Trung tâm dữ liệu đã trở thành động cơ của cuộc sống hiện đại; thông tin mạng ngày càng tăng được truyền và lưu trữ ở tốc độ cao thông qua trung tâm dữ liệu. Hầu hết các kết nối bên trong trung tâm dữ liệu đều ngắn, từ vài mét đến vài trăm mét. Trong các giao tiếp dữ liệu tốc độ cao và phạm vi ngắn này,mô-đun quang và sợi đa mode với VCSELlà thiết bị cốt lõi được sử dụng rộng rãi. So với sơ đồ truyền dẫn đơn mode, sơ đồ đa chế độ sử dụng tia laser công suất thấp và chi phí thấp để nhận ra sự ghép nối nhanh và hiệu quả giữa sợi quang và tia laser. Cáp quang đa mode có thể đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn hoặc khoảng cách truyền dẫn dài hơn so với cáp đồng và chi phí thấp hơn so với hệ thống cáp quang đơn mode. Hiện tại, tốc độ kết nối nội bộ của trung tâm dữ liệu đã100Gbit/giây, và 400Gbit/s dự kiến sẽ sớm ra mắt. Ngành công nghiệp đã và đang phát triển sợi quang đa mode mới để cải thiện hiệu suất của nó, bao gồm cả WDM trong sợi quang đơn. Sợi đa mode sóng dài hỗ trợ khoảng cách truyền dài hơn. Ngoài ra, để hỗ trợ kết nối mật độ cao, thu nhỏ, cải thiện tỷ lệ sử dụng không gian, hiệu quả tản nhiệt và hiệu quả quản lý cáp của trung tâm dữ liệu, sợi quang đa mode có khả năng chống uốn đã được phát triển và triển khai nhanh chóng. Trong bài báo này, xu hướng phát triển của sợi đa mode hỗ trợ mô-đun quang tốc độ cao được thảo luận bằng cách kết hợp nguyên tắc kỹ thuật của sợi đa mode và sự phát triển của công nghệ mô-đun quang.
1. Công nghệ sợi quang đa mode và các kịch bản ứng dụng
Sự phát triển của điện toán đám mây đã thúc đẩy sự phát triển của các trung tâm dữ liệu siêu lớn, từ đó tạo ra các xu hướng phát triển khác với các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp truyền thống. Dù là trong nước hay quốc tế, sự phát triển của tốc độ cổng máy chủ của người dùng VLCC với các dịch vụ điện toán đám mây rõ ràng là nhanh hơn tốc độ của các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp truyền thống. Các doanh nghiệp truyền thống sẽ đều đặn sử dụng sợi quang OM4 đa chế độ và hơn 90% chiều dài liên kết hệ thống nhỏ hơn 100m.
Người dùng của các trung tâm dữ liệu siêu lớn có nhiều khả năng chọn cáp quang đơn mode hơn và 70% chiều dài liên kết hệ thống là hơn 100m. Sự phát triển của các trung tâm dữ liệu siêu lớn đã cải thiện tốc độ sử dụng của sợi quang đơn mode, nhưng sợi quang đa mode vẫn có những ưu điểm riêng. Những ưu điểm này bao gồm sự sẵn có của các mô-đun quang học với chi phí thấp hơn, mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và khoảng cách truyền bao phủ hầu hết các liên kết trong trung tâm dữ liệu, do đó, các giải pháp dựa trên sợi quang đa mode và mô-đun quang đa mode vẫn hấp dẫn khách hàng.
2. Băng thông của sợi quang đa mode 850 nm
Khác với hệ thống đơn mode, khoảng cách và tốc độ truyền của hệ thống đa mode bị giới hạn bởi băng thông của sợi quang đa mode. Băng thông chế độ của sợi quang đa mode cần được tăng lên để hỗ trợ khoảng cách xa hơn của hệ thống tốc độ cao.
Với sự phát triển của thiết kế và sản xuất sợi, băng thông của sợi đa mode đã được cải thiện rất nhiều. Sợi quang đa mode 62,5μm có khẩu độ số cao và lõi sợi quang lớn, có thể ghép nguồn sáng đi-ốt phát quang (LED) vào sợi quang và hỗ trợ truyền dữ liệu trong phạm vi 2km với tốc độ 10 Mbit/s hoặc thậm chí 100 Mbit/ S. Với sự phát triển của tiêu chuẩn Ethernet và VCSEL 850nm chi phí thấp, sợi quang đa chế độ có đường kính lõi 50 micron ngày càng phổ biến trên thị trường. Sợi quang có độ phân tán chế độ thấp hơn và băng thông cao hơn, đồng thời kích thước điểm và khẩu độ số của VCSEL nhỏ hơn so với đèn LED, cho phép ghép tia laser dễ dàng vào sợi quang 50 micron. Bằng cách tối ưu hóa quy trình sản xuất sợi quang và áp dụng công nghệ kiểm soát chỉ số khúc xạ tiên tiến, sợi quang đa mode 50μm đã phát triển từ OM2(500 MHz*Km) đến OM3(2 000 MHz*Km) và hiện đã phát triển thành OM4({ {17}} MHz*Km).
Đối với hệ thống đa chế độ sử dụng VCSEL 850 nm, việc tăng thêm băng thông của sợi quang đa chế độ OM4 không thể làm cho mô-đun quang truyền đi xa hơn, vì băng thông hệ thống phụ thuộc vào sự kết hợp giữa băng thông chế độ hiệu quả của sợi quang và độ phân tán ( liên quan đến độ rộng vạch quang phổ của laser VCSEL và bước sóng của sợi quang). Nếu cần tăng băng thông hệ thống, ngoài băng thông chế độ hiệu dụng của sợi quang, giá trị tán sắc cần được tối ưu hóa. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng sợi quang đa mode có độ trễ chế độ vi sai (DMD) để bù cho sự phân tán một phần hoặc bằng cách sử dụng độ rộng đường truyền hẹp hơn là 850nm VCSEL hoặc hoạt động trong vùng sóng dài hơn với độ phân tán thấp hơn.
Chỉ số khúc xạ tương đối tối đa của lõi sợi quang cũng ảnh hưởng đến băng thông tối đa. Khi lõi giảm từ 1 phần trăm xuống 0.75 phần trăm , băng thông sẽ tăng gấp đôi. Tuy nhiên, việc giảm lõi sợi sẽ làm tăng tổn thất uốn, vì vậy cần tối ưu hóa thiết kế cấu trúc sợi để cải thiện hiệu suất uốn của nó.
3. Sợi đa mode không uốn cong
Trong các ứng dụng trung tâm dữ liệu, sợi quang đa mode không nhạy uốn cong ngày càng được sử dụng rộng rãi, có thể tối ưu hóa thiết kế sợi quang, phần cứng và thiết bị để tiết kiệm nhiều không gian hơn, hiệu quả làm mát tốt hơn và quản lý cáp và kết nối thuận tiện hơn. Lõi được phân loại theo chỉ số và lớp vỏ có rãnh chỉ số thấp. Rãnh làm giảm công suất quang trong lớp vỏ và có thể ngăn rò rỉ tín hiệu quang, do đó cải thiện hiệu suất uốn của sợi quang. Thiết kế sợi quang tối ưu hóa kích thước lõi và rãnh của sợi quang, đồng thời đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất uốn và khả năng tương thích với sợi quang đa mode tiêu chuẩn. Thông qua thiết kế hợp lý của lõi và rãnh sợi quang, sợi quang đa chế độ có thể đạt được mức băng thông cao OM4 và suy hao uốn thấp. Suy hao do uốn vĩ mô của sợi quang đa mode không nhạy cảm với uốn cong thấp hơn 10 lần so với sợi quang đa mode tiêu chuẩn thông thường.
