西蒙發(fā)布技術(shù)白皮書：采用超低損耗(ULL)部件來優(yōu)化短距離單模部署

  數(shù)據(jù)中心內(nèi)單模的增長

  隨著全球數(shù)字化的不斷擴展，作為每個組織的關(guān)鍵業(yè)務(wù)核心的數(shù)據(jù)中心對帶寬的要求越來越高。為了滿足這一需求，信號、收發(fā)器和光通信技術(shù)的進步以及隨后的IEEE光纖以太網(wǎng)標(biāo)準也在不斷跟上。多模和單模光纖應(yīng)用現(xiàn)已達到400Gb/s，800Gb/s以太網(wǎng)的標(biāo)準已經(jīng)在開發(fā)中，未來1.6 和3.2Tb/s的應(yīng)用也不遠了。

  由于單模光纖總體上具有更大的帶寬潛力和傳輸距離，它已迅速成為當(dāng)今超大規(guī)模和云計算數(shù)據(jù)中心高速應(yīng)用的首選介質(zhì)類型。這也大大增加了光纖的采購量，并有助于降低單模收發(fā)器的成本。然而，對于大多數(shù)鏈路長度較短的企業(yè)數(shù)據(jù)中心來說，在10公里或更長距離的單模部署中所使用的高功率激光器成本較高，在經(jīng)濟上是不合理的。同時，超過40Gb/s的高性價比多模應(yīng)用被限制在100米/OM4和70米/OM3的距離內(nèi)，這對數(shù)據(jù)中心設(shè)計者來說是一個挑戰(zhàn)。

  現(xiàn)在，通過支持100、200和400Gb/s速率到500米和2000米距離的短距離單模應(yīng)用，以更優(yōu)成本效益的方式支持超過100 米的高速應(yīng)用是可行的。然而，與長距離單模應(yīng)用相比，這些新應(yīng)用的插入損耗預(yù)算也大為減少，但有一些回波損耗的考慮。值得慶幸的是，就像對待多模應(yīng)用一樣，經(jīng)過驗證的超低損耗 (ULL) 高性能布線系統(tǒng)保證更高的性能余量，讓數(shù)據(jù)中心業(yè)主和運營商有信心地可靠支持短距離單模應(yīng)用，同時保證多個連接的靈活性、管理性、可擴展性和部署速度。

  什么是短距離單模?

  長距離的單模光纖應(yīng)用，如長距離 (LR) 和擴展距離 (ER)，使用高功率邊緣發(fā)射激光二極管，在更遠的距離上提供更多的帶寬，其中LR應(yīng)用支持長達10公里的 距離，ER支持長達40公里的距離。由于這些激光器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長距離單模收發(fā)器的成本明顯高于使用更簡單的垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL) 的多模收發(fā)器。

  隨著對成本敏感的企業(yè)數(shù)據(jù)中心包含更短的鏈路長度，多模光纖在過去幾十年中成為首選介質(zhì)。然而，隨著傳輸速率的提高，多模光纖支持的距離正在減少。例如，10Gb/s的10GBASE-SR 雙工應(yīng)用可以通過OM4 多模光纖支持到400米 (西蒙的XGLO系統(tǒng)可以支持到550米) 。對于40Gb/s的40GBASE-SR4并行光學(xué)應(yīng)用，使用多芯光纖連接器 (MPO) 的多根光纖，在OM4多模上支持的距離下降到只有150米。對于100Gb/s及以上多模應(yīng)用，OM4的距離被限制在100米。

  為了支持數(shù)據(jù)中心高速鏈路的更長距離，開發(fā)了規(guī)格寬松的節(jié)電單模激光器，用于短距離數(shù)據(jù)中心的部署。由于功率和相關(guān)的能源消耗及發(fā)熱較少，這些收發(fā)器比長距離單模激光器的成本要低。早期的短距離單模應(yīng)用方案采用的是基于每通道25Gb/s的非歸零 (NRZ) 信號傳輸技術(shù)。在2014年，CWDM4多源協(xié)議 (MSA) 發(fā)布了一個100Gb/s的波分復(fù)用 (CWDM) 應(yīng)用。 被稱為100GBASECWDM4的該應(yīng)用，在雙工單模光纖上復(fù)用了四個25Gb/s 的通道。同一年，100G PSM4 MSA也定義了一個100Gb/s并行單模四通道 (PSM4) 應(yīng)用，其特點是使用MPO連接在8芯光纖上實現(xiàn)四個25Gb/s通道。

  隨著四級脈沖振幅調(diào)制 (PAM4) 信號傳輸技術(shù)的發(fā)展，它提供了兩倍于以前 NRZ信號傳輸技術(shù)的比特率，以實現(xiàn)每通道50和100Gb/s，IEEE引入了DR (data center reach) 和FR (fiber reach) 單模應(yīng)用，其距離分別為500米和2000米。PAM4 信號傳輸技術(shù)為具有成本效益的雙工100Gb/s 和四通道 200和400Gb/s短距離單模應(yīng)用鋪平了道路。表1顯示了短距離單模應(yīng)用的各種選擇。

表 1：短距離單模光纖應(yīng)用

  PAM4的推出，加上超大規(guī)模和云計算數(shù)據(jù)中心的單模采購量增加，推動了單模光纖系統(tǒng)的成本下降。平均而言，一個短距離的100GBASE-DR系統(tǒng)現(xiàn)在比CWDM4系統(tǒng)的成本低 80%， 比PSM4系統(tǒng)低10%左右。

  如圖1所示，100GBASE-DR單模系統(tǒng)的成本現(xiàn)在也與100Gb/s多模應(yīng)用持平或更低，包括100GBASE-SR4并行多模光纖應(yīng)用和100Gb/s雙向 (BiDi) 多模應(yīng)用。

圖 1：100G信道價格，基于平均列表價格

  由于相對于傳統(tǒng)遠距離單模應(yīng)用的成本節(jié)約，短距離DR和FR單模應(yīng)用預(yù)計將在企業(yè)數(shù)據(jù)中心中迅速普及，因為它們將骨干交換機到交換機的主干鏈路遷移到100、200和400Gb/s的速率。它們還支持具有成本效益的分支配置，在這種配置中，一個 200G的交換機端口可分支為四個50G的連接，或一個 400G的交換機端口可分支為四個100G的連接，優(yōu)化了端口利用率和交換機密度，從而降低了成本。

  DR和FR應(yīng)用對于正在向400和800Gb/s交換機到交換機主干鏈路以及50、100和200Gb/s水平交換機到服務(wù)器鏈路遷移的云和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來說也是很好的定位。IEEE 802.3df的400G/800G/1.6T 工作組已將DR和FR應(yīng)用作為800Gb/s和1.6Tb/s應(yīng)用的物理層目標(biāo)的一部分，這將進一步推動這些應(yīng)用在云和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)的采用。

  新的插入損耗和反射率要求

  以分貝 (dB) 為單位，插入損耗是指信號在沿線路傳輸時損失 (即衰減) 的功率，它受到線纜長度和連接點的影響。插入損耗還可能受到現(xiàn)場安裝變化的影響，如超過線纜的彎曲半徑要求、光纖連接器端面未對準或污染，以及收發(fā)器的老化。插入損耗是光纖應(yīng)用的主要性能參數(shù)-如果它太高，信號就不能被遠端的收發(fā)器正確接納。

  最大信道插入損耗由收發(fā)器制造商和支持所有光纖應(yīng)用的標(biāo)準機構(gòu)確定。作為現(xiàn)場安裝完成后的一級和二級光纖測試的要求，插入損耗是用功率計或光損耗測試裝置來測量的，它將信道一端注入的功率和另一端接收的功率進行比較。

  雖然長距離單模LR和ER光纖應(yīng)用提供了充足的插入損耗預(yù)算，可以達到 18dB，但長期以來，企業(yè)數(shù)據(jù)中心一直受到更為嚴格的僅1.9dB的高速40Gb/s及以上的多模光纖應(yīng)用插入損耗預(yù)算的挑戰(zhàn)。較低的高速多模光纖系統(tǒng)最大插入損耗要求是推動低損耗和超低損耗多模連接產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵因素。

  如表2所示，與長距離單模應(yīng)用相比，較新的短距離DR和FR單模應(yīng)用的寬松規(guī)格也受到插入損耗預(yù)算大幅降低的影響。然而，在3至5dB的水平下，短距離單模最大信道插入損耗的要求仍比多模應(yīng)用的限制要來得少。

  光纖系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵性能參數(shù)是反射率，即連接器所反射的光量與注入光量的比。反射率是由光纖中的雜質(zhì)和不同折射率的介質(zhì)間變化所引起的，如玻璃和空氣，它發(fā)生在耦合、開放和受污染的連接器上。與插入損耗一樣，反射率也是以分貝為單位測量的，但它表示為一個負數(shù)。請注意，雖然IEEE 應(yīng)用標(biāo)準規(guī)定了反射率，但像ANSI/TIA-568-3.D這樣的布線標(biāo)準提的是回波損耗，它表示為一個正數(shù)。回波損耗是反射率的簡單倒數(shù)，定義為注入的光量與反射回來的光量的比較。要記住的一個簡單原則是，反射率或回波損耗值離零越遠越好。

  單模收發(fā)器更容易受到反射的影響，特別是在1500納米 (nm) 以上的波長。這就是為什么單模應(yīng)用通常使用斜角物理接觸 (APC) 連接器，并且成為電信運營商FTTX和無源光網(wǎng)絡(luò)的事實標(biāo)準，這些網(wǎng)絡(luò)在單模光纖上通過更高的波長發(fā)送視頻。與具有圓形光纖端面的超物理接觸 (UPC) 連接器不同，APC連接器端面是以8度角進行研磨的。傾斜的表面使大部分反射的光信號偏轉(zhuǎn)到圍繞著光纖纖芯的光纖包層中，減少反射到收發(fā)器的光量。如圖2所示，UPC 連接器的反射值通常為-50dB左右，而APC連接器的反射值為-65dB左右。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準，單模UPC連接器的顏色是藍色，而APC連接器是綠色的。

表 3：由于高速短距離單模光纖收發(fā)器更容易收到反射的影響， IEEE根據(jù)信道內(nèi)的耦合對數(shù)為DR和FR應(yīng)用定義了反射率指標(biāo)。

  高速短距離單模收發(fā)器甚至更容易受到反射率的影響。這導(dǎo)致IEEE根據(jù)信道中耦合對的數(shù)量來定義DR和FR應(yīng)用的反射值。如表3所示，如果400GBASE-DR4應(yīng)用中耦合連接器的反射率為-45dB，則信道中只能包括四個連接器對。如果改進后的反射率為-49dB，則可以包括10個連接器對。如果不能滿足DR和FR應(yīng)用的離散反射率要求，則需要降低最大信道插入損耗。

  超低損耗連接件的優(yōu)勢

  雖然較新的短距離單模應(yīng)用是一個非常具有成本效益的高速數(shù)據(jù)中心光纖鏈路的選擇，但數(shù)據(jù)中心設(shè)計者需要考慮更嚴格的插入損耗要求，并仔細審查光纖組件的損耗值，包括圖3所示常見數(shù)據(jù)中心配置中使用的跳線、預(yù)端接光纜、模塊和適配器。

圖 3：常見數(shù)據(jù)中心拓撲結(jié)構(gòu)

  單模光纖清潔考慮

  光纖端面的清潔度對插入損耗和反射性能都有影響，由于單模光纖的纖芯尺寸較小，因此端面清潔對于單模光纖來說比多模光纖更為關(guān)鍵。單模光纖端面的一粒細小灰塵會阻擋更多的光信號，甚至?xí)钃跛械墓庑盘?，如本圖所示。這正是IEC 61300-3-35光纖連接器目測檢查標(biāo)準對單模光纖更嚴格的原因。例如，多模光纖芯的清潔度標(biāo)準，對尺寸等于或小于3微米 (μm) 的劃痕數(shù)量，及不超過四個的小于或等于5μm的缺陷數(shù)量沒有限制。相比之下，根據(jù)IEC 61300-3-35標(biāo)準單模光纖芯不能包含任何劃痕或缺陷。因此，適當(dāng)?shù)那鍧嵑蜋z查在任何單模光纖部署中都是至關(guān)重要的。即使是單模 APC 連接器也需要一個有角度的檢查鏡頭來進行適當(dāng)?shù)臋z查。

  值得注意的是，插入損耗值因供應(yīng)商而異，許多供應(yīng)商提供標(biāo)準損耗、低損耗和超低損耗的多種系列產(chǎn)品。表4顯示了四個不同供應(yīng)商的常用單模光纖組件的不同插入損耗值。由于差異性，數(shù)據(jù)中心設(shè)計者需要為每個組件指定所需的值，或指定他們明確知道會符合這些值的供應(yīng)商。他們還需要確保在他們的插入損耗預(yù)算計算中使用最大的損耗值，而不是不受保證的典型損耗值（見底欄）。

表 4：不同供應(yīng)商的損耗值差異很大

  插入損耗的典型值和最大值

  數(shù)據(jù)中心設(shè)計者通過疊加信道中所有光纖組件的插入損耗值來計算他們的插入損耗預(yù)算，包括給定長度的光纜損耗和信道內(nèi)任何光纜組件、光跳線、光連接器和接頭的損耗。這些插入損耗值是由元件供應(yīng)商公布的，作為其產(chǎn)品規(guī)格的一部分。然而，一些供應(yīng)商同時公布典型值和最大值，而其它供應(yīng)商可能只公布典型值或只公布最大值。這可能會給設(shè)計者帶來一些困擾，即在計算插入損耗預(yù)算時應(yīng)使用哪個值。

  在計算插入損耗預(yù)算時，只應(yīng)使用最大插入損耗值。這可以確保有足夠的余量讓光學(xué)器件正常運行，并應(yīng)對各種現(xiàn)場變量, 如安裝不良的光纜、污損的端面、纖芯錯位、老化的發(fā)射器和其他因素等。相比之下，典型的插入損耗值主要是出于營銷目的，從基于典型端接和研磨技術(shù)的產(chǎn)品測試中位數(shù)產(chǎn)生。由于典型的損耗值是不保證的，而且可能不是性能的真實指示, 設(shè)計者應(yīng)考慮避免使用那些只公布典型損耗值的供應(yīng)商的組件。

  設(shè)計者應(yīng)該意識到，標(biāo)準損耗連接可能無法支持短距離單模應(yīng)用的更嚴格的插入損耗要求。由于信道中的每個連接都會增加插入損耗，設(shè)計者還需要仔細考慮支持其首選數(shù)據(jù)中心設(shè)計所需的連接點數(shù)量和損耗值，并提供額外的余量以應(yīng)對各種變量，如安裝不良的布線、污損的端面、纖芯錯位、老化的發(fā)射器和其他因素等。例如，在交換機到交換機的鏈路內(nèi)實施交叉連接，就會給一個雙連接的信道增加額外的連接點，從而形成一個四連接的信道。

  即使是低損耗的連接也會妨礙實施交叉連接和/或提供足夠的余量。支持一個信道中便于跳接的交叉連接所需的連接數(shù)量，同時也提供額外的余量，只有使用超低損耗連接部件才能得到保證。在雙工應(yīng)用和分支中常用的MPO-LC 轉(zhuǎn)換模塊或分支組件中尤其如此，因為這些模塊/組件包括MPO連接器和 LC 連接器的損耗。在表5中，很明顯，ULL連接很容易支持滿足便于跳接的交叉連接所需的四個連接，并有足夠的余量來確保短距離單模DR和FR應(yīng)用的性能和可靠性。

表 5：短距離單模DR和FR信道中標(biāo)準損耗、低損耗和超低損耗MPO-轉(zhuǎn)-LC模塊和MPO適配器的數(shù)量，基于常見最大損耗值。

  部署交叉連接并確保足夠的余量對于數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)靈活性、可管理性、可擴展性，提高部署速度和可靠性至關(guān)重要。在交叉連接配置中，光纖配線架復(fù)制了交換機端口，以提供“任意到所有”的靈活配置，其中任意交換機端口都可以通過交叉連接處的光纖跳線連接到任何其它交換機端口，如圖4所示，用于400GBASE-DR4脊-葉架構(gòu)部署。

圖 4: 400GBASE-DR4信道的交叉連接配置，光配架復(fù)制了交換機端口，提供一個“任意

到所有”的設(shè)計，任意交換機端口可以通過光跳線連接到任何其它交換機的端口。

  長期以來，數(shù)據(jù)中心一直依賴于通過交叉連接實現(xiàn)的“任意對所有”配置，以提供以下效益:

  更靈活的設(shè)計 — 交叉連接實現(xiàn)了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，支持創(chuàng)建獨立的功能區(qū)/服務(wù)器集群。

  更?便的管理和移增改 — 任何交換機端口都可以使用交叉連接處的光纖跳線連接到其他交換機的任何端口。這允許脊交換機端口每次可以連接到任何葉交換機端口，以最大限度地提高端口分配效率，減少閑置的活動端口。

  更快的部署和擴展 — 新的葉交換機可以很容易地在交叉連接處連接到空置的脊交換機端口。

  減少潛在的故障可能 — 高密度的連接在交叉連接處很容易管理，避免日后出現(xiàn)可能導(dǎo)致故 障的“意大利面條”式布線場景。

  提升安全 — 在交叉連接中，關(guān)鍵的交換機可以保持安全和不受影響，這對于擁有多個獨立的交換機和服務(wù)器團隊的數(shù)據(jù)中心，以及對于需要建立安全的電信匯接間 (MMR) 的托管數(shù)據(jù)中心特別理想。

  改善通信流量 — 在虛擬化和軟件定義的網(wǎng)絡(luò) (SDN) 環(huán)境中，資源往往分布在多個服務(wù)器上，交叉連接能夠輕松地將分散的資源連接到同一個交換機。

  第三方驗證的價值

  第三方驗證可以證明，此組件已經(jīng)由一個獨立認可的第三方機構(gòu)認證，符合特定的安全、質(zhì)量或性能標(biāo)準。當(dāng)產(chǎn)品通過第三方驗證時，認證機構(gòu)通常在其認可的測試實驗室根據(jù)公認的行業(yè)標(biāo)準對組件進行隨機測試。長期以來，這些驗證在培養(yǎng)消費者對整個信息通信行業(yè)的信心方面發(fā)揮了重要作用，并使數(shù)據(jù)中心業(yè)主和運營商更放心，他們部署的組件將真正符合行業(yè)標(biāo)準，滿足供應(yīng)商的規(guī)范，并確保達到他們所要求的性能。

  為了驗證超低損耗單模連接件的最大插入損耗指標(biāo)和回波損耗性能，我們委托Intertek來進行第三方測試，該公司是一家在信息通信技術(shù)行業(yè)內(nèi)值得信賴的著名檢驗、產(chǎn)品測試和認證公司。

  如圖5所示，所采用的測試模型在500米的400GBASE-DR4應(yīng)用中使用了8個 MPO耦合器，在2000米的400GBASE-FR4應(yīng)用中使用了5個MPO-轉(zhuǎn)-LC模塊和1個MPO耦合器。請注意，雖然有這么多連接的信道并不常見，但進行測試是為了模擬一種最壞的情況。測試結(jié)果清楚地表明，超低損、高性能的連接為兩種應(yīng)用都提供了顯著的插入損耗和回波損耗余量。請記住，插入損耗值越低，性能就越好。回波損耗值越高，性能就越好。

圖 5：400GBASE-DR4和400GBASE-FR4應(yīng)用的超低損耗高性能單模連接系統(tǒng)的第三方測試結(jié)果

  如圖6所示，我們還在400GBASE-DR4和400GBASE-FR4應(yīng)用的交叉連接場景下進行了測試，以證明超低損耗組件與標(biāo)準損耗組件相比的價值。在DR4 信道中，使用標(biāo)準損耗組件的布線系統(tǒng)提供了一個非常小的余量?？紤]到安裝變量，標(biāo)準損耗系統(tǒng)有可能最終超過DR4信道的最大插入損耗允許值 3.0dB，使系統(tǒng)完全無法運行。在使用較高損耗的MPO-轉(zhuǎn)-LC模塊的FR4信道中，使用標(biāo)準損耗組件超過了最大信道插入損耗允許值4.0dB，因此無法支持使用方便的交叉連接。

圖 6: 用于400GBASE-DR4和400GBASE-FR4交叉連接短距離單模應(yīng)用的超低損耗和標(biāo)準損耗連接組件比較。

  總  結(jié)

  超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和云數(shù)據(jù)中心使用單模光纖為新興應(yīng)用提供更高的100、200和400Gb/s速率支持，同時超越多模光纖所支持的100米距離的趨勢，正在被企業(yè)數(shù)據(jù)中心采納。較新的短距離單模應(yīng)用是一個更具成本效益的解決方案，可以將這些速度支持至更遠的距離，DR應(yīng)用支持到500米，F(xiàn)R應(yīng)用支持到2000米。然而，隨著更嚴格的最大信道插入損耗要求和對優(yōu)異的回波損耗性能的需求，數(shù)據(jù)中心需要密切關(guān)注供應(yīng)商的插入損耗和回波損耗規(guī)范。

  為了使數(shù)據(jù)中心管理者們喜愛的交叉連接配置所能帶來的靈活性、可管理性、可擴展性、部署速度和可靠性得到保障，同時確保有足夠的余量來適應(yīng)安裝變量，新的短距離單模應(yīng)用需要超低損耗連接組件。換句話說，在為這些具有成本效益的應(yīng)用選擇組件時，插入損耗很重要。而為了完全放心，數(shù)據(jù)中心業(yè)主和運營商應(yīng)該考慮第三方測試驗證的價值。

  作者：Gary Bernstein 西蒙公司全球數(shù)據(jù)中心解決方案專家