近年來，全球流量爆炸性增長。2021年全球流量年度總量將達到20.6ZB，2016年年度流量總量為6.8ZB。2016-2021年，全球流量的年度複合增長率為25%。同時，思科預計，超大規模數據中心將從2016年的338座增長至2021年的628座。屆時，超大規模將會佔據數據中心市場53%的市場份額。到2021年，超大規模數據中心內的流量將會增長四倍。目前，超大規模數據中心佔據39%的數據流量，2021年將增至55%。因此，數據中心對帶寬的要求越來越高，下一代數據中心的建設需要成本更低、帶寬更寬的傳輸介質
一、背景
近年來，全球流量爆炸性增長。2021年全球流量年度總量將達到20.6ZB，2016年年度流量總量為6.8ZB。2016-2021年，全球流量的年度複合增長率為25%。同時，思科預計，超大規模數據中心將從2016年的338座增長至2021年的628座。屆時，超大規模將會佔據數據中心市場53%的市場份額。到2021年，超大規模數據中心內的流量將會增長四倍。目前，超大規模數據中心佔據39%的數據流量，2021年將增至55%。因此，數據中心對帶寬的要求越來越高，下一代數據中心的建設需要成本更低、帶寬更寬的傳輸介質。在短距離應用中，垂直腔面發射激光(VCSEL)光源的成本優勢，使得多模光纖依然是數據中心首選的性價比較高的佈線介質。
圖1. 全球數據中心IP流量增長和數據中心增長
與此同時，IEEE目前正在開發100Gbps， 200Gbps以太網標準，主要應用於數據中心網絡主幹;400G主要用於運營商中心機房，400G以太網的標準預計於2017年頒佈。支持850nm-950nm短波波分複用(Shortwave wavelength division multiplexing，SWDM)技術的寬帶多模光纖(Wide band multimode fiber，WBMMF)是實現數據中心100G網絡傳輸的優質解決方案，同時也能為未來可能出現的更高速200G乃至400G以太網提供餘量空間。
圖2 以太網路線圖
二、SWDM技術與SWDM聯盟
2.1 SWDM技術
短波波分複用，就是借鑑單模光纖的波分複用(WDM)技術，擴展傳輸時所用的波長範圍，從傳統的多模光纖所用的850nm擴展至850nm-950nm，利用性價比高的短波的垂直腔面發射激光(VCSEL)光源和優化的寬帶多模光纖(WBMMF)，在一根多模光纖上支持四個波長傳輸數據，把需要的光纖芯數降低為原來的1/4，同時提高光纖的有效模式帶寬(Effective Modal Bandwidth，EMB)，延長傳輸距離。
圖3. 短波波分複用
當波長大於850 nm時，多模光纖的色散帶寬增加，傳輸距離提高。SWDM技術採用的工作波長從850 nm開始，每隔30 nm增加一個波長，即：880nm， 910nm和940nm，因而寬帶多模光纖工作波長位於850nm-950nm範圍內。在短波波分複用模塊中，4個VCSEL產生4個不同波長的光信號，複用到單條鏈路上，所有的VCSEL和光耦合在光模塊中進行。在模塊的接收端，信號被解複用，並轉化為平行的電信號。採用並行的兩根光纖，即可完成一發一收的數據傳輸。
2.2 SWDM聯盟
作為一種能夠大大提升多模光纖傳輸容量並增加傳輸距離的新技術，SWDM對於數據中心建設以及相關光纖、器件和設備廠家的意義不言而明。在2015年，包括康普、康寧、戴爾、Finisar、H3C華三、華為、Juniper、Lumentum和OFS在內的九家公司成立了SWDM聯盟，此後不少國內外廠家加入該聯盟。目前，在該聯盟成員包括長飛、康寧、OFS、Prysmian、康普等光纖和佈線廠家，還包括戴爾、華為、華三、Juniper等設備廠家和Finisar、Lumentum等模塊廠商。
該聯盟致力於促進SWDM技術的發展和推廣，促進SWDM光模塊在WBMMF寬帶多模光纖的使用。SWDM聯盟表示他們將首先著重與40Gbps的4*10Gbs和100Gbps的4*25Gbps的應用需求，並將在今後進一步拓展到400Gbps應用。該聯盟表示，他們不會參與標準制定，也沒有計劃成立光模塊MSA。該組織也將避免市場分割、定價和競爭等問題。
三、 寬帶多模光纖
OM3光纖的有效模式帶寬(EMB)是2000MHz*Km，OM4光纖的有效模式帶寬達到4700MHz*Km，隨著100G、200G和400G以太網的提出，傳統的多模光纖在芯數和距離上成為阻礙未來以太網絡發展的瓶頸。寬帶多模光纖的出現打破了傳統多模光纖的技術瓶頸，是實現SWDM技術的關鍵所在。寬帶多模光纖支持850nm-950nm，能夠在一根多模光纖上傳輸4個波長，提高傳輸速率，降低光纖芯數，延長傳輸距離。同時寬帶多模光纖可以與傳統的OM3和OM4多模光纖兼容，在傳統應用方面與OM4有同樣優秀的表現。
寬帶多模光纖在TIA標準中稱為OM5，在IEC標準中叫做A1a.4，IEC正式標準預計今年下半年發佈。2016年發佈的TIA-492AAAE-2016標準中，與OM4多模光纖相比，OM5光纖增加了953nm的滿注入帶寬(OMB)和有效模式帶寬(EMB)要求。滿注入帶寬的光源為LED，有效模式帶寬的光源為VCSEL。單位為MHz*km，即帶寬和距離的乘積，可以簡單地理解為信號傳輸速率小則傳得遠，而傳輸速率大傳得近。
相對於OM4而言，OM5光纖在長波長範圍內的帶寬要求更高，以滿足SWDM技術的需要。長飛生產的OM5光纖具體參數如圖所示。對比TIA標準和OM4光纖的特徵曲線，OM5光纖的有效模式帶寬遠高於標準。
圖5 OM5標準(TIA)和OM4、OM5光纖的有效模式帶寬
四、SWDM MSA
SWDM多源協議(Multisource Agreement，MSA)是致力於定義SWDM光收發機的光學參數並促進其應用的產業聯盟。其成員包括以下六個公司。
圖6. SWDM MSA
4.1 傳輸速率
今年三月，100G 短波波分複用多源協議(SWDM MSA)組首次發佈了40G和 100G的兩個SWDM標準。MSA定義了用於以太網的100Gbit/s的光收發機的4 x 10 Gbps和4 x 25 Gbps的SWDM光接口。對於40G，兩個收發機間的多模光纖長度範圍為2m至440m，單方向上的每個通道的信號速率為10.3125 Gbps。在100G標準中，為了保證系統的可靠性，需要增加前向糾錯模塊。兩個收發機間的多模光纖長度範圍為2m至150m。單方向上的每個通道的信號速率為25.78125 Gbps。
4.2傳輸距離：
對OM3、OM4和OM5多模光纖而言，在40G的工作範圍最小為2m，最大傳輸距離分別為240m、350m和440m。在100G的工作範圍最小是2m，OM3、OM4和OM5多模光纖的最大傳輸距離分別為75m、100m和150m。
4.3 光模塊框圖
SWDM4模塊包括以下幾個部分：四個不同波長的光發射機，四個帶有信號探測器的光接收機，波分複用器和解複用器，多模光纖雙工光連接器。如圖所示的是100G的光模塊框圖：
圖7 100G光模塊框圖
4.4鏈路指標
40G短波(850~940nm)波分複用多源協議中鏈路指標為：
表3 40G SWDM4鏈路指標
SWDM MSA小組發佈的標準相對於TIA針對多模光纖的標準略有不同，40G SWDM4的有效模式帶寬要求：
圖9. 100G SWDM4中OM3、OM4和OM5的有效模式帶寬要求
五、總結
短波波分複用技術(SWDM)和寬帶多模光纖(WBMMF)具有更高的傳輸速率，更長的傳輸距離，更少的光纖芯數，以及較低的佈線成本。對於下一代數據中心建設，SWDM和WBMMF仍然是數據中心40/100以太網的主流傳輸介質。進一步將短波波分複用和並行傳輸技術相結合，只需要8芯寬帶多模光纖，就能夠支持更高速的應用，比如200/400G以太網。
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