10-Gigabit Ethernet для оптоволокна

Виды и структура

Существует два основных типа оптических волокон: многомодовое и одномодовое, преобладающие на рынке с 70-х годов и используемые в широком диапазоне сетевых технологий. В многомодовом волокне распространяющийся по сердцевине оптический сигнал представлен множеством мод, в то время как одномодовое волокно в нормальном режиме работы поддерживает распространение только одной моды.

В многомодовых волокнах время распространения сигнала вдоль волокна различно для разных мод, что выражается в уширении импульсов на выходе волокна – межмодовой дисперсии. Разность между временем распространения различных мод называется дифференциальной модовой задержкой (Differential Mode Delay, DMD). Межмодовая дисперсия ограничивает пропускную способность многомодового волокна, то есть, с одной стороны, максимальную возможную скорость передачи, с другой – максимальное возможное расстояние.

Оболочка волокна – это слой, который окружает сердцевину. Когда свет, введенный в сердцевину, достигает границы с оболочкой, он испытывает внутреннее отражение. Условие полного внутреннего отражения (когда весь свет, распространяющийся в сердцевине, остается в сердцевине) зависит от угла, под которым свет подает на границу сердцевины и оболочки, и показателя преломления материалов, из которых они изготовлены. Чтобы свет оставался внутри сердцевины волокна, показатель преломления оболочки (n2) должен быть меньше показателя преломления сердцевины (n1).

Волокна можно классифицировать по размерам сердцевины и оболочки. У одномодовых волокон диаметр сердцевины не превышает 8 мкм, у многомодовых диаметр он значительно больше и равен 50 мкм или 62,5 мкм. Соответственно, два стандартных типа многомодового волокна принято обозначать как 50/125 и 62,5/125. Последняя цифра соответствует внешнему диаметру волокна, который одинаков для многомодовых и одномодовых волокон.

10-Gigabit Ethernet для оптоволокна

Рис. 1. Свет, вводимый в сердцевину волокна

Волокна можно классифицировать по размерам сердцевины и оболочки. У одномодовых волокон диаметр сердцевины не превышает 8 мкм, у многомодовых диаметр он значительно больше и равен 50 мкм или 62,5 мкм. Соответственно, два стандартных типа многомодового волокна принято обозначать как 50/125 и 62,5/125. Последняя цифра соответствует внешнему диаметру волокна, который одинаков для многомодовых и одномодовых волокон.

С диаметром сердцевины соизмерим другой параметр оптического волокна – диаметр модового поля (Mode Field Diameter, MFD). MFD описывает распределение оптической энергии в волокне, показывая величину “эквивалентного” диаметра круга, внутри которого распространяется основная часть электромагнитного излучения. MFD всегда больше, чем диаметр сердцевины. Например, для одномодовых волокон он обычно лежит в пределах 8-10 мкм.

Одномодовое волокно, поддерживающее распространение только одной моды и поэтому не имеющее межмодовой дисперсии, имеет большую пропускную способность, чем многомодовое волокно. Это позволяет вести передачу на большей скорости и на большие расстояния. По этой причине одномодовые волокна используются, как правило, для протяженных линий связи, городских и региональных сетей.

В то же время, многомодовые волокна могут поддерживать высокие скорости передачи данных на небольшие расстояния. Больший диаметр сердцевины многомодового волокна упрощает ввод оптического излучения в волокно, а более мягкие требования к допустимым отклонениям для многомодового волокна позволяют уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает в локальных и домашних сетях небольшой протяженности.

Многомодовое волокно

Многомодовое волокно широко используется в локальных сетях организаций, когда расстояние между зданиями составляет не более двух километров. Широкое признание и проникновение на рынок многомодового волокна 62,5/125 произошло после включения этого типа волокна в стандарт FDDI, разработанный ANSI в конце 80-х годов, который сделал возможным его использование в кампусных сетях большего масштаба. Принятая в стандарте FDDI классификация многомодовых волокон впоследствии была перенесена на другие сетевые стандарты и в настоящее время широко используется в таких стандартах, как Fast Ethernet, ATM-155 и кабельном стандарте TIA/EIA 568-A.

Во время создания стандарта FDDI большое число серийно выпускаемых многомодовых и одномодовых волокон удовлетворяло его основному критерию – обеспечивать передачу данных на скорости 100 Мбит/с на расстояние 2 км. Если протяженность сегментов не превышает эту величину, то многомодовое волокно имеет определенное преимущество, поскольку обеспечивает низкую стоимость приемо-передатчиков. В Европе и России широкое распространение получил другой стандарт многомодового волокна 50/125, принятый позже и также поддерживаемый спецификациями ISO/IEC 11801 (общая укладка кабеля на территории заказчика).

На скоростях передачи до 622 Мбит/с (STM-4) многомодовое волокно может использоваться совместно со светодиодами (LED). На больших скоростях необходимо использовать лазеры, так как инертные по своей природе светодиоды не способны переключаться достаточно быстро. При этом на этапе разработки стандарта Gigabit Ethernet (GbE) было обнаружено негативное явление, выражающееся в том, что полоса пропускания многомодового волокна, измеренная с помощью лазера, оказывается меньше, чем полоса, измеренная светодиодом.

Причина этого явления – сильное рассеивающее действие на лазерное излучение со стороны неоднородностей, сконцентрированных на оси сердцевины многомодового волокна, и последующее появление большой дифференциальной модовой задержки DMD на приемной стороне. Чтобы уменьшить этот эффект (проявляющийся только для многомодового волокна) и достичь приемлемых расстояний для стандартов GbE и 10GbE, потребовалось создать спецификации, описывающие условия смещенного от оси ввода излучения от лазерного передатчика в волокно, а также разработать соответствующие требования к характеристикам приемника и волоконно-оптического кабеля.

Многомодовое волокно и 10-Gigabit Ethernet

Стандарт IEEE 802.3ae 10-Gigabit Ethernet включает в себя последовательный интерфейс 10GBASE-S (S – short, означает короткую длину волны), сконструированный для передачи по многомодовому волокну на длине волны 850 нм. Таблица 1 содержит длины волн, полосы пропускания и максимальное расстояние для разных типов многомодовых волокон на скорости 10 Гбит/с. Технические проблемы, связанные с использованием лазерных источников излучения совместно с многомодовыми волокнами (описанные в предыдущей части статьи), значительно ограничили рабочий диапазон "многомодового FDDI волокна" для технологии 10GbE. Такое волокно имеет полосу пропускания 160 МГц*км на длине волны 850 нм и 500 МГц*км на длине 1300 нм.

Для того, чтобы достичь с помощью многомодового волокна расстояний до 300 м (как описано в стандартах на укладку кабеля TIA/EIA-568 и ISO/IEC 11801), пришлось создать новую спецификацию волокна для стандарта 10GbE. Это новое волокно иногда называется “многомодовое 10 Gigabit Ethernet волокно” и является 850 нм, 50/125 мкм волокном, специально приспособленным для использования с лазером, имеющим эффективную полосу пропускания 2000 МГц*км. Это волокно подробно описано в стандарте TIA-492AAAC. Его ключевое отличие от традиционных многомодовых волокон – дополнительные требования к DMD, обусловленные новым стандартом измерения DMD (TIA FOTP-220) и описанные в стандарте TIA-492AAAC. Как показано в таблице 1, сегмент с использованием этого волокна может достигать длины 300 м с интерфейсом 10GBASE-S. Большое количество ведущих производителей активно продвигают на рынок это новое многомодовое волокно для применения в решениях 10GbE.

Существуют два основных фактора, которые, вероятно, будут способствовать использованию нового “10-Gigabit Ethernet волокна”: популярность небольших (300 м или меньше) решений 10GbE и низкая стоимость интерфейсов 10GBASE-S по отношению к другим интерфейсам. Доказательство популярности недорогих, небольших 850 нм решений Ethernet легко видеть, глядя на количество проданных адаптеров типа 1000BASE-SX для Gigabit Ethernet. 1000BASE-SX работает на одномодовом волокне на расстояниях до 550 м и составляет большой процент от общего количества проданных GbE адаптеров.

Альтернативным решением является использование одномодового волокна с интерфейсами 10GBASE-L, 10GBASE-E или 10GBASE-LX4, последний из которых поддерживает как одномодовое, так и многомодовое волокно на расстояниях до 10 км и до 300 м соответственно.

Одномодовое волокно

На сегодняшний день широко используются 4 различных типа одномодового волокна. Они описаны в таблице 2. Рекомендация ITU-T G.652, которая обычно считается стандартом для одномодового волокна, представляет большую часть всех существующих волокон. Рекомендация G.652 описывает как стандартное одномодовое волокно (IEC type B1.1), так и одномодовое волокно с низким пиком водяного поглощения (IEC type B1.3).

Технические характеристики стандарта 10 GbE базируются на использовании стандартного одномодового волокна B1.1 или B1.3 или, другими словами, в основном на рекомендации G. 652. Однако это не препятствует использованию других типов одномодовых волокон с интерфейсом 10GBASE-E, так как их использование потенциально может улучшить эксплуатационные характеристики сетей 10GbE.

Стандартное одномодовое волокно IEC 60793-2 B1.1 & B1.3 / ITU G.652

Стандартное одномодовое волокно по сути представляет собой тонкую (5-8 мкм) сердцевину из стекла, легированного германием, окруженную более толстым слоем чистого стекла. Стандартное одномодовое волокно является основополагающим компонентом оптической телекоммуникационной инфраструктуры.

Почти все решения могут быть реализованы с помощью одномодового волокна, но оно оптимизировано для передачи сигнала на длине волны 1310 нм. Несоответствие эксплуатационных качеств со стандартами для одномодового волокна становится особенно значительным на высоких скоростях передачи (10 Гбит/с) и больших расстояниях (> 40км).

Одномодовое волокно с низким пиком водяного поглощения (IEC type B1.3) имеет такие же дисперсионные характеристики, как и стандартное одномодовое волокно (IEC type B1.1), но меньшее поглощение в области водяного пика (обычно 1383 нм). Поскольку никакой спецификации водяного поглощения для стандартного одномодового волокна (IEC type B1.1) не существует, поглощение в области 1383 нм может быть значительно больше, чем на 1310 нм.

За счет меньшего количества водяных примесей, вносимых в процессе изготовления, одномодовое волокно с низким пиком водяного поглощения (IEC type B1.3) обеспечивает все то же самое, что и стандартное одномодовое волокно, но к тому же поддерживает дополнительные длины волн между 1360 и 1460 нм.

Заметим еще раз, что стандарт IEEE 802.3ae для 10 Gigabit Ethernet описывает все эксплуатационные характеристики для стандартных типов одномодовых волокон (IEC type B1.1 и B1.3). Дополнительные типы волокон (например, DSF или NZDSF) могут давать преимущества, выходящие за рамки стандарта, но они не требуются для соответствия техническим характеристикам стандарта 10GbE.

Стандартное одномодовое волокно IEC 60793-2 B1.1 & B1.3 / ITU G.652

Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) начали применять в середине 1990-х для устранения недостатков, связанных с использованием DSF при передаче на нескольких длинах волн. В этом волокне поддерживается ограниченный коэффициент хроматической дисперсии во всем оптическом диапазоне (обычно 1530-1625 нм), используемом в волновом мультиплексировании (WDM).

В первую очередь, введение NZDSF было направлено на нелинейный эффект, который называется четырехволновым смешением (FWM). Суть FWM заключается в том, что три волны, несущие различную информацию, могут генерировать сигналы на четвертой длине волны. Если используется эквидистантная схема расположения каналов (как в большинстве WDM систем), то сгенерированные шумовые сигналы могут частично перекрывать длину волны, несущую полезную информацию. NZDSF смягчает этот эффект, обеспечивая для всех длин волн в рассматриваемом диапазоне (1530-1625 нм) некоторую ограниченную дисперсию таким образом, чтобы сигналы на соседних длинах волн не перекрывались в течение больших промежутков времени.

Уменьшенная хроматическая дисперсия NZDSF также уменьшает и нежелательный вклад других нелинейных эффектов – фазовой автомодуляции (SPM) и перекрестной фазовой модуляции (XPM). NZDSF оптимизировано для передачи в диапазоне 1530-1625 нм, но поддерживает также некоторые конфигурации на длине волны 1310 нм с соответствующим типом лазеров и конструкцией системы.

Стандарт IEEE 802.3ae описывает NZDSF коротко: "Вероятно, волокно типа B4 (NZDSF) с положительной дисперсией может быть использовано для 10GBASE-E вместо B1.1 или B1.3 (стандартное одномодовое волокно). Для соответствия TP3 должна иметь место линия связи с использованием волокна B4 (NZDSF) с отрицательной дисперсией".

[назад] [содержание] [вперед]