多模光纤万兆以太网的PMD之争

1、多模光纤万兆以太网的PMD之争本文关键字：光纤收发器网络千兆以太网数据通信 IEEE 802.3 FDDI 2.5G激光多模光纤是用户驻地网络中最受欢迎的光纤媒质，因为多模光纤可以使用便宜的LED和VCSEL作为光源，对于数据通信来说这种特性占有很大优势。随着多模光纤网络使用者对 带宽的需求越来越高，多模光纤标准和收发器技术也跟着向更高速率演进。这些标准必须考虑多模光纤的模式色散，因为模式色散决定了光纤的带宽上限， 而模式色散与波长、入射光的特性和光纤的折射率分布有关。通过这个带宽上限， 可以在波长、发射条件、传输距离和数据速率之间建立联系。IEEE已经制定了快速以太网（100Mbps），吉比

2、特以太网（IGbps）和万兆以太网（10Gbps）支持单模和多模光纤的光学标准。丹為以玄開事僵光幵金怜趣图:多模光纤的种类不同，万兆以太网PMD的性能也随之不同网络建设者必须确定哪种PMD能够满足其对成本和性能的要求。尤其是万兆以太网，标准制定者必须考虑各种光纤中的模式色散问题。由此提出了数种光纤和光收发器标准，网络规划者们在设计网络时必须考虑这些标准。在多模光纤网络的实际部署当中，有几个因素会影响收发器的选型。从千兆以太网到万兆以太网要了解使用多模光纤万兆以太网技术的演进，最好先看看千兆以太网的发展历史。IEEEP802.3标准化组织发布了两个关于多模光纤千兆以太网的标准，一个是1000Ba

3、se-SX，另一个是1000Base-LX。 1000Base-SX标准在通信光接口方面更加成功一些。现在，每个季度会有150万到200万端口的1000Base-SX设备交货。1000Base-SX标准只适用于各种多模光纤， 工作波长为850nm。1000Base-LX标准在1310nm波长工作，所以通常使用单模光纤（ SMF ）。不过它也可以使 用一些多模光纤。目前，每个季度会有几十万端口的1000Base-LX设备交货。与千兆以太网类似，万兆以太网标准为各种多模光纤制定了两个不同的PMD （physicalmedia dependents,与物理介质相关的规范），另外还有第三个标准正在标准

4、委员会的评审当中。已经批准发布的两个标准分别是10GBase-SR和10GBase-LX4 。10GBase-SR标准使用的波长与常用的1000Base-SX是一样的，但是，由于数据传输速率提高了，在使用传统的 62.5微米多模光纤时，传输距离减少到了 33米。 10GBase-LX4 标准则 使用与 1000Base-LX 相同的波长窗口， 也同时支持单模和多模光纤传输。 与单波长 LX 标准 （1000Base-LX ）不同的是， 10GBase-LX4 标准使用 1310nm 窗口中的四个波长，每波长传 输速率为2.5Gb/s，所以在低带宽光纤上也能传输更远的距离。正在被标准委员会评审的

5、新标准是 10GBase-LRM ，这个标准旨在解决 1000Base-LX4 因 4 波长并行而引起的器件制造难和成本偏高的问题。 在 10GBase-LRM 草案中， 使用单激光器， 使下一代串行收发器（如 XFP）的结构更简单，制造更容易。附图对三种 PMD 在不同类型的多模光纤上的链路长度进行了比较， 这三种万兆以太网 PMD 主要使用XENPAK、X2、XPAK和XFP四种光收发器，这四种光收发器有时统称为 X-模块。 为了满足下一代系统中高密度万兆以太网接口的要求， 收发器制造商正在降低这些模块的耗 电量、尺寸和成本，并要支持所有的 PMD 。为了实现以上目标，制造商将工作重点放在

6、了 光源和收发器芯片（IC）的选择和开发上。光源的主要成本来自半导体材料，万兆以太网传输器件可以使用两种基本的光电晶圆材料：砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP ）。这些III-V族材料性能优良，质量上乘，而且主要的半导 体激光二极管供应商都能提供。工作在 850nm 波长的 10GBase-SR 和 1000Base-SX 收发器 都使用砷化镓晶圆来制造收发器所需的垂直腔面发射（VCSEL）光源，而工作在1310nm波长的收发器一般使用磷化铟。 由于晶圆尺寸和批量规模的不同， 砷化镓光源的材料成本一般 是磷化铟光源的五分之一。第二个造成成本差异的因素是光源类型， 1990年代中期， VCSEL

7、 迅速商品化并广泛地应用 于 1000Base-SX。 VCSEL 有三个固有优势：一、圆形光束便于与光纤耦合；二、低阈值电 流降低了激光器本身及 IC 的功耗；三、在晶圆上即可进行测试，从而使 VCSEL 制造更像 IC制造，避免了封装坏芯片而造成的浪费。在万兆以太网中，850nm的VSCEL是10GBase-SR收发器的主要光源，而 1310nm 万兆以太网收发器一般使用 DFB 激光器作为光源。除了上 面两种光源，还有三种可选的光源：FP激光器、GainNAs VCSEL和SC-DBR。FP 激光器在 1310nm 1000Base-LX 链路中使用的最多，由于结构简单，它比 DFB 的

8、成本 低很多。SC-DBR 是一种新型光源，它的优点是阈值电流低，输出功率高，高频性能好。但是由于这 是一种新型光源，其质量和可靠性有待进一步检验。GaInNAs VCSEL 由于使用了砷化镓晶圆，成本更低，现在最受关注。它的阈值电流也很 低，所以功耗很小。但是它面临两个主要的挑战：输出功率和波长。在万兆数据速率下，很 难达到必需的输出功率。另外， GaInNAs 材料还必须进一步改进才能工作在 1310nm 波长， 现在它的实际发射波长要比 1310nm 短。现今市场上的大部分收发器同时，收发器芯片技术的发展一直在遵循摩尔定律不断前进着。芯片使用的是0.13微米CMOS，而下一代产品将使用

9、90nm CMOS。CMOS的使用极大地 降低了功耗和产品成本，当 90nm CMOS 产品被广泛采用时，功耗和成本将变的更低。另外，为了达到lOGbps全线速均衡，电子色散补偿和均衡器的使用也取得了很多重要进展。这些创新正在推动 IEEE 10GBase-LRM 标准草案的发展。PMD 的方向在哪里？最近，为了给多模光纤制订一个合理的传输长度标准， 我们最近对使用多模光纤的园区网进 行了多次调查。对多个园区网调查的结果显示出了很好的统计相关性。更确切地说：90%以上的链路长度小于 300米，而大于 300m 的链路的统计相关性很差。不幸的是，由于没有足 够细致的调查，无法得到更详细的链路长度

10、分布情况。链路长度的调查对于正在进行的 LRM 标准制订工作是相当重要的，因为每增加10 米的传输距离，光发射器和接收器的复杂度就会提高很多，成本也会相应增加很多。从1996年到1999 年期间，关于链路长度的大量调查统一了大批行业专家对传输距离的认识，那就是要 想使一种收发器被广泛并成功地使用， 300 米的传输距离是必需的。10GBase-SR 规范是为下面两种情况设计的：一、高带宽（ 2000MHz-km ）多模光纤， 300 米 链路长度。二、低带宽（ FDDI ）光纤， 30 到 80 米链路长度。这两种链路广泛地应用于高 带宽水平互联链路和建筑物内的垂直互连链路，也用于其他一些场合

11、，如高密度服务点（POP）的互联。10GBase-LX4 PMD 是为所有 300 米多模光纤链路和 10千米单模光纤链路设计的。 LX4 能 够支持较长的链路长度， 所以它可以用在用户驻地网的骨干链路上。 另外， 使用较早的低带 宽多模光纤的垂直互连也需要 LX4 来确保 300 米的链路长度。按目前的预测， 10GBase-LRM 标准仅会对多模光纤和 FDDI 光纤的 220 米链路长度进行规 范。IEEE委员会正在起草这个标准，即P802.3aq,他们的初始目标是确保300米的链路长度，但是后来将链路长度减小到 220 米。 链路长度的减小可以使产品较早地进入市场， 却是 以牺牲低带宽

12、光纤的传输距离为代价的。 然而，有人乐观地希望市场可以驱动收发器供应商 进行开发，做到即使在低带宽光纤上也能保证较长的传输距离。为多模光纤选择什么样的 PMD 光器件的主要决定因素就是价格。显然，串行方法（如 10GBase-LRM ）更加经济。 10GBase-LRM 草案要增加 10Gbps 全线速均衡功能，制订与 10GBase-LR 单模光纤收发器几乎相同的光传输规范。为了这个目的，LRM 要利用 CMOS收发器芯片强大的均衡功能降低光收发器的成本。长距离传输势必带然而， 除了成本问题， 光收发器供应商必须关注长距离传输的性能问题。来光学性能的降低，这时，光器件的价格就不是最重要的了。鉴于上述原因，LX4 有可能另外， 在使用 LX4继续长时间占领低带宽多模光纤市场， 这与先前行业分析师的估计不同。还是LRM上存在的困惑也有可能加速10GBase-SR标准被市场采用。采用串行结构是 10GBase-LRM 标准取得成功