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(duì)高速、低功耗和耐用的光纖互連器件的需求也在增長(zhǎng)。可通過對(duì)光纖收發(fā)器進(jìn)行優(yōu)化，以滿足特定數(shù)據(jù)中心對(duì)高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(luò)工程師需要一種有效的方法來測(cè)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(shí)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(xiàng)，并介紹 Intel Silicon Photonics、II-VI 和 Cisco Systems 的收發(fā)器模塊。本文最后介紹光纖設(shè)備的測(cè)試，包括 ColorChip 為 400 G 設(shè)備提供的回送模塊和 Multilane 為下一代 800 G 收發(fā)器提供的評(píng)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(zhǎng)為 750 nm 至 850 nm，而單模 (SM) 光纖采用 9 μm 玻璃芯，工作波長(zhǎng)通常為 1310 nm 至 1550 nm。在 MM 光纖的情況下，光波長(zhǎng)比截止波長(zhǎng)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(zhǎng)內(nèi)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(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(zhǎng)的傳輸距離。用光學(xué)形式傳輸數(shù)據(jù)是通過在通信的每個(gè)方向使用不同的波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)的。例如，一套光收發(fā)器使用 1330 nm 和 1270 nm 的波長(zhǎng)組合。其中一個(gè)收發(fā)器發(fā)射 1330 nm 信號(hào)并接收 1270 nm 信號(hào)，而另一個(gè)收發(fā)器發(fā)射 1270 nm 信號(hào)并接收 1330 nm 信號(hào)（圖 2）。

圖 2：光收發(fā)器采用不同的波長(zhǎng)來傳輸和接收數(shù)據(jù)。（圖片來源：Cisco）

電源和熱

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商對(duì)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(jià)格低廉，但 UTP 收發(fā)器可能會(huì)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(gè)能耗成本增加一倍，甚至達(dá)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(yùn)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(duì)于傳輸速度為 10 G 的 Cat 6A 電纜，UTP 電纜之間的交叉串?dāng)_可能難以控制。MM 光纖使用成本較低的收發(fā)器，但當(dāng)并行光學(xué)器件用于 40 G 或 100G 傳輸時(shí)，布線會(huì)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(shè)施到辦公室、倉(cāng)庫和工廠的通訊間。光纖收發(fā)器有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)計(jì)將在比環(huán)境溫度高約 20 度的條件下運(yùn)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(jí)收發(fā)器。一些應(yīng)用要求收發(fā)器能夠“冷啟動(dòng)”。冷啟動(dòng)期間，網(wǎng)絡(luò)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(dá)到 -30℃ 時(shí)才開始數(shù)據(jù)通訊。為了確保網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行，監(jiān)測(cè)光纖收發(fā)器的工作溫度很重要。

數(shù)字光學(xué)監(jiān)測(cè)

數(shù)字光學(xué)監(jiān)測(cè) (DOM) 也被稱為數(shù)字診斷監(jiān)測(cè) (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(cè)。具體監(jiān)測(cè)能力如下：

· 監(jiān)測(cè)模塊的工作溫度
· 監(jiān)測(cè)模塊的工作電壓
· 監(jiān)測(cè)器模塊的工作電流
· 監(jiān)測(cè)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(bào)
· 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(bào)警標(biāo)志或報(bào)警條件。DOM 幫助網(wǎng)絡(luò)管理員監(jiān)測(cè)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(dá) 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(chǔ)期映射命令系統(tǒng)。由于包含了需要復(fù)雜均衡的 PAM-4 接口，較高速模塊的管理更加復(fù)雜。通用管理接口規(guī)范 (CMIS) 是為了在高速模塊中取代或補(bǔ)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(luò)。使用 SFP 模塊可以使各個(gè)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(dá) 4G 的數(shù)據(jù)速率。較新的 SFP+ 規(guī)范支持高達(dá) 10 G 的數(shù)據(jù)速率，而最新的 SFP28 規(guī)范支持高達(dá) 25 G 的數(shù)據(jù)速率。

較大型 QSFP 收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)支持的傳輸速度比相應(yīng)的 SFP 單元快四倍。QSFP28 變體具有高達(dá) 100G 的數(shù)據(jù)速率，而 QSFP56 則達(dá)到 200G。一個(gè) QSFP 收發(fā)器集成了四個(gè)發(fā)射通道和四個(gè)接收通道，“28”意味著每個(gè)通道可以支持高達(dá) 28 G 的數(shù)據(jù)速率；因此，一個(gè) 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(duì)脈沖振幅調(diào)制 4 (PAM4) 的支持，其傳輸速度達(dá)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(qiáng)調(diào)制為兩級(jí)。PAM 使用四個(gè)光強(qiáng)級(jí)別，在每個(gè)光脈沖周期內(nèi)進(jìn)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(shí)現(xiàn)兩倍的數(shù)據(jù)（圖 3）。

圖 3：更復(fù)雜的 PAM4 比 NRZ 傳輸更多的數(shù)據(jù)。（圖片來源：Cisco）

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(shè)計(jì)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(yùn)行，支持通過 SM 光纖實(shí)現(xiàn) 400 G 光鏈路或支持 4 個(gè) 100 G 光鏈路的分線應(yīng)用（圖 4）。這款 QSFP-DD 收發(fā)器的特點(diǎn)包括：

· 符合 4 x 100 G Lambda MSA 光接口規(guī)范和 IEEE 400GBASE-DR4 光接口標(biāo)準(zhǔn)
· 符合 IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) 電氣接口標(biāo)準(zhǔn)
· 符合 CMIS 管理接口標(biāo)準(zhǔn)，通過 I2C 進(jìn)行全模塊診斷和控制

圖 4：QSFP-DD 收發(fā)器的傳輸范圍為 2 km。 （圖片來源：Intel）

多模 SFP+

FTLF8538P5BCz SFP+ 光收發(fā)器集成了 DDM 功能，用于在 MM 光纖上實(shí)現(xiàn) 25 G 數(shù)據(jù)速率（圖 5）。設(shè)計(jì)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(shí)，30 m 的誤碼率為 1E-12；使用 OM4 光纜時(shí)，40 m 的誤碼率為 1E-12
· 最大功耗 1W

圖 5：SFP+ 收發(fā)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(zhǎng)達(dá) 10 km 的傳輸距離。一個(gè) SFP-10G-BXD-I 總是與一個(gè) SFP-10G-BXU-I 連接。SFP-10G-BXD-I 傳輸 1330 nm 通道，接收 1270 nm 信號(hào)，而 SFP-10G-BXU-I 以 1270 nm 波長(zhǎng)發(fā)射，接收 1330 nm 信號(hào)。這些收發(fā)器還包括 DOM 功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能。

用于測(cè)試的環(huán)回

網(wǎng)絡(luò)和測(cè)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(cè)試光網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(chǎng)景（圖 6）。這種環(huán)回模塊包括由軟件定義的多種功耗，可對(duì)光模塊功率和嵌入式插入損耗特性進(jìn)行仿真，從而對(duì) 200/400 G 以太網(wǎng)、Infiniband 和光纖通道的真實(shí)布線的進(jìn)行仿真。內(nèi)置浪涌電流保護(hù)降低了被測(cè)設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)。這種環(huán)回模塊的用途包括端口測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)部署測(cè)試和設(shè)備故障排除。

圖 6：這種環(huán)回模塊用于測(cè)試光收發(fā)器性能。（圖片來源：Digi-Key）

800 G QSFP 開發(fā)套件

Multilane 為準(zhǔn)備使用下一代 800 G 收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)工程師提供了高效易用的 ML4062-MCB 平臺(tái)，可用于 QSFP-DD800 收發(fā)器和有源光纜的編程、測(cè)試（圖 7）。GUI 支持 QSFP-DD MSA 定義的所有功能，并簡(jiǎn)化配置過程。該平臺(tái)可用于仿真 QSFP-DD 收發(fā)器模塊測(cè)試、特征描述和制造的實(shí)際環(huán)境，符合 OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 和 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 規(guī)范。

圖 7：該開發(fā)平臺(tái)旨在與下一代 800G 收發(fā)器搭配使用。（圖片來源：Digi-Key）

結(jié)語

光纖收發(fā)器滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)工程師對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作溫度范圍，配備 SM 或 MM 光纖。環(huán)回模塊可用于驗(yàn)證光纖網(wǎng)元的性能。開發(fā)平臺(tái)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(luò)做好準(zhǔn)備。