多模光纤万兆以太网的PMD之争

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IEEE802.3FDDI 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），吉比特以太网（1Gbps）和万兆以太网（10Gbps）支持单模和多模光纤的光学标准。

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。IEEE P802.3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1000Base-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（physical media dependents，与物理介质相关的规范），另外还有第三个标准正在标准委员会的评审

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1310nm1000Base-LX链路中使用的最多，由于结构简单，它比DFB的成本低很多。

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。

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。现今市场上的大部分收发器

芯片使用的是0.13微米CMOS，而下一代产品将使用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10Gbps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IEEE10GBase-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，如高密度服务点（POP）的互联。

10GBase-LX4PMD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。

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。长距离传输势必带来光学性能的降低，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。另外，在使用LX4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标准取得成功的重要原因，因为，高密度万兆以太网设备为