作者：Jeff Shepard

為了支持云和其他數(shù)據(jù)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?？赏ㄟ^對光纖收發(fā)器進行優(yōu)化，以滿足特定數(shù)據(jù)中心對高達每秒400 吉比特 （G） 傳輸速度的要求。光纖數(shù)據(jù)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(qū)別之一是其額定傳輸速度。然而，這只是選擇收發(fā)器需要考慮的一個因素；必須權(quán)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(wǎng)絡工程師需要一種有效的方法來測試光收發(fā)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(fā)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 IntelSilicon Photonics、II-VI 和 Cisco Systems 的收發(fā)器模塊。本文最后介紹光纖設備的測試，包括 ColorChip 為 400G 設備提供的回送模塊和 Multilane 為下一代 800 G 收發(fā)器提供的評估板。

單模與多模

數(shù)據(jù)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(nèi)傳播一種模式的光（圖 1）。

與不受這些影響的 SM 光纖相比，模態(tài)色散和模態(tài)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(shù)據(jù)是通過在通信的每個方向使用不同的波長來實現(xiàn)的。例如，一套光收發(fā)器使用 1330 nm 和 1270 nm的波長組合。其中一個收發(fā)器發(fā)射 1330 nm 信號并接收 1270 nm 信號，而另一個收發(fā)器發(fā)射 1270 nm 信號并接收 1330 nm 信號（圖 2）。

電源和熱

數(shù)據(jù)中心運營商對電源和熱成本非常敏感。雖然用于數(shù)據(jù)通信布線的非屏蔽雙絞線 （UTP） 價格低廉，但 UTP 收發(fā)器可能會消耗約 5 W的功率，而光纖收發(fā)器只需要 1 W 或更少。

UTP 收發(fā)器額外產(chǎn)生的熱量必須從數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)低率，光纖收發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心所處環(huán)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(fā)器有三個標準溫度范圍，以滿足特定環(huán)境的需要：

0°C 至 +70°C，稱為 C-temp 或 COM，用于商業(yè)和標準數(shù)據(jù)中心環(huán)境。

-5℃ 至 +85℃，稱為 E-temp 或 EXT，用于更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境。

-40°C 至 +85°C，稱為 I-temp 或 IND，用于工業(yè)裝置。

典型光收發(fā)器預計將在比環(huán)境溫度高約 20 度的條件下運行。在環(huán)境超過 +50°C 或低于 -20°C 的環(huán)境中，需要使用 IDN級收發(fā)器。一些應用要求收發(fā)器能夠“冷啟動”。冷啟動期間，網(wǎng)絡可以訪問收發(fā)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(shù)據(jù)通訊。為了確保網(wǎng)絡可靠運行，監(jiān)測光纖收發(fā)器的工作溫度很重要。

數(shù)字光學監(jiān)測

數(shù)字光學監(jiān)測 （DOM） 也被稱為數(shù)字診斷監(jiān)測 （DDM），由 SFF-8472 定義，是多源協(xié)議 （MSA）
的一部分，專注于光纖收發(fā)器的數(shù)字監(jiān)測。具體監(jiān)測能力如下：

監(jiān)測模塊的工作溫度

監(jiān)測模塊的工作電壓

監(jiān)測器模塊的工作電流

監(jiān)測發(fā)射和接收光功率

如果參數(shù)超過安全水平，發(fā)出警報

根據(jù)要求提供模塊工廠信息

SFF-8472 規(guī)定的 DOM 定義了具體的報警標志或報警條件。DOM 幫助網(wǎng)絡管理員監(jiān)測模塊性能，并在模塊出現(xiàn)故障前確定可能需要更換的模塊。

高達 100 G 的光收發(fā)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(tǒng)。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(guī)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(diào)制方案

SFP 收發(fā)器可用于銅和光纖網(wǎng)絡。使用 SFP 模塊可以使各個通信端口采用不同類型的收發(fā)器。SFP 的外形尺寸和電氣接口是由 MSA 規(guī)定的。基本 SFP收發(fā)器可支持光纖通道高達 4G 的數(shù)據(jù)速率。較新的 SFP+ 規(guī)范支持高達 10 G 的數(shù)據(jù)速率，而最新的 SFP28 規(guī)范支持高達 25 G的數(shù)據(jù)速率。

較大型 QSFP 收發(fā)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(shù)據(jù)速率，而 QSFP56 則達到200G。一個 QSFP 收發(fā)器集成了四個發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)器）。由于 QSFP 端口比 SFP 大，所以有適配器，從而可將SFP 收發(fā)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(shù)量增加了一倍。此外，新規(guī)范還包括對脈沖振幅調(diào)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(fā)器中使用的傳統(tǒng)不歸零 （NRZ） 調(diào)制將光強調(diào)制為兩級。PAM使用四個光強級別，在每個光脈沖周期內(nèi)進行雙比特編碼，而非單比特，從而在相同的帶寬內(nèi)幾乎可以實現(xiàn)兩倍的數(shù)據(jù)（圖 3）。

用于大型數(shù)據(jù)中心的 QSFP-DD

大型云和企業(yè)數(shù)據(jù)中心的設計者可以采用 Intel Silicon Photonics 的 SPTSHP3PMCDF QSFP-DD 光收發(fā)器。該模塊具有2 km 的傳輸能力，規(guī)定在 0°C 至 +70°C 范圍內(nèi)運行，支持通過 SM 光纖實現(xiàn) 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(fā)器的特點包括：

符合 4 x 100 G Lambda MSA 光接口規(guī)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

多模 SFP+

FTLF8538P5BCz SFP+ 光收發(fā)器集成了 DDM 功能，用于在 MM 光纖上實現(xiàn) 25 G 數(shù)據(jù)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(cè)發(fā)射激光器 （VCSEL） 發(fā)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

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(fā)射，接收 1330 nm 信號。這些收發(fā)器還包括 DOM 功能，可實時監(jiān)測性能。

用于測試的環(huán)回

網(wǎng)絡和測試工程師、技術(shù)人員可以使用光纖環(huán)回和環(huán)回模塊來測試光網(wǎng)絡設備的傳輸能力和接收器靈敏度。ColorChip 提供了一種回環(huán)模塊，可在 -40°C 到+85°C 條件下支持 2000 次循環(huán)的高使用場景（圖 6）。這種環(huán)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(wǎng)、Infiniband和光纖通道的真實布線的進行仿真。內(nèi)置浪涌電流保護降低了被測設備的損壞風險。這種環(huán)回模塊的用途包括端口測試、現(xiàn)場部署測試和設備故障排除。

800 G QSFP 開發(fā)套件

Multilane 為準備使用下一代 800 G 收發(fā)器的網(wǎng)絡工程師提供了高效易用的 ML4062-MCB 平臺，可用于 QSFP-DD800收發(fā)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(fā)器模塊測試、特征描述和制造的實際環(huán)境，符合 OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 和 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 規(guī)范。

結(jié)語

光纖收發(fā)器滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡工程師對高速、緊湊和低功耗解決方案的需求。這些收發(fā)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(huán)回模塊可用于驗證光纖網(wǎng)元的性能。開發(fā)平臺可用于探索 800 G 收發(fā)器的功能，為下一代基于光纖的網(wǎng)絡做好準備。