OM5多模光纤的研究现状及前景

     随着网络数据通讯量的迅猛增长,近年来,多模光纤及其应用的相关标准在持续升级。以太网速率从10GbE/40 GbE/100 GbE升级到25 GbE/50 GbE/200 GbE/400 GbE,将来还会升级到更高速的800 GbE/1.6 TbE;光纤通道速率从8GFC/16FC升级至串行的32GFC/64GFC和并行的128GFC/256GFC,以及将来更高速的串行128GFC和并行512GFC。同时,多模光模块技术逐步从NRZ编码发展至4电平的PAM4信号编码;从单波长光源发展至多波长复用,如2波复用的BiDi技术、4波复用的SWDM技术,以及将来可能的8波长复用。此外,多模光纤还有模分复用(MDM)的潜力,通过利用多模光纤中的多个可用模式来增加传输容量。

1. 数据中心中布线应用现状

  近年来,数据中心网络需求持续增长,根据思科的统计和预测,20152020年间,全球数据中心总体流量年复合增长27%,其中云数据中心年复合增长30%,传统本地数据中心每年保持9%的稳定增长。

  目前,大多数数据中心的布线方案是采用铜、短距离多模光器件、长距离单模光器件共同完成。其中多模SR4和单模PSM4解决方案占主导。数据中心内部布线选择的最关键指标之一是成本,往往成本最低的解决方案最具有优势。因此, SR用于数百米距离内,LR用于2千米以上的长距离。阿里巴巴目前在其网络中采用100GBASE-SR4多模光纤连接,发现其比基于单模光纤和PSM4CWDM4的连接方式更具性价比。鉴于企业本地数据中心的规模、架构、网络容量和存储需求,多模光纤和VCSEL仍将是这一重要市场的首要解决方案。

2. OM5光纤厂家及SWDM联盟

  OM5光纤将传统OM4光纤在850nm的带宽性能拓宽到953nm,利用4波长短波波分复用(SWDM4)技术,在一根多模光纤上同时传输四个波长,将多模光纤传输容量提高至原来的4倍,同时完全向下兼容。

  作为一种能够大大提升多模光纤传输容量并增加传输距离的新技术,SWDM对于数据中心建设以及相关光纤、器件和设备厂家的意义不言而喻。目前,该联盟成员包括长飞、康宁、OFSPrysmian、康普等光纤和布线厂家,还包括戴尔、华为、华三、Juniper等设备厂家和FinisarLumentum等模块厂商。该联盟于20173月发布了多源协议(MSA),定义了40GE SWDM4100GE SWDM4的应用需求,并表示将在今后进一步拓展到400Gb/s应用。

3. OM5光纤相关标准更新进展

  OM5光纤建立在OM3/OM4光纤的基础之上,并扩展其性能以支持多个波长,OM5展示了多模光纤系统可持续发展的未来。自2015年至今,几大国际标准组织均新增了对OM5光纤及其应用的规范。

  3.1TIAIEC

  电信工业协会(TIA)率先于20166月正式发布TIA-492AAAE光纤标准,定义了可支持850~950nm波段波分复用技术的宽带多模光纤(WBMMF)201610月发布ANSI/TIA-568.3-D光纤结构化布线标准,批准使用TIA-492AAAE光纤进行布线。

  国际电工委员会(IEC)20178月正式发布IEC 60793-2-10 ed. 6光纤标准,将WBMMF定义为A1a.4光纤类型,并得到ISO/IEC11801. ed. 3请求联络的支持,随即于201711月正式发布ISO/IEC 11801-1光纤布线标准,确定了用这种光纤布线的名称为OM5

  3.2IEEE 802.3

  20169月起草、201712月正式发布的IEEE 802.3bs标准,定义了200Gb/s400Gb/s以太网的媒体访问控制参数、物理层和管理参数,其中也为宽带多模光纤布线正式命名为“OM5”,并规定了OM3/OM4/OM5三类光纤在400GBASE-SR16系统中可支持的最短链路距离,如表1所示。

  表1 OM3/OM4/OM5三类光纤在400GBASE-SR16系统中可支持的最短链路距离

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  201611月,IEEE 802.3cd标准的草案披露了50Gb/s100Gb/s200Gb/s以太网的媒体访问控制参数、物理层和管理参数,并规定了OM5光纤均可以支持100米以上的50GBASE-SR100GBASE-SR2200GBASE-SR4。其正式标准仍在讨论中,拟于2018年发布。

  201711月,IEEE 802.3成立下一代200Gb/s400Gb/s多模光纤物理层研究组,旨在采用比现有以太网更少的多模光纤来实现200Gb/s400Gb/s系统的传输,简称“NGMMF研究组。在20181月举行的研究组第一次正式会议上,提出了400GBASE-SR8400GBASE-SR4.2两种方案替代400GBASE-SR16来实现对400G以太网的支持。400GBASE-SR8方案采用8对光纤,可以充分利用现有技术的优势(采用对PAM4更友好的VCSEL),目标波长为850nm,目前有QSFP-DDOSFPCOBO 8-Lane几种光模块封装。400GBASE-SR4.2方案采用4对光纤,保持了跟现有100 GBASE-SR4方案相同的布线方式,每根光纤传2个波长,同样也采用PAM4调制技术,目标波长为850nm和一个更长波长的光源。400GBASE-SR4.2方案更适合采用可支持多波长的OM5光纤进行布线。

4. OM5光纤的应用及未来发展

OM5光纤的设计初衷,即为应对多模传输系统的波分复用(WDM)需求。因此,其最具价值的应用,是在短波波分复用领域。目前,单波50Gb/s基于多模光纤的多波长光模块大都还在研发阶段,只有少数光模块厂商能够提供少量的样品,但仅供内部实验使用。PAM4调制方式可以在现有25Gb/sVCSEL基础上提供单波50Gb/s的速率。两波长双向(BiDi)技术和四波长复用(SWDM4)技术分别为100Gb/s以上高速以太网链路精简了二分之一和四分之三的光纤用量。

  研究者发现,通过在光纤芯层掺入适当的氟元素,能减小不同波长对应的最优alpha值差异,从而使得超宽带多模光纤850~1050nm整个波长范围内带宽得以提高。这一结果证明了超宽带多模光纤有能力在850~1050nm窗口内支持8个间隔为30nm的波分复用通道。

  近三年来,各光纤厂商和光模块厂商纷纷报道了OM5以及超宽带多模光纤PAM4调制技术及波分复用技术加持下的最新传输结果,如表2。从报道的实验结果来看,OM5光纤足以支持150米以上的100Gb/s200Gb/s400Gb/s多波长传输系统。

  此外,经过优化设计,50μm芯径的多模光纤可获得1550nm窗口下比少模光纤更低的差分模式群时延(DMGD),用于多输入-多输出(MIMO)模分复用(MDM)系统中,从而将光纤容量提升数倍,这证明了未来多模光纤进行模分复用的潜力。

2 最新报道的PAM4传输实验进展

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5. 总结
  多模光纤一直是高效灵活的传输媒介,不断开发多模光纤新的应用潜能,能使其适应更高速的传输网络。多模光纤搭配VCSEL具有低链路成本、低功耗、更高可用性的优势,成为大多数企业客户最具成本效益的数据中心解决方案。云数据中心和企业本地数据中心持续稳定的需求增长,为经济高效的多模光纤解决方案提供了广大的市场前景。新行业标准定义的OM5光纤解决方案是针对多波长SWDMBiDi收发器而优化的,为100Gb/s以上的高速传输网络提供更长的传输链路和网络升级余量。

 







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