1、作者:Gary Bernstein,RCDD,CDCD閱讀時間:18 分鐘采用超低損耗采用超低損耗(ULL)部件來優化短距離單模部署部件來優化短距離單模部署白皮書:優化新的短距離單模部署 2數據中心內單模的增長數據中心內單模的增長隨著全球數字化的不斷擴展，作為每個組織的關鍵業務核心的數據中心對帶寬的要求越來越高。為了滿足這一需求，信號、收發器和光通信技術的進步以及隨后的 IEEE 光纖以太網標準也在不斷跟上。多模和單模光纖應用現已達到 400Gb/s，800Gb/s 以太網的標準已經在開發中，未來 1.6 和 3.2Tb/s 的應用也不遠了。由于單模光纖總體上具有更大的帶寬潛力和傳輸距離，它已

2、迅速成為當今超大規模和云計算數據中心高速應用的首選介質類型。這也大大增加了光纖的采購量，并有助于降低單模收發器的成本。然而，對于大多數鏈路長度較短的企業數據中心來說，在 10 公里或更長距離的單模部署中所使用的高功率激光器成本較高，在經濟上是不合理的。同時，超過 40Gb/s 的高性價比多模應用被限制在 100米/OM4 和70米/OM3 的距離內，這對數據中心設計者來說是一個挑戰?，F在，通過支持 100、200 和 400Gb/s 速率到 500 米和 2000 米距離的短距離單模應用，以更優成本效益的方式支持超過 100 米的高速應用是可行的。然而，與長距離單模應用相比，這些新應用的插入損

3、耗預算也大為減少，但有一些回波損耗的考慮。值得慶幸的是，就像對待多模應用一樣，經過驗證的超低損耗（ULL）高性能布線系統保證更高的性能余量，讓數據中心業主和運營商有信心地可靠支持短距離單模應用，同時保證多個連接的靈活性、管理性、可擴展性和部署速度。什么是短距離單模什么是短距離單模?長距離的單模光纖應用，如長距離(LR)和擴展距離(ER)，使用高功率邊緣發射激光二極管，在更遠的距離上提供更多的帶寬，其中 LR 應用支持長達 10 公里的 距離，ER 支持長達 40 公里的距離。由于這些激光器的結構復雜，長距離單模收發器的成本明顯高于 使用更簡單的垂直腔表面發射激光器(VCSEL)的多模收發器。隨

4、著對成本敏感的企業數據中心包含更短的鏈路長度，多模光纖在過去幾十年中成為首選介質。然而，隨著傳輸速率的提高，多模光纖支持的距離正在減少。例如，10Gb/s 的 10GBASE-SR 雙工應用可以通過 OM4 多模光纖支持到 400 米（西蒙的 XGLO 系統可以支持到 550 米）。對于 40Gb/s 的 40GBASE-SR4 并行光學應用，使白皮書:優化新的短距離單模部署3用多芯光纖連接器(MPO)的多根光纖，在 OM4 多模上支持的距離下降到只有 150 米。對于 100Gb/s 及以上多模應用，OM4 的距離被限制在 100 米。為了支持數據中心高速鏈路的更長距離，開發了規格寬松的節電

5、單模激光器，用于短距離數據中心的部署。由于功率和相關的能源消耗及發熱較少，這些收發器比長距離單模激光器的成本要低。早期的短距離單模應用方案采用的是基于每通道 25Gb/s的非歸零(NRZ)信號傳輸技術。在 2014 年，CWDM4 多源協議(MSA)發布了一個 100Gb/s 的波分復用(CWDM)應用。被稱為 100GBASE-CWDM4 的該應用，在雙工單模光纖上復用了四個25Gb/s 的通道。同一年，100G PSM4 MSA 也定義了一個 100Gb/s 并行單模四通道(PSM4)應用，其特點是使用 MPO 連接在 8 芯光纖上實現四個 25Gb/s 通道。隨著四級脈沖振幅調制(PAM

6、4)信號傳輸技術的發展，它提供了兩倍于以前 NRZ 信號傳輸技術的比特率，以實現每通道 50 和 100Gb/s，IEEE引入了 DR(data center reach)和 FR(fiberreach)單模應用，其距離分別為 500 米和 2000米。PAM4 信號傳輸技術為具有成本效益的雙工100Gb/s 和四通道 200 和 400Gb/s 短距離單模應用鋪平了道路。表 1 顯示了短距離單模應用的各種選擇。表 1：短距離單模光纖應用應用 標準 距離 信號/通道速率 通道數量 傳輸 光纖芯數應用 標準 距離 信號/通道速率 通道數量 傳輸 光纖芯數100GBASE-PSM4PSM4 MSA

7、500 mNRZ 25 Gb/s4Parallel Optics(MPO)8100GBASE-CWDM4CWDM4 MSA2 kmNRZ 25 Gb/s4CWDM2100GBASE-DRIEEE 802.3ba500 mPAM4 100 Gb/s1Duplex2200GBASE-DR4IEEE 802.3bs500 mPAM4 50 Gb/s4Parallel Optics(MPO)8200GBASE-FR4IEEE 802.3ba2 kmPAM4 50 Gb/s4WDM2400GBASE-DR4IEEE 802.3bs500 mPAM4 100 Gb/s4Parallel Optics(MP

8、O)8400GBASE-FR4IEEE 802.3cu2 kmPAM4 100 Gb/s4WDM2白皮書:優化新的短距離單模部署4PAM4 的推出，加上超大規模和云計算數據中心的單模采購量增加，推動了單模光纖系統的成本下降。平均而言，一個短距離的 100GBASE-DR系統現在比 CWDM4 系統的成本低 80%，比PSM4 系統低 10%左右。如圖 1 所示，100GBASE-DR 單模系統的成本現在也與 100Gb/s 多模應用持平或更低，包括100GBASE-SR4 并行多模光纖應用和 100Gb/s雙向（BiDi）多模應用。圖 1：100G 信道價格，基于平均列表價格由于相對于傳統遠距

9、離單模應用的成本節約，短距離 DR 和 FR 單模應用預計將在企業數據中心中迅速普及，因為它們將骨干交換機到交換機的主干鏈路遷移到 100、200 和 400Gb/s 的速率。它們還支持具有成本效益的分支配置，在這種配置中，一個 200G 的交換機端口可分支為四個50G 的連接，或一個 400G 的交換機端口可分支為四個 100G 的連接，優化了端口利用率和交換機密度，從而降低了成本。DR 和 FR 應用對于正在向 400 和 800Gb/s 交換機到交換機主干鏈路以及 50、100 和 200Gb/s水平交換機到服務器鏈路遷移的云和超大規模數據中心來說也是很好的定位。IEEE 802.3df

10、 的400G/800G/1.6T 工作組已將 DR 和 FR 應用作為 800Gb/s 和 1.6Tb/s 應用的物理層目標的一部分，這將進一步推動這些應用在云和超大規模數據中心內的采用。白皮書:優化新的短距離單模部署 5以分貝（dB）為單位，插入損耗是指信號在沿線路傳輸時損失（即衰減）的功率，它受到線纜長度和連接點的影響。插入損耗還可能受到現場安裝變化的影響，如超過線纜的彎曲半徑要求、光纖連接器端面未對準或污染，以及收發器的老化。插入損耗是光纖應用的主要性能參數-如果它太高，信號就不能被遠端的收發器正確接納。最大信道插入損耗由收發器制造商和支持所有光纖應用的標準機構確定。作為現場安裝完成后的

11、一級和二級光纖測試的要求，插入損耗是用功率計或光損耗測試裝置來測量的，它將信道一端注入的功率和另一端接收的功率進行比較。表 2：最大信道插入損耗要求 應用 距離 最大信道插損 應用 距離 最大信道插損 多模多模SR/SR4100 m1.9 dBSRBD(BiDi)100m1.9 dB 短距離單模 短距離單模*DR/DR4500 m3 dB100GBASE-CWDM42 km5 dBFR4/FR82 km4 dB 長距離單模 長距離單模*LR/LR410 km6.3 dBER4/ER840 km15 18 dB*包含 500 米光纖 0.2dB 損耗和 2 km 光纖的 0.8 dB 損耗雖然長

12、距離單模 LR 和 ER 光纖應用提供了充足的插入損耗預算，可以達到 18dB，但長期以來，企業數據中心一直受到更為嚴格的僅 1.9dB 的高速40Gb/s 及以上的多模光纖應用插入損耗預算的挑戰。較低的高速多模光纖系統最大插入損耗要求是推動低損耗和超低損耗多模連接產品發展的關鍵因素。requirements for high-speed multimode systemswere a key driver in the development of low-loss如表 2 所示，與長距離單模應用相比，較新的短距離 DR 和 FR 單模應用的寬松規格也受到插入損耗預算大幅降低的影響。然而，在

13、 3 至 5dB 的水平下，短距離單模最大信道插入損耗的要求仍比多模應用的限制要來得少。新的插入損耗和反射率要求新的插入損耗和反射率要求白皮書:優化新的短距離單模部署 6光纖系統的另一個關鍵性能參數是反射率，即連接器所反射的光量與注入光量的比。反射率是由光纖中的雜質和不同折射率的介質間變化所引起的，如玻璃和空氣，它發生在耦合、開放和受污染的連接器上。與插入損耗一樣，反射率也是以分貝為單位測量的，但它表示為一個負數。請注意，雖然 IEEE 應用標準規定了反射率，但像ANSI/TIA-568-3.D 這樣的布線標準提的是回波損耗，它表示為一個正數?；夭〒p耗是反射率的簡單倒數，定義為注入的光量與反射

14、回來的光量的比較。要記住的一個簡單原則是，反射率或回波損耗值離零越遠越好。單模收發器更容易受到反射的影響，特別是在1500 納米(nm)以上的波長。這就是為什么單模應用通常使用斜角物理接觸(APC)連接器，并且成為電信運營商 FTTX 和無源光網絡的事實標準，這些網絡在單模光纖上通過更高的波長發送視頻。與具有圓形光纖端面的超物理接觸(UPC)連接器不同，APC 連接器端面是以 8 度角進行研磨的。傾斜的表面使大部分反射的光信號偏轉到圍繞著光纖纖芯的光纖包層中，減少反射到收發器的光量。如圖 2 所示，UPC 連接器的反射值通常為-50dB 左右，而 APC 連接器的反射值為-65dB 左右。根據

15、行業標準，單模 UPC 連接器的顏色是藍色，而 APC 連接器是綠色的。高速短距離單模收發器甚至更容易受到反射率的影響。這導致IEEE根據信道中耦合對的數量來定義 DR 和 FR 應用的反射值。如表 3 所示，如果400GBASE-DR4 應用中耦合連接器的反射率為-45 dB，則信道中只能包括四個連接器對。如果改進后的反射率為-49 dB，則可以包括 10 個連接器對。如果不能滿足 DR 和 FR 應用的離散反射率要求，則需要降低最大信道插入損耗。channel insertion loss will need to be reduced.圖 2:8 度斜角端面的 APC 連接器將更多光量反

16、射到包層內，減少反射至收發器的光量400GBASE-DR4(IEEE802.3bs)離散反射數量離散反射數量#高于 高于-55 dB 每個離散反射的最大值 每個離散反射的最大值1-37 dB2-42 dB4-45 dB6-47 dB8-48 dB10-49 dB400GBASE-FR4(IEEE802.3cu)離散反射數量離散反射數量#高于 高于-55 dB 每個離散反射的最大值 每個離散反射的最大值1-25 dB2-31 dB4-35 dB6-38 dB8-40 dB10-41 dB表 3：由于高速短距離單模光纖收發器更容易收到反射的影響，IEEE根據信道內的耦合對數為 DR 和 FR 應用

17、定義了反射率指標。白皮書:優化新的短距離單模部署7 單模光纖清潔考慮 單模光纖清潔考慮 光纖端面的清潔度對插入損耗和反射性能都有影響，由于單模光纖的纖芯尺寸較小，因此端面清潔對于單模光纖來說比多模光纖更為關鍵。單模光纖端面的一粒細小灰塵會阻擋更多的光信號，甚至會阻擋所有的光信號，如本圖所示。這正是 IEC 61300-3-35 光纖連接器目測檢查標準對單模光纖更嚴格的原因。例如，多模光纖芯的清潔度標準，對尺寸等于或小于 3 微米(m)的劃痕數量，及不超過四個的小于或等于 5m 的缺陷數量沒有限制。相比之下，根據 IEC 61300-3-35 標準單模光纖芯不能包含任何劃痕或缺陷。因此，適當的清

18、潔和檢查在任何單模光纖部署中都是至關重要的。即使是單模 APC 連接器也需要一個有角度的檢查鏡頭來進行適當的檢查。雖然較新的短距離單模應用是一個非常具有成本效益的高速數據中心光纖鏈路的選擇，但數據中心設計者需要考慮更嚴格的插入損耗要求，并仔細審查光纖組件的損耗值，包括圖 3 所示常見數據中心配置中使用的跳線、預端接光纜、模塊和適配器。超低損耗連接件的優勢超低損耗連接件的優勢圖 3：常見數據中心拓撲結構白皮書:優化新的短距離單模部署 8值得注意的是，插入損耗值因供應商而異，許多供應商提供標準損耗、低損耗和超低損耗的多種系列產品。表 4 顯示了四個不同供應商的常用單模光纖組件的不同插入損耗值。由于

19、差異性，數據中心設計者需要為每個組件指定所需的值，或指定他們明確知道會符合這些值的供應商。他們還需要確保在他們的插入損耗預算計算中使用最大的損耗值，而不是不受保證的典型損耗值（見底欄）。插入損耗的典型值和最大值插入損耗的典型值和最大值 數據中心設計者通過疊加信道中所有光纖組件的插入損耗值來計算他們的插入損耗預算，包括給定長度的光纜損耗和信道內任何光纜組件、光跳線、光連接器和接頭的損耗。這些插入損耗值是由元件供應商公布的，作為其產品規格的一部分。然而，一些供應商同時公布典型值和最大值，而其它供應商可能只公布典型值或只公布最大值。這可能會給設計者帶來一些困擾，即在計算插入損耗預算時應使用哪個值。在

20、計算插入損耗預算時，只應使用最大插入損耗值。這可以確保有足夠的余量讓光學器件正常運行，并應對各種現場變量,如安裝不良的光纜、污損的端面、纖芯錯位、老化的發射器和其他因素等。相比之下，典型的插入損耗值主要是出于營銷目的，從基于典型端接和研磨技術的產品測試中位數產生。由于典型的損耗值是不保證的，而且可能不是性能的真實指示,設計者應考慮避免使用那些只公布典型損耗值的供應商的組件。四家供應商的單模光纖部件插入損耗值 四家供應商的單模光纖部件插入損耗值 LC 跳線連接器 供應商跳線連接器 供應商 A 供應商供應商 B 供應商供應商 C供應商供應商 D 標準 0.30 dB0.67 dBN/AN/A 低損

21、耗 0.25 dB0.45 dB0.75 dB0.35 dB 超低損耗(ULL)0.20 dB0.25 dB0.25 dB0.25 dBMPO 預端接連接器 供應商預端接連接器 供應商 A 供應商供應商 B供應商供應商 C 供應商供應商 D 標準 0.60 dB0.67 dBN/AN/A 低損耗 N/A0.45 dB0.75 dB0.75 dB 超低損耗(ULL)0.30 dB0.35 dB0.35 dB0.50 dBMPO-轉轉-LC 模塊 供應商模塊 供應商 A 供應商供應商 B 供應商供應商 C供應商供應商 D 標準 1.0 dBN/AN/A0.75 dB 低損耗 N/A1.05 dB1

22、.0 dBN/A 超低損耗(ULL)0.50 dB0.60 dB0.60 dBN/A表 4：不同供應商的損耗值差異很大白皮書:優化新的短距離單模部署9設計者應該意識到，標準損耗連接可能無法支持短距離單模應用的更嚴格的插入損耗要求。由于信道中的每個連接都會增加插入損耗，設計者還需要仔細考慮支持其首選數據中心設計所需的連接點數量和損耗值，并提供額外的余量以應對各種變量，如安裝不良的布線、污損的端面、纖芯錯位、老化的發射器和其他因素等。例如，在交換機到交換機的鏈路內實施交叉連接，就會給一個雙連接的信道增加額外的連接點，從而形成一個四連接的信道。即使是低損耗的連接也會妨礙實施交叉連接和/或提供足夠的余

23、量。支持一個信道中便于跳接的交叉連接所需的連接數量，同時也提供額外的余量，只有使用超低損耗連接部件才能得到保證。在雙工應用和分支中常用的 MPO-LC 轉換模塊或分支組件中尤其如此，因為這些模塊/組件包括MPO 連接器和 LC 連接器的損耗。在表 5 中，很明顯，ULL 連接很容易支持滿足便于跳接的交叉連接所需的四個連接，并有足夠的余量來確保短距離單模 DR 和 FR 應用的性能和可靠性。單模應用單模應用最大損耗最大損耗光纖損耗光纖損耗 MPO-轉轉-LC 模塊數量模塊數量 MPO 適配器數量適配器數量標準1.0 dB低損0.6 dB超低損0.5 dB標準0.65 dB低損0.45 dB超低損

24、0.3 dBDR3 dB 0.2 dB245469 FR4 dB0.8 dB3564710表 5：短距離單模 DR 和 FR 信道中標準損耗、低損耗和超低損耗 MPO-轉-LC 模塊和 MPO 適配器的數量，基于常見最大損耗值。部署交叉連接并確保足夠的余量對于數據中心實現靈活性、可管理性、可擴展性，提高部署速度和可靠性至關重要。在交叉連接配置中，光纖配線架復制了交換機端口，以提供“任意到所有”的靈活配置，其中任意交換機端口都可以通過交叉連接處的光纖跳線連接到任何其它交換機端口，如圖 4 所示，用于400GBASE-DR4 脊-葉架構部署。圖 4:400GBASE-DR4 信道的交叉連接配置，光

25、配架復制了交換機端口，提供一個“任意到所有”的設計，任意交換機端口可以通過光跳線連接到任何其它交換機的端口。白皮書:優化新的短距離單模部署10第三方驗證可以證明，此組件已經由一個獨立認可的第三方機構認證，符合特定的安全、質量或性能標準。當產品通過第三方驗證時，認證機構通常在其認可的測試實驗室根據公認的行業標準對組件進行隨機測試。長期以來，這些驗證在培養消費者對整個信息通信行業的信心方面發揮了重要作用，并使數據中心業主和運營商更放心，他們部署的組件將真正符合行業標準，滿足供應商的規范，并確保達到他們所要求的性能。為了驗證超低損耗單模連接件的最大插入損耗指標和回波損耗性能，我們委托 Interte

26、k 來進行第三方測試，該公司是一家在信息通信技術行業內值得信賴的著名檢驗、產品測試和認證公司。and return loss performance for ULL singlemode如圖 5（第11頁）所示，所采用的測試模型在 500 米的 400GBASE-DR4 應用中使用了 8 個 MPO 耦合器，在 2000 米的 400GBASE-FR4 應用中使用了 5 個 MPO-轉-LC 模塊和 1 個 MPO 耦合器。請注意，雖然有這么多連接的信道并不常見，但進行測試是為了模擬一種最壞的情況。測試結果清楚地表明，超低損、高性能的連接為兩種應用都提供了顯著的插入損耗和回波損耗余量。請記住，

27、插入損耗值越低，性能就越好?；夭〒p耗值越高，性能就越好。更靈活的設計 交叉連接實現了動態網絡設計，支持創建獨立的功能區/服務器集群。更便的管理和移增改 任何交換機端口都可以使用交叉連接處的光纖跳線連接到其他交換機的任何端口。這允許脊交換機端口每次可以連接到任何葉交換機端口，以最大限度地提高端口分配效率，減少閑置的活動端口。更快的部署和擴展 新的葉交換機可以很容易地在交叉連接處連接到空置的脊交換機端口。減少潛在的故障可能 高密度的連接在交叉連接處很容易管理，避免日后出現可能導致故障的“意大利面條”式布線場景。提升安全 在交叉連接中，關鍵的交換機可以保持安全和不受影響，這對于擁有多個獨立的交換機和

28、服務器團隊的數據中心，以及對于需要建立安全的電信匯接間(MMR)的托管數據中心特別理想。改善通信流量 在虛擬化和軟件定義的網絡(SDN)環境中，資源往往分布在多個服務器上，交叉連接能夠輕松地將分散的資源連接到同一個交換機。長期以來，數據中心一直依賴于通過交叉連接實現的“任意對所有”配置，以提供以下效益:第三方驗證的價值第三方驗證的價值 白皮書:優化新的短距離單模部署11如圖 6 所示，我們還在 400GBASE-DR4 和 400GBASE-FR4 應用的交叉連接場景下進行了測試，以證明超低損耗組件與標準損耗組件相比的價值。在 DR4 信道中，使用標準損耗組件的布線系統提供了一個非常小的余量。

29、考慮到安裝變量，標準損耗系統有可能最終超過 DR4 信道的最大插入損耗允許值 3.0dB，使系統完全無法運行。在使用較高損耗的 MPO-轉-LC 模塊的 FR4 信道中，使用標準損耗組件超過了最大信道插入損耗允許值 4.0dB，因此無法支持使用方便的交叉連接。圖 6:用于400GBASE-DR4 和 400GBASE-FR4 交叉連接短距離單模應用的超低損耗和標準損耗連接組件比較。圖 5：400GBASE-DR4 和 400GBASE-FR4 應用的超低損耗高性能單模連接系統的第三方測試結果WP_OptimizingShortReachSMDeployments_RevA 10/22W W W

30、.S I E M O N.C O MNorth AmericaP:(1)860 945 4200India,Middle East&AfricaP:(971)4 3689743EuropeP:(44)0 1932 571771Asia PacificP:(61)2 8977 7500Siemon Interconnect SolutionsP:(1)860 945 0303Latin America P:(571)657 1950/51/52MexicoP:(521)556 387 7708/09/10關于作者關于作者 Gary Bernstein,RCDD,CDCD 是西蒙公司的全球數據中心

31、解決方案專家。他有超過25年的 ICT行業經驗，在數據中心基礎設施、電信、銅纜和光纖結構化布線系統方面有豐富的知識。在Gary的職業生涯中，他曾在工程、銷售、產品管理、營銷和企業管理方面擔任過職務。他一直是TIA TR42.7銅纜布線委員會、TIA TR42.11光纖布線委員會和各種IEEE802.3 工作組和研究小組的成員，包括40/100G ba、50/100/200G cd、200/400G bs 和超越400G。Gary曾在一些行業活動中多次發表關于數據中心布線的演講，包括AFCOM、BICSI、Cisco Live和Datacenter Dynamics。此外，他還在行業出版物上撰寫

32、了多篇文章.Gary在亞利桑那州立大學獲得了機械工程的科學學士學位。他也是BICSI認證的RCDD 和Datacenter Dynamics的認證數據中心設計師(CDCD)。Gary 的郵箱地址為 gary_超大規模數據中心和云數據中心使用單模光纖為新興應用提供更高的100、200和400Gb/s速率支持，同時超越多模光纖所支持的100米距離的趨勢，正在被企業數據中心采納。較新的短距離單模應用是一個更具成本效益的解決方案，可以將這些速度支持至更遠的距離，DR應用支持到500米，FR應用支持到2000米。然而，隨著更嚴格的最大信道插入損耗要求和對優異的回波損耗性能的需求，數據中心需要密切關注供應商的插入損耗和回波損耗規范。為了使數據中心管理者們喜愛的交叉連接配置所能帶來的靈活性、可管理性、可擴展性、部署速度和可靠性得到保障，同時確保有足夠的余量來適應安裝變量，新的短距離單模應用需要超低損耗連接組件。換句話說，在為這些具有成本效益的應用選擇組件時，插入損耗很重要。而為了完全放心，數據中心業主和運營商應該考慮第三方測試驗證的價值?？偨Y總結For more information visit: your local Siemon distributor: Customer Support:customer_由于我們在持續改進產品，西蒙保留未經事先聲明即改變規格和可用性的權利。