光模块(Optical Module)作为光纤通信中的重要组成部分,是实现光电转换和电光转换功能的光电子器件。准确来说,光模块是几种类别的模块的统称,具体包括:光发送模块Transmitter、光接收模块Receiver、光收发一体模块Transceiver和光转发模块Transponder。通常我们所说的光模块,一般是指光收发一体模块(下同)。
光模块的工作原理不具体展开了。下面介绍几种光模块的关键参数指标。光模块的关键技术指标主要包含:发送光功率、接收光功率、过载光功率、接收灵敏度最大值、消光比。
需要注意的是,光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象,当出现此现象后,探测器需要一定的时间恢复,此时接收灵敏度下降,接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象,而且还非常容易损坏接收端探测器,在使用操作中应尽量避免强光照射,防止超出饱和光功率。
一般情况下,速率越高接收灵敏度越差,即最小接收光功率越大,对于光模块接收端器件的要求也越高。
传输速率越高,结构越复杂,由此产生了不同的封装方式。有SFP/eSFP、SFP+、SFP28、QSFP+、CXP、CFP、QSFP28等。
纤分为单模光纤、多模光纤。为了使用不同类别的光纤,产生了单模光模块、多模光模块。
中心波长指光信号传输所使用的光波段。目前常用的光模块的中心波长主要有三种:850nm 波段、1310nm 波段以及 1550nm 波段。
根据光模块传输距离的不同,大体可以分为:
光模块的传输距离受到限制,主要是因为光信号在光纤传输时会有一定的损耗和色散。
彩色光模块与其它类型的光模块的最大的区别是中心波长不同,一般的光模块的中心波长有850nm、1310nm和1550nm。彩色光模块承载了若干不同中心波长的光。彩色光模块分为粗集波光模块(CWDM)和密集波光模块(DWDM)两种。在同一波段下,密集波光模块的种类更多,所以密集波光模块对波段的资源利用更充分。中心波长各异的光在同一根光纤中可以互不干涉的传输,因此,通过无源合波器将来自多路彩色光模块不同中心波长的光合成一路进行传输,远端则通过分波器根据不同的中心波长将光分出多路,有效的节省了光纤线路。彩色光模块主要应用于长距离的传输线路。
使用长距光模块,其发送光功率一般大于过载光功率,因此需要关注光纤长度,保证实际接收光功率小于过载光功率。如果光纤长度较短,使用长距光模块时需要配合光衰使用,注意不能烧坏光模块。
光电模块通常称为电模块,又叫做光转电模块、RJ45模块,与光模块不同,电模块不进行光电转换。通过电模块的转接,可以用网线将两个光接口连接起来。目前华为只提供GE电模块,接口为RJ45接口,使用5类网线,支持1000BASE-T(IEEE 802.3ab)标准,最大传输距离为100m。
100G光模块的关键标准组织主要有两个,IEEE和MSA,两者之间互补而又互相借鉴。其中100GBASE开头的标准都是IEEE802.3提出的,命名规则如下:
每个字段具体规则如下:
第一个字端:XXX,表示速率,速率标准;100就是指100GE。
m:表示传输距离,常见距离有如下几种:
n:表示通道数量,表示100GE占用的SerDes通道数量。
除了以上规则,一般在后面还会有封装类型。
以太网的发展经历了1Mbit/s、10Mbit/s、100Mbit/s(FE)、1Gbit/s(GE)、10Gbit/s(10GE)到40Gbit/s(40GE)、100Gbit\s(100GE)的迅速变迁,随着大数据、智慧城市、移动互联网、云计算等业务的快速发展,网络流量已经呈现指数增长。对带宽持续增长的渴求将需要更高的带宽速率,光模块也将快速发展。在当前主流数据中心的物理架构网络中,普遍遵循Spine-Leaf(Clos网络架构)架构。通常以10GE接口作为接入侧服务器对接,Leaf侧上的上行链路则普遍采用40GE接口。在大型数据数据中心,已经普遍使用25G作为主流接入,100G上行链路。在需要高计算,高带宽的场景中,使用RDMA技术,GPU服务器等已经使用了100GE,甚至200GE接入的。数据中心交换机互联正在向大规模400GE互联演进。
25GE标准技术目前主要应用于数据中心的服务器接入。将从以下几个方面来解读为什么数据中心网络的接入速率是25Gbit/s,而不是已有的40Gbit/s。主要有以下几个原因。
1、技术实现的天然优势
提及25GE标准技术,就必须提到SerDes(串行器/解串器)。SerDes被广泛地应用在各种电路与光纤通信技术中,从计算机内部使用的PCIe到网卡、交换机内部芯片之间的互联,全部采用SerDes连接。可以说,所有的高速器件都是使用SerDes的串行组件连接,转化为最终接收器的数据**。一个交换机端口所需要的SerDes连接数量称为“通道数(Lane)**”。经过多年的技术发展,SerDes速度可以达到25Gbit/s,也就是说,从25Gbit/s网卡出来,经过交换机传输到另一端的25Gbit/s网卡,端到端的所连接全都只需要使用一条25Gbit/s速率的SerDes连接通道即可,而40GE端口则采用QSFP+封装类型,利用4个并行的10GE链路构成(每个10GE利用12.5GHz SerDes),需要4个SerDes通道。
另外,在汇聚层和骨干层已经成为主流的100GE端口,在前期的探索中已经有了成熟的IEEE 100Gbit/s 以太标准,它包括4个通道的25 Gbit/s电子信号,通过在4根光纤或者铜缆对上运行4个25Gbit/s的通道(IEEE 802.3bj)来实现,为了25GE标准方案的诞生奠定了一定的基础。而且100GE端口通过一条QSPF28转SFP28的一分四线缆,即可转换成4个25GE端口,从端口匹配来比较,相较于40GE也有明显的优势。
2、交换机性能提升
如果说40GE是10Gbit/s速率时代的产物,那么25GE则是技术上的大势所趋,单通道的25GE相比现有的10GE解决方案,将性能提升了2.5倍。同时,相对于机架服务器连接的40GE解决方案而言,25GE拥有更高的端口密度。25GE标准与40GE标准技术参数对比如下:
3、现有拓扑平滑演进,降低成本
25GE交换机上使用的SFP28封装类型的光模块,与10GE SFP封装类型的光模块一样,仅采用单通道连接,可以兼容现有拓扑的LC连接头类型的光纤。相较于从10GE升级到40GE而言,如果升级到25GE的话,支持从10GE以太网无缝迁移,无需重新规划拓扑以及重新布线。
为了满足不同距离的100GE上行场景需求,IEEE与MSA定义的100GE标准超过了10种,如下表所示,下面主要是数据中心网络中主流的几种标准。
100GBASE系列标准都是由IEEE 802.3制定的,具体命名规则已经在光模块命名那节已列出。
光纤的传输特性和光模块的制造成本决定了不同的应用场景,多模常用于短距离传输,单模常用于长距离传输。由前面总结可知,IEEE的100GBASE系列标准足以覆盖长短距离的数据中心传输,100GBASE-SR4和100GBASE-LR4是IEEE定义的最为常用的标准规范。但在大部分数据中心内部互联场景中,100GBASE-SR4支持的距离过短,100GBASE-LR4的成本过高。MSA提出的PSM和CWDM4标准则完美解决了中距离传输场景中的成本问题。
CWDM4是通过光学器件MUX和DEMUX将4条并行的25Gbit/s通道波峰复用到一条100Gbit/s光纤链路上,这一点与LR4类似,区别如下。
总结以上3点,100GBASE-LR4标准的光模块成本相较于100G CWDM4成本更高。除了CWDM4之外,PSM4也是中距离传输的一种选择方案。100G PSM4规范定义了8根单模光纤(4发4收)的点对点100Gbit/s链路,每个通道以25Gbit/s的速率发送,每个信号方向使用4个相同波长且独立的通道。由于CWDM4使用了波分复用器,所以光模块成本高于PSM4。但在收发信号时,只需要两根单膜光纤,远少于PSM4要求的8根单膜光纤。随着传输距离的增加,PSM4的成本随之增加。
光模块失效的主要原因:
光口污染和损伤的原因主要有:
这种情况下,对于污染的光口请用光口清洁棒等专用工具轻轻擦拭,对于损坏、划伤的尾纤请直接更换。