SWDM技术与宽带多模光纤应用于下一代数据中心建设

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。

图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 multiplexing，SWDM)技术的宽带多模光纤(Wide band multimode fiber，WBMMF)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。

图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 Bandwidth，EMB)，延长传输距离。

图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， 910nm和940nm，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，4个VCSEL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、Finisar、H3C华三、华为、Juniper、Lumentum和OFS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、OFS、Prysmian、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Finisar、Lumentum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40Gbps的4*10Gbs和100Gbps的4*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)是2000MHz*Km，OM4光纤的有效模式带宽达到4700MHz*Km，随着100G、200G和400G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OM3和OM4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.4，IEC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。

图5  OM5标准(TIA)和OM4、OM5光纤的有效模式带宽

四、SWDM MSA

SWDM多源协议(Multisource Agreement，MSA)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。

图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和 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 Gbps和4 x 25 Gbps的SWDM光接口。对于40G，两个收发机间的多模光纤长度范围为2m至440m，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2m至150m。单方向上的每个通道的信号速率为25.78125 Gbps。

4.2传输距离：

对OM3、OM4和OM5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240m、350m和440m。在100G的工作范围最小是2m，OM3、OM4和OM5多模光纤的最大传输距离分别为75m、100m和150m。

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：

表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：

图9. 100G SWDM4中OM3、OM4和OM5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，SWDM和WBMMF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。