光模組的規格表上寫著「OM4、PAM4、800GBASE-SR8」,這些名詞各指定一個不同的東西:OM 指定光纖、PAM4 指定調製格式、SR8 指定 lane 數與距離。選錯任何一項,模組都跑不到標稱距離——買錯光纖(OM3 當 OM4 用)或選錯模組(SR 當 DR 用),鏈路在現場才暴露問題,換線或換模組的成本遠高於選型時多花十分鐘對規格。
本文回答一個問題:規格表上的 OM、PAM4、PAM8 各代表什麼? 答案分三層:OM 是多模光纖的五個等級(OM1–OM5),由纖芯直徑與頻寬決定;PAM4 與 PAM8 是調製格式,差別在一個符號帶幾個 bit(PAM4 帶 2、PAM8 帶 3);規格名(如 800GBASE-SR8)再疊加總速率、lane 數與適用距離。
圖 1|規格表的三個層次,以 OM4 + PAM4 + 800GBASE-SR8 為例。點圖可看原尺寸。
1. OM:多模光纖的五個等級
OM(Optical Multimode)是 ISO 11801 對多模光纖的等級分類,由纖芯直徑與 850 nm 的頻寬決定[3][5]。多模光纖的纖芯能同時傳導多個模式,不同模式走的路徑長度不同、到達時間不同,脈衝在接收端被拉寬——這叫模態色散,是多模光纖距離的主要限制。等級分類就是把「模態色散殘留多少」量化成頻寬數字[5]。五個等級:
| 等級 | 纖芯/包層 | 年份 | 850 nm 頻寬(OFL) | 特性 |
|---|---|---|---|---|
| OM1 | 62.5/125 µm | 1989 | 200 MHz·km | 早期,LED 光源 |
| OM2 | 50/125 µm | 1998 | 500 MHz·km | 纖芯縮到 50 µm |
| OM3 | 50/125 µm | 2003 | 1500 MHz·km | laser-optimized,VCSEL |
| OM4 | 50/125 µm | 2008 | 3500 MHz·km | laser-optimized,更高頻寬 |
| OM5 | 50/125 µm | 2016 | 3500 MHz·km @850 + 1850 @950 | 寬頻,支援短波 WDM |
三個要點:
- 纖芯直徑:OM1 是 62.5 µm,OM2 之後都是 50 µm——纖芯越小,模式數越少,模態色散越小[5]
- 頻寬單位是 MHz·km:這是「頻寬×距離」乘積,不是射頻意義的頻寬。數字越大,同一速率能走的距離越長[3]
- laser-optimized:OM3/OM4/OM5 的折射率剖面精確控制,搭配 850 nm VCSEL 使用;OM1/OM2 用 LED 或早期雷射[5]
頻寬的測量有兩種發射條件:OFL(Over-Filled Launch,過填充發射)與 EMB(Effective Modal Bandwidth,有效模態頻寬)。上表用的是 OFL 值——OFL 模擬最壞的發射條件,數字較保守;EMB 用更接近平行光模組實際發射的條件,數字較高(OM3 的 EMB 約 2000 MHz·km、OM4 約 4700 MHz·km)[3]。選型時兩套數字會同時出現,要確認廠商標的是哪一套。
現行資料中心的機房內鏈路以 OM3/OM4 為主:OM3 是 2003 年後的存量主力,OM4 是 2008 年後新機房的主流(更高頻寬、更長距離)。OM1/OM2 是早期機房的既有線路,新設計已不用[1][5]。早期在 OM1/OM2 上跑 100GBASE-SR10 需要加模式調節跳線(mode-conditioning patch cord)收窄發射模式分佈;OM3/OM4 的剖面已優化,不需跳線[3]。
OM5 與 OM4 在 850 nm 的頻寬相同(3500 MHz·km)——OM5 的差別在 850–953 nm 的寬頻響應,讓它能在多條波長上同時跑 WDM(short-wave WDM),不是「比 OM4 更快」[1][3]。
2. NRZ、PAM4、PAM8:一個符號帶幾個 bit
調製格式決定「一個符號(symbol)帶幾個 bit」。三種格式:
- NRZ(Non-Return-to-Zero):2 個層級(0、1),1 bit/符號
- PAM4(4-level Pulse Amplitude Modulation):4 個層級,2 bit/符號
- PAM8(8-level):8 個層級,3 bit/符號
資料率 = 符號率(baud)× 每符號 bit 數。同一符號率下,PAM4 的資料率是 NRZ 的 2 倍、PAM8 是 NRZ 的 3 倍。符號率受電氣端(SerDes)與光學元件(雷射、調製器、光偵測器)的頻寬限制——把符號率推高,這些元件的頻寬需求都跟著翻倍,所以產業傾向「加 bit/符號」而不是「無限制加符號率」[4]。現行標準的符號率[2][1]:
| per-lane 速率 | 調製 | 符號率 |
|---|---|---|
| 50 Gb/s | PAM4 | 26.5625 GBd |
| 100 Gb/s | PAM4 | 53.125 GBd |
| 200 Gb/s | PAM4 | 106.25 GBd |
800G 模組就是 8 lane × 53.125 GBd PAM4(8 × 100 Gb/s)[1]。
PAM4 的 9.5 dB 訊雜比代價靠 **FEC(前向誤碼校正)**補回:接收端用 RS-FEC 糾正雜訊造成的誤碼,代價是延遲與功耗。10 Gb/s per lane 及以下的鏈路用 NRZ(訊雜比需求低、不需強 FEC);25、50、100 Gb/s per lane 都用 PAM4[4]。PAM4 的 4 個層級通常用 Gray code 指派(相鄰層級只差 1 bit),雜訊把層級判錯時只錯 1 bit,不是一次錯 2 bit。
圖 2|三種格式的層級與 bit 數。點圖可看原尺寸。
代價是訊雜比:層級越多,相鄰層級的振幅間距越小,雜訊越容易把層級判錯。同一符號率、同峰值功率下,PAM4 的最低層級間距是 NRZ 的 1/3,需要的訊號功率是 3² = 9 倍(約 9.5 dB,由 10·log₁₀(9) 算出);PAM8 的間距是 NRZ 的 1/7,功率是 7² = 49 倍(約 16.9 dB,由 10·log₁₀(49) 算出)[6]。
PAM8 目前不是任何已發布速率的標準調製。IEEE 802.3dj 的 200 Gb/s per lane(1.6T 用)選的是 PAM4 @ 106.25 GBd,不是 PAM8[1]——PAM8 仍是研究與提案階段的候選格式。
3. 規格表怎麼讀:SR/DR/LR/ZR、lane 數與距離
一個完整規格名(如 800GBASE-SR8)拆成四段:總速率(800 Gb/s)、介質與距離代號(SR)、lane 數(8)。距離代號[4]:
- SR(Short Reach):多模光纖、850 nm、VCSEL
- DR:單模光纖、1310 nm、500 m
- FR:單模、2 km(CWDM 多波長)
- LR:單模、10 km(CWDM)
- ZR:單模、40 km(coherent)
已驗證的距離表[1][2]:
| 規格 | per-lane | lane 數 | 介質 | 距離 |
|---|---|---|---|---|
| 100GBASE-SR4 | 25 Gb/s | 4 | OM3 / OM4 | 100 m / 125 m |
| 400GBASE-SR4 | 100 Gb/s | 4 | OM3 / OM4 / OM5 | 60 m / 100 m / 100 m |
| 800GBASE-SR8 | 100 Gb/s | 8 | OM3 / OM4 / OM5 | 60 m / 100 m / 100 m |
| 100GBASE-DR | 100 Gb/s | 1 | 單模 | 500 m |
| 400GBASE-DR4 | 100 Gb/s | 4 | 單模 | 500 m |
| 800GBASE-DR8 | 100 Gb/s | 8 | 單模 | 500 m |
| 400GBASE-FR8 | 50 Gb/s | 8 | 單模 CWDM | 2 km |
| 400GBASE-LR8 | 50 Gb/s | 8 | 單模 CWDM | 10 km |
| 400GBASE-ER8 | 50 Gb/s | 8 | 單模 CWDM | 40 km |
| 100GBASE-ZR | 100 Gb/s | 1 波長 | 單模 coherent | 80 km |
| 1.6TBASE-DR8 | 200 Gb/s | 8 | 單模 | 500 m(開發中) |
| 1.6TBASE-DR8-2 | 200 Gb/s | 8 | 單模 | 2 km(開發中) |
下一代:1.6T(1600 Gb/s)是 8 lane × 200 Gb/s per lane,仍用 PAM4 @ 106.25 GBd(802.3dj,開發中,預計 2026 年 7 月完成);1.6TBASE-DR8 在單模光纖走 500 m,DR8-2 變體走 2 km。802.3ds 專案另加 200/400/800/1600 Gb/s 的多模 PHY(30 m 與 50 m)[1]。3.2T(3200 Gb/s)是 1.6T 之後的一步,兩條主要路線:16 lane × 200 Gb/s(延伸 802.3dj 的 200G/lane PAM4)或 8 lane × 400 Gb/s(需要 PAM8 或更高符號率)——3.2T 目前不是已發布標準,per-lane 速率與調製格式仍在標準化討論中[1]。
單模長距(coherent DCI):DR/FR/LR/ER 用 IM-DD(直接偵測)+ CWDM 多波長;再遠的鏈路改用 coherent(相干)偵測 + DP-16QAM,單一波長就能跑 400 Gb/s 以上[1]。IEEE 的 400GBASE-ZR(單波長、80 km、DP-16QAM)專案在 2024 年取消,coherent 長距改由 OIF 標準化(400ZR / 800ZR 系列),主要用於機房間互連(DCI),不是機房內短距[1]。
一個關鍵觀察:同一 lane 數下,per-lane 速率越高,多模距離越短。100GBASE-SR4(25 Gb/s per lane)在 OM3 走 100 m,400GBASE-SR4(100 Gb/s per lane)在 OM3 只走 60 m——per-lane 速率提高,符號率提高,模態色散容許的距離縮短[1][2]。
SR 變體用 MPO 並列光纖:400GBASE-SR4 用 MPO-12(4 lane × 雙向 = 8 條光纖 + 備用),800GBASE-SR8 用 MPO-16(8 lane × 雙向 = 16 條)[1]。光纖數直接決定 patch panel 的布線密度——800G-SR8 的 patch panel 是 400G-SR4 的兩倍。封裝端,400G/800G 模組用 QSFP-DD 或 OSFP(8 lane),100G 用 QSFP28(4 lane)[4]。
DR 與 SR 的差別在光纖與雷射:DR 用單模光纖 + DFB 雷射(1310 nm),單模光纖沒有模態色散,同一 100 Gb/s per lane 能走 500 m,比 SR 的 60–100 m 長得多;代價是 DFB 雷射比 VCSEL 貴、模組功耗較高[4]。
4. 常見誤解與自我檢查
誤解一:PAM4 讓同一根光纖跑 2 倍速率。 PAM4 是在同一符號率下把資料率翻倍,不是讓光纖本身變快。代價是 9.5 dB 的訊雜比需求,實際距離可能比 NRZ 短。
誤解二:OM5 比 OM4 快。 OM5 在 850 nm 的頻寬與 OM4 相同(3500 MHz·km);OM5 的價值在 850–953 nm 寬頻,支援多波長 WDM,不是單一速率更快[1][3]。
誤解三:PAM8 是 200 Gb/s per lane 的標準。 802.3dj 的 200 Gb/s per lane 用 PAM4 @ 106.25 GBd;PAM8 仍是提案階段[1]。
誤解四:頻寬數字越大,速率越快。 頻寬(MHz·km)決定「同一速率能走多遠」,不是決定速率本身——速率由模組的電氣端(SerDes)與調製格式決定。OM4 的 3500 MHz·km 讓 100 Gb/s per lane 能走 100 m,但 OM4 本身不會「跑出」更高的速率[3]。
自我檢查(讀完應能回答):
- OM3 與 OM4 的 850 nm 頻寬各是多少?(1500 與 3500 MHz·km)
- PAM4 一個符號帶幾個 bit?100 Gb/s per lane 的符號率是多少?(2 bit;53.125 GBd)
- 為什麼 800GBASE-SR8 在 OM4 走 100 m,而 100GBASE-SR4 在 OM4 走 125 m?(前者 100 Gb/s per lane、後者 25 Gb/s per lane,per-lane 速率越高多模距離越短)
回到開頭的問題:規格表上的 OM 指定光纖等級、PAM4/PAM8 指定調製格式(每符號 bit 數)、SR/DR/LR/ZR 與 lane 數指定距離與通道數——三層各管一件事。適用條件:本文的距離與頻寬數字來自 IEEE 802.3 標準的已發布 PHY(802.3ba/bs/df/dj 目標),針對現行 100G–1.6T 的並列光學 PHY。尚未解決的限制:PAM8 的實際採用要等 802.3dj 之後的標準化結果;OM5 的 WDM 效益取決於收發端是否支援多波長。