作者：Jeff Shepard

　　對高速、低功耗和強大的光纖互連的需求正在增長，以支持云和其他數據中心對可靠和低延遲通信的需求。可以優化光纖收發器，以滿足特定數據中心對傳輸速度達到 400 千兆位/秒 (G) 的需求。光纖數據中心通信的重要模塊標準包括小型可插拔 (SPF)、SPF+ 和四通道小型可插拔 (QSFP)。SPF、SPF+ 和 QSPF 之間的區別之一是額定傳輸速度。不過，這只是選擇收發器時要考慮的一個因素;必須權衡功耗和熱管理、所需的傳輸距離、工作溫度范圍、集成診斷和其他因素。另外 網絡工程師需要一種有效的方法來測試光收發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器時的重要考慮因素，比較了 SPF、SPF+、QSFP 和 QSFP-DD(雙密度)提供的硬件接口選項，并介紹了 英特爾硅光子學, 高六， 和思科系統。最后，它介紹了光纖設備測試，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 收發器。

　　單模與多模

　　用于數據通信的光纖由包裹在玻璃包層中的玻璃芯組成，每個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，模態色散和模態噪聲限制了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。數據的光傳輸是通過對通信的每個方向使用不同的波長來實現的。例如，一組光收發器使用 1330 nm 和 1270 nm 波長的組合。其中一個收發器發送 1330 nm 信號并接收 1270 nm 信號，而另一個收發器發送 1270 nm 信號并接收 1330 信號(圖 2)。

　　圖 2：光收發器使用不同的波長來發送和接收數據。(圖片來源：思科)

　　功率和散熱

　　數據中心運營商對電力和熱成本非常敏感。雖然用于數據通信布線的非屏蔽雙絞線 (UTP) 價格低廉，但 UTP 收發器可能消耗約 5 W 的功率，而光纖收發器所需的功率為 1 W 或更低。

　　UTP收發器產生的額外熱量必須從數據中心中去除，從而使整體能源成本增加一倍，達到近十倍。除了非常短的運行時間和低數據速率外，與UTP解決方案相比，光纖收發器在總生命周期運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，無法放入高密度數據中心地板下安裝的某些電纜橋架中。此外，對于以 10 G 傳輸的 Cat 6A 電纜，UTP 電纜之間的串擾可能難以管理。MM光纖使用成本較低的收發器，但當并行光學器件用于40或100 G傳輸時，布線成本更高。隨著數據速率的不斷提高，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

　　數據中心位于各種環境中，從專用設施到辦公室、倉庫和工廠的機柜。光纖收發器有三種標準溫度范圍，以滿足特定環境的需求：

　　0°C 至 +70°C，稱為 C-temp 或 COM，專為商業和標準數據中心環境而設計。

　　-5°C 至 +85°C，稱為 E-temp 或 EXT，適用于更具挑戰性的環境。

　　-40°C 至 +85°C，稱為 I 溫度或 IND，用于工業安裝。

　　典型的光收發器預計在比環境溫度高約20度的情況下工作。在環境溫度超過 +50°C 或低于 -20°C 的環境中，使用 IDN 級收發器。某些應用需要可以“冷啟動”的收發器。在冷啟動操作期間，網絡可以訪問收發器的I2C和其他低速接口，但在外殼溫度達到-30°C之前，數據流量不會啟動。 為了確保可靠的網絡運行，監控光纖收發器的工作溫度非常重要。

　　數字光學監控

　　數字光監控 (DOM)，也稱為數字診斷監控 (DDM)，在 SFF-8472 中定義，SFF-8472 是多源協議 (MSA) 的一部分，專注于光纖收發器的數字監控。它包括以下功能：

　　監控模塊工作溫度

　　監控模塊工作電壓

　　監控模塊工作電流

　　監控發射和接收光功率

　　如果參數超過安全水平，則發出警報

　　根據要求提供模塊工廠信息

　　SFF-8472 指定的 DOM 定義了特定的報警標志或報警條件。DOM 可幫助網絡管理員監控模塊性能，并確定可能需要在發生故障之前更換的模塊。

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

　　外形尺寸和調制方案

　　SFP 收發器可用于銅纜和光纖網絡。使用 SFP 模塊，各個通信端口可以填充不同類型的收發器。SFP 外形規格和電氣接口在 MSA 中指定。基本的 SFP 收發器可支持高達 4 G 的光纖通道數據速率。較新的 SFP+ 規范支持高達 10 G，最新的 SFP28 規范支持高達 25 G。

　　較大的 QSFP 收發器標準支持的傳輸速度比相應的 SFP 單元快四倍。QSFP28 變體可提供高達 100 G 的功率，而 QSFP56 則翻倍至 200 G。QSFP收發器集成了四個發射通道和四個接收通道，“28”表示每個通道(或通道)可以支持高達28 G的數據速率;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 收發器放置在 QSFP 端口中。

　　最新的變體是QSFP-DD，與常規QSFP28模塊相比，它的接口數量增加了一倍。此外，新規范還支持可提供 50 G 的脈沖幅度調制 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。

　　光纖收發器中使用的傳統不歸零 (NRZ) 調制在兩個級別上調制光的強度。PAM 使用四個光強度級別在每個光脈沖周期中編碼兩個位，而不是一個，從而在相同帶寬下實現幾乎兩倍的數據(圖 3)。

　　圖 3：更復雜的 PAM4 傳輸比 NRZ 傳輸更多的數據。(圖片來源：思科)

　　適用于大型數據中心的 QSFP-DD

　　大型云和企業數據中心的設計者可以轉向 SPTSHP3PMCDF 英特爾硅光子學的 QSFP-DD 光收發器。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用的四個 100 G 光鏈路(圖 4)。這個的特點 QSFP-DD 收發器 包括：

　　符合 4 x 100 G Lambda MSA 光接口規范和 IEEE 400GBASE-DR4 光接口標準

　　符合 IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) 電氣接口標準

　　符合CMIS管理接口標準，通過I2C進行全模塊診斷和控制

　　圖 4：此 QSFP-DD 收發器的范圍為 2 km。 (圖片來源：英特爾)

　　多模式 SFP+

　　這 富通8538P5BCz II-VI ，SFP+光收發器集成了DDM功能，設計用于MM光纖上的25 G數據速率(圖5)。其工作溫度范圍為 0°C 至 +70°C。 其他功能包括：

　　850 nm 垂直腔側發射激光器 (VCSEL) 發射器

　　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光纖運行，支持長達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。這些收發器還包括實時監控性能的 DOM 功能。

　　用于測試的環回

　　網絡和測試工程師和技術人員可以使用光纖環回和環回模塊來測試光網絡設備的傳輸能力和接收器靈敏度。ColorChip 提供了一個環回模塊，支持在 -40°C 至 +85°C 下循環 2000 次的高使用場景(圖 6)。該環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、無限頻帶和光纖通道的實際布線。內置浪涌電流保護可降低損壞被測設備的風險。此環回模塊的用途包括端口測試、現場部署測試和設備故障排除。

　　圖 6：此環回模塊設計用于測試光收發器性能。(圖片來源：數碼鑰匙)

　　800 G QSFP 開發套件

　　對于準備下一代 800 G 收發器的網絡工程師，Multilane 提供 ML4062-微型斷路器 它為編程和測試 QSFP-DD800 收發器和有源光纜提供了一個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 收發器模塊測試、表征和制造的實際環境，并符合 OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 和 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 規范。

　　圖 7：此開發平臺設計用于下一代 800 G 收發器。(圖片來源：數碼鑰匙)

　　總結

　　光纖收發器支持數據中心網絡工程師對高速、緊湊和低功耗解決方案的需求。這些收發器提供各種格式和三種標準工作溫度范圍，采用 SM 或 MM 光纖。環回模塊可用于驗證光纖網元的性能。開發平臺可用于探索 800 G 收發器的功能，并為下一代基于光纖的網絡鋪平道路。