技术盛宴丨浅谈数据中心100G光模块

传统数据中心主要基于10G网络架构，为了适应AI、深度学习、大数据计算等业务的规模部署，下一代数据中心架构正在向25G/100G网络架构演进，在国内已经看到BAT等互联网巨头都实现了规模部署。

建设25G/100G数据中心需要大量100G光模块，在网络建设成本中占比较高，100G光模块标准都有哪些，我们又该如何选择呢？今天就为大家简单梳理下数据中心100G光模块标准以及封装格式。

100G光模块标准组织

在开始分享光模块标准之前，先了解下光模块的标准化组织。对于光模块的定义主要是两个关键组织，即IEEE和MSA（Multi Source Agreement，多源协议），两者之间互补而又互相借鉴。

想必大家都知道IEEE是电子电气工程师协会，而802.3是IEEE下面的一个工作组，很多10G、40G、100G、400G的光模块标准都是由IEEE 802.3工作组提出的。

MSA是一种多供应商规范，相比IEEE算是一个民间的非官方组织形式，针对不同的光模块标准会形成不同的MSA协议，可以理解是产业内企业联盟行为。MSA除了定义光模块的结构封装（包括外形尺寸，电连接器，引脚分配等），也会定义电接口、光接口，从而形成完整的光模块标准。

很久以前光模块产业链很混乱，每个厂家都有各自的结构封装，开发的光模块有大有小，接口也是五花八门。为了解决这个问题，MSA多源协议应运而生，各厂家都遵循MSA提出的标准统一光模块的结构封装和相关接口，这就像手机充电口的标准化。针对100G，MSA定义的标准包括100G PSM4 MSA、100G CWDM4 MSA和100G Lambda MSA。

100G光模块标准

为了满足不同距离的100G互联场景，IEEE 以及MSA定义的100G标准超过十种，但是主流的是下面六种标准。

▲100G光模块主流标准

其中100GBASE开头的标准都是IEEE 802.3提出的。

如上图所示：

100GBASE-LR4名称中，LR表示long reach，即10Km，4表示四通道，即4*25G，组合在一起为可以传输10Km的100G光模块。

其中-R的命名规则如下：

▲-R名词解释

除了IEEE提出的100GBASE系列标准，为何MSA还提出了PSM4以及CWDM4标准呢？

100GBASE-SR4和100GBASE-LR4是IEEE定义的最常用的100G接口规范。但是对于大型数据中心内部互联场景，100GBASE-SR4 支持的距离太短，不能满足所有的互联需求，而100GBASE-LR4成本太高。因此，MSA为市场带来了中距离互联的解决方案，PSM4和CWDM4是这次革命的产物。

当然100GBASE-LR4的能力完全覆盖了CWDM4，但在2Km传输的场景下，CWDM4方案成本更低，更具竞争力。

下图是100GBASE-LR4以及100G CWDM4的原理图：

▲100GBASE-LR4原理图

▲100G CWDM4原理图

LR4和CWDM4从原理上类似，都是通过光学器件MUX以及DEMUX将4条并行的25G通道波分复用到一条100G光纤链路上。不过两者存在几点区别：

LR4使用的光学MUX/DEMUX器件更贵

CWDM4定义的是20nm 的CWDM间隔，因为激光器的波长温漂特性大约是0.08nm/°C，0~70°C 工作范围内的波长变化大约是5.6nm，通道本身也要留一些隔离带。

通道一：1264.5~1277.5nm

通道二：1284.5~1297.5nm

通道三：1304.5~1317.5nm

通道四：1324.5~1337.5nm

而LR4则定义了4.5nm的LAN-WDM间隔。

通道一：1294.53~1296.59nm

通道二：1299.02~1301.09nm

通道三：1303.54~1305.63nm

通道四：1308.09~1310.19nm

通道间隔越大，对光学MUX/DEMUX器件的要求就越低，可以节省成本。

LR4使用的激光器更贵，功耗更大

CWDM4使用DML（Direct Modulated Laser，直接调制激光器），而LR4使用EML （Electro-absorption Modulated Laser，电吸收调制激光器）。

DML是单颗激光器，而EML是两个器件，一颗是DML，另一颗是EAM调制器，合在一起叫做EML。DML的原理是通过调制激光器的注入电流来实现信号调制，由于注入电流的大小会改变激光器有源区折射率，造成波长漂移(啁啾)从而产生色散，做高速信号调制很困难，传的也不够远。10KM对于DML来说有点力不从心，只能上EML。

注：啁啾(Chirp)是指频率随时间而改变(增加或减少)的信号，这种信号听起来类似鸟鸣的啾声。

LR4需要额外增加TEC（Thermo Electric Cooler 半导体热电制冷器）

因为LR4的相邻通道之间只有4.5nm的间隔，所以激光器需要放到TEC上控温。电路上需要放置TEC Driver芯片，Laser也要集成到TEC材料上来做，这样一来，相比CWDM4，LR4的成本又有所增加。

基于以上三点，100GBASE-LR4标准的光模块成本更高，所以MSA提出的100G CWDM4标准很好地补充了100GBASE-LR4在2Km以内成本过高导致的空白。

除CWDM4之外，PSM4也是一种中距离的传输方案，那么相比CWDM4，PSM4有何优劣势呢？

100G PSM4规范定义了8根单模光纤（4个发送和4个接收）的点对点100 Gbps链路，每个通道以25 Gbps的速率发送。每个信号方向使用四个相同波长且独立的通道。因此，两个收发器通常通过8光纤MTP / MPO单模跳线进行通信。PSM4的传输距离最大为500米。

▲PSM4原理图

简单总结一下，如下图所示，由于使用了波分复用器，所以CWDM4的光模块成本要高于PSM4光模