Новое поколение многомодовых волокон


Исторически, с начала развития данной технологии, в оптических кабельных линиях на основе многомодового волокна (ММВ) использовались трансиверы со светоизлучающими диодами (LED). Скорость передачи достигала 640 Мбит/с, а дальность – до 2 км. Первоначально существовало два типа ММВ – это ОМ1 и ОМ2, описанные в стандарте ISO/IEC 11801. С развитием вертикально-излучающих лазеров (VCSEL), в середине и конце 1990-х годов появились ещё два типа так называемого «оптимизированного для лазера» многомодового волокна – OM3 и OM4. Оптимизированное для лазерного источника ММВ позволило передавать оптические сигналы на скоростях 1 Гбит/с и более. В настоящее время VCSEL-излучатели способны модулировать оптические сигналы до 25 Гбит/с, а с совершенствованием материалов и объёмных резонаторов VCSEL-лазеры можно настраивать на излучение с большими длинами волн.

Наша статья позволит понять отличия между OM3/OM4 и двумя новыми типами ММВ, получивших названия Signature Core™ и Wide Band MMF (OM5) – широкополосное многомодовое волокно (ШП-ММВ/ОМ5). Затем мы рассмотрим отличия между волокнами Signature Core и OM5, сравним их характеристики в приложениях Ethernet и Fibre Channel, а также обсудим будущие стандарты Ethernet для более высоких скоростей.


Оптимизированное для лазерного источника ММВ

Максимальное расстояние, или «дальность», для многомодового волокна ограничивается тремя оптическими явлениями:
  • Межмодовая дисперсия
  • Хроматическая дисперсия
  • Оптическое затухание

Инжектированное в сердцевину ММВ излучение лазера типа VCSEL, благодаря свойствам световой волны, распространяется по множеству дискретных оптических траекторий, по так называемым «модам». Идеальное ММВ имеет градиентный показатель преломления, благодаря чему пучки света вблизи оси волокна встречают на своём пути более высокий показатель преломления, что снижает скорость распространения света, проходящего по более короткому пути (моды низких порядков). И наоборот, пучки света, проходящие ближе к внешним краям сердцевины волокна и затем отражающиеся обратно внутрь сердцевины, спирально вращаясь вокруг её центральной оси – проходят более длинные оптические пути. Поскольку лучи, следуя по разным оптическим путям (модам), доходят до конца волокна в разное время – ширина выходного оптического сигнала на выходе волокна расширяется. Данное явление называется межмодовой дисперсией. Для обычных каналов передачи по ММВ межмодовая дисперсия является основным препятствием, ограничивающим максимальную дальность передачи.

Хроматическая дисперсия обусловлена зависимостью длины волны от показателя преломления. Поскольку VCSEL-лазер излучает узкий спектр света (спектральной шириной порядка 0,5 нм), то волны различной длины (световые пучки различных цветов), составляющие световой импульс, распространяются с разной скоростью. Это приводит к расширению выходного сигнала, в данном случае – ввиду влияния хроматической дисперсии.

Вдобавок к дисперсии, наличие примесей в кварцевой сердцевине волокна приводит к тому, что небольшой процент оптического излучения рассеивается из сердцевины волокна в разных направлениях. Это приводит к уменьшению оптической мощности, или оптическому затуханию порядка 2,5 дБ/км при передаче на длине волны 850 нм. Уменьшение оптической мощности на фотодетекторе приёмника снижает значение отношения сигнал-шум (signal to noise ratio, SNR), что ведёт в свою очередь к ухудшению свойств канала.

В результате постоянного совершенствования технологий производства ММВ появились оптимизированные для лазерного источника волокна ОМ3 и ОМ4, которые имеют более точный профиль показателя преломления (ППП) сердцевины. Это обеспечивает значительно лучшие показатели межмодовой дисперсии по сравнению с ОМ1 и ОМ2. Для точной оценки межмодовой дисперсии в ОМ3 и ОМ4 был введён новый показатель – коэффициент широкополосности (EMB – Effective Modal Bandwidth; измеряется в МГц•км). Его величина рассчитывается на основании измерений модовой составляющей дисперсии. При производстве оптимизированного под лазерный источник волокна образцы с коэффициентом широкополосности в диапазоне 2000-4699 МГц•км относят к классу ОМ3, а волокна с коэффициентом широкополосности более 4700 МГц•км – классифицируют как ОМ4.


Новое поколение высокопроизводительных многомодовых волокон

Изначально в процессе разработки и спецификации характеристик волокон ОМ3 и ОМ4 считалось, что VCSEL-лазеры излучают идентичные оптические спектры каждой моды ММВ. Однако в 2008 году специалисты лаборатории Panduit Labs обнаружили, что спектр излучения VCSEL-лазера для каждой пары мод имеет различные длины волн. Таким образом, наряду с подверженностью мод межмодовой дисперсии (обусловленной их спектральными отличиями), на них влияет также хроматическая дисперсия. На этом основании межмодовая и хроматическая дисперсии в ММВ не могут рассматриваться как отдельные явления, а ширина полосы пропускания канала должна определяться их взаимным влиянием.

Данное открытие позволило разработать новое поколение ММВ со значительно большей шириной полосы пропускания. Используя волокно, соответствующее классу ОМ4, но имеющее при этом ещё и уникально подобранный профиль показателя преломления, влияние межмодовой и хроматической дисперсий можно скомпенсировать. Это приведёт к уменьшению суммарной дисперсии в VCSEL-канале с многомодовым волокном. В 2008 году компания Panduit представила многомодовое волокно Signature Core™, которое компенсирует влияние дисперсии. Это позволило передавать сигналы на большие расстояния и с меньшими вносимыми потерями.


Широкополосное многомодовое оптическое волокно

Ещё одним важным свойством волокна Signature Core является его способность поддерживать длины волн, превышающие 850 нм – значение, специфицированное в действующих стандартах. Во время разработки компанией Cisco двунаправленного 40-гигабитного (40 GbE BiDi) трансивера, многомодовое волокно Signature Core впервые использовалось в качестве многоволновой (двухволновой) среды, поддерживающей передачу на волнах 850 нм и 910 нм с использованием технологии коротковолнового спектрального уплотнения SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing).

Признание уникальных свойств волокна Signature Core запустило процесс спецификации широкополосного многомодового волокна (ШП-ММВ) в стандарте TIA 42.12, в комитете под председательством компании Panduit. Отличие между волокном Signature Core и Wide Band MMF/OM5 (ШП-ММВ/ОМ5) состоит в значении специфицированного коэффициента широкополосности на самых коротких и самых длинных волнах, используемых для SWDM.

Для приложений, работающих на длине волны 850 нм, волокно Signature Core обеспечивает на 17% больший коэффициент широкополосности по сравнению с ШП-ММВ/ОМ5. А поскольку дальность канала SWDM ограничена шириной полосы пропускания волокна на длине волны 850 нм – это означает, что Signature Core обеспечивает самые лучшие характеристики канала для решений с передачей на одной и двух длинах волн в системах SWDM, с запасом для будущих приложений.


Поддержка сетей на основе будущих приложений

Сети Ethernet следующего поколения с поддержкой передачи 50G, 100G и 200G (Гбит/с) в настоящее время описываются в разрабатываемом стандарте IEEE 802.3cd. Системы для этих скоростей основаны на параллельной передаче сигнала на длине волны 850 нм – по 2, 4 и 8 волокнам соответственно. Ожидается, что соответствующий стандарт будет утверждён в сентябре 2018 года. В настоящее время стандартами Ethernet и Fibre Channel не предусмотрены решения SWDM для многомодового волокна.

Для одномодовых приложений технологии спектрального уплотнения CWDM (coarse WDM) и DWDM (dense WDM) используются уже более двадцати лет. Однако для скоростной передачи по ММВ традиционно применяется «параллельная оптика» (по 8, 16 и 32 волокнам). Такой вариант решения оправдан ввиду простоты технологии масштабирования пропускной способности. Что же касается скоростей более 200 Гбит/с (по 8 или менее волокнам), то для них понадобится уплотнение каналов по технологии SWDM (short WDM).

Необходимо также отметить, что передача на базе параллельной оптики требует подключения высокоплотных портов коммутаторов к соответствующему числу портов серверов. В Таблице 1 показаны решения для различных скоростей, базирующиеся на СКС с поддержкой стандартной архитектуры сети.

Общая скорость передачи данных, Гбит/с Скорость передачи по отдельной линии, Гбит/с Число оптических волокон Число используемых длин волн Год утверждения стандарта
10
40
10 2
8
1 2002
2015
25
100
25 2
8
1 2016
2015
50
100
200
50 2
4
8
1 2018
200
400
800
50 2
4
8
4 ~2021

Обсуждение и выводы

На сегодняшний день нет утверждённого стандарта, описывающего применение систем уплотнения SWDM, и окончательная его разработка не предвидится до 2021 года. Это вовсе не означает, что нестандартные решения на базе передачи по паре волокон не будут предлагаться для использования в СКС. Тем не менее, для достижения скоростей 400G и 800G в сетях Ethernet следующего поколения – применение технологии SWDM является необходимым условием.

Ввиду данных обстоятельств, спрос на устройства SWDM достоверно спрогнозировать невозможно, поскольку, с одной стороны, данная технология поддерживает самые высокие скорости передачи для ЦОДов, а с другой – их стоимость будет сопоставима с решениями для одномодовых систем.

Январь, 2017
Связаться с нами