欢迎。该光纤具有更低的模式色散和更高的带宽，且VCSEL的光斑尺寸和数值孔径比LED更小，可以方便地将激光耦合到50 µm光纤中。通过优化光纤制造工艺，采用先进的折射率控制技术，50 µm多模光纤从OM2（500 MHz.km）发展至OM3（2 000 MHz.km），现在已发展为OM4（4700 MHz.km）。
表1 不同类型多模光纤的带宽和链路距离
对于使用850 nm VCSEL的多模系统，进一步提高OM4多模光纤的带宽并不能使光模块传输更远的距离，因为系统带宽取决于光纤的有效模式带宽和色散（与VCSEL激光器的谱线宽度及光纤波长相关）的综合作用。如需要增加系统带宽，除了光纤的有效模式带宽外，还需要优化色散值。这可以通过的差分模式时延（DMD）多模光纤补偿部分色散，也可以使用更窄线宽的850 nm VCSEL或工作在色散更低的长波区域。
纤芯的最大相对折射率∆0对最大带宽也有影响。因为带宽与1/∆2成正比，如图4所示当纤芯∆0从1%降至0.75%时，带宽将会加倍。但降低纤芯∆0会加大弯曲损耗，需要通过优化光纤结构设计来改善其弯曲性能。
图4 多模光纤的带宽随纤芯相对折射率的变化曲线
3．弯曲不敏感多模光纤
数据中心的应用中，弯曲不敏感多模光纤的使用越来越广泛，它可以优化设计光缆、硬件和设备，以节约更多的空间、具有更好的冷却效率以及更方便的连接和线缆管理。图5为一个弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面设计。纤芯为渐变折射率，包层有一个低折射率沟槽。沟槽减小了包层内的光功率，可以防光信号的泄露，从而改善光纤的弯曲性能。光纤设计时优化纤芯∆和沟槽尺寸，在弯曲性能及与标准多模光纤的兼容性之间取得平衡。通过合理设计纤芯和沟槽，多模光纤可以实现OM4级别的高带宽和低弯曲损耗。图6所示为850 nm处测得的弯曲损耗对比，弯曲不敏感多模光纤的宏弯损耗比常规标准多模光纤低了10倍以上。
图5 弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面
图6 标准和弯曲不敏感多模光纤的弯曲损耗对比
4.下一代多模光纤的发展
目前850 nm多模光纤的模式带宽最高的是OM4光纤，可支持100G系统100米的传输。如进一步提高模式带宽，则需要更为精细的控制折射率分布，这对生产工艺提出了更高要求，而且对产品的良率有较大影响。另一方面，系统总带宽受到光纤模式带宽和光纤色散的两方面因素限制，单一提高模式带宽对系统传输性能改善有限。这是因为受目前使用的VCSEL的线宽影响，多模光纤色散成为影响速率和链路距离最主要的限制因素。如果要增加系统传速率或传输距离，通常可以采用两种方法：使用单模光纤和单模激光器；或仍使用多模光纤，但采用更窄线宽的激光器，以限制多模光纤的入射模式。这两种方式的缺点是需要更昂贵的激光器，且光纤耦合过程需要更高的对准精度，这将导致更高和光模块的成本和连接成本。因此需要改进多模光纤技术来实现更高容量和更长距离的传输。对于新型多模光纤的研究，主要集中在下面几个方向。
4.1 长波多模光纤[/b]
长波优化的高带宽多模光纤（980 nm/1 060 nm或1 310 nm）与光源结合（如长波VCSEL），是实现较长距离高速率传输的一种可行方案。长波多模光纤系统保留了常规850 nm多模光纤低耦合损耗和易对准的优点，同时该光纤的色散和衰减值更低。如图7所示，光纤的色散和损耗随波长变化，在1060 nm波长处色散和损耗比850nm处均减少了一半，在1310 nm处色散几乎为0，而损耗仅是850 nm处的20%。工作于长波区域的低损耗低色散的多模光纤系统可实现更高的速率和更长的传输距离，近年来的一系列的实验结果也验证了这一结论：1310 nm的多模光纤结合1310 nm的硅光模块，实现了超过820 m的传输距离，1060nm多模光纤与1060 nm VCSEL激光器的结合实现了超过500m的传输（以上实验均为100G速率）。
图7 多模光纤的色散和损耗
4.2 宽带多模光纤
基于IEEE802.3ba制定的40G/100G标准，多模光纤40G的传输采用每对光纤支持10Gbps的速率4*10Gbp=40Gbps，需要用到各4根光纤发送与接收，共8芯光纤，100G采用各4根光纤发送与接收4*25Gbps=100G，共使用8芯光纤。400 Gb/s传输速率需要用到16对共32芯光纤，这对于光纤资源的占用非常大。业界正在探索使用多波长复用的方式来减少光纤的使用数量。
目前市场上有两种基于多波长复用技术的产品。一种是BiDi(Bi-direction)技术，如下图（以40G为例）所示，光模块有两个20 Gbps的双向通道，每根光纤都具有发送和接收功能（多模光纤支持850nm和900nm两个波长），最终在2根光纤上实现了40G 传输，且无需额外安装MPT 连接器。值得注意的是，由于BiDi 收发器的每根光纤既传输又接收信号，所以不支持端口分支功能。另一种技术是短波分复用（SWDM）技术。与BiDi 类似， SWDM仅需要一个两芯LC 双工连接，不同的是SWDM 需要工作在850nm 到940nm 之间4 个不同的波长上，其中一根光纤用于传输信号，另一根用于接收信号。
图8 40GBiDi光模块及光路图
图9. SWDM模块光路图
常规OM3/OM4 光纤带宽通常仅针对于850 nm优化，为了支持SWDM光模块的工作模式，需要量化光纤在940 nm 性能。因此电信工业协会（TIA）在2014 年创建了工作小组，编制“宽带多模光纤（WB MMF）”相关指南来支持SWDM 传输，WB MMF 的TIA-492AAAE 标准于2016 年6 月发布。宽带多模光纤实际上是一种性能扩展的OM4 光纤，因为宽带多模光纤仍必须满足OM4 光纤在850 nm 波长下EMB ≥ 4700 MHz•km 的带宽要求，而且还规定在953 nm 波长下的EMB 满足≥ 2470 MHz•km。2016 年10 月国际标准组织将宽带多模光纤命名为OM5 光纤。
表2：不同光纤类型和收发器类型的传输距离（米）
注释1：距离代表收发器制造商公布的参数；有些交换机供应商提供不同的参数。
注释2：带* 标的项目可实现更长的传输距离，使用市场上存在的某些连接解决方案。
表3比较了不同光纤（OM3/4/5）匹配不同光模块的传输距离。使用OM4 光纤的BiDi 和SWDM 在40G分别能传输150m 和350m， 在100G模块 OM5 可支持 BiDi 和SWDM光模块150 m 的传输，相比之下，OM3和OM4 的传输距离为70m 和100 m，但这个距离对于大部分多模方案的应用场景已经足够。图10 列出了基于OM4光纤在100米以各种速率下的光模块解决方案，OM4可以支持从40G演进到400G的多种光模块方案（如100G SR4，100GBiDi，400GSR4.2， 400GSR8等）。在实际应用中，应结合应用场景来选择合适的多模光纤，例如，在需要使用SR4/eSR4 光模块进行端口分支的场景，OM5和OM4性能基本一致 ，因此OM4是更具性价比的方案，而在 100G或以上速率传输距离超过100 m 的链路，OM5 / SWDM 组合可以体现出其长距离传输的优势。
图10 基于OM4传输100m 的40/100G/400G的解决方案
1.多模光纤技术及应用场景
云计算的发展促进了超大规模数据中心的发展，从而产生了和传统企业数据中心不同的发展趋势。无论是国内还是国际，云计算业务为主的超大规模数据中心用户对服务器端口速率的演进明显快于传统企业数据中心。传统企业将稳定的使用多模OM4光纤，且90%以上的系统链路长度小于100m。
图1. 传统企业数据中心OM4系统长度分布
而超大规模数据中心用户则更多的选择单模光纤，70%的系统链路长度超过100m
图2. 超大规模数据中心单模系统长度分布
超大规模数据中心的发展提高了单模光纤的使用率，但多模光纤仍有其独特的优势。这些优势包括：可使用更低成本的光模块，更低的功耗，而且传输距离可覆盖数据中心内大部分的链路，因此基于多模光纤和多模光模块的解决方案对客户仍具有很强的吸引力。
2. 850 nm多模光纤的带宽
与单模系统不同的是，多模系统的传输距离和速率受到多模光纤的带宽的限制。为支持高速率系统传输更远的距离，需要提高多模光纤的模式带宽。多模光纤的设计通常采用渐变折射率的剖面以减少模式群时延，实现高带宽：
其中，r0为纤芯半径，∆0为纤芯相对折射率变化的最大值，可以表示如下：
其中，n0为纤芯的中心折射率，n1为包层的折射率。
选择合适的域值，多模光纤的模式带宽可以在一定波长范围内进行优化。图3为50 µm多模光纤在850 nm波长域值变化1％时的带宽分布，光纤的值在最佳位置时，带宽值超过13 GHz.km。该图也反映出多模光纤的带宽对值非常敏感，如实现最大的带宽，需要对值（纤芯折射率）进行非常精细的控制，否则纤芯剖面在制造过程中的各种缺陷会影响多模光纤的实际带宽。
图3 50 µm多模光纤在850 nm波长域值变化1％时的带宽分布
随着光纤设计和制造工艺方面的进步，多模光纤的带宽得到了大幅提升。表1为不同类型的标准多模光纤，62.5 µm的多模光纤具有较高的数值孔径和较大的纤芯，可将发光二极管光源（LED）耦合进光纤，支持10 Mbit/s乃至100 Mbit/s的速率下2 km的数据传输。随着以太网标准和低成本的850 nm VCSEL的发展，芯径为50 µm光纤的多模光纤更受市场欢迎。该光纤具有更低的模式色散和更高的带宽，且VCSEL的光斑尺寸和数值孔径比LED更小，可以方便地将激光耦合到50 µm光纤中。通过优化光纤制造工艺，采用先进的折射率控制技术，50 µm多模光纤从OM2（500 MHz.km）发展至OM3（2 000 MHz.km），现在已发展为OM4（4700 MHz.km）。
表1 不同类型多模光纤的带宽和链路距离
对于使用850 nm VCSEL的多模系统，进一步提高OM4多模光纤的带宽并不能使光模块传输更远的距离，因为系统带宽取决于光纤的有效模式带宽和色散（与VCSEL激光器的谱线宽度及光纤波长相关）的综合作用。如需要增加系统带宽，除了光纤的有效模式带宽外，还需要优化色散值。这可以通过的差分模式时延（DMD）多模光纤补偿部分色散，也可以使用更窄线宽的850 nm VCSEL或工作在色散更低的长波区域。
纤芯的最大相对折射率∆0对最大带宽也有影响。因为带宽与1/∆2成正比，如图4所示当纤芯∆0从1%降至0.75%时，带宽将会加倍。但降低纤芯∆0会加大弯曲损耗，需要通过优化光纤结构设计来改善其弯曲性能。
图4 多模光纤的带宽随纤芯相对折射率的变化曲线
3．弯曲不敏感多模光纤
数据中心的应用中，弯曲不敏感多模光纤的使用越来越广泛，它可以优化设计光缆、硬件和设备，以节约更多的空间、具有更好的冷却效率以及更方便的连接和线缆管理。图5为一个弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面设计。纤芯为渐变折射率，包层有一个低折射率沟槽。沟槽减小了包层内的光功率，可以防光信号的泄露，从而改善光纤的弯曲性能。光纤设计时优化纤芯∆和沟槽尺寸，在弯曲性能及与标准多模光纤的兼容性之间取得平衡。通过合理设计纤芯和沟槽，多模光纤可以实现OM4级别的高带宽和低弯曲损耗。图6所示为850 nm处测得的弯曲损耗对比，弯曲不敏感多模光纤的宏弯损耗比常规标准多模光纤低了10倍以上。
图5 弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面
图6 标准和弯曲不敏感多模光纤的弯曲损耗对比
4.下一代多模光纤的发展
目前850 nm多模光纤的模式带宽最高的是OM4光纤，可支持100G系统100米的传输。如进一步提高模式带宽，则需要更为精细的控制折射率分布，这对生产工艺提出了更高要求，而且对产品的良率有较大影响。另一方面，系统总带宽受到光纤模式带宽和光纤色散的两方面因素限制，单一提高模式带宽对系统传输性能改善有限。这是因为受目前使用的VCSEL的线宽影响，多模光纤色散成为影响速率和链路距离最主要的限制因素。如果要增加系统传速率或传输距离，通常可以采用两种方法：使用单模光纤和单模激光器；或仍使用多模光纤，但采用更窄线宽的激光器，以限制多模光纤的入射模式。这两种方式的缺点是需要更昂贵的激光器，且光纤耦合过程需要更高的对准精度，这将导致更高和光模块的成本和连接成本。因此需要改进多模光纤技术来实现更高容量和更长距离的传输。对于新型多模光纤的研究，主要集中在下面几个方向。
4.1 长波多模光纤[/b]
长波优化的高带宽多模光纤（980 nm/1 060 nm或1 310 nm）与光源结合（如长波VCSEL），是实现较长距离高速率传输的一种可行方案。长波多模光纤系统保留了常规850 nm多模光纤低耦合损耗和易对准的优点，同时该光纤的色散和衰减值更低。如图7所示，光纤的色散和损耗随波长变化，在1060 nm波长处色散和损耗比850nm处均减少了一半，在1310 nm处色散几乎为0，而损耗仅是850 nm处的20%。工作于长波区域的低损耗低色散的多模光纤系统可实现更高的速率和更长的传输距离，近年来的一系列的实验结果也验证了这一结论：1310 nm的多模光纤结合1310 nm的硅光模块，实现了超过820 m的传输距离，1060nm多模光纤与1060 nm VCSEL激光器的结合实现了超过500m的传输（以上实验均为100G速率）。
图7 多模光纤的色散和损耗
4.2 宽带多模光纤
基于IEEE802.3ba制定的40G/100G标准，多模光纤40G的传输采用每对光纤支持10Gbps的速率4*10Gbp=40Gbps，需要用到各4根光纤发送与接收，共8芯光纤，100G采用各4根光纤发送与接收4*25Gbps=100G，共使用8芯光纤。400 Gb/s传输速率需要用到16对共32芯光纤，这对于光纤资源的占用非常大。业界正在探索使用多波长复用的方式来减少光纤的使用数量。
目前市场上有两种基于多波长复用技术的产品。一种是BiDi(Bi-direction)技术，如下图（以40G为例）所示，光模块有两个20 Gbps的双向通道，每根光纤都具有发送和接收功能（多模光纤支持850nm和900nm两个波长），最终在2根光纤上实现了40G 传输，且无需额外安装MPT 连接器。值得注意的是，由于BiDi 收发器的每根光纤既传输又接收信号，所以不支持端口分支功能。另一种技术是短波分复用（SWDM）技术。与BiDi 类似， SWDM仅需要一个两芯LC 双工连接，不同的是SWDM 需要工作在850nm 到940nm 之间4 个不同的波长上，其中一根光纤用于传输信号，另一根用于接收信号。
图8 40GBiDi光模块及光路图
图9. SWDM模块光路图
常规OM3/OM4 光纤带宽通常仅针对于850 nm优化，为了支持SWDM光模块的工作模式，需要量化光纤在940 nm 性能。因此电信工业协会（TIA）在2014 年创建了工作小组，编制“宽带多模光纤（WB MMF）”相关指南来支持SWDM 传输，WB MMF 的TIA-492AAAE 标准于2016 年6 月发布。宽带多模光纤实际上是一种性能扩展的OM4 光纤，因为宽带多模光纤仍必须满足OM4 光纤在850 nm 波长下EMB ≥ 4700 MHz•km 的带宽要求，而且还规定在953 nm 波长下的EMB 满足≥ 2470 MHz•km。2016 年10 月国际标准组织将宽带多模光纤命名为OM5 光纤。
表2：不同光纤类型和收发器类型的传输距离（米）
注释1：距离代表收发器制造商公布的参数；有些交换机供应商提供不同的参数。
注释2：带* 标的项目可实现更长的传输距离，使用市场上存在的某些连接解决方案。
表3比较了不同光纤（OM3/4/5）匹配不同光模块的传输距离。使用OM4 光纤的BiDi 和SWDM 在40G分别能传输150m 和350m， 在100G模块 OM5 可支持 BiDi 和SWDM光模块150 m 的传输，相比之下，OM3和OM4 的传输距离为70m 和100 m，但这个距离对于大部分多模方案的应用场景已经足够。图10 列出了基于OM4光纤在100米以各种速率下的光模块解决方案，OM4可以支持从40G演进到400G的多种光模块方案（如100G SR4，100GBiDi，400GSR4.2， 400GSR8等）。在实际应用中，应结合应用场景来选择合适的多模光纤，例如，在需要使用SR4/eSR4 光模块进行端口分支的场景，OM5和OM4性能基本一致 ，因此OM4是更具性价比的方案，而在 100G或以上速率传输距离超过100 m 的链路，OM5 / SWDM 组合可以体现出其长距离传输的优势。
图10 基于OM4传输100m 的40/100G/400G的解决方案
