千兆位以太网和光纤信道网络的半导体激光器技术

作者：Scott Kipp 　

摘要:本文介绍了城域网目前的发展趋势和促进本地千兆位以太网和光纤信道网络业务发展的动力，阐述了实现这些业务的网络系统基本状况、多方面的设计问题以及接口标准，并着重探讨和比较了三种半导体激光器技术。 

目前，千兆位以太网和光纤信道的信息，已有望在距离长达100公里的城域网(MAN)上进行有效传输，虽然仍处于研究阶段，但这将使LAN和SAN(存储区域网)的拓扑扩展成为可能。 

网络基础设施的主要发展趋势是提高未启用光纤容量的利用率，以及诸如千兆位以太网(IEEE 802.3z)和光纤信道(ANSI x3T11.2)等高宽带协议的标准化。但是，为了充分利用那些还未启用光纤的传输容量，网络的各个环节都需要将其架构与实现方法之间进行技术融合，这些环节包括网络、交换系统、半导体激光器以及标准收发器。 

城域网发展的动力 

一般而言，跨区的公司必须向综合服务提供商租用T1、T3、OC-3或其它线路，以便通过MAN来传输数据。绝大多数情况下，这些线路的运行租用费，以及LAN/SAN协议(如千兆位以太网或光纤信道)与MAN传输协议(如ATM和帧中继)之间相互转换的设备投资费用很高。例如，在ATM方式下，本地千兆位以太网上传输的许多较大IP数据包，必须分割成多个53字节的ATM信元，每个信元均有自己的起始位，这也带来相应的开销。  

 随着千兆位以太网和光纤信道分别逐渐成为LAN骨干网及SAN的标准，大多数公司网络管理人员将倾向于采用相同的协议，对其整个区域的设施进行拓扑连接，因为除了可有效简化网络拓扑结构以外，还可使公司网络易于扩展和维护。然而购买许可证并铺设覆盖整个城域的光缆的费用太大，所以绝大多数公司不打算建立自己的专用城域网。 

但是，在公司对光纤链路需求增长的同时，由于市政当局、公共事业部门以及电话服务提供商不断铺设的光纤比实际投入使用的更多，那些未充分利用的光纤数量也在不断增长。其实，光纤本身的成本在铺设光纤的总费用中所占比例很小，绝大多数光纤铺设公司也发现，当前铺设超过实际使用数量的光纤，比以后使用时再另外铺设这些光纤所花的费用要少得多。例如，只需要2对光纤时就铺设18对光纤，其成本要比18对光纤全部投入使用时再另外铺设一次的成本更低。另外，所有链路的光缆尺寸标准化以后，诸如挖光缆沟、埋线以及拉伸等高成本的操作也会标准化，因而可节约总的成本和时间。 

除了传统电话公司外，许多其他拥有许可证的单位也愿意投资铺设一些光缆。很多市政当局和公共事业部门已经沿着其现有的许可线路铺设了光纤，除了用于连接自己的设备，预计他们会将多余的容量租给服务提供商或直接租给公司用户使用。 

架构和实现问题 

尽管多余光纤总量的不断增长对公司和ISP具有相当大的吸引力，但要使这些光纤真正进行本地LAN和SAN业务的传输，还需要解决许多技术问题。其中涉及MAN网络光纤的长度和状况、交换系统的容量、半导体激光技术以及标准化收发器等。 

网络的状况第一个技术问题涉及如何直接接入可用光纤对，为LAN/SAN交换系统端点之间提供链路。这其中的关键问题包括链路的总长度问题，在现有交换点上链路的本地终结问题，以及未启用光纤的可利用率问题。 

长度问题可能会比较棘手，因为既使要连接的两个区域直线距离只有1到2公里或者更短，实际上要架设的最短光缆长度也会达到40至60公里。通常，光纤链路必须通过现有的中心站(CO)，而且必须遵照许可的路线，这会极大地增加实际的点到点距离。除此之外，诸如接头及连接器等光纤链路器件的数量及状况会增大链路信号的衰减程度，降低总的实际传输距离。ANSI/TIA/EIA 568-A标准规定了连接器和接头的规格，并规定每对连接器的衰减值在0.75dB以内，每个接头的衰减值在0.3dB以内。通常连接器的衰减值小于0.3dB，接头衰减小于0.1dB。激光收发器理想状态下可使MAN距离达到70至100公里，实际情况则依光纤的状况而定。 

可用光纤覆盖范围正在急剧扩大，因为如今许多城市在许可的区域内铺设新的光纤，此外，Level 3、Metromedia、IXC及Williams等一些国家和地区性的网络供应商，也在许多大城市铺设大容量光纤设施。在欧洲和日本，人口密集的地区相距较近，故各个中央站也相距较近，铺设的光纤也相当密集，从而有更多可能出租的光纤。此外，整个欧洲大量铺设光纤的势头，加剧了出租未启用光纤业务的竞争，使公司用户有更多的选择。 

对许多潜在的用户来说，关键问题在于能否直接将光纤接到他们的设备上。目前，在选择服务提供商时，电话和电缆公司应该是首选，因为其铺设的光纤无处不在。但是，其他光纤供应商正在稳步增加其光纤的覆盖面积和容量，供应商的选择取决于最终用户对实用性和供求关系等方面的综合考虑。 

交换系统问题 

在交换系统方面，最关键的问题是成本、端口可用性以及带宽容量。只要在载波光纤上，有一条可用链路能够在其波分多路复用(WDM)系统内进行重新分配，就容易获得所需的点到点链路。同时，用户端点也需要一定的端口，以连接到LAN骨干千兆位以太网交换机或连接到SAN光纤信道集线器、设备或环状交换机上。 

用户最为关注的问题是，能否在不改变现有交换设备外形尺寸和连接规范的情况下，直接与MAN光纤连接。基于成本的考虑，网络管理人员不会轻易采用非标准的接口方法。目前，采用工业标准的带有长距离激光器的千兆位接口转换器(GBIC)模块，能提供可插入、混合与匹配接口方案，可直接连接到MAN光纤上，而无需对用户现有的交换系统作任何改动。 

半导体激光器技术 

为达到MAN光纤链路所要求的距离，应采用分布式反馈(DFB)激光器来代替LAN和SAN光纤设备常用的FP激光器(Fabry-Perot laser)和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。  

 FP激光器是静态激光设备，它通过嵌入半导体结构内的共振FP腔来对光进行放大。这类激光器的发光腔体沿着器件的水平长度排列，可在反射镜面之间提供最大的物理距离。但是，FP激光器本身就可发射多种波长的光，光谱宽达到几个纳米。较大的谱宽限制了发射光在光纤上传输的距离。对于千兆位/秒的应用，FP激光器通常以1,310nm波长进行传输，最远的光纤距离为10公里。 
另一方面，VCSEL技术则代表最新的高容量低成本半导体激光器。

顾名思义，垂直腔激光由夹在有源发光半导体外延层之间的一叠垂直透明镜片而形成。多达60个这样的镜片层联结在一起，总厚度小于10um，可完成千兆位通信接口所需的激光发射。与功耗更大及需要更大晶圆面积的边缘发射激光器不同，它可从正好处于有源区域之上的芯片表面的一小块区域(5至25um)发射激光。尽管VCSEL对LAN/SAN而言是一种低成本的解决方案，但其固有的850nm波长限制了应用的范围，而主要用于长度为275米到550米的多模LAN/SAN光纤链路。  

 选用DFB激光来实现长距离、MAN网络规模的光纤链路，其主要原因是这种激光以1,550nm波长发射，此波长下的光纤衰减最低。采用波长为850nm的VCSEL激光时，光纤具有很高的衰减率，可达到1.8至2.0dB/km，因而只适用于短距离应用。采用波长为1,310nm的FP激光时，光纤仍有大约0.3至0.35dB/km的衰减。但是采用波长为1,550nm的DFB激光时，光纤只有0.2至0.25dB/km的衰减。由于光纤吸收1,310nm波长的光要比吸收1,500nm波长的光多35%，DFB激光技术自然就比FP激光技术更适合于长距离传输。  

 当然，DFB激光器不仅仅表示以更长的波长发射，它还需要考虑诸如色散等问题。尽管1,550nm波长的光带来的衰减较低，但此波长下存在着更多的色散。由于多色散会干扰信号脉冲并降低系统带宽、传输长度，故DFB设计还需要把待发射光的谱宽变窄。 

因此，DFB激光器采用内部反馈机制设计，以进一步将光调制到指定的波长上。为达到此目的，DFB激光器采用了一种沿共振腔长度分布的光栅。这种光栅提供了分布反馈功能，它只发射一种波长的光，同时去除其它波长的干扰光。此分布式光栅内的反馈机制限制了激光输出的谱宽，并使激光功率集中于一个小窗口内。 

1,550nm主波长模式下，DFB的谱宽很窄，只有0.05nm，而VCSEL及FP的谱宽要大得多,分别为0.85nm、2.75nm。尽管DFB激光器有两个明显的边模，但反馈功能可有效抑制这些边模，使其值不超过30dB。

DFB激光器的波长较长，谱宽较窄，而在这种波长和谱宽下光纤的本征衰减系数和色散干扰都最小，这使得DFB激光器的传输距离最长，实际链路距离可达到70至100公里，而FP所能支持的距离小于30公里。 

要达到70公里的传输距离(采用衰减系数小于0.3dB/km的光纤)，则衰减要求为21dB。然而，影响链路距离的其它因素还有连接器衰减和激光功率带来的衰减。功率衰减实际上是由发送端、接收端和光纤的带宽限制而引起的衰减。要将同样的光信号传输100公里，则要求使用高质量的光缆，其衰减系数大约为0.2dB/km。激光的最大输出功率要限制在不伤害人眼的安全范围内，即达到一级激光的标准，如此也会影响传输链路的长度。GBIC光收发器必须遵守所有国际上有关电气和光学安全的条例。 

GBIC接口模块的标准化 

 DFB激光器代表了现代通信技术，在实现电信网络长距离光纤链接方面，已经应用了10余年。但是，过去DFB激光器由于外形尺寸原因，还不能集成到MAN数据通信环境中。不过这种状况正在逐渐改变，GBIC规范详细描述了行业标准模块接口尺寸下，长距离DFB激光元件的设计规范。 

1995年，业内人士第一次提出并采用了一种用于可插入GBIC收发器模块的开放式规范，以便系统搭建者和网络管理人员可按要求对其光纤链路进行灵活配置，且更易于安装以及降低重新配置的成本。最初，GBIC标准是为了支持光纤信道数据网络，后来它也用于千兆位以太网设备。目前，GBIC标准的版本是5.4，已成为LAN和SAN环境下千兆位以太网和光纤信道系统接口的公认标准。 

由于GBIC是热插拔式的，网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响。热插拔性也简化了总的维护工作，并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。同时，由于这种热交换性能，GBIC模块可使网络管理人员能够根据网络升级要求，对收发成本、链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划，而无需对系统板进行全部替换。 

由于DFB半导体激光技术已逐渐符合GBIC的尺寸要求，网络管理人员在进行MAN连接时，可采用其内部网络的连接方法，直接与外部租用光纤相连。千兆位以太网、光纤信道开关或集线器上的所有端口都可根据需要进行动态分配，VCSEL GBIC可进行短距离LAN/SAN链路连接，FP GBIC则进行校园骨干网链路的连接，而DFB GBIC用于长距离MAN链路的连接。GBIC接口技术已获得交换系统供应商的广泛支持且维护人员已较为熟悉，它使网络管理人员可将其外部租用光纤视为其内部LAN/SAN的无缝扩展，加以维护。 

总结 

可用光纤数量的增加，以及先进激光技术和模块化接口技术的融合，扩展了长距离光纤上本地千兆位以太网以及光纤信道业务，大大改变了当今MAN的前景。由于同一公司内远程LAN/SAN设备之间的可直接连接性，免去了传统互连方法中的路由和电话业务费用，从而很大程度地节省了用户成本。大量未启用光纤和1,550nm GBIC技术使得千兆位以太网和光纤信道网络成为传统MAN网络的一次革新。