Matt Taverso，Opnext
多模光纖是用戶駐地網(wǎng)絡(luò)中最受歡迎的光纖媒質(zhì)，因?yàn)槎嗄９饫w可以使用便宜的LED和VCSEL作為光源，對(duì)于數(shù)據(jù)通信來(lái)說(shuō)這種特性占有很大優(yōu)勢(shì)。
隨著多模光纖網(wǎng)絡(luò)使用者對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，多模光纖標(biāo)準(zhǔn)和收發(fā)器技術(shù)也跟著向更高速率演進(jìn)。
這些標(biāo)準(zhǔn)必須考慮多模光纖的模式色散，因?yàn)槟Ｊ缴Q定了光纖的帶寬上限，而模式色散與波長(zhǎng)、入射光的特性和光纖的折射率分布有關(guān)。通過(guò)這個(gè)帶寬上限，可以在波長(zhǎng)、發(fā)射條件、傳輸距離和數(shù)據(jù)速率之間建立聯(lián)系。IEEE已經(jīng)制定了快速以太網(wǎng)（100Mbps），吉比特以太網(wǎng)（1Gbps）和萬(wàn)兆以太網(wǎng)（10Gbps）支持單模和多模光纖的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。
圖:多模光纖的種類(lèi)不同，萬(wàn)兆以太網(wǎng)PMD的性能也隨之不同
網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者必須確定哪種PMD能夠滿足其對(duì)成本和性能的要求。
尤其是萬(wàn)兆以太網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)制定者必須考慮各種光纖中的模式色散問(wèn)題。由此提出了數(shù)種光纖和光收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者們?cè)谠O(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮這些標(biāo)準(zhǔn)。在多模光纖網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署當(dāng)中，有幾個(gè)因素會(huì)影響收發(fā)器的選型。
從千兆以太網(wǎng)到萬(wàn)兆以太網(wǎng)
要了解使用多模光纖萬(wàn)兆以太網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)，最好先看看千兆以太網(wǎng)的發(fā)展歷史。IEEE P802.3標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了兩個(gè)關(guān)于多模光纖千兆以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是1000Base-SX，另一個(gè)是1000Base-LX。1000Base-SX標(biāo)準(zhǔn)在通信光接口方面更加成功一些�，F(xiàn)在，每個(gè)季度會(huì)有150萬(wàn)到200萬(wàn)端口的1000Base-SX設(shè)備交貨。1000Base-SX標(biāo)準(zhǔn)只適用于各種多模光纖，工作波長(zhǎng)為850nm。
1000Base-LX標(biāo)準(zhǔn)在1310nm波長(zhǎng)工作，所以通常使用單模光纖（SMF）。不過(guò)它也可以使用一些多模光纖。目前，每個(gè)季度會(huì)有幾十萬(wàn)端口的1000Base-LX設(shè)備交貨。
與千兆以太網(wǎng)類(lèi)似，萬(wàn)兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為各種多模光纖制定了兩個(gè)不同的PMD（physical media dependents，與物理介質(zhì)相關(guān)的規(guī)范），另外還有第三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正在標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的評(píng)審當(dāng)中。已經(jīng)批準(zhǔn)發(fā)布的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別是10GBase-SR和10GBase-LX4。
10GBase-SR標(biāo)準(zhǔn)使用的波長(zhǎng)與常用的1000Base-SX是一樣的，但是，由于數(shù)據(jù)傳輸速率提高了，在使用傳統(tǒng)的62.5微米多模光纖時(shí)，傳輸距離減少到了33米。10GBase-LX4標(biāo)準(zhǔn)則使用與1000Base-LX相同的波長(zhǎng)窗口，也同時(shí)支持單模和多模光纖傳輸。與單波長(zhǎng)LX標(biāo)準(zhǔn)（1000Base-LX）不同的是，10GBase-LX4標(biāo)準(zhǔn)使用1310nm窗口中的四個(gè)波長(zhǎng)，每波長(zhǎng)傳輸速率為2.5Gb/s，所以在低帶寬光纖上也能傳輸更遠(yuǎn)的距離。
正在被標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)評(píng)審的新標(biāo)準(zhǔn)是10GBase-LRM，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)旨在解決1000Base-LX4因4波長(zhǎng)并行而引起的器件制造難和成本偏高的問(wèn)題。在10GBase-LRM草案中，使用單激光器，使下一代串行收發(fā)器（如XFP）的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，制造更容易。
附圖對(duì)三種PMD在不同類(lèi)型的多模光纖上的鏈路長(zhǎng)度進(jìn)行了比較，這三種萬(wàn)兆以太網(wǎng)PMD主要使用XENPAK、X2、XPAK和XFP四種光收發(fā)器，這四種光收發(fā)器有時(shí)統(tǒng)稱(chēng)為X-模塊。為了滿足下一代系統(tǒng)中高密度萬(wàn)兆以太網(wǎng)接口的要求，收發(fā)器制造商正在降低這些模塊的耗電量、尺寸和成本，并要支持所有的PMD。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，制造商將工作重點(diǎn)放在了光源和收發(fā)器芯片（IC）的選擇和開(kāi)發(fā)上。
光源的主要成本來(lái)自半導(dǎo)體材料，萬(wàn)兆以太網(wǎng)傳輸器件可以使用兩種基本的光電晶圓材料：砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）。這些III-V族材料性能優(yōu)良，質(zhì)量上乘，而且主要的半導(dǎo)體激光二極管供應(yīng)商都能提供。工作在850nm波長(zhǎng)的10GBase-SR和1000Base-SX收發(fā)器都使用砷化鎵晶圓來(lái)制造收發(fā)器所需的垂直腔面發(fā)射（VCSEL）光源，而工作在1310nm波長(zhǎng)的收發(fā)器一般使用磷化銦。由于晶圓尺寸和批量規(guī)模的不同，砷化鎵光源的材料成本一般是磷化銦光源的五分之一。
第二個(gè)造成成本差異的因素是光源類(lèi)型，1990年代中期，VCSEL迅速商品化并廣泛地應(yīng)用于1000Base-SX。VCSEL有三個(gè)固有優(yōu)勢(shì)：一、圓形光束便于與光纖耦合；二、低閾值電流降低了激光器本身及IC的功耗；三、在晶圓上即可進(jìn)行測(cè)試，從而使VCSEL制造更像IC制造，避免了封裝壞芯片而造成的浪費(fèi)。在萬(wàn)兆以太網(wǎng)中，850nm的VSCEL是10GBase-SR收發(fā)器的主要光源，而1310nm萬(wàn)兆以太網(wǎng)收發(fā)器一般使用DFB激光器作為光源。除了上面兩種光源，還有三種可選的光源：FP激光器、GaInNAs VCSEL和SC-DBR。
FP激光器在1310nm 1000Base-LX鏈路中使用的最多，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它比DFB的成本低很多。
SC-DBR是一種新型光源，它的優(yōu)點(diǎn)是閾值電流低，輸出功率高，高頻性能好。但是由于這是一種新型光源，其質(zhì)量和可靠性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。
GaInNAs VCSEL由于使用了砷化鎵晶圓，成本更低，現(xiàn)在最受關(guān)注。它的閾值電流也很低，所以功耗很小。但是它面臨兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)：輸出功率和波長(zhǎng)。在萬(wàn)兆數(shù)據(jù)速率下，很難達(dá)到必需的輸出功率。另外，GaInNAs材料還必須進(jìn)一步改進(jìn)才能工作在1310nm波長(zhǎng)，現(xiàn)在它的實(shí)際發(fā)射波長(zhǎng)要比1310nm短。
同時(shí)，收發(fā)器芯片技術(shù)的發(fā)展一直在遵循摩爾定律不斷前進(jìn)著�，F(xiàn)今市場(chǎng)上的大部分收發(fā)器芯片使用的是0.13微米CMOS，而下一代產(chǎn)品將使用90nm CMOS。CMOS的使用極大地降低了功耗和產(chǎn)品成本，當(dāng)90nm CMOS產(chǎn)品被廣泛采用時(shí)，功耗和成本將變的更低。
另外，為了達(dá)到10Gbps全線速均衡，電子色散補(bǔ)償和均衡器的使用也取得了很多重要進(jìn)展。這些創(chuàng)新正在推動(dòng)IEEE 10GBase-LRM標(biāo)準(zhǔn)草案的發(fā)展。
PMD的方向在哪里？
最近，為了給多模光纖制訂一個(gè)合理的傳輸長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，我們最近對(duì)使用多模光纖的園區(qū)網(wǎng)進(jìn)行了多次調(diào)查。對(duì)多個(gè)園區(qū)網(wǎng)調(diào)查的結(jié)果顯示出了很好的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。更確切地說(shuō)：90%以上的鏈路長(zhǎng)度小于300米，而大于300m的鏈路的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性很差。不幸的是，由于沒(méi)有足夠細(xì)致的調(diào)查，無(wú)法得到更詳細(xì)的鏈路長(zhǎng)度分布情況。
鏈路長(zhǎng)度的調(diào)查對(duì)于正在進(jìn)行的LRM標(biāo)準(zhǔn)制訂工作是相當(dāng)重要的，因?yàn)槊吭黾?0米的傳輸距離，光發(fā)射器和接收器的復(fù)雜度就會(huì)提高很多，成本也會(huì)相應(yīng)增加很多。從1996年到1999年期間，關(guān)于鏈路長(zhǎng)度的大量調(diào)查統(tǒng)一了大批行業(yè)專(zhuān)家對(duì)傳輸距離的認(rèn)識(shí)，那就是要想使一種收發(fā)器被廣泛并成功地使用，300米的傳輸距離是必需的。
10GBase-SR規(guī)范是為下面兩種情況設(shè)計(jì)的：一、高帶寬（2000MHz-km）多模光纖，300米鏈路長(zhǎng)度。二、低帶寬（FDDI）光纖，30到80米鏈路長(zhǎng)度。這兩種鏈路廣泛地應(yīng)用于高帶寬水平互聯(lián)鏈路和建筑物內(nèi)的垂直互連鏈路，也用于其他一些場(chǎng)合，如高密度服務(wù)點(diǎn)（POP）的互聯(lián)。
10GBase-LX4 PMD是為所有300米多模光纖鏈路和10千米單模光纖鏈路設(shè)計(jì)的。LX4能夠支持較長(zhǎng)的鏈路長(zhǎng)度，所以它可以用在用戶駐地網(wǎng)的骨干鏈路上。另外，使用較早的低帶寬多模光纖的垂直互連也需要LX4來(lái)確保300米的鏈路長(zhǎng)度。
按目前的預(yù)測(cè)，10GBase-LRM標(biāo)準(zhǔn)僅會(huì)對(duì)多模光纖和FDDI光纖的220米鏈路長(zhǎng)度進(jìn)行規(guī)范。IEEE委員會(huì)正在起草這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即P802.3aq，他們的初始目標(biāo)是確保300米的鏈路長(zhǎng)度，但是后來(lái)將鏈路長(zhǎng)度減小到220米。鏈路長(zhǎng)度的減小可以使產(chǎn)品較早地進(jìn)入市場(chǎng)，卻是以犧牲低帶寬光纖的傳輸距離為代價(jià)的。然而，有人樂(lè)觀地希望市場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)收發(fā)器供應(yīng)商進(jìn)行開(kāi)發(fā)，做到即使在低帶寬光纖上也能保證較長(zhǎng)的傳輸距離。
為多模光纖選擇什么樣的PMD光器件的主要決定因素就是價(jià)格。顯然，串行方法（如10GBase-LRM）更加經(jīng)濟(jì)。10GBase-LRM草案要增加10Gbps全線速均衡功能，制訂與10GBase-LR單模光纖收發(fā)器幾乎相同的光傳輸規(guī)范。為了這個(gè)目的，LRM要利用CMOS收發(fā)器芯片強(qiáng)大的均衡功能降低光收發(fā)器的成本。
然而，除了成本問(wèn)題，光收發(fā)器供應(yīng)商必須關(guān)注長(zhǎng)距離傳輸?shù)男阅軉?wèn)題。長(zhǎng)距離傳輸勢(shì)必帶來(lái)光學(xué)性能的降低，這時(shí)，光器件的價(jià)格就不是最重要的了。鑒于上述原因，LX4有可能繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間占領(lǐng)低帶寬多模光纖市場(chǎng)，這與先前行業(yè)分析師的估計(jì)不同。另外，在使用LX4還是LRM上存在的困惑也有可能加速10GBase-SR標(biāo)準(zhǔn)被市場(chǎng)采用。
采用串行結(jié)構(gòu)是10GBase-LRM標(biāo)準(zhǔn)取得成功的重要原因，因?yàn)�，高密度萬(wàn)兆以太網(wǎng)設(shè)備為了在一個(gè)背板上實(shí)現(xiàn)大于16的端口密度，就必須使用串行收發(fā)器。要求苛刻的企業(yè)和數(shù)據(jù)中心將是這種收發(fā)器的最大消費(fèi)群。
成本、功耗、媒質(zhì)和傳輸距離將共同決定哪種情況下使用哪種萬(wàn)兆以太網(wǎng)PMD。每一種PMD對(duì)于駐地網(wǎng)中不同類(lèi)型的鏈路都有其不同的優(yōu)勢(shì)。由于每種駐地網(wǎng)都有其獨(dú)特的用途，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者必須選擇出最適合自己網(wǎng)絡(luò)的PMD解決方案。
