MPO光纤扇出结构适合哪些数据中心互联场景？

数据中心里的光模块已经从单通道走向多通道并行，一个40G、100G或400G的端口，往往对应着8芯甚至16芯光纤。MPO扇出线缆把一个多芯连接器分成若干个双芯连接器，让高速率端口能够和多个低速率端口对接。本文介绍扇出结构的组成，梳理它适用的互联场景，并说明选型参数和部署时需要留意的要点。

一、MPO扇出结构的组成与基本原理

MPO（Multi-fiber Push On）是一种多芯光纤连接器，采用MT插芯，光纤在插芯内以0.25毫米的间距排成一排，常见的芯数有12芯、16芯和24芯，对应的标准为IEC 61754-7和TIA-604-5。连接器带有导向销，分为带销的公头和不带销的母头，插入时依靠导销对准，插芯上方还有一个定位键，用来确定连接方向。

扇出线缆（也叫分支线缆或Breakout Cable），一端是MPO连接器，另一端分出多个分支，每个分支端接LC、SC或其他类型的连接器。母线部分是多芯光纤组成的圆形线缆，外径常见为3.0毫米左右，到分支位置通过分支器把各根光纤分开，每个分支的外径常见为900微米、2.0毫米或3.0毫米，分支的长度会做出长短错开的设计，便于在配线架或设备端口上就位。

最常见的结构是MPO-12转4路LC双工。一个MPO-12的接口里，使用其中的8芯，4芯发送和4芯接收，分别对应4个LC双工连接器，每个LC双工承载一路独立的通道。MPO-12转6路LC双工，则把12芯全部使用起来，常用于12芯主干到双芯设备的转换。MPO-16转8路LC双工，对应的是16芯的并行光模块。

在这个结构里，光信号的通道对应关系是固定的。以40GBASE-SR4和100GBASE-SR4为例，MPO-12的1号至4号位置用于发送，9号至12号位置用于接收，中间5号至8号位置不使用。扇出线缆在制造时，就把每一路发送光纤对应到LC双工连接器的发送端，每一路接收光纤对应到接收端，使用时不需要再另外调整。

二、适用的数据中心互联场景

扇出结构最典型的用途，是高速率端口向低速率端口的分路。交换机上的40G QSFP+端口，使用40GBASE-SR4光模块时，通过MPO-12转4路LC双工的扇出线缆，可以连接到4个10G SFP+端口，也就是1拖4的连接。同样的思路，100G QSFP28端口通过扇出线缆连接到4个25G SFP28端口，用在服务器接入层，让一个100G端口服务4台25G的服务器。

单模场景同样适用。400GBASE-DR4光模块使用MPO-12接口，8芯光纤，传输距离可以达到500米，通过MPO转LC的扇出线缆，可以连接到4个100G DR1光模块，实现400G端口到4个100G端口的分路。800GBASE-DR8使用16芯光纤，对应MPO-16接口，可以分成2路400G DR4或者8路100G，适合在骨干和汇聚层向下接入时使用。

多模方面，400GBASE-SR8使用16芯，采用MPO-16接口，OM4光纤下传输距离100米，用扇出线缆可以分成8路50G的通道。多模链路的距离受限于光纤等级，40GBASE-SR4在OM3上传输100米，在OM4上传输150米，100GBASE-SR4在OM3上为70米，在OM4上为100米，所以扇出线缆的整体长度要控制在这个范围之内，包含母线和分支的总长。

不太适用的情形也值得说明。两端都是并行光模块，通道数一致时，比如400G DR4对接400G DR4，直接使用MPO到MPO的跳线更简单，不需要扇出结构。单通道的25G、50G端口，使用普通的LC双工跳线就足够。所以扇出线缆的价值，主要体现在速率不对等的分路连接上，在这类场景里，它能让一个高速率端口的利用率得到充分发挥。

三、选型参数与技术细节

光纤类型是第一项要确认的参数。多模方面，OM3的有效模式带宽为2000 MHz·km，OM4为4700 MHz·km，OM5在850纳米的带宽与OM4相同，在953纳米波长处为2470 MHz·km，适用于短波波分复用。单模常用G.652D或G.657系列，对应DR4、DR8这类单模并行光模块。

端面类型对单模尤其重要。单模MPO连接器常采用APC端面，也就是8°斜角研磨，回波损耗可以达到60 dB以上，多模MPO则采用UPC端面。APC和UPC不能混配，两种端面的几何形状不一样，混接之后会损伤端面，也会引起较大的插入损耗。线缆和光模块的端面类型，在订购和安装前要一一核对。

插入损耗是链路预算里的关键项。MPO连接器的插入损耗，标准级通常不超过0.35 dB，低损耗级可以做到0.25 dB以内，LC连接器的插入损耗一般在0.3 dB以内。在计算链路总损耗时，把每一个连接点都计入，与光模块的损耗预算相比较，留出一定的余量。

极性管理同样需要关注。TIA-568.3-D定义了A、B、C三种极性方式，并行光路里最常用的是B型，也就是两端MPO连接器的定位键朝向相反，纤芯位置对应翻转。扇出线缆通常按照光模块的接口定义，做成固定的极性结构，和主干线缆的极性方式搭配使用，整条链路上发送端口和接收端口才能对应起来。

四、部署方式与布线管理

扇出线缆在数据中心里有两种常见的部署方式。一种是直连式，扇出线缆的MPO端直接插到交换机的光模块上，LC端插到服务器或下一级交换机的光模块上，链路简单，层级少，插入损耗低，适合机柜内或相邻机柜之间的短距离连接。另一种是结构化布线，主干使用MPO-MPO的预端接光缆，在配线架上安装MPO转LC的模块盒，需要分路的位置再用LC跳线连接，灵活度更高，适合需要频繁调整连接关系的机房。

1U的配线架里使用MPO模块盒，可以容纳144芯以上的光纤，是高密度布线的重要手段。直连式扇出线缆省去了模块盒，整体链路的连接点更少，在算力集群里点对点连接数量多、速率高的场景里应用比较广。两种方式可以在同一个机房里并存，根据具体链路的需求来选择。

布线管理方面，扇出线缆的分支长度要根据端口位置来选择，过长的余量需要盘放整齐，过短则会让分支处受到拉力。光纤的弯曲半径，静态情况下一般不小于线缆外径的10倍，分支处使用G.657.A2这类弯曲不敏感光纤，最小弯曲半径可以做到7.5毫米，对空间紧凑的高密度机柜比较友好。

维护环节，MPO连接器的端面清洁很重要。端面检查依据IEC 61300-3-35，用光纤端面检测仪查看纤芯区域是否有污染物。MPO的12芯同时在一个端面上，任何一个纤芯被污染，都会影响对应的通道，所以每次插拔之前后都建议清洁和检查，保证每个通道的光路都保持洁净。

五、快问快答

Q：为什么SR4的MPO-12接口里，只用了8芯，中间4芯不用？

A：这是并行光模块的通道定义决定的。40GBASE-SR4和100GBASE-SR4都是4通道的并行传输，每个通道需要一芯发送、一芯接收，4个通道共需要8芯。MPO-12的12个纤芯位置里，1号至4号用于发送，9号至12号用于接收，5号至8号留空。这样的定义让发送和接收分别位于连接器的两侧，便于布局。留空的4芯没有被使用，纤芯的利用率只有66.7%，所以后来出现了MPO-8这类只有8芯的连接器，也有厂家采用Base-8的结构化布线方案，让每一芯都有用武之地。

Q：单模MPO为什么常采用APC端面，而多模多用UPC？

A：单模链路传输的是高速信号，对反射光更敏感，尤其是400G和800G使用的PAM4调制，信噪比的余量更小，反射光回到激光器，会影响激光器的稳定性，也会增加信号的噪声。APC端面采用8°斜角研磨，反射光被导向包层而不是返回光源，回波损耗可达60 dB以上，比UPC端面的50 dB左右要好。多模链路里，光源是VCSEL，对反射的容忍度更高，UPC端面可以满足要求，成本也更低。所以单模和多模采用不同的端面，是由光源特性和调制方式共同决定的。

Q：AI算力集群的网络里，800G端口越来越多，扇出线缆有什么新的应用方式？

A：目前主流的51.2 Tbps交换芯片，通常提供64个800G端口，而服务器的网卡多为200G或400G，这就需要把一个800G端口分成两路400G，或者四路200G，扇出结构正好承担这个任务。800G DR8光模块使用MPO-16接口，通过MPO-16转两个MPO-12的扇出线缆，可以连接到两个400G DR4端口，每个400G DR4使用8芯。机柜里交换机到服务器的连接数量多、路径集中，扇出线缆让一个交换机端口服务多台设备，减少了交换机端口占用，也减少了线缆数量。在这类场景里，线缆的整体长度和分支长度需要按机柜布局精确规划，减少余量堆积对气流的影响。

Q：扇出线缆链路的验收测试，有什么要求？

A：测试分为两个层级。一级测试测量插入损耗和长度，并检查极性，依据ISO/IEC 14763-3和TIA-568.3-D的要求，使用光源和光功率计，配合MPO测试跳线完成，测试结果要小于链路预算里计算出的损耗值。二级测试使用OTDR，可以看到链路上各个连接点的位置和损耗，对发现个别连接点的异常很有帮助。MPO测试需要使用带扇出的测试跳线，把12芯逐一接到测试设备上，现在也有支持MPO直接测试的仪表，可以一次测量多个通道，提高测试效率。测试之前对端面做检查和清洁，是保证数据准确的前提，测试报告里要记录光纤类型、波长、测试方法和每个通道的损耗数据，作为验收资料留存。