数据中心用多模光纤技术及发展趋势

2019-10-17 15:05

数据中心已经成为现代生活发动机，日益增长的网络信息都通过数据中心进行高速传输和存储。数据中心内部大部分连接距离较短，从几米到几百米不等。这些短距离高速数据通信中，多模光纤和以垂直腔面发射激光器（VCSEL）为核心器件的光模块得到了广泛应用。和单模传输方案相比，多模方案采用低成本，低功耗的激光器，实现了光纤与激光器之间快速高效的耦合。多模光纤可实现比铜缆更高的传输速率或更远的传输距离，比单模光纤系统更低的成本。目前数据中心内部连接的速率达已经100 Gbit／s，且400 Gbit／s也指日可待。业界一直在开发新型的多模光纤来改善其性能，包括在单根光纤中实现波分复用的宽带多模光纤技术；支持更长传输距离的长波多模光纤。另外为支持高密度，小型化的连接，提高数据中心的空间利用率、散热效率和线缆管理效率，具有抗弯性能的多模光纤也已经快速的发展和部署。本文将结合多模光纤的技术原理与光模块技术的演进，讨论支持高速率光模块的多模光纤发展趋势。

1．多模光纤技术及应用场景

云计算的发展促进了超大规模数据中心的发展，从而产生了和传统企业数据中心不同的发展趋势。无论是国内还是国际，云计算业务为主的超大规模数据中心用户对服务器端口速率的演进明显快于传统企业数据中心。传统企业将稳定的使用多模OM4光纤，且90％以上的系统链路长度小于100m。

图1．传统企业数据中心OM4系统长度分布

而超大规模数据中心用户则更多的选择单模光纤，70％的系统链路长度超过100m

图2．超大规模数据中心单模系统长度分布

超大规模数据中心的发展提高了单模光纤的使用率，但多模光纤仍有其独特的优势。这些优势包括：可使用更低成本的光模块，更低的功耗，而且传输距离可覆盖数据中心内大部分的链路，因此基于多模光纤和多模光模块的解决方案对客户仍具有很强的吸引力。

2．850nm多模光纤的带宽

与单模系统不同的是，多模系统的传输距离和速率受到多模光纤的带宽的限制。为支持高速率系统传输更远的距离，需要提高多模光纤的模式带宽。多模光纤的设计通常采用渐变折射率的a剖面以减少模式群时延，实现高带宽：

其中，r0为纤芯半径，?0为纤芯相对折射率变化的最大值，可以表示如下：

其中，n0为纤芯的中心折射率，n1为包层的折射率。

选择合适的a值，多模光纤的模式带宽可以在一定波长范围内进行优化。图3为50 ?m多模光纤在850 nm波长a值变化1％时的带宽分布，光纤的a值在最佳位置时，带宽值超过13 GHz．km。该图也反映出多模光纤的带宽对a值非常敏感，如实现最大的带宽，需要对a值（纤芯折射率）进行非常精细的控制，否则纤芯剖面在制造过程中的各种缺陷会影响多模光纤的实际带宽。