作者：Jeff Shepard

　　對高速、低功耗和強(qiáng)大的光纖互連的需求正在增長，以支持云和其他數(shù)據(jù)中心對可靠和低延遲通信的需求。可以優(yōu)化光纖收發(fā)器，以滿足特定數(shù)據(jù)中心對傳輸速度達(dá)到 400 千兆位/秒 (G) 的需求。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)別之一是額定傳輸速度。不過，這只是選擇收發(fā)器時(shí)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、集成診斷和其他因素。另外 網(wǎng)絡(luò)工程師需要一種有效的方法來測試光收發(fā)器的傳輸范圍和接收器靈敏度。

　　本文首先回顧了選擇光纖收發(fā)器時(shí)的重要考慮因素，比較了 SPF、SPF+、QSFP 和 QSFP-DD(雙密度)提供的硬件接口選項(xiàng)，并介紹了 英特爾硅光子學(xué), 高六， 和思科系統(tǒng)。最后，它介紹了光纖設(shè)備測試，包括來自 彩片 適用于 400 G 器件和評估板 多通道 適用于下一代 800 G 收發(fā)器。

　　單模與多模

　　用于數(shù)據(jù)通信的光纖由包裹在玻璃包層中的玻璃芯組成，每個(gè)玻璃芯具有不同的折射率。典型的多模 (MM) 光纖具有 50 μm 纖芯，工作波長為 750 nm 至 850 nm，而單模 (SM) 光纖具有 9 μm 纖芯，通常以 1310 nm 至 1550 nm 波長工作。在MM光纖的情況下，光的波長短于截止波長，導(dǎo)致多種模式的光沿著光纖傳播。SM 光纖中較小的纖芯只能在指定波長下傳播一種模式(圖 1)。

　　圖 1：SM 光纖中的小纖芯限制了它們以多種模式傳輸光的能力。(圖片來源：思科)

　　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光纖可以支持更長的傳輸距離。數(shù)據(jù)的光傳輸是通過對通信的每個(gè)方向使用不同的波長來實(shí)現(xiàn)的。例如，一組光收發(fā)器使用 1330 nm 和 1270 nm 波長的組合。其中一個(gè)收發(fā)器發(fā)送 1330 nm 信號并接收 1270 nm 信號，而另一個(gè)收發(fā)器發(fā)送 1270 nm 信號并接收 1330 信號(圖 2)。

　　圖 2：光收發(fā)器使用不同的波長來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。(圖片來源：思科)

　　功率和散熱

　　數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商對電力和熱成本非常敏感。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)器可能消耗約 5 W 的功率，而光纖收發(fā)器所需的功率為 1 W 或更低。

　　UTP收發(fā)器產(chǎn)生的額外熱量必須從數(shù)據(jù)中心中去除，從而使整體能源成本增加一倍，達(dá)到近十倍。除了非常短的運(yùn)行時(shí)間和低數(shù)據(jù)速率外，與UTP解決方案相比，光纖收發(fā)器在總生命周期運(yùn)營成本方面幾乎總是更便宜。

　　與光纖電纜相比，UTP電纜的直徑也更大。它們可能太大，無法放入高密度數(shù)據(jù)中心地板下安裝的某些電纜橋架中。此外，對于以 10 G 傳輸?shù)?Cat 6A 電纜，UTP 電纜之間的串?dāng)_可能難以管理。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或100 G傳輸時(shí)，布線成本更高。隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，SM光纖可以提供低功耗、低成本和小解決方案尺寸的最佳組合。

　　溫度范圍選擇

　　數(shù)據(jù)中心位于各種環(huán)境中，從專用設(shè)施到辦公室、倉庫和工廠的機(jī)柜。光纖收發(fā)器有三種標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍，以滿足特定環(huán)境的需求：

　　0°C 至 +70°C，稱為 C-temp 或 COM，專為商業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心環(huán)境而設(shè)計(jì)。

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

　　-40°C 至 +85°C，稱為 I 溫度或 IND，用于工業(yè)安裝。

　　典型的光收發(fā)器預(yù)計(jì)在比環(huán)境溫度高約20度的情況下工作。在環(huán)境溫度超過 +50°C 或低于 -20°C 的環(huán)境中，使用 IDN 級收發(fā)器。某些應(yīng)用需要可以“冷啟動(dòng)”的收發(fā)器。在冷啟動(dòng)操作期間，網(wǎng)絡(luò)可以訪問收發(fā)器的I2C和其他低速接口，但在外殼溫度達(dá)到-30°C之前，數(shù)據(jù)流量不會(huì)啟動(dòng)。 為了確?？煽康木W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，監(jiān)控光纖收發(fā)器的工作溫度非常重要。

　　數(shù)字光學(xué)監(jiān)控

　　數(shù)字光監(jiān)控 (DOM)，也稱為數(shù)字診斷監(jiān)控 (DDM)，在 SFF-8472 中定義，SFF-8472 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)控。它包括以下功能：

　　監(jiān)控模塊工作溫度

　　監(jiān)控模塊工作電壓

　　監(jiān)控模塊工作電流

　　監(jiān)控發(fā)射和接收光功率

　　如果參數(shù)超過安全水平，則發(fā)出警報(bào)

　　根據(jù)要求提供模塊工廠信息

　　SFF-8472 指定的 DOM 定義了特定的報(bào)警標(biāo)志或報(bào)警條件。DOM 可幫助網(wǎng)絡(luò)管理員監(jiān)控模塊性能，并確定可能需要在發(fā)生故障之前更換的模塊。

　　高達(dá) 100 G 的光收發(fā)器模塊使用 SFF 8636 定義的基本存儲器映射命令系統(tǒng)，通過 I2C 控制接口進(jìn)行管理。由于包含需要復(fù)雜均衡的 PAM-4 接口，因此更高速模塊的管理更加復(fù)雜。通用管理接口規(guī)范 (CMIS) 旨在替代或補(bǔ)充高速模塊中的 SFF-8472/8636。

　　外形尺寸和調(diào)制方案

　　SFP 收發(fā)器可用于銅纜和光纖網(wǎng)絡(luò)。使用 SFP 模塊，各個(gè)通信端口可以填充不同類型的收發(fā)器。SFP 外形規(guī)格和電氣接口在 MSA 中指定?；镜? SFP 收發(fā)器可支持高達(dá) 4 G 的光纖通道數(shù)據(jù)速率。較新的 SFP+ 規(guī)范支持高達(dá) 10 G，最新的 SFP28 規(guī)范支持高達(dá) 25 G。

　　較大的 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 變體可提供高達(dá) 100 G 的功率，而 QSFP56 則翻倍至 200 G。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”表示每個(gè)通道(或通道)可以支持高達(dá)28 G的數(shù)據(jù)速率;因此，QSFP28 可以支持 4 x 25 G 配置(分線)、2 x 50 G 分線或 1 x 100 G，具體取決于收發(fā)器。由于 QSFP 端口大于 SFP，因此可以使用適配器，從而允許將 SFP 收發(fā)器放置在 QSFP 端口中。

　　最新的變體是QSFP-DD，與常規(guī)QSFP28模塊相比，它的接口數(shù)量增加了一倍。此外，新規(guī)范還支持可提供 50 G 的脈沖幅度調(diào)制 4 (PAM4)，傳輸速度增加了一倍，與 QSFP28 模塊相比，端口速度總體提高了 4 倍。

　　光纖收發(fā)器中使用的傳統(tǒng)不歸零 (NRZ) 調(diào)制在兩個(gè)級別上調(diào)制光的強(qiáng)度。PAM 使用四個(gè)光強(qiáng)度級別在每個(gè)光脈沖周期中編碼兩個(gè)位，而不是一個(gè)，從而在相同帶寬下實(shí)現(xiàn)幾乎兩倍的數(shù)據(jù)(圖 3)。

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

　　適用于大型數(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)者可以轉(zhuǎn)向 SPTSHP3PMCDF 英特爾硅光子學(xué)的 QSFP-DD 光收發(fā)器。該模塊具有 2 km 的傳輸能力，額定工作溫度范圍為 0°C 至 +70°C，并支持 SM 光纖上的 400 G 光鏈路或用于分支應(yīng)用的四個(gè) 100 G 光鏈路(圖 4)。這個(gè)的特點(diǎn) QSFP-DD 收發(fā)器 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：此 QSFP-DD 收發(fā)器的范圍為 2 km。 (圖片來源：英特爾)

　　多模式 SFP+

　　這 富通8538P5BCz II-VI ，SFP+光收發(fā)器集成了DDM功能，設(shè)計(jì)用于MM光纖上的25 G數(shù)據(jù)速率(圖5)。其工作溫度范圍為 0°C 至 +70°C。 其他功能包括：

　　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 電纜傳輸 100 米

　　通過 50/125 μm OM3、M5E MMF 電纜傳輸 70 米

　　1E-12 誤碼率 (BER) 超過 30 米，使用 OM3 電纜，40 米，使用 OM4 電纜

　　1 W 最大功耗

　　圖 5：此 SFP+ 收發(fā)器的額定容量為 25 G，使用 MM 光纖。(圖片來源：高意)

　　防曬單模

　　這 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 從思科使用SM光纖運(yùn)行，支持長達(dá)10公里的傳輸距離。SFP-10G-BXD-I 始終連接到 SFP-10G-BXU-I。SFP-10G-BXD-I 發(fā)射 1330 nm 通道并接收 1270 nm 信號，SFP-10G-BXU-I 以 1270 nm 波長傳輸并接收 1330 nm 信號。這些收發(fā)器還包括實(shí)時(shí)監(jiān)控性能的 DOM 功能。

　　用于測試的環(huán)回

　　網(wǎng)絡(luò)和測試工程師和技術(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(luò)設(shè)備的傳輸能力和接收器靈敏度。ColorChip 提供了一個(gè)環(huán)回模塊，支持在 -40°C 至 +85°C 下循環(huán) 2000 次的高使用場景(圖 6)。該環(huán)回模塊包括軟件定義的多重功耗，用于模擬光模塊功率和嵌入式插入損耗特性，模擬 200/400 G 以太網(wǎng)、無限頻帶和光纖通道的實(shí)際布線。內(nèi)置浪涌電流保護(hù)可降低損壞被測設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。此環(huán)回模塊的用途包括端口測試、現(xiàn)場部署測試和設(shè)備故障排除。

　　圖 6：此環(huán)回模塊設(shè)計(jì)用于測試光收發(fā)器性能。(圖片來源：數(shù)碼鑰匙)

　　800 G QSFP 開發(fā)套件

　　對于準(zhǔn)備下一代 800 G 收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)工程師，Multilane 提供 ML4062-微型斷路器 它為編程和測試 QSFP-DD800 收發(fā)器和有源光纜提供了一個(gè)高效且易于使用的平臺(圖 7)。GUI 支持 QSFP-DD MSA 定義的所有功能，并簡化了配置過程。它可用于模擬 QSFP-DD 收發(fā)器模塊測試、表征和制造的實(shí)際環(huán)境，并符合 OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 和 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 規(guī)范。

　　圖 7：此開發(fā)平臺設(shè)計(jì)用于下一代 800 G 收發(fā)器。(圖片來源：數(shù)碼鑰匙)

　　總結(jié)

　　光纖收發(fā)器支持?jǐn)?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)工程師對高速、緊湊和低功耗解決方案的需求。這些收發(fā)器提供各種格式和三種標(biāo)準(zhǔn)工作溫度范圍，采用 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)平臺可用于探索 800 G 收發(fā)器的功能，并為下一代基于光纖的網(wǎng)絡(luò)鋪平道路。