隨著網絡數據通訊量的迅猛增長,近年來,多模光纖及其應用的相關標準在持續(xù)升級。以太網速率從10GbE/40GbE/100GbE升級到25GbE/50GbE/200GbE/400GbE,將來還會升級到更高速的800GbE/1.6TbE;光纖通道速率從8GFC/16FC升級至串行的32GFC/64GFC和并行的128GFC/256GFC,以及將來更高速的串行128GFC和并行512GFC。同時,多模光模塊技術逐步從NRZ編碼發(fā)展至4電平的PAM4信號編碼;從單波長光源發(fā)展至多波長復用,如2波復用的BiDi技術、4波復用的SWDM技術,以及將來可能的8波長復用。此外,多模光纖還有模分復用(MDM)的潛力,通過利用多模光纖中的多個可用模式來增加傳輸容量。
近年來,數據中心網絡需求持續(xù)增長,根據思科的統(tǒng)計和預測,2015至2020年間,全球數據中心總體流量年復合增長27%,其中云數據中心年復合增長30%,傳統(tǒng)本地數據中心每年保持9%的穩(wěn)定增長。
目前,大多數數據中心的布線方案是采用銅、短距離多模光器件、長距離單模光器件共同完成。其中多模SR4和單模PSM4解決方案占主導。數據中心內部布線選擇的最關鍵指標之一是成本,往往成本最低的解決方案最具有優(yōu)勢。因此, SR用于數百米距離內,LR用于2千米以上的長距離。阿里巴巴目前在其網絡中采用100GBASE-SR4多模光纖連接,發(fā)現其比基于單模光纖和PSM4或CWDM4的連接方式更具性價比。鑒于企業(yè)本地數據中心的規(guī)模、架構、網絡容量和存儲需求,多模光纖和VCSEL仍將是這一重要市場的首要解決方案。
OM5光纖將傳統(tǒng)OM4光纖在850nm的帶寬性能拓寬到953nm,利用4波長短波波分復用(SWDM4)技術,在一根多模光纖上同時傳輸四個波長,將多模光纖傳輸容量提高至原來的4倍,同時完全向下兼容。
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對于數據中心建設以及相關光纖、器件和設備廠家的意義不言而喻。目前,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)盟于2017年3月發(fā)布了多源協(xié)議(MSA),定義了40GE SWDM4和100GE SWDM4的應用需求,并表示將在今后進一步拓展到400Gb/s應用。
OM5光纖建立在OM3/OM4光纖的基礎之上,并擴展其性能以支持多個波長,OM5展示了多模光纖系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的未來。自2015年至今,幾大國際標準組織均新增了對OM5光纖及其應用的規(guī)范。
電信工業(yè)協(xié)會(TIA)率先于2016年6月正式發(fā)布TIA-492AAAE光纖標準,定義了可支持850nm~950nm波段波分復用技術的寬帶多模光纖(WBMMF)。2016年10月發(fā)布ANSI/TIA-568.3-D光纖結構化布線標準,批準使用TIA-492AAAE光纖進行布線。
國際電工委員會(IEC)于2017年8月正式發(fā)布IEC 60793-2-10 ed. 6光纖標準,將WBMMF定義為A1a.4光纖類型,并得到ISO/IEC對11801. ed. 3請求聯(lián)絡的支持,隨即于2017年11月正式發(fā)布ISO/IEC 11801-1光纖布線標準,確定了用這種光纖布線的名稱為OM5。
2016年9月起草、2017年12月正式發(fā)布的IEEE 802.3bs標準,定義了200Gb/s和400Gb/s以太網的媒體訪問控制參數、物理層和管理參數,其中也為寬帶多模光纖布線正式命名為“OM5”,并規(guī)定了OM3/OM4/OM5三類光纖在400GBASE-SR16系統(tǒng)中可支持的最短鏈路距離,如表1所示。
PMD type | Required operating range a |
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400GBASE-SR16 | 0.5 m to 70 m for OM3 |
0.5 m to 100 m for OM4 | |
0.5 m to 100 m for OM5 |
2016年11月起草,2018年12月發(fā)布的IEEE 802.3cd標準定義了50Gb/s、100Gb/s和200Gb/s以太網的媒體訪問控制參數、物理層和管理參數,并規(guī)定了OM5光纖均可以支持100米以上的50GBASE-SR、100GBASE-SR2和200GBASE-SR4。
2017年11月,IEEE 802.3成立下一代200Gb/s與400Gb/s多模光纖物理層研究組,旨在采用比現有以太網更少的多模光纖來實現200Gb/s和400Gb/s系統(tǒng)的傳輸,簡稱“NGMMF研究組”。在2018年1月舉行的研究組第一次正式會議上,提出了400GBASE-SR8或400GBASE-SR4.2兩種方案替代400GBASE-SR16來實現對400G以太網的支持,最小傳輸距離100m。400GBASE-SR8方案采用8對光纖,可以充分利用現有技術的優(yōu)勢(采用對PAM4更友好的VCSEL),目標波長為850nm,目前有QSFP-DD、OSFP和COBO 8-Lane幾種光模塊封裝。400GBASE-SR4.2方案采用4對光纖,保持了跟現有100 GBASE-SR4方案相同的布線方式,每根光纖傳2個波長,同樣也采用PAM4調制技術,目標波長為850nm和一個更長波長的光源。400GBASE-SR4.2方案更適合采用可支持多波長的OM5光纖進行布線。相關標準IEEE 802.3cm于2020年1月發(fā)布。
OM5光纖的設計初衷,即為應對多模傳輸系統(tǒng)的波分復用(WDM)需求。因此,其最具價值的應用,是在短波波分復用領域。目前,單波50Gb/s基于多模光纖的多波長光模塊大都還在研發(fā)階段,只有少數光模塊廠商能夠提供少量的樣品,但僅供內部實驗使用。PAM4調制方式可以在現有25Gb/s的VCSEL基礎上提供單波50Gb/s的速率。兩波長雙向(BiDi)技術和四波長復用(SWDM4)技術分別為100Gb/s以上高速以太網鏈路精簡了二分之一和四分之三的光纖用量。
研究者發(fā)現,通過在光纖芯層摻入適當的氟元素,能減小不同波長對應的最優(yōu)alpha值差異,從而使得“超寬帶多模光纖”在850nm~1050nm整個波長范圍內帶寬得以提高。這一結果證明了“超寬帶多模光纖”有能力在850nm~1050nm窗口內支持8個間隔為30nm的波分復用通道。
近三年來,各光纖廠商和光模塊廠商紛紛報道了OM5以及“超寬帶多模光纖”在PAM4調制技術及波分復用技術加持下的最新傳輸結果,如表2。從報道的實驗結果來看,OM5光纖足以支持150米以上的100Gb/s、200Gb/s和400Gb/s多波長傳輸系統(tǒng)。
此外,經過優(yōu)化設計,50μm芯徑的多模光纖可獲得1550nm窗口下比少模光纖更低的差分模式群時延(DMGD),用于多輸入-多輸出(MIMO)模分復用(MDM)系統(tǒng)中,從而將光纖容量提升數倍,這證明了未來多模光纖進行模分復用的潛力。
FIT | Finisar | OFS | Prysmian | Panduit | 長飛 | |||||||||
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0M3 | 0M4 | 0M5 | 0M4 | 0M5 | 0M4 | 0M5 | 0M4 | 0M5 | 0M3 | 0M4 | 0M5 | 0M4 | 0M5 | |
100GB/s-BiDi (850nm、910nm) |
70m |
100m |
150m |
200m |
400m |
70m |
100m |
200m |
300m |
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200GB/s-SWDM4
(850nm、880nm |
100m |
300m |
300m |
100m |
300m |
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50GB/s @980nm |
300m |
300m |
200m |
200m |
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50GB/s @1060nm |
200m |
200m |