如何使用光學互連最佳化資料中心效能

對高速、低功率和穩健光纖的互連需求不斷增加，以支援雲端和其他資料中心的可靠性和低延遲通訊。光纖收發器可經過最佳化，滿足特定資料中心對傳輸速度高達每秒 400 Gigabits 的需求。光纖資料中心通訊的重要模組標準包括小型可插拔 (SPF)、SPF+、四通道小型可插拔 (QSFP)。SPF、SPF+、QSPF 之間的區別之一是額定傳輸速度。這只是選擇收發器時要考量的因素之一，此外，還必須權衡功耗和熱管理、傳輸距離需求、工作溫度範圍、整合診斷等因素。網路工程師還需要有效率的方法測試光學收發器的傳輸範圍和接收靈敏度。

本文首先回顧選擇光纖收發器時的重要考量因素，比較 SPF、SPF+、QSFP、QSFP-DD (雙密度) 的硬體介面選項，並介紹 Intel Silicon Photonics、II-VI、Cisco Systems 的收發器模組。最後介紹光纖裝置測試，包括 ColorChip 用於 400 G 裝置的回送模組和 Multilane 用於新一代 800 G 收發器的評估板。

單模與多模

用於資料通訊的光纖由包覆在玻璃包層中的玻璃芯組成，每根都有不同的折射率。典型的多模 (MM) 光纖具有 50 μm 纖芯，工作波長為 750 nm 至 850 nm；單模 (SM) 光纖具有 9 μm 纖芯，典型工作波長為 1310 nm 至 1550 nm。多模光纖中，光的波長比截止波長短，導致多種模式的光沿著光纖傳播。單模光纖中較小的纖芯只能為指定波長以單一模式傳播 (圖 1)。

圖 1：單模光纖中的小纖芯限制只能以單一模式傳輸光。(圖片來源：Cisco)

模態色散和模態雜訊會限制多模光纖的頻寬，單模光纖則不受這些影響。此外，單模光纖比多模光纖能支援更長的傳輸距離。資料的光傳輸係透過對每個通訊方向使用不同的波長進行。例如，一組光學收發器使用 1330 nm 和 1270 nm 波長的組合。其中一個收發器傳送 1330 nm 訊號並接收 1270 nm 訊號，而另一個收發器傳送 1270 nm 訊號並接收 1330 nm 訊號 (圖 2)。

圖 2：光學收發器使用不同的波長來傳送和接收資料。(圖片來源：Cisco)

功率和熱

資料中心營運商很重視功率和熱成本。雖然用於資料通訊佈線的非屏蔽雙絞線 (UTP) 價格低廉，但 UTP 收發器可能消耗大約 5 W 的功率，而光纖收發器只需 1 W 或更少功率。

UTP 收發器產生的額外熱量必須從資料中心移除，使得整體能源成本增加至幾乎十倍。光纖收發器除了傳輸距離短和低數據傳輸率外，與 UTP 解決方案相比，其總生命週期的作業成本幾乎總是更低。

與光纖佈線相比，UTP 纜線的直徑也更大。可能會因為太粗，無法安裝在高密度資料中心地面下的一些纜線橋架中。此外，對於以 10 G 傳輸的 Cat 6A 纜線，可能難以管理 UTP 纜線之間的串音。多模光纖使用成本較低的收發器，但使用平行光纖進行 40 或 100 G 傳輸時，佈線成本會更高。數據傳輸率不斷提高，單模光纖可能是低功率、低成本和小尺寸解決方案的最佳組合。

溫度範圍選擇

資料中心存在於各種環境中，從專用設施到辦公室的壁櫥，以及倉庫和工廠。光纖收發器可在三個標準溫度範圍內使用，滿足特定環境的需求：

• 0°C 至 +70°C，稱為 C-temp 或 COM，專為商業和標準資料中心環境所設計。
• -5°C 至 +85°C，稱為 E-temp 或 EXT，適用於更具挑戰性的環境。
• -40°C 至 +85°C，稱為 I-temp 或 IND，用於工業裝置。

典型的光學收發器預期可在比環境溫度高約 20 度的情況下工作。在環境溫度超過 +50°C 或低於 -20°C 的環境中，使用 IDN 等級收發器。某些應用需要能夠「冷啟動」的收發器。在冷啟動操作期間，網路可以存取收發器的 I²C 和其他低速介面，但在外殼溫度達到 -30°C 之前，不會啟動資料傳輸。為確保可靠的網路運作，一定要監控光纖收發器的工作溫度。

數位光學監控

數位光學監控 (DOM)，也稱為數位診斷監控 (DDM)，在 SFF-8472 中定義，是多源協定 (MSA) 的一部分，內容為光纖收發器的數位監控。包括以下能力：

• 監控模組工作溫度
• 監控模組工作電壓
• 監控模組工作電流
• 監控傳送和接收光功率
• 如果參數超過安全位準會發出警報
• 依據要求提供模組原廠資訊

依據 SFF-8472 的規定的 DOM，定義特定警報旗標或警報條件。DOM 有助於網路管理員監控模組效能，並在模組故障之前辨識和更換。

光學收發器模組高達 100 G，透過 I²C 控制介面，使用 SFF 8636 定義的基本記憶體對映命令系統進行管理。更高速的模組包含需要複雜均衡的 PAM-4 介面，因此管理起來更複雜。通用管理介面規範 (CMIS) 旨在替代或補充高速模組的 SFF-8472/8636。

外形尺寸和調變機制

SFP 收發器可用於銅纜和光纖網路。使用 SFP 模組可讓各個通訊埠安裝不同類型的收發器。MSA 中指定 SFP 外形尺寸和電氣介面。基本的 SFP 收發器可以支援高達 4 G 的光纖通道數據傳輸率。較新的 SFP+ 規範最高支援 10 G，最新的 SFP28 規範最高支援 25 G。

更大的 QSFP 收發器標準支援的傳輸速度比對應的 SFP 單元快四倍。QSFP28 款式提供高達 100 G，而 QSFP56 將其翻倍至 200 G。QSFP 收發器整合四個發送通道和四個接收通道，「28」表示每個通道可支援高達 28 G 的數據傳輸率；因此，QSFP28 可以支援 4 x 25 G 配置 (分接)、2 x 50 G 分接或 1 x 100 G，依收發器而定。QSFP 埠比 SFP 大，但可使用配接器，將 SFP 收發器放置在 QSFP 埠中。

最新的款式是 QSFP-DD，與常規 QSFP28 模組相比，介面數增加一倍。此外，新規範還包括對可支援 50 G 的脈衝振幅調變 4 (PAM4)，可將傳輸速度再度翻倍，與 QSFP28 模組相比，讓連接埠整體速度提高 4 倍。

光纖收發器中使用的傳統不歸零 (NRZ) 調變會在兩個級別上調變光強度。PAM 使用四個光強度級別，在每個光脈衝週期中進行二位元編碼而非一位元，在相同頻寬下讓資料量幾乎翻倍 (圖 3)。

圖 3：更複雜的 PAM4 能比 NRZ 傳輸更多的資料。(圖片來源：Cisco)

適用於大型資料中心的 QSFP-DD

大型雲和企業資料中心的設計人員可以轉用 Intel Silicon Photonics 的 SPTSHP3PMCDF QSFP-DD 光學收發器。該模組具有 2 km 的傳輸能力，可在 0°C 至 +70°C 的溫度範圍內運作，並支援通過單模光纖的 400 G 光鏈路或用於分接應用的四個 100 G 光鏈路 (圖 4)。此 QSFP-DD 收發器的特點包括：

• 符合 4 x 100 G Lambda MSA 光學介面規範和 IEEE 400GBASE-DR4 光學介面標準
• 符合 IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8) 電氣介面標準
• CMIS 管理介面標準符合透過 I²C 進行的全模組診斷和控制

圖 4：此 QSFP-DD 收發器的範圍為 2 km。 (圖片來源：Intel)

多模 SFP+

II-VI 的 FTLF8538P5BCz SFP+ 光學收發器整合 DDM 功能，設計用於透過多模光纖傳輸 25 G 資料 (圖 5)。其設計的工作溫度範圍為 0°C 至 +70°C。其他特點包括：

• 850 nm 垂直腔面射型雷射 (VCSEL) 發射器
• 透過 50/125 μm OM4、M5F MMF 纜線傳輸 100 m
• 透過 50/125 μm OM3、M5E MMF 纜線傳輸 70 m
• 1E-12 位元錯誤率 (BER) 超過 30 m (使用 OM3 纜線) 和 40 m (使用 OM4 纜線)
• 1 W 最大功耗

圖 5：此 SFP+ 收發器的額定值為 25 G，並使用多模光纖。(圖片來源：II-VI)

SPF 單模

Cisco 的 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 使用單模光纖，傳輸距離可達 10 km。SFP-10G-BXD-I 一直連接到 SFP-10G-BXU-I。SFP-10G-BXD-I 傳送 1330 nm 波長並接收 1270 nm 訊號，SFP-10G-BXU-I 傳送 1270 nm 波長並接收 1330 nm 訊號。這些收發器還包括監控即時效能的 DOM 功能。

測試回送

網路和測試工程師和技術人員可以使用光纖回送和回送模組，測試光學網路設備的傳輸能力和接收靈敏度。ColorChip 提供一款回送模組，支援在 -40°C 至 +85°C 下進行 2000 次循環的高使用率 (圖 6)。該回送模組包括軟體定義的多功耗，以模擬光學模組功率和嵌入式插入損耗特性，並模擬 200/400 G 乙太網路、Infiniband 和光纖通道的真實佈線。內建突波電流保護，可降低受測裝置損壞的風險。該回送模組可用於連接埠測試、現場部署測試和裝置故障排除。

圖 6：此回送模組用於測試光學收發器效能。(圖片來源：DigiKey)

800 G QSFP 開發套件

針對準備使用新一代 800 G 收發器的網路工程師，Multilane 提供一個高效率且容易使用的平台 ML4062-MCB，可編程和測試 QSFP-DD800 收發器和主動光纜 (圖 7)。GUI 支援 QSFP-DD MSA 定義的所有功能，並簡化配置過程。可用於模擬 QSFP-DD 收發器模組測試、特性化和製造的實際環境，並符合 OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 和 OIF-CEI-56G-VSR-NRZ 規範。

圖 7：該開發平台設計用於新一代 800 G 收發器。(圖片來源：DigiKey)

結論

光纖收發器支援資料中心網路工程師對高速、緊湊和低功率解決方案的需求。這些收發器具有多種格式和三種標準工作溫度範圍，採用單模或多模光纖。回送模組可用於驗證光纖網路元件的效能。開發平台可用於探索 800 G 收發器的功能，並為新一代光纖架構網路鋪路。