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(kuò)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(jìn)步以及隨后的IEEE光纖以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷跟上。多模和單模光纖應(yīng)用現(xiàn)已達(dá)到400Gb/s，800Gb/s以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在開發(fā)中，未來1.6 和3.2Tb/s的應(yīng)用也不遠(yuǎn)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(jì)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(jì)上是不合理的。同時，超過40Gb/s的高性價(jià)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(jì)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(yàn)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(yùn)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(kuò)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(kuò)展距離 (ER)，使用高功率邊緣發(fā)射激光二極管，在更遠(yuǎn)的距離上提供更多的帶寬，其中LR應(yīng)用支持長達(dá)10公里的 距離，ER支持長達(dá)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?jǐn)?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(diǎn)是使用MPO連接在8芯光纖上實(shí)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(shí)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(jì)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(jià)格，基于平均列表價(jià)格

  由于相對于傳統(tǒng)遠(yuǎn)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(jì)將在企業(yè)數(shù)據(jù)中心中迅速普及，因?yàn)樗鼈儗⒐歉山粨Q機(jī)到交換機(jī)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(jī)端口可分支為四個50G的連接，或一個 400G的交換機(jī)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(jī)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(jī)到交換機(jī)主干鏈路以及50、100和200Gb/s水平交換機(jī)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(jìn)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(diǎn)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(zhǔn)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(yuǎn)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(zhǔn)機(jī)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(jì)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(jìn)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(dá)到 18dB，但長期以來，企業(yè)數(shù)據(jù)中心一直受到更為嚴(yán)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(fù)數(shù)。請注意，雖然IEEE 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了反射率，但像ANSI/TIA-568-3.D這樣的布線標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(yùn)營商FTTX和無源光網(wǎng)絡(luò)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(zhǔn)，單模UPC連接器的顏色是藍(lán)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(jìn)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(jì)者需要考慮更嚴(yán)格的插入損耗要求，并仔細(xì)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?fù)浣Y(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(xì)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(zhǔn)對單模光纖更嚴(yán)格的原因。例如，多模光纖芯的清潔度標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)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(jì)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(jì)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(jì)者通過疊加信道中所有光纖組件的插入損耗值來計(jì)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(jì)者帶來一些困擾，即在計(jì)算插入損耗預(yù)算時應(yīng)使用哪個值。

  在計(jì)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(yùn)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(shí)指示, 設(shè)計(jì)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(jì)者應(yīng)該意識到，標(biāo)準(zhǔn)損耗連接可能無法支持短距離單模應(yīng)用的更嚴(yán)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(jì)者還需要仔細(xì)考慮支持其首選數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)所需的連接點(diǎn)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(jī)到交換機(jī)的鏈路內(nèi)實(shí)施交叉連接，就會給一個雙連接的信道增加額外的連接點(diǎn)，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(shí)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?yàn)檫@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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)靈活性、可管理性、可擴(kuò)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(jī)端口，以提供“任意到所有”的靈活配置，其中任意交換機(jī)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(jī)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(jī)端口，提供一個“任意

到所有”的設(shè)計(jì)，任意交換機(jī)端口可以通過光跳線連接到任何其它交換機(jī)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(shí)現(xiàn)的“任意對所有”配置，以提供以下效益:

  更靈活的設(shè)計(jì) — 交叉連接實(shí)現(xiàn)了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，支持創(chuàng)建獨(dú)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(jī)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(jī)的任何端口。這允許脊交換機(jī)端口每次可以連接到任何葉交換機(jī)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(kuò)展 — 新的葉交換機(jī)可以很容易地在交叉連接處連接到空置的脊交換機(jī)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(jī)可以保持安全和不受影響，這對于擁有多個獨(dú)立的交換機(jī)和服務(wù)器團(tuán)隊(duì)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(jī)。

  第三方驗(yàn)證的價(jià)值

  第三方驗(yàn)證可以證明，此組件已經(jīng)由一個獨(dú)立認(rèn)可的第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證，符合特定的安全、質(zhì)量或性能標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)產(chǎn)品通過第三方驗(yàn)證時，認(rèn)證機(jī)構(gòu)通常在其認(rèn)可的測試實(shí)驗(yàn)室根據(jù)公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對組件進(jìn)行隨機(jī)測試。長期以來，這些驗(yàn)證在培養(yǎng)消費(fèi)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(yùn)營商更放心，他們部署的組件將真正符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足供應(yīng)商的規(guī)范，并確保達(dá)到他們所要求的性能。

  為了驗(yàn)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(jìn)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(yàn)、產(chǎn)品測試和認(rèn)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(jìn)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?；夭〒p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(jìn)行了測試，以證明超低損耗組件與標(biāo)準(zhǔn)損耗組件相比的價(jià)值。在DR4 信道中，使用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(yùn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yuǎn)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(yán)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(kuò)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(yùn)營商應(yīng)該考慮第三方測試驗(yàn)證的價(jià)值。

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