作者：Jeff Shepard

　　对高速、低功耗和强大的光纤互连的需求正在增长，以支持云和其他数据中心对可靠和低延迟通信的需求。可以优化光纤收发器，以满足特定数据中心对传输速度达到 400 千兆位/秒 (G) 的需求。光纤数据中心通信的重要模块标准包括小型可插拔 (SPF)、SPF+ 和四通道小型可插拔 (QSFP)。SPF、SPF+ 和 QSPF 之间的区别之一是额定传输速度。不过，这只是选择收发器时要考虑的一个因素;必须权衡功耗和热管理、所需的传输距离、工作温度范围、集成诊断和其他因素。另外 网络工程师需要一种有效的方法来测试光收发器的传输范围和接收器灵敏度。

　　本文首先回顾了选择光纤收发器时的重要考虑因素，比较了 SPF、SPF+、QSFP 和 QSFP-DD(双密度)提供的硬件接口选项，并介绍了 英特尔硅光子学, 高六， 和思科系统。最后，它介绍了光纤设备测试，包括来自 彩片 适用于 400 G 器件和评估板 多通道 适用于下一代 800 G 收发器。

　　单模与多模

　　用于数据通信的光纤由包裹在玻璃包层中的玻璃芯组成，每个玻璃芯具有不同的折射率。典型的多模 (MM) 光纤具有 50 μm 纤芯，工作波长为 750 nm 至 850 nm，而单模 (SM) 光纤具有 9 μm 纤芯，通常以 1310 nm 至 1550 nm 波长工作。在MM光纤的情况下，光的波长短于截止波长，导致多种模式的光沿着光纤传播。SM 光纤中较小的纤芯只能在指定波长下传播一种模式(图 1)。

　　图 1：SM 光纤中的小纤芯限制了它们以多种模式传输光的能力。(图片来源：思科)

　　与不受这些影响的SM光纤相比，模态色散和模态噪声限制了MM光纤的带宽。此外，与MM光纤相比，SM光纤可以支持更长的传输距离。数据的光传输是通过对通信的每个方向使用不同的波长来实现的。例如，一组光收发器使用 1330 nm 和 1270 nm 波长的组合。其中一个收发器发送 1330 nm 信号并接收 1270 nm 信号，而另一个收发器发送 1270 nm 信号并接收 1330 信号(图 2)。

　　图 2：光收发器使用不同的波长来发送和接收数据。(图片来源：思科)

　　功率和散热

　　数据中心运营商对电力和热成本非常敏感。虽然用于数据通信布线的非屏蔽双绞线 (UTP) 价格低廉，但 UTP 收发器可能消耗约 5 W 的功率，而光纤收发器所需的功率为 1 W 或更低。

　　UTP收发器产生的额外热量必须从数据中心中去除，从而使整体能源成本增加一倍，达到近十倍。除了非常短的运行时间和低数据速率外，与UTP解决方案相比，光纤收发器在总生命周期运营成本方面几乎总是更便宜。

　　与光纤电缆相比，UTP电缆的直径也更大。它们可能太大，无法放入高密度数据中心地板下安装的某些电缆桥架中。此外，对于以 10 G 传输的 Cat 6A 电缆，UTP 电缆之间的串扰可能难以管理。MM光纤使用成本较低的收发器，但当并行光学器件用于40或100 G传输时，布线成本更高。随着数据速率的不断提高，SM光纤可以提供低功耗、低成本和小解决方案尺寸的最佳组合。

　　温度范围选择

　　数据中心位于各种环境中，从专用设施到办公室、仓库和工厂的机柜。光纤收发器有三种标准温度范围，以满足特定环境的需求：

　　0°C 至 +70°C，称为 C-temp 或 COM，专为商业和标准数据中心环境而设计。

　　-5°C 至 +85°C，称为 E-temp 或 EXT，适用于更具挑战性的环境。

　　-40°C 至 +85°C，称为 I 温度或 IND，用于工业安装。

　　典型的光收发器预计在比环境温度高约20度的情况下工作。在环境温度超过 +50°C 或低于 -20°C 的环境中，使用 IDN 级收发器。某些应用需要可以“冷启动”的收发器。在冷启动操作期间，网络可以访问收发器的I²C和其他低速接口，但在外壳温度达到-30°C之前，数据流量不会启动。 为了确保可靠的网络运行，监控光纤收发器的工作温度非常重要。

　　数字光学监控

　　数字光监控 (DOM)，也称为数字诊断监控 (DDM)，在 SFF-8472 中定义，SFF-8472 是多源协议 (MSA) 的一部分，专注于光纤收发器的数字监控。它包括以下功能：

　　监控模块工作温度

　　监控模块工作电压

　　监控模块工作电流

　　监控发射和接收光功率

　　如果参数超过安全水平，则发出警报

　　根据要求提供模块工厂信息

　　SFF-8472 指定的 DOM 定义了特定的报警标志或报警条件。DOM 可帮助网络管理员监控模块性能，并确定可能需要在发生故障之前更换的模块。

　　高达 100 G 的光收发器模块使用 SFF 8636 定义的基本存储器映射命令系统，通过 I²C 控制接口进行管理。由于包含需要复杂均衡的 PAM-4 接口，因此更高速模块的管理更加复杂。通用管理接口规范 (CMIS) 旨在替代或补充高速模块中的 SFF-8472/8636。

　　外形尺寸和调制方案

　　SFP 收发器可用于铜缆和光纤网络。使用 SFP 模块，各个通信端口可以填充不同类型的收发器。SFP 外形规格和电气接口在 MSA 中指定。基本的 SFP 收发器可支持高达 4 G 的光纤通道数据速率。较新的 SFP+ 规范支持高达 10 G，最新的 SFP28 规范支持高达 25 G。

　　较大的 QSFP 收发器标准支持的传输速度比相应的 SFP 单元快四倍。QSFP28 变体可提供高达 100 G 的功率，而 QSFP56 则翻倍至 200 G。QSFP收发器集成了四个发射通道和四个接收通道，“28”表示每个通道(或通道)可以支持高达28 G的数据速率;因此，QSFP28 可以支持 4 x 25 G 配置(分线)、2 x 50 G 分线或 1 x 100 G，具体取决于收发器。由于 QSFP 端口大于 SFP，因此可以使用适配器，从而允许将 SFP 收发器放置在 QSFP 端口中。

　　最新的变体是QSFP-DD，与常规QSFP28模块相比，它的接口数量增加了一倍。此外，新规范还支持可提供 50 G 的脉冲幅度调制 4 (PAM4)，传输速度增加了一倍，与 QSFP28 模块相比，端口速度总体提高了 4 倍。

　　光纤收发器中使用的传统不归零 (NRZ) 调制在两个级别上调制光的强度。PAM 使用四个光强度级别在每个光脉冲周期中编码两个位，而不是一个，从而在相同带宽下实现几乎两倍的数据(图 3)。

　　图 3：更复杂的 PAM4 传输比 NRZ 传输更多的数据。(图片来源：思科)

　　适用于大型数据中心的 QSFP-DD

　　大型云和企业数据中心的设计者可以转向 SPTSHP3PMCDF 英特尔硅光子学的 QSFP-DD 光收发器。该模块具有 2 km 的传输能力，额定工作温度范围为 0°C 至 +70°C，并支持 SM 光纤上的 400 G 光链路或用于分支应用的四个 100 G 光链路(图 4)。这个的特点 QSFP-DD 收发器 包括：

　　符合 4 x 100 G Lambda MSA 光接口规范和 IEEE 400GBASE-DR4 光接口标准

　　符合 IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) 电气接口标准

　　符合CMIS管理接口标准，通过I²C进行全模块诊断和控制

　　图 4：此 QSFP-DD 收发器的范围为 2 km。 (图片来源：英特尔)

　　多模式 SFP+

　　这 富通8538P5BCz II-VI ，SFP+光收发器集成了DDM功能，设计用于MM光纤上的25 G数据速率(图5)。其工作温度范围为 0°C 至 +70°C。 其他功能包括：

　　850 nm 垂直腔侧发射激光器 (VCSEL) 发射器

　　通过 50/125 μm OM4、M5F MMF 电缆传输 100 米

　　通过 50/125 μm OM3、M5E MMF 电缆传输 70 米

　　1E-12 误码率 (BER) 超过 30 米，使用 OM3 电缆，40 米，使用 OM4 电缆

　　1 W 最大功耗

　　图 5：此 SFP+ 收发器的额定容量为 25 G，使用 MM 光纤。(图片来源：高意)

　　防晒单模

　　这 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 从思科使用SM光纤运行，支持长达10公里的传输距离。SFP-10G-BXD-I 始终连接到 SFP-10G-BXU-I。SFP-10G-BXD-I 发射 1330 nm 通道并接收 1270 nm 信号，SFP-10G-BXU-I 以 1270 nm 波长传输并接收 1330 nm 信号。这些收发器还包括实时监控性能的 DOM 功能。

　　用于测试的环回

　　网络和测试工程师和技术人员可以使用光纤环回和环回模块来测试光网络设备的传输能力和接收器灵敏度。ColorChip 提供了一个环回模块，支持在 -40°C 至 +85°C 下循环 2000 次的高使用场景(图 6)。该环回模块包括软件定义的多重功耗，用于模拟光模块功率和嵌入式插入损耗特性，模拟 200/400 G 以太网、无限频带和光纤通道的实际布线。内置浪涌电流保护可降低损坏被测设备的风险。此环回模块的用途包括端口测试、现场部署测试和设备故障排除。

　　图 6：此环回模块设计用于测试光收发器性能。(图片来源：数码钥匙)

　　800 G QSFP 开发套件

　　对于准备下一代 800 G 收发器的网络工程师，Multilane 提供 ML4062-微型断路器 它为编程和测试 QSFP-DD800 收发器和有源光缆提供了一个高效且易于使用的平台(图 7)。GUI 支持 QSFP-DD MSA 定义的所有功能，并简化了配置过程。它可用于模拟 QSFP-DD 收发器模块测试、表征和制造的实际环境，并符合 OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 和 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 规范。

　　图 7：此开发平台设计用于下一代 800 G 收发器。(图片来源：数码钥匙)

　　总结

　　光纤收发器支持数据中心网络工程师对高速、紧凑和低功耗解决方案的需求。这些收发器提供各种格式和三种标准工作温度范围，采用 SM 或 MM 光纤。环回模块可用于验证光纤网元的性能。开发平台可用于探索 800 G 收发器的功能，并为下一代基于光纤的网络铺平道路。