如何使用光学互连器件优化数据中心的性能 (光学技巧)
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{本文由家电维修技术小编收集整理资料}为了支持云和其他数据中心在可靠、低延迟通信方面的需求，对高速、低功耗和耐用的光纤互连器件的需求也在增长。可通过对光纤收发器进行优化，以满足特定数据中心对高达每秒吉比特(G)传输速度的要求。光纤数据中心通信的重要模块标准包括小型可插拔(SPF)）、SPF+和四通道小型可插拔(QSFP)。SPF、SPF+和QSPF之间的区别之一是其额定传输速度。然而，这只是选择收发器需要考虑的一个因素；必须权衡功耗和热管理、所需的传输距离、工作温度范围、集成诊断功能和其他因素。此外，网络工程师需要一种有效的方法来测试光收发器的传输距离和*的灵敏度。为了支持云和其他数据中心在可靠、低延迟通信方面的需求，对高速、低功耗和耐用的光纤互连器件的需求也在增长。可通过对光纤收发器进行优化，以满足特定数据中心对高达每秒吉比特(G)传输速度的要求。光纤数据中心通信的重要模块标准包括小型可插拔(SPF)）、SPF+和四通道小型可插拔(QSFP)。SPF、SPF+和QSPF之间的区别之一是其额定传输速度。然而，这只是选择收发器需要考虑的一个因素；必须权衡功耗和热管理、所需的传输距离、工作温度范围、集成诊断功能和其他因素。此外，网络工程师需要一种有效的方法来测试光收发器的传输距离和*的灵敏度。本文首先回顾选择光纤收发器时的重要考虑因素，比较SPF、SPF+、QSFP和QSFP-DD（双密度）的硬件接口选项，并介绍IntelSiliconPhotonics、II-VI和CiscoSystems的收发器模块。本文最后介绍光纤设备的测试，包括ColorChip为G设备提供的回送模块和Multilane为下一代G收发器提供的评估板。单模与多模数据通信光纤由包裹在玻璃包层中的玻璃纤芯组成，且每根纤芯都有不同的折射率。典型多模(MM)光纤采用μm玻璃芯，工作波长为nm至nm，而单模(SM)光纤采用9μm玻璃芯，工作波长通常为nm至nm。在MM光纤的情况下，光波长比截止波长短，造成有多种模式的光在光纤中传播。SM光纤中较小的纤芯只能在指定的波长内传播一种模式的光（图1）。
图2：光收发器采用不同的波长来传输和接收数据。（图片来源：Cisco）电源和热数据中心*对电源和热成本非常敏感。虽然用于数据通信布线的非*双绞线(UTP)*低廉，但UTP收发器可能会消耗约5W的功率，而光纤收发器只需要1W或更少。UTP收发器额外产生的热量必须从数据中心移除，这将使整个能耗成本增加一倍，甚至达到十倍。与UTP解决方案相比，除了线路非常短和数据低率，光纤收发器总是具有几乎很低的总寿命运行成本。与光纤布线相比，UTP电缆的直径也较大。UTP电缆直径可能太大，无法接入在高密度数据中心地板下安装的一些电缆盘中。此外，对于传输速度为G的Cat6A电缆，UTP电缆之间的交叉串扰可能难以控制。MM光纤使用成本较低的收发器，但当并行光学器件用于G或G传输时，布线会更昂贵。随着数据率的不断升高，SM光纤可能提供了低功耗、低成本和小尺寸解决方案的最佳组合。温度范围选择数据中心所处环境各异，从专用设施到办公室、仓库和工厂的通讯间。光纤收发器有三个标准温度范围，以满足特定环境的需要：·0°C至+°C，称为C-temp或COM，用于商业和标准数据中心环境。·-5℃至+℃，称为E-temp或EXT，用于更具挑战性的环境。·-°C至+°C，称为I-temp或IND，用于工业装置。典型光收发器预计将在比环境温度高约度的条件下运行。在环境超过+°C或低于-°C的环境中，需要使用IDN级收发器。一些应用要求收发器能够“冷启动”。冷启动期间，网络可以访问收发器的I²C和其他低速接口，但需要在外壳温度达到-℃时才开始数据通讯。为了确保网络可靠运行，监测光纤收发器的工作温度很重要。数字光学监测数字光学监测(DOM)也被称为数字诊断监测(DDM)，由SFF-定义，是多源协议(MSA)的一部分，专注于光纤收发器的数字监测。具体监测能力如下：·监测模块的工作温度·监测模块的工作电压·监测器模块的工作电流·监测发射和接收光功率·如果参数超过安全水平，发出警报·根据要求提供模块工厂信息SFF-规定的DOM定义了具体的报警标志或报警条件。DOM帮助网络管理员监测模块性能，并在模块出现故障前确定可能需要更换的模块。高达G的光收发模块已通过I²C控制接口管理，使用SFF定义的基本存储期映射命令*。由于包含了需要复杂均衡的PAM-4接口，较高速模块的管理更加复杂。通用管理接口规范(CM*)是为了在高速模块中取代或补充SFF-/而制定的。外形尺寸和调制方案SFP收发器可用于铜和光纤网络。使用SFP模块可以使各个通信端口采用不同类型的收发器。SFP的外形尺寸和电气接口是由MSA规定的。基本SFP收发器可支持光纤通道高达4G的数据速率。较新的SFP+规范支持高达G的数据速率，而最新的SFP规范支持高达G的数据速率。较大型QSFP收发器标准支持的传输速度比相应的SFP单元快四倍。QSFP变体具有高达G的数据速率，而QSFP则达到G。一个QSFP收发器集成了四个发射通道和四个接收通道，“”意味着每个通道可以支持高达G的数据速率；因此，一个QSFP可以支持4×G配置（分线），2×G分线或1×G（取决于具体收发器）。由于QSFP端口比SFP大，所以有适配器，从而可将SFP收发器放入QSFP端口中。最新的变体是QSFP-DD，与普通QSFP模块相比，其接口数量增加了一倍。此外，新规范还包括对脉冲振幅调制4(PAM4)的支持，其传输速度达到G，与QSFP模块相比，传输速率增加一倍，使端口速度总体上增大4倍。在光纤收发器中使用的传统不归零(NRZ)调制将光强调制为两级。PAM使用四个光强级别，在每个光脉冲周期内进行双比特编码，而非单比特，从而在相同的带宽内几乎可以实现两倍的数据（图3）。图3：更复杂的PAM4比NRZ传输更多的数据。（图片来源：Cisco）用于大型数据中心的QSFP-DD大型云和企业数据中心的设计者可以采用IntelSiliconPhotonics的SPTSHP*MCDFQSFP-DD光收发器。该模块具有2km的传输能力，规定在0°C至+°C范围内运行，支持通过SM光纤实现G光链路或支持4个G光链路的分线应用（图4）。这款QSFP-DD收发器的特点包括：·符合4xGLambdaMSA光接口规范和IEEEGBASE-DR4光接口标准·符合IEEE.3bsGAUI-8(CDAUI-8)电气接口标准·符合CM*管理接口标准，通过I²C进行全模块诊断和控制图4：QSFP-DD收发器的传输范围为2km。（图片来源：Intel）多模SFP+FTLFP5BCzSFP+光收发器集成了DDM功能，用于在MM光纤上实现G数据速率（图5）。设计工作范围为0°C至+°C。其他特性包括：·nm垂直腔侧发射激光器(VCSEL)发射器·通过/μmOM4、M5FMMF光缆可传输m·通过/μmOM3、M5EMMF光缆传输m·使用OM3光缆时，m的误码率为1E-；使用OM4光缆时，m的误码率为1E-·最大功耗1W图5：SFP+收发器的额定传输能力为G，使用MM光纤。（图片来源：II-VI）SPF单模Cisco的SFP-G-BXD-I和SFP-G-BXU-I采用SM光纤，支持长达km的传输距离。一个SFP-G-BXD-I总是与一个SFP-G-BXU-I连接。SFP-G-BXD-I传输nm通道，接收nm信号，而SFP-G-BXU-I以nm波长发射，接收nm信号。这些收发器还包括DOM功能，可实时监测性能。用于测试的环回网络和测试工程师、技术人员可以使用光纤环回和环回模块来测试光网络设备的传输能力和*灵敏度。ColorChip提供了一种回环模块，可在-°C到+°C条件下支持次循环的高使用场景（图6）。这种环回模块包括由软件定义的多种功耗，可对光模块功率和嵌入式*损耗特性进行*，从而对/G以太网、Infiniband和光纤通道的真实布线的进行*。内置浪涌电流保护降低了被测设备的损坏风险。这种环回模块的用途包括端口测试、现场部署测试和设备故障机修到这里，终于修好值得探讨。。图6：这种环回模块用于测试光收发器性能。（图片来源：Digi-Key）GQSFP开发套件Multilane为准备使用下一代G收发器的网络工程师提供了高效易用的ML-MCB平台，可用于QSFP-DD收发器和有源光缆的编程、测试（图7）。GUI支持QSFP-DDMSA定义的所有功能，并简化配置过程。该平台可用于*QSFP-DD收发器模块测试、特征描述和制造的实际环境，符合OIF-CEI-G-VSR-PAM4和OIF-CEI-G-VSR-NRZ规范。图7：该开发平台旨在与下一代G收发器搭配使用。（图片来源：Digi-Key）结语光纤收发器满足数据中心网络工程师对高速、紧凑和低功耗解决方案的需求。这些收发器的格式多样，具有三个标准工作温度范围，配备SM或MM光纤。环回模块可用于验证光纤网元的性能。开发平台可用于探索G收发器的功能，为下一代基于光纤的网络做好准备。免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用*、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理。推荐阅读：RS瑞森半导体LLC恒流方案RSCS的案例分享如何集成GaN功率级以实现高效的电池供电BLDC电机推进*用方波构建准正弦波一种更好的BLDC电机通信方法如何使用正确的示波器简化CAN总线网络测试
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图1：SM光纤中的小纤芯*了其只能传播一种模式的光。（图片来源：Cisco）与不受这些影响的SM光纤相比，模态色散和模态噪声*了MM光纤的带宽。此外，与MM光纤相比，SM光纤具有更长的传输距离。用光学形式传输数据是通过在通信的每个方向使用不同的波长来实现的。例如，一套光收发器使用nm和nm的波长组合。其中一个收发器发射nm信号并接收nm信号，而另一个收发器发射nm信号并接收nm信号（图2）。图2：光收发器采用不同的波长来传输和接收数据。（图片来源：Cisco）电源和热数据中心*对电源和热成本非常敏感。虽然用于数据通信布线的非*双绞线(UTP)*低廉，但UTP收发器可能会消耗约5W的功率，而光纤收发器只需要1W或更少。UTP收发器额外产生的热量必须从数据中心移除，这将使整个能耗成本增加一倍，甚至达到十倍。与UTP解决方案相比，除了线路非常短和数据低率，光纤收发器总是具有几乎很低的总寿命运行成本。与光纤布线相比，UTP电缆的直径也较大。UTP电缆直径可能太大，无法接入在高密度数据中心地板下安装的一些电缆盘中。此外，对于传输速度为G的Cat6A电缆，UTP电缆之间的交叉串扰可能难以控制。MM光纤使用成本较低的收发器，但当并行光学器件用于G或G传输时，布线会更昂贵。随着数据率的不断升高，SM光纤可能提供了低功耗、低成本和小尺寸解决方案的最佳组合。温度范围选择数据中心所处环境各异，从专用设施到办公室、仓库和工厂的通讯间。光纤收发器有三个标准温度范围，以满足特定环境的需要：·0°C至+°C，称为C-temp或COM，用于商业和标准数据中心环境。·-5℃至+℃，称为E-temp或EXT，用于更具挑战性的环境。·-°C至+°C，称为I-temp或IND，用于工业装置。典型光收发器预计将在比环境温度高约度的条件下运行。在环境超过+°C或低于-°C的环境中，需要使用IDN级收发器。一些应用要求收发器能够“冷启动”。冷启动期间，网络可以访问收发器的I²C和其他低速接口，但需要在外壳温度达到-℃时才开始数据通讯。为了确保网络可靠运行，监测光纤收发器的工作温度很重要。数字光学监测数字光学监测(DOM)也被称为数字诊断监测(DDM)，由SFF-定义，是多源协议(MSA)的一部分，专注于光纤收发器的数字监测。具体监测能力如下：·监测模块的工作温度·监测模块的工作电压·监测器模块的工作电流·监测发射和接收光功率·如果参数超过安全水平，发出警报·根据要求提供模块工厂信息SFF-规定的DOM定义了具体的报警标志或报警条件。DOM帮助网络管理员监测模块性能，并在模块出现故障前确定可能需要更换的模块。高达G的光收发模块已通过I²C控制接口管理，使用SFF定义的基本存储期映射命令*。由于包含了需要复杂均衡的PAM-4接口，较高速模块的管理更加复杂。通用管理接口规范(CM*)是为了在高速模块中取代或补充SFF-/而制定的。外形尺寸和调制方案SFP收发器可用于铜和光纤网络。使用SFP模块可以使各个通信端口采用不同类型的收发器。SFP的外形尺寸和电气接口是由MSA规定的。基本SFP收发器可支持光纤通道高达4G的数据速率。较新的SFP+规范支持高达G的数据速率，而最新的SFP规范支持高达G的数据速率。较大型QSFP收发器标准支持的传输速度比相应的SFP单元快四倍。QSFP变体具有高达G的数据速率，而QSFP则达到G。一个QSFP收发器集成了四个发射通道和四个接收通道，“”意味着每个通道可以支持高达G的数据速率；因此，一个QSFP可以支持4×G配置（分线），2×G分线或1×G（取决于具体收发器）。由于QSFP端口比SFP大，所以有适配器，从而可将SFP收发器放入QSFP端口中。最新的变体是QSFP-DD，与普通QSFP模块相比，其接口数量增加了一倍。此外，新规范还包括对脉冲振幅调制4(PAM4)的支持，其传输速度达到G，与QSFP模块相比，传输速率增加一倍，使端口速度总体上增大4倍。在光纤收发器中使用的传统不归零(NRZ)调制将光强调制为两级。PAM使用四个光强级别，在每个光脉冲周期内进行双比特编码，而非单比特，从而在相同的带宽内几乎可以实现两倍的数据（图3）。图3：更复杂的PAM4比NRZ传输更多的数据。（图片来源：Cisco）用于大型数据中心的QSFP-DD大型云和企业数据中心的设计者可以采用IntelSiliconPhotonics的SPTSHP*MCDFQSFP-DD光收发器。该模块具有2km的传输能力，规定在0°C至+°C范围内运行，支持通过SM光纤实现G光链路或支持4个G光链路的分线应用（图4）。这款QSFP-DD收发器的特点包括：·符合4xGLambdaMSA光接口规范和IEEEGBASE-DR4光接口标准·符合IEEE.3bsGAUI-8(CDAUI-8)电气接口标准·符合CM*管理接口标准，通过I²C进行全模块诊断和控制图4：QSFP-DD收发器的传输范围为2km。（图片来源：Intel）多模SFP+FTLFP5BCzSFP+光收发器集成了DDM功能，用于在MM光纤上实现G数据速率（图5）。设计工作范围为0°C至+°C。其他特性包括：·nm垂直腔侧发射激光器(VCSEL)发射器·通过/μmOM4、M5FMMF光缆可传输m·通过/μmOM3、M5EMMF光缆传输m·使用OM3光缆时，m的误码率为1E-；使用OM4光缆时，m的误码率为1E-·最大功耗1W图5：SFP+收发器的额定传输能力为G，使用MM光纤。（图片来源：II-VI）SPF单模Cisco的SFP-G-BXD-I和SFP-G-BXU-I采用SM光纤，支持长达km的传输距离。一个SFP-G-BXD-I总是与一个SFP-G-BXU-I连接。SFP-G-BXD-I传输nm通道，接收nm信号，而SFP-G-BXU-I以nm波长发射，接收nm信号。这些收发器还包括DOM功能，可实时监测性能。用于测试的环回网络和测试工程师、技术人员可以使用光纤环回和环回模块来测试光网络设备的传输能力和*灵敏度。ColorChip提供了一种回环模块，可在-°C到+°C条件下支持次循环的高使用场景（图6）。这种环回模块包括由软件定义的多种功耗，可对光模块功率和嵌入式*损耗特性进行*，从而对/G以太网、Infiniband和光纤通道的真实布线的进行*。内置浪涌电流保护降低了被测设备的损坏风险。这种环回模块的用途包括端口测试、现场部署测试和设备故障机修到这里，终于修好值得探讨。。图6：这种环回模块用于测试光收发器性能。（图片来源：Digi-Key）GQSFP开发套件Multilane为准备使用下一代G收发器的网络工程师提供了高效易用的ML-MCB平台，可用于QSFP-DD收发器和有源光缆的编程、测试（图7）。GUI支持QSFP-DDMSA定义的所有功能，并简化配置过程。该平台可用于*QSFP-DD收发器模块测试、特征描述和制造的实际环境，符合OIF-CEI-G-VSR-PAM4和OIF-CEI-G-VSR-NRZ规范。图7：该开发平台旨在与下一代G收发器搭配使用。（图片来源：Digi-Key）结语光纤收发器满足数据中心网络工程师对高速、紧凑和低功耗解决方案的需求。这些收发器的格式多样，具有三个标准工作温度范围，配备SM或MM光纤。环回模块可用于验证光纤网元的性能。开发平台可用于探索G收发器的功能，为下一代基于光纤的网络做好准备。免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用*、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理。推荐阅读：RS瑞森半导体LLC恒流方案RSCS的案例分享如何集成GaN功率级以实现高效的电池供电BLDC电机推进*用方波构建准正弦波一种更好的BLDC电机通信方法如何使用正确的示波器简化CAN总线网络测试 
