数据中心内光互联技术

易飞扬通信

数据中心内的链路距离较短，大多在几米到几百米的范围内。有的大型数据中心包括几个大的建筑物，建筑物和建筑物间的连接距离相对较长，但最长距离在2 km之内。虽然距离短，但随着数据中心速率的提高，铜缆已经难以胜任连接的要求，越来越多的连接采用光互连技术。
　　图7是目前数据中心以太网速率的演变图，这里有两个速率：服务器至交换机的速率和交换机至交换机的速率提高。一般数据中心的速率指的是交换机至交换机的速率。今天的数据中心正从40 Gbit/s向100 Gbit/s演变，下一代可能会跳过200 Gbit/s直接演进到400 Gbit/s。

　　图7 数据中心以太网速率
　　在这样的速率下，大多数链路采用光互连方案。因为距离短，光纤容易铺设，和长途干线不同，数据中心内部一般采用平行链路来提高互联速率，如图8所示。

　　图8 数据中心光互连链路框架
　　如对于40 Gbit/s和100 Gbit/s，采用4条平行通道，即4x 10 Gbit/s和4x25 Gbit/s。这4条平行通道可以是4根光纤或4个波长。在发射端，信号被分成平行的几路通道，经驱动电路放大后驱动激光器阵列(对于采用外调制器的方案，信号驱动调制器阵列)，电光转换后的信号藕合进光纤后传送到接收端。在接收端，光信号经探测器阵列转换成电信号，再经接收机电路处理后送到信号目的地。
　　自从1996年VCSEL被建议用作短距离数据通信以来，VCSEL一直在短距离数据通信中占有重要的地位。直到40 Gbit/s，多模技术(多模光纤和VCSEL相结合的技术)一直是数据中心光互连的主要技术。
　　到100 Gbit/s后，单通道速率达到25 Gbit/s，由于模式色散的影响，多模技术的传输距离受到限制，单模技术开始在数据中心应用得到重视。
　　根据采用多模还是单模、多个光纤还是多个波长，可以把100 Gbit/s技术分为4种类型：SR4、SWDM4、PSM4和CWDM4。这4种类型都是采用4个通道，每个通道速率为25 Gbit/s。
　　SR4和SWDM4采用多模技术，PSM4和CWDM4采用单模技术。SR4采用850 nm波长的VCSEL阵列和MPO多模光纤(双向8根光纤)，IEEE定义的最大传输距离为OM4光纤100 m。采用低线宽的VCSEL和均衡技术，SR4传输距离可增加到300 m。SWDM4也是采用多模技术，但和SR4不同的是它采用850~ 950 nm范围内4个波长的VCSEL阵列和双向两根多模光纤，传输距离和SR4相似。
　　PSM4和SR4相对应的单模技术，采用1 310 nm波长的DFB激光器阵列和MPO单模光纤，最大传输距离为500 m。CWDM4采用单模粗波分技术，即1270~1330 nm范围内相隔20 nm的4个波长。
　　相对于PSM4，CWDM4对激光器要求更高，且需要合分波器，但传输距离可达2 km。
　　这4种技术具体特性和性能指标列在表2中。具体采用哪种技术需要综合考虑性能和成本。单模技术传输距离较长，而且技术升级到更高速率时光纤仍然可以使用，有的数据中心看中这一点会优先考虑单模技术方案。但多模技术成本相对较低，对于大多数链路在100 m之内的数据中心，多模技术方案在成本上更具优势。

　　表2 4种100 Gbit/s技术
　　100 Gbit/s之后的下一个以太网速率很有可能是400 Gbit / s , IEEE 802.3在2014年启动了400Ghit/s以太网研究组，定义400 Gbit/s以太网标准。400 Gbit/s以太网物理层对多模光纤和单模光纤距离目标和100 Gbit/s一样。如图9所示，有多种方法可以使光通道达到400 Gbit/s。

　　图9 提高速率到400 Gbit/s的方法
　　一是增加通道速率，如提高符号速率或调制阶数，50 Gbaud的PAM4信号可以不改变现有通道数就可以实现400 Gbit/s;
　　二是增加光纤数，如在现有25 Gbit/s通道速率的基础上，采用16根光纤可以达到400 Gbit/s;
　　三是增加波长，如在PSM4基础上，每根光纤4个波长就可以实现400 Gbit/s。
　　不论采用哪种方法，400 Gbit/s的单位比特的成本和功耗应该比100 Gbit/s的低。
　　目前光模块采用热插拔的方式，通过交换机的面板接口和电子走线和交换芯片连接在一起，如图10(a)所示。随着交换机速率的提高，这段电子走线将会对信号产生愈来愈大的损伤，同时可插拔接口也限制了面板的密度。为解决这个问题，可以把光模块移到交换机中去，使光模块靠近交换芯片，光模块通过光纤接到面板上，这种方式称为板载光模块，如图10(b)所示。板载光模块不仅可以减少电子走线对信号的损伤，简化模块设计，还可以大大增加面部密度。最终电子芯片和光子芯片将集成在一起，大大简化系统、降低功耗和成本，如图10(c)所示。板载光模块和光电集成模块对器件的可靠性要求很高，因为板载模块和光电集成器件的故障都需要更换整个交换机电路板，不像更换可插拔光模块那样简单易操作。