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SWDM技术与宽带多模光纤应用于下一代数据中心建设

[来源:纤亿通]  [日期:2019-01-25]  [点击数:418] 
近年来,全球流量爆炸性增长。2021年全球流量年度总量将达到20.6ZB,2016年年度流量总量为6.8ZB。2016-2021年,全球流量的年度复合增长率为25%。同时,思科预计,超大规模数据中心将从2016年的338座增长至2021年的628座。届时,超大规模将会占据数据中心市场53%的市场份额。到2021年,超大规模数据中心内的流量将会增长四倍。目前,超大规模数据中心占据39%的数据流量,2021年将增至55%。因此,数据中心对带宽的要求越来越高,下一代数据中心的建设需要成本更低、带宽更宽的传输介质

一、背景

近年来,全球流量爆炸性增长。2021年全球流量年度总量将达到20.6ZB,2016年年度流量总量为6.8ZB。2016-2021年,全球流量的年度复合增长率为25%。同时,思科预计,超大规模数据中心将从2016年的338座增长至2021年的628座。届时,超大规模将会占据数据中心市场53%的市场份额。到2021年,超大规模数据中心内的流量将会增长四倍。目前,超大规模数据中心占据39%的数据流量,2021年将增至55%。因此,数据中心对带宽的要求越来越高,下一代数据中心的建设需要成本更低、带宽更宽的传输介质。在短距离应用中,垂直腔面发射激光(VCSEL)光源的成本优势,使得多模光纤依然是数据中心首选的性价比较高的布线介质。


1. 全球数据中心IP流量增长和数据中心增长

与此同时,IEEE目前正在开发100Gbps 200Gbps以太网标准,主要应用于数据中心网络主干;400G主要用于运营商中心机房,400G以太网的标准预计于2017年颁布。支持850nm-950nm短波波分复用(Shortwave wavelength division multiplexingSWDM)技术的宽带多模光纤(Wide band multimode fiberWBMMF)是实现数据中心100G网络传输的优质解决方案,同时也能为未来可能出现的更高速200G乃至400G以太网提供余量空间。

2 以太网路线图

二、SWDM技术与SWDM联盟

2.1 SWDM技术

短波波分复用,就是借鉴单模光纤的波分复用(WDM)技术,扩展传输时所用的波长范围,从传统的多模光纤所用的850nm扩展至850nm-950nm,利用性价比高的短波的垂直腔面发射激光(VCSEL)光源和优化的宽带多模光纤(WBMMF),在一根多模光纤上支持四个波长传输数据,把需要的光纤芯数降低为原来的1/4,同时提高光纤的有效模式带宽(Effective Modal BandwidthEMB),延长传输距离。

3. 短波波分复用

当波长大于850 nm时,多模光纤的色散带宽增加,传输距离提高。SWDM技术采用的工作波长从850 nm开始,每隔30 nm增加一个波长,即:880nm 910nm940nm,因而宽带多模光纤工作波长位于850nm-950nm范围内。在短波波分复用模块中,4VCSEL产生4个不同波长的光信号,复用到单条链路上,所有的VCSEL和光耦合在光模块中进行。在模块的接收端,信号被解复用,并转化为平行的电信号。采用并行的两根光纤,即可完成一发一收的数据传输。

2.2 SWDM联盟

作为一种能够大大提升多模光纤传输容量并增加传输距离的新技术,SWDM对于数据中心建设以及相关光纤、器件和设备厂家的意义不言而明。在2015年,包括康普、康宁、戴尔、FinisarH3C华三、华为、JuniperLumentumOFS在内的九家公司成立了SWDM联盟,此后不少国内外厂家加入该联盟。目前,在该联盟成员包括长飞、康宁、OFSPrysmian、康普等光纤和布线厂家,还包括戴尔、华为、华三、Juniper等设备厂家和FinisarLumentum等模块厂商。

该联盟致力于促进SWDM技术的发展和推广,促进SWDM光模块在WBMMF宽带多模光纤的使用。SWDM联盟表示他们将首先着重与40Gbps4*10Gbs100Gbps4*25Gbps的应用需求,并将在今后进一步拓展到400Gbps应用。该联盟表示,他们不会参与标准制定,也没有计划成立光模块MSA。该组织也将避免市场分割、定价和竞争等问题。

三、 宽带多模光纤

OM3光纤的有效模式带宽(EMB)2000MHz*KmOM4光纤的有效模式带宽达到4700MHz*Km,随着100G200G400G以太网的提出,传统的多模光纤在芯数和距离上成为阻碍未来以太网络发展的瓶颈。宽带多模光纤的出现打破了传统多模光纤的技术瓶颈,是实现SWDM技术的关键所在。宽带多模光纤支持850nm-950nm,能够在一根多模光纤上传输4个波长,提高传输速率,降低光纤芯数,延长传输距离。同时宽带多模光纤可以与传统的OM3OM4多模光纤兼容,在传统应用方面与OM4有同样优秀的表现。

宽带多模光纤在TIA标准中称为OM5,在IEC标准中叫做A1a.4IEC正式标准预计今年下半年发布。2016年发布的TIA-492AAAE-2016标准中,与OM4多模光纤相比,OM5光纤增加了953nm的满注入带宽(OMB)和有效模式带宽(EMB)要求。满注入带宽的光源为LED,有效模式带宽的光源为VCSEL。单位为MHz*km,即带宽和距离的乘积,可以简单地理解为信号传输速率小则传得远,而传输速率大传得近。

相对于OM4而言,OM5光纤在长波长范围内的带宽要求更高,以满足SWDM技术的需要。长飞生产的OM5光纤具体参数如图所示。对比TIA标准和OM4光纤的特征曲线,OM5光纤的有效模式带宽远高于标准。


5  OM5标准(TIA)OM4OM5光纤的有效模式带宽

四、SWDM MSA

SWDM多源协议(Multisource AgreementMSA)是致力于定义SWDM光收发机的光学参数并促进其应用的产业联盟。其成员包括以下六个公司。

6. SWDM MSA

4.1 传输速率

今年三月,100G 短波波分复用多源协议(SWDM MSA)组首次发布了40G 100G的两个SWDM标准。MSA定义了用于以太网的100Gbit/s的光收发机的4 x 10 Gbps4 x 25 GbpsSWDM光接口。对于40G,两个收发机间的多模光纤长度范围为2m440m,单方向上的每个通道的信号速率为10.3125 Gbps。在100G标准中,为了保证系统的可靠性,需要增加前向纠错模块。两个收发机间的多模光纤长度范围为2m150m。单方向上的每个通道的信号速率为25.78125 Gbps

4.2传输距离:

OM3OM4OM5多模光纤而言,在40G的工作范围最小为2m,最大传输距离分别为240m350m440m。在100G的工作范围最小是2mOM3OM4OM5多模光纤的最大传输距离分别为75m100m150m

4.3 光模块框图

SWDM4模块包括以下几个部分:四个不同波长的光发射机,四个带有信号探测器的光接收机,波分复用器和解复用器,多模光纤双工光连接器。如图所示的是100G的光模块框图:

图7 100G光模块框图

4.4链路指标

40G短波(850~940nm)波分复用多源协议中链路指标为:

3  40G SWDM4链路指标




SWDM MSA小组发布的标准相对于TIA针对多模光纤的标准略有不同,40G SWDM4的有效模式带宽要求:


9. 100G SWDM4OM3OM4OM5的有效模式带宽要求

五、总结

短波波分复用技术(SWDM)和宽带多模光纤(WBMMF)具有更高的传输速率,更长的传输距离,更少的光纤芯数,以及较低的布线成本。对于下一代数据中心建设,SWDMWBMMF仍然是数据中心40/100以太网的主流传输介质。进一步将短波波分复用和并行传输技术相结合,只需要8芯宽带多模光纤,就能够支持更高速的应用,比如200/400G以太网。





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