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OM5 Multimode Fibre:

Developments and Prospects

OM5多模光纖的研發(fā)現(xiàn)狀及前景

隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊量的迅猛增長，近年來，多模光纖及其應(yīng)用的相關(guān)標準在持續(xù)升級。以太網(wǎng)速率從10GbE/40GbE/100GbE升級到25GbE/50GbE/200GbE/400GbE，將來還會升級到更高速的800GbE/1.6TbE；光纖通道速率從8GFC/16FC升級至串行的32GFC/64GFC和并行的128GFC/256GFC，以及將來更高速的串行128GFC和并行512GFC。同時，多模光模塊技術(shù)逐步從NRZ編碼發(fā)展至4電平的PAM4信號編碼；從單波長光源發(fā)展至多波長復(fù)用，如2波復(fù)用的BiDi技術(shù)、4波復(fù)用的SWDM技術(shù)，以及將來可能的8波長復(fù)用。此外，多模光纖還有模分復(fù)用（MDM）的潛力，通過利用多模光纖中的多個可用模式來增加傳輸容量。

01 數(shù)據(jù)中心中布線應(yīng)用現(xiàn)狀 Current Status of Data Center Cabling Application

近年來，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需求持續(xù)增長，根據(jù)思科的統(tǒng)計和預(yù)測，2015至2020年間，全球數(shù)據(jù)中心總體流量年復(fù)合增長27%，其中云數(shù)據(jù)中心年復(fù)合增長30%，傳統(tǒng)本地數(shù)據(jù)中心每年保持9%的穩(wěn)定增長。

目前，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的布線方案是采用銅、短距離多模光器件、長距離單模光器件共同完成。其中多模SR4和單模PSM4解決方案占主導(dǎo)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部布線選擇的最關(guān)鍵指標之一是成本，往往成本最低的解決方案最具有優(yōu)勢。因此， SR用于數(shù)百米距離內(nèi)，LR用于2千米以上的長距離。阿里巴巴目前在其網(wǎng)絡(luò)中采用100GBASE-SR4多模光纖連接，發(fā)現(xiàn)其比基于單模光纖和PSM4或CWDM4的連接方式更具性價比。鑒于企業(yè)本地數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)容量和存儲需求，多模光纖和VCSEL仍將是這一重要市場的首要解決方案。

02 OM5光纖廠家及SWDM聯(lián)盟 OM5 Fibre Manufacturers and the SWDM Alliance

OM5光纖將傳統(tǒng)OM4光纖在850nm的帶寬性能拓寬到953nm，利用4波長短波波分復(fù)用（SWDM4）技術(shù)，在一根多模光纖上同時傳輸四個波長，將多模光纖傳輸容量提高至原來的4倍，同時完全向下兼容。

作為一種能夠大大提升多模光纖傳輸容量并增加傳輸距離的新技術(shù)，SWDM對于數(shù)據(jù)中心建設(shè)以及相關(guān)光纖、器件和設(shè)備廠家的意義不言而喻。目前，該聯(lián)盟成員包括長飛、康寧、OFS、Prysmian、康普等光纖和布線廠家，還包括戴爾、華為、華三、Juniper等設(shè)備廠家和Finisar、Lumentum等模塊廠商。該聯(lián)盟于2017年3月發(fā)布了多源協(xié)議（MSA），定義了40GE SWDM4和100GE SWDM4的應(yīng)用需求，并表示將在今后進一步拓展到400Gb/s應(yīng)用。

03 OM5光纖相關(guān)標準更新進展 Update on OM5 Fibre Standards

OM5光纖建立在OM3/OM4光纖的基礎(chǔ)之上，并擴展其性能以支持多個波長，OM5展示了多模光纖系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的未來。自2015年至今，幾大國際標準組織均新增了對OM5光纖及其應(yīng)用的規(guī)范。

3.1 TIA和IEC

電信工業(yè)協(xié)會（TIA）率先于2016年6月正式發(fā)布TIA-492AAAE光纖標準，定義了可支持850nm~950nm波段波分復(fù)用技術(shù)的寬帶多模光纖（WBMMF）。2016年10月發(fā)布ANSI/TIA-568.3-D光纖結(jié)構(gòu)化布線標準，批準使用TIA-492AAAE光纖進行布線。

國際電工委員會（IEC）于2017年8月正式發(fā)布IEC 60793-2-10 ed. 6光纖標準，將WBMMF定義為A1a.4光纖類型，并得到ISO/IEC對11801. ed. 3請求聯(lián)絡(luò)的支持，隨即于2017年11月正式發(fā)布ISO/IEC 11801-1光纖布線標準，確定了用這種光纖布線的名稱為OM5。

3.2 IEEE 802.3

2016年9月起草、2017年12月正式發(fā)布的IEEE 802.3bs標準，定義了200Gb/s和400Gb/s以太網(wǎng)的媒體訪問控制參數(shù)、物理層和管理參數(shù)，其中也為寬帶多模光纖布線正式命名為“OM5”，并規(guī)定了OM3/OM4/OM5三類光纖在400GBASE-SR16系統(tǒng)中可支持的最短鏈路距離，如表1所示。

PMD type Required operating range a
400GBASE-SR16 0.5 m to 70 m for OM3
0.5 m to 100 m for OM4
0.5 m to 100 m for OM5
表 1 OM3/OM4/OM5三類光纖在400GBASE-SR16系統(tǒng)中可支持的最短鏈路距離

2016年11月起草，2018年12月發(fā)布的IEEE 802.3cd標準定義了50Gb/s、100Gb/s和200Gb/s以太網(wǎng)的媒體訪問控制參數(shù)、物理層和管理參數(shù)，并規(guī)定了OM5光纖均可以支持100米以上的50GBASE-SR、100GBASE-SR2和200GBASE-SR4。

2017年11月，IEEE 802.3成立下一代200Gb/s與400Gb/s多模光纖物理層研究組，旨在采用比現(xiàn)有以太網(wǎng)更少的多模光纖來實現(xiàn)200Gb/s和400Gb/s系統(tǒng)的傳輸，簡稱“NGMMF研究組”。在2018年1月舉行的研究組第一次正式會議上，提出了400GBASE-SR8或400GBASE-SR4.2兩種方案替代400GBASE-SR16來實現(xiàn)對400G以太網(wǎng)的支持，最小傳輸距離100m。400GBASE-SR8方案采用8對光纖，可以充分利用現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢（采用對PAM4更友好的VCSEL），目標波長為850nm，目前有QSFP-DD、OSFP和COBO 8-Lane幾種光模塊封裝。400GBASE-SR4.2方案采用4對光纖，保持了跟現(xiàn)有100 GBASE-SR4方案相同的布線方式，每根光纖傳2個波長，同樣也采用PAM4調(diào)制技術(shù)，目標波長為850nm和一個更長波長的光源。400GBASE-SR4.2方案更適合采用可支持多波長的OM5光纖進行布線。相關(guān)標準IEEE 802.3cm于2020年1月發(fā)布。

04 OM5光纖的應(yīng)用及未來發(fā)展 Applications of OM5 Fibres and the Future

OM5光纖的設(shè)計初衷，即為應(yīng)對多模傳輸系統(tǒng)的波分復(fù)用（WDM）需求。因此，其最具價值的應(yīng)用，是在短波波分復(fù)用領(lǐng)域。目前，單波50Gb/s基于多模光纖的多波長光模塊大都還在研發(fā)階段，只有少數(shù)光模塊廠商能夠提供少量的樣品，但僅供內(nèi)部實驗使用。PAM4調(diào)制方式可以在現(xiàn)有25Gb/s的VCSEL基礎(chǔ)上提供單波50Gb/s的速率。兩波長雙向（BiDi）技術(shù)和四波長復(fù)用（SWDM4）技術(shù)分別為100Gb/s以上高速以太網(wǎng)鏈路精簡了二分之一和四分之三的光纖用量。

研究者發(fā)現(xiàn)，通過在光纖芯層摻入適當?shù)姆?，能減小不同波長對應(yīng)的最優(yōu)alpha值差異，從而使得“超寬帶多模光纖”在850nm~1050nm整個波長范圍內(nèi)帶寬得以提高。這一結(jié)果證明了“超寬帶多模光纖”有能力在850nm~1050nm窗口內(nèi)支持8個間隔為30nm的波分復(fù)用通道。

近三年來，各光纖廠商和光模塊廠商紛紛報道了OM5以及“超寬帶多模光纖”在PAM4調(diào)制技術(shù)及波分復(fù)用技術(shù)加持下的最新傳輸結(jié)果，如表2。從報道的實驗結(jié)果來看，OM5光纖足以支持150米以上的100Gb/s、200Gb/s和400Gb/s多波長傳輸系統(tǒng)。

此外，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，50μm芯徑的多模光纖可獲得1550nm窗口下比少模光纖更低的差分模式群時延（DMGD），用于多輸入-多輸出（MIMO）模分復(fù)用（MDM）系統(tǒng)中，從而將光纖容量提升數(shù)倍，這證明了未來多模光纖進行模分復(fù)用的潛力。

FIT Finisar OFS Prysmian Panduit 長飛
0M3 0M4 0M5 0M4 0M5 0M4 0M5 0M4 0M5 0M3 0M4 0M5 0M4 0M5

100GB/s-BiDi (850nm、910nm)

70m

100m

150m

200m

400m

70m

100m

200m

300m

200GB/s-SWDM4 (850nm、880nm
910nm、940nm)

100m

300m

300m

100m

300m

50GB/s @980nm

300m

300m

200m

200m

50GB/s @1060nm

200m

200m

表2 最新報道的PAM4傳輸實驗進展
05 總結(jié) Summary
多模光纖一直是高效靈活的傳輸媒介，不斷開發(fā)多模光纖新的應(yīng)用潛能，能使其適應(yīng)更高速的傳輸網(wǎng)絡(luò)。多模光纖搭配VCSEL具有低鏈路成本、低功耗、更高可用性的優(yōu)勢，成為大多數(shù)企業(yè)客戶最具成本效益的數(shù)據(jù)中心解決方案。云數(shù)據(jù)中心和企業(yè)本地數(shù)據(jù)中心持續(xù)穩(wěn)定的需求增長，為經(jīng)濟高效的多模光纖解決方案提供了廣大的市場前景。新行業(yè)標準定義的OM5光纖解決方案是針對多波長SWDM和BiDi收發(fā)器而優(yōu)化的，為100Gb/s以上的高速傳輸網(wǎng)絡(luò)提供更長的傳輸鏈路和網(wǎng)絡(luò)升級余量。
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