2.2.3 光纤信道

当前，世界上大部分的长途语音和数据流量是通过光纤电缆传输的。与使用电脉冲传输信息的传统铜缆不同，光纤通过光编码的数据传输。根据不同的标准，可以将光纤分为不同的类别。一种方法是将光纤分为单模光纤（Single Mode Fiber,SMF）和多模光纤（MMF）。MMF具有相对较大的纤芯直径（62.5μm），这导致了多种空间模式的传播，SMF和MMF对比如图2-8所示。较大的芯层直径更容易捕获来自光发射机的光，连接比较简单易实现，从而降低了光源成本。但是，由于核心材料的频率相关特性，多种模式的传播表现出不同的群速度和不同的群时延，从而导致了传输过程中的模式分散。因此，在长距离上，最快和最慢模式之间可能会产生大量时延，这最终会限制带宽能力。尽管存在固有的局限性，MMF仍可用于短距离通信，其衰减系数约为3.5dB/km，在850nm处的典型带宽-距离乘积为500MHz·km，每根光纤的传输速率可达10Gbit/s，距离可至300m。SMF的纤芯直径在8～10.5μm，这有助于传输单个模式。与MMF相比，SMF由于没有模式色散，每个光脉冲的保真度可以维持更长的距离。因此，SMF更适合长距离系统。低损耗阶跃折射率二氧化硅SMF（即SSMF）是在世界范围内最常见的部署光纤型号。国际电信联盟（ITU）在G.652建议书中对SMF物理规格进行了标准化[16]。在MMF中使用了一些低成本光源，如工作在850nm和1310nm波长的发光二极管（Light Emitting Diode, LED）和VCSEL。SMF通常使用激光或激光二极管作为光源，常用的SSMF波长为1310nm和1550nm。

图2-8 SMF和MMF对比

当前以太网标准中，SMF 与 MMF 不同标准传输光纤距离对比见表2-2。过去，由于 SMF的成本高昂，MMF在数据中心中被大量地部署。但是，随着技术的发展，SMF和MMF收发机之间的成本差异已极大缩小。几年前部署MMF OM1/OM2光纤的许多数据中心运营商现在意识到，早期的MMF不能支持更高的传输速率，如40GbE和100GbE。因此，一些MMF用户被驱动使用下一代OM3和OM4光纤，以支持基于标准的40GbE和100GbE接口。但是，MMF的物理限制意味着，随着数据流量的增长和光互连速度的提高，连接之间的距离必须减小。实际上，在大多数情况下，当前部署的MMF无法在与低速信号相同的距离上支持较高的速度。在MMF传输中，唯一的选择是并行部署更多光纤以支持更多流量。因此，尽管MMF已被广泛成功地使用了数代，但其局限性变得更加严重。以前，由于与MMF相比，SMF需要的可插拔光学器件的成本高，运营商不愿在数据中心部署SMF。但是，随着技术的进步和发展，SMF可插拔光学器件的成本得到极大程度的降低。目前，基于 Fabry-Perot 边缘发射单模激光器的收发机在价格和功耗上可与VCSEL（多模）收发机相媲美。此外，在MMF引入容量与距离折中的情况下，SMF消除了网络带宽的限制。这使运营商可以利用更高比特率的接口和波分复用（Wavelength Division Multiplexing,WDM）技术，将光纤设备可以支持更长距离的业务量增加3个数量级。所有这些因素使SMF成为数据中心光互连的优先选择。

表2-2 SMF与MMF不同标准传输光纤距离对比