多模光纖萬兆以太網(wǎng)的PMD之爭

多模光纖是用戶駐地網(wǎng)絡中最受歡迎的光纖媒質(zhì)，因為多模光纖可以使用便宜的LED和VCSEL作為光源，對于數(shù)據(jù)通信來說這種特性占有很大優(yōu)勢。   

隨著多模光纖網(wǎng)絡使用者對帶寬的需求越來越高，多模光纖標準和收發(fā)器技術也跟著向更高速率演進。這些標準必須考慮多模光纖的模式色散，因為模式色散決定了光纖的帶寬上限，而模式色散與波長、入射光的特性和光纖的折射率分布有關。通過這個帶寬上限，可以在波長、發(fā)射條件、傳輸距離和數(shù)據(jù)速率之間建立聯(lián)系。IEEE已經(jīng)制定了快速以太網(wǎng)（100Mbps），吉比特以太網(wǎng)（1Gbps）和萬兆以太網(wǎng)（10Gbps）支持單模和多模光纖的光學標準。

圖:多模光纖的種類不同，萬兆以太網(wǎng)PMD的性能也隨之不同   

網(wǎng)絡建設者必須確定哪種PMD能夠滿足其對成本和性能的要求。尤其是萬兆以太網(wǎng)，標準制定者必須考慮各種光纖中的模式色散問題。由此提出了數(shù)種光纖和光收發(fā)器標準，網(wǎng)絡規(guī)劃者們在設計網(wǎng)絡時必須考慮這些標準。在多模光纖網(wǎng)絡的實際部署當中，有幾個因素會影響收發(fā)器的選型。   

從千兆以太網(wǎng)到萬兆以太網(wǎng)   
要了解使用多模光纖萬兆以太網(wǎng)技術的演進，最好先看看千兆以太網(wǎng)的發(fā)展歷史。IEEEP802.3標準化組織發(fā)布了兩個關于多模光纖千兆以太網(wǎng)的標準，一個是1000Base-SX，另一個是1000Base-LX。1000Base-SX標準在通信光接口方面更加成功一些。現(xiàn)在，每個季度會有150萬到200萬端口的1000Base-SX設備交貨。1000Base-SX標準只適用于各種多模光纖，工作波長為850nm。1000Base-LX標準在1310nm波長工作，所以通常使用單模光纖（SMF）。不過它也可以使用一些多模光纖。目前，每個季度會有幾十萬端口的1000Base-LX設備交貨。   

與千兆以太網(wǎng)類似，萬兆以太網(wǎng)標準為各種多模光纖制定了兩個不同的PMD（physicalmediadependents，與物理介質(zhì)相關的規(guī)范），另外還有第三個標準正在標準委員會的評審當中。已經(jīng)批準發(fā)布的兩個標準分別是10GBase-SR和10GBase-LX4。10GBase-SR標準使用的波長與常用的1000Base-SX是一樣的，但是，由于數(shù)據(jù)傳輸速率提高了，在使用傳統(tǒng)的62.5微米多模光纖時，傳輸距離減少到了33米。10GBase-LX4標準則使用與1000Base-LX相同的波長窗口，也同時支持單模和多模光纖傳輸。與單波長LX標準（1000Base-LX）不同的是，10GBase-LX4標準使用1310nm窗口中的四個波長，每波長傳輸速率為2.5Gb/s，所以在低帶寬光纖上也能傳輸更遠的距離。   

正在被標準委員會評審的新標準是10GBase-LRM，這個標準旨在解決1000Base-LX4因4波長并行而引起的器件制造難和成本偏高的問題。在10GBase-LRM草案中，使用單激光器，使下一代串行收發(fā)器（如XFP）的結構更簡單，制造更容易。附圖對三種PMD在不同類型的多模光纖上的鏈路長度進行了比較，這三種萬兆以太網(wǎng)PMD主要使用XENPAK、X2、XPAK和XFP四種光收發(fā)器，這四種光收發(fā)器有時統(tǒng)稱為X-模塊。為了滿足下一代系統(tǒng)中高密度萬兆以太網(wǎng)接口的要求，收發(fā)器制造商正在降低這些模塊的耗電量、尺寸和成本，并要支持所有的PMD。為了實現(xiàn)以上目標，制造商將工作重點放在了光源和收發(fā)器芯片（IC）的選擇和開發(fā)上。   

光源的主要成本來自半導體材料，萬兆以太網(wǎng)傳輸器件可以使用兩種基本的光電晶圓材料：砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）。這些III-V族材料性能優(yōu)良，質(zhì)量上乘，而且主要的半導體激光二極管供應商都能提供。工作在850nm波長的10GBase-SR和1000Base-SX收發(fā)器都使用砷化鎵晶圓來制造收發(fā)器所需的垂直腔面發(fā)射（VCSEL）光源，而工作在1310nm波長的收發(fā)器一般使用磷化銦。由于晶圓尺寸和批量規(guī)模的不同，砷化鎵光源的材料成本一般是磷化銦光源的五分之一。   
第二個造成成本差異的因素是光源類型，1990年代中期，VCSEL迅速商品化并廣泛地應用于1000Base-SX。VCSEL有三個固有優(yōu)勢：一、圓形光束便于與光纖耦合；二、低閾值電流降低了激光器本身及IC的功耗；三、在晶圓上即可進行測試，從而使VCSEL制造更像IC制造，避免了封裝壞芯片而造成的浪費。在萬兆以太網(wǎng)中，850nm的VSCEL是10GBase-SR收發(fā)器的主要光源，而1310nm萬兆以太網(wǎng)收發(fā)器一般使用DFB激光器作為光源。除了上面兩種光源，還有三種可選的光源：FP激光器、GaInNAsVCSEL和SC-DBR。   

FP激光器在1310nm1000Base-LX鏈路中使用的最多，由于結構簡單，它比DFB的成本低很多。SC-DBR是一種新型光源，它的優(yōu)點是閾值電流低，輸出功率高，高頻性能好。但是由于這是一種新型光源，其質(zhì)量和可靠性有待進一步檢驗。GaInNAsVCSEL由于使用了砷化鎵晶圓，成本更低，現(xiàn)在最受關注。它的閾值電流也很低，所以功耗很小。但是它面臨兩個主要的挑戰(zhàn)：輸出功率和波長。在萬兆數(shù)據(jù)速率下，很難達到必需的輸出功率。另外，GaInNAs材料還必須進一步改進才能工作在1310nm波長，現(xiàn)在它的實際發(fā)射波長要比1310nm短。同時，收發(fā)器芯片技術的發(fā)展一直在遵循摩爾定律不斷前進著�，F(xiàn)今市場上的大部分收發(fā)器芯片使用的是0.13微米CMOS，而下一代產(chǎn)品將使用90nmCMOS。CMOS的使用極大地降低了功耗和產(chǎn)品成本，當90nmCMOS產(chǎn)品被廣泛采用時，功耗和成本將變的更低。   

另外，為了達到10Gbps全線速均衡，電子色散補償和均衡器的使用也取得了很多重要進展。這些創(chuàng)新正在推動IEEE10GBase-LRM標準草案的發(fā)展。   

PMD的方向在哪里？   
最近，為了給多模光纖制訂一個合理的傳輸長度標準，我們最近對使用多模光纖的園區(qū)網(wǎng)進行了多次調(diào)查。對多個園區(qū)網(wǎng)調(diào)查的結果顯示出了很好的統(tǒng)計相關性。更確切地說：90%以上的鏈路長度小于300米，而大于300m的鏈路的統(tǒng)計相關性很差。不幸的是，由于沒有足夠細致的調(diào)查，無法得到更詳細的鏈路長度分布情況。鏈路長度的調(diào)查對于正在進行的LRM標準制訂工作是相當重要的，因為每增加10米的傳輸距離，光發(fā)射器和接收器的復雜度就會提高很多，成本也會相應增加很多。從1996年到1999年期間，關于鏈路長度的大量調(diào)查統(tǒng)一了大批行業(yè)專家對傳輸距離的認識，那就是要想使一種收發(fā)器被廣泛并成功地使用，300米的傳輸距離是必需的。

10GBase-SR規(guī)范是為下面兩種情況設計的：一、高帶寬（2000MHz-km）多模光纖，300米鏈路長度。二、低帶寬（FDDI）光纖，30到80米鏈路長度。這兩種鏈路廣泛地應用于高帶寬水平互聯(lián)鏈路和建筑物內(nèi)的垂直互連鏈路，也用于其他一些場合，如高密度服務點（POP）的互聯(lián)。10GBase-LX4PMD是為所有300米多模光纖鏈路和10千米單模光纖鏈路設計的。LX4能夠支持較長的鏈路長度，所以它可以用在用戶駐地網(wǎng)的骨干鏈路上。另外，使用較早的低帶寬多模光纖的垂直互連也需要LX4來確保300米的鏈路長度。   
按目前的預測，10GBase-LRM標準僅會對多模光纖和FDDI光纖的220米鏈路長度進行規(guī)范。IEEE委員會正在起草這個標準，即P802.3aq，他們的初始目標是確保300米的鏈路長度，但是后來將鏈路長度減小到220米。鏈路長度的減小可以使產(chǎn)品較早地進入市場，卻是以犧牲低帶寬光纖的傳輸距離為代價的。然而，有人樂觀地希望市場可以驅(qū)動收發(fā)器供應商進行開發(fā)，做到即使在低帶寬光纖上也能保證較長的傳輸距離。 

為多模光纖選擇什么樣的PMD光器件的主要決定因素就是價格。顯然，串行方法（如10GBase-LRM）更加經(jīng)濟。10GBase-LRM草案要增加10Gbps全線速均衡功能，制訂與10GBase-LR單模光纖收發(fā)器幾乎相同的光傳輸規(guī)范。為了這個目的，LRM要利用CMOS收發(fā)器芯片強大的均衡功能降低光收發(fā)器的成本。   

然而，除了成本問題，光收發(fā)器供應商必須關注長距離傳輸?shù)男阅軉栴}。長距離傳輸勢必帶來光學性能的降低，這時，光器件的價格就不是最重要的了。鑒于上述原因，LX4有可能繼續(xù)長時間占領低帶寬多模光纖市場，這與先前行業(yè)分析師的估計不同。另外，在使用LX4還是LRM上存在的困惑也有可能加速10GBase-SR標準被市場采用。   
采用串行結構是10GBase-LRM標準取得成功的重要原因，因為，高密度萬兆以太網(wǎng)設備為了在一個背板上實現(xiàn)大于16的端口密度，就必須使用串行收發(fā)器。要求苛刻的企業(yè)和數(shù)據(jù)中心將是這種收發(fā)器的最大消費群。成本、功耗、媒質(zhì)和傳輸距離將共同決定哪種情況下使用哪種萬兆以太網(wǎng)PMD。每一種PMD對于駐地網(wǎng)中不同類型的鏈路都有其不同的優(yōu)勢。由于每種駐地網(wǎng)都有其獨特的用途，網(wǎng)絡建設者必須選擇出最適合自己網(wǎng)絡的PMD解決方案。