Відображення в склі

Для забезпечення нормального функціонування комутованої інфраструктури 10GBaseS американський інститут IEEE розробляє наступне покоління стандартів Ethernet Для забезпечення нормального функціонування комутованої інфраструктури 10GBaseS американський інститут IEEE розробляє наступне покоління стандартів Ethernet. Швидкість передачі інформації на фізичному рівні PHY складе 40 і 100 Гбіт / с, для чого буде потрібно підготовка відповідних технічних рішень і на підрівні PMD. Ратифікація стандарту намічена на середину-кінець 2010 р, при цьому планується підтримувати дві швидкості передачі даних:

  • 40 GbE призначається для підтримки функціонування серверів, високопродуктивних комп'ютерних кластерів HPC, а також мережевих систем зберігання SAN і NAS;

  • 100 GbE - для застосування на магістральних вузлах комутації, підтримки маршрутизації, агрегатування в обчислювальних центрах, використання на вузлах обміну трафіком між провайдерами Internet, коли виникає потреба у великій пропускній спроможності. Прикладом відповідного сервісу може служити «відео за запитом».

Далі ми розглянемо параметри, від яких залежать характеристики багатомодових світловодів при високих швидкостях передачі, а також обговоримо зв'язок цих параметрів з фактичної пропускною спроможністю оптичних трактів.

РІЗНИЦЯ МІЖ одномодове і багатомодове світловодів з високою швидкістю передачі

Новий стандарт мереж Ethernet (IEEE 802.3ba) передбачає застосування як одномодових, так і багатомодових волоконних світловодів. Дальність передачі по оптичних кабелях для різних видів волокон приведена в таблиці 1 . Відносно високопродуктивних комп'ютерних кластерів HPC експерти виходять з того, що 100% ліній доступу до клієнта, майже 90% розподільних ліній і приблизно 85% магістральних ліній не перевищують за довжиною 100 м і можуть бути реалізовані на основі багатомодовою техніки. Крім того, всі вони сходяться на тому, що фізичний рівень PHY може бути поширений за граничні для багатомодовою техніки 100 м, причому в разі переходу на одномодові рішення протяжність трактів передачі буде варіюватися від 10 до 40 км.

Для охоплення всієї території центру обробки даних граничну протяжність багатомодового тракту, найімовірніше, доведеться збільшити до 150 м. Необхідною умовою для підтримки таких відстаней є застосування волокон Категорії ОМ3 з мінімальним ефективним коефіцієнтом широкополосности 2000 МГц × км. У разі використання поліпшених волокон з коефіцієнтом широкополосности 4700 МГц × км гранична довжина тракту зростає до 250 м. Волокна останнього типу називаються також световодами Категорії ОМ4 і специфіковані TIA 42.

Побудова одномодових і багатомодових оптичних трактів здійснюється із застосуванням різних технічних засобів. У разі передачі даних на відстань 10 і 40 км використовується технологія спектрального ущільнення (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Архітектура WDM для одномодового з'єднання 100GbE зображена на малюнку 1 . Для оптимізації електричних схем інтерфейс оптичного приймача реалізується по 10-канальної схемою прийому і передачі, причому всі канали працюють на швидкості 10 Гбіт / с. На передавальному кінці з десяти 10-гігабітних потоків формуються чотири потоки зі швидкістю 25 Гбіт / с, кожен з яких надходить на окремий лазер з зовнішньої модуляцією (Externally Modulated Laser, EML). Лазери функціонують на різних довжинах хвиль у вікні прозорості 1310 нм (від тисячу двісті дев'яносто чотири до 1310 нм), причому відстань між оптичними несучими становить приблизно 4,5 нм. Випромінювання лазерів за допомогою суматора вводиться в одномодовое оптичне волокно.

Оптичні сигнали поширюються по волокну паралельно без взаємного впливу, і тому результуюча швидкість передачі даних в каналі досягає 100 Гбіт / с. На протилежному кінці лінії оптичні несучі «демультіплексіруются», розподіляються з детекторів і посилюються за допомогою так званого трансімпедансним підсилювача (Transimpedance Amplifier, TIA). Потім чотири 25-гігабітних потоку перетворюються в вихідні десять 10-гігабітних потоків.

Для досягнення найкращих показників оптичного тракту дисперсія і згасання волоконного світловода повинні мати мінімальні значення у всій робочої спектральної області лазерних передавачів. Так звані стандартні одномодові волокна (світловоди G.652A і G.652В за класифікацією Міжнародного союзу електрозв'язку ITU) в околиці довжини хвилі 1310 нм мають майже нульову дисперсію і завдяки цьому вносять в переданий сигнал мінімальні спотворення. Для мінімізації форм-фактора оптичного передавача передбачається використання оптичного з'єднувача LC. Технологія спектрального ущільнення добре відпрацьована, і телекомунікаційні оператори застосовують її на протязі вже багатьох років.

При реалізації трактів передачі на базі багатомодовою техніки використання спектрального ущільнення невигідно, тому застосовується альтернативний метод передачі інформації під назвою «паралельна оптика» (див. малюнок 2 ). Для організації 100-гігабітного каналу зв'язку задіюється матриця з десяти відносно дешевих лазерів VCSEL, кожен з яких передає 10-гігабітний інформаційний потік через індивідуальне багатомодове волокно. В якості оптичного інтерфейсу служить 12- або 24-волоконний з'єднувач MPO. Подібний прийом дозволяє застосувати в оптичному трансивері технологію 10GBaseT з дальністю передачі 300 м. Для підвищення економічної привабливості рішення все лазери працюють на однаковій довжині хвилі, на якій спектральні властивості волокна можуть бути послаблені в порівнянні з 10GBaseS. У приймальнику як фотодетектора встановлюються PIN-діоди, посилення сигналу здійснюється трансімпедансним підсилювачем. Заключний етап передачі - відновлення синхронізації окремих потоків і формування первинних пакетів даних.

ВИДИ Багатомодові ВОЛОКОН, придатних для 100GBE

Для розуміння самої можливості використання багатомодових волоконних світловодів з метою передачі інформаційних потоків зі швидкістю 40 і 100 Гбіт / с розглянемо їх найбільш важливі параметри. Дані передаються по чотирьох або десяти (в залежності від швидкості) паралельним волокнам. В силу цього різниця в часі проходження сигналу по окремим волокнам повинна бути мінімальною - лише за такої умови можливе відновлення початкового пакету на приймаючій стороні.

В ідеальному випадку всі біти, що передаються по стрічковому световоду паралельно, надходять на приймач в один і той же час. Різниця між моментами надходження найбільш швидкого і повільного сигналів називається перекосом затримки (Skew). Велике значення цього параметра веде до різкого ускладнення схем електронної компенсації різниці в затримці, що, в свою чергу, виражається в збільшенні втрачається потужності і часу затримки сигналу. Величина перекосу затримки визначається хроматичної і межмодовой дисперсією, різницею в довжині окремих волоконних світловодів, а також розкидом показника заломлення їх серцевин, який, в свою чергу, залежить від виробничих допусків або механічних навантажень на окремі волокна.

Хроматична дисперсія. Поширення оптичного випромінювання з різними довжинами хвиль в якому-небудь середовищі відбувається з різними швидкостями. Лазер з вертикальним об'ємним резонатором (VCSEL) працює в обмеженому спектрі, що призводить до розсіювання оптичного імпульсу і збільшення його тривалості. Хроматична дисперсія описує інтенсивність цього небажаного ефекту, що веде до погіршення якості сигналу і зниження пропускної здатності оптичного тракту.

Межмодовая дисперсія. Різні моди випромінювання поширюються в серцевині многомодового світловода уздовж різних оптичних шляхів, що призводить до різниці в часі поширення і супроводжується розширенням імпульсу. Параметр, який характеризує затримку різних мод внаслідок межмодовой дисперсії, називається диференціальної модовой затримкою (Differential Mode Delay, DMD). За результатами вимірювання DMD розраховується величина ефективної модовой ширини смуги пропускання EMBc, одиниця виміру якої становить 1 МГц × км.

Імпульсна затримка. Швидкість світла в волокні визначається показником заломлення матеріалу його серцевини.

Різні фізичні навантаження, що виникають в процесі виготовлення оптичного кабелю і під час інсталяції, можуть привести до локальних флуктуацій цього параметра. Зовнішнім проявом їх наявності є різночасне надходження імпульсів на приймач. Додатковим чинником, що підсилює цей процес, виявляється різна довжина окремих світловодів.

Деякі з перерахованих параметрів спочатку притаманні волоконному световоду і визначаються особливостями його виготовлення. При вдосконаленні технологічного процесу і посилення контролю виробництва поліпшуються всі параметри волокна, в тому числі його однорідність.

ВИМІР ПАРАМЕТРА ЕМВ І межмодовой дисперсії

Для того щоб багатомодовий світловод можна було віднести до категорії ОМ3, необхідно виміряти диференціальну модовая затримку за допомогою шести шаблонів DMD, описаних в стандартах TIA-455-220-A і IEC 60793-1-49. Витяг з цих нормативних документів наведена в таблиці 2 . Якщо в радіальної області серцевини в інтервалі зміни радіальної координати від 5 до 18 мкм (внутрішня маска) значення параметра DMD, виміряний за шаблоном 1, не перевищує 0,23 пс / м, то аналогічний параметр по всій серцевині (зовнішня маска, радіальна координата змінюється в межах від 0 до 23 мкм) не повинен перевищувати 0,70 пс / м. У тих випадках, коли величина диференціальної модовой затримки по внутрішньої масці більше рекомендованої, вимоги по зовнішньої масці посилюються. Якщо волокно відповідає вимогам одного з шести шаблонів, воно класифікується як ОМ3. Однак інші вимоги (коефіцієнт широкополосности в режимі збудження з переповненням і механічні параметри) підлягають обов'язковому виконанню.

На підставі вимірів параметра DMD можна розрахувати коефіцієнт широкополосности многомодового волокна. Дане значення називається розрахунковим ефективним коефіцієнтом широкополосности (Calculated Effective Modal Bandwidth, EMBc). У оптимізованих для лазерної передачі волокон значення цього параметра має бути не гірше 2000 МГц × км. Точно так же визначаються поліпшені волокна, зокрема, світловоди майбутньої Категорії ОМ4. Для них коефіцієнт широкополосности становить не менше 4700 МГц × км. Звичайний і вираховується коефіцієнти широкополосности пов'язані між собою співвідношенням EMB = 1,13 × EMBc.

Параметри межмодовой дисперсії багатомодових світловодів декількох виробників досліджувалися в лабораторіях компанії Panduit з використанням прецизійної вимірювальної системи для визначення диференціальної модовой затримки DMD. Після вдосконалення цієї установки з'явилася можливість виміряти хроматичну дисперсію і імпульсну затримку в волокнах стрічкового типу. Результати вимірювань дозволяють розрахувати значення бітового зсуву окремих сигналів. В результаті вдалося сформулювати оптимальні вимоги до характеристик перспективних трактів передачі сигналів 40- і 100-гігабітного Ethernet.

Проведені дослідження показали, що характеристики поширених вимірювальних систем DMD недостатні для визначення широкополосности багатомодових світловодів з необхідною точністю. на малюнку 3 приведена залежність частоти бітових помилок (Bit Error Rate) для стрічкового кабелю c 12 волокнами Категорії ОМ3, який зазвичай застосовують в кабельних системах центрів обробки даних. Частота появи помилкових бітів визначається як відношення перекручених сигналів до загальної кількості сигналів, переданих за певний проміжок часу. Зелена область представляє нормальні величини цього параметра для світловодів Категорії ОМ3, жовта - прийнятні. По осі абсцис відкладені значення оптичної потужності на прийомі, на осі ординат - частота появи помилкових бітів.

При зменшенні оптичної потужності (переміщення по осі х справа наліво) ймовірність помилки пропорційно збільшується. Для 10GbE значення ймовірності помилки 10-12 досягається при оптичної потужності на приймачі не вище -9,9 дБм. На практиці системи відтворюють найгірший випадок, і для них необхідно прагнути до отримання ймовірності помилки 10-10 при оптичної потужності не менше 9,9 дБм.

Більш докладні дослідження цього зразка стрічкового кабелю показують, що два з 12 його волокон за своїми параметрами не відповідають вимогам специфікації систем 10GbE щодо ймовірності бітової помилки. До того ж, як випливає з подальшого аналізу диференціальної модовой затримки, обидва світловода не задовольняють вимогам до волокон Категорії ОМ3. Таким чином, два не пов'язаних між собою вимірювання дають однаковий результат. Як можна зробити висновок на підставі даних за коефіцієнтами широкополосности окремих світловодів зазначеного стрічкового кабелю, наведеними в таблиці 3 , Тестуючі обладнання, яке виробник застосовує під час випробувань кабелю, володіє незадовільною точністю по параметру DMD.

ВПЛИВ бітові зсуви НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКНА

Робоча довжина хвилі тестової установки компанії Panduit змінюється в широких межах. Вимірявши залежність зміщення імпульсу від довжини хвилі оптичної несучої, можна розрахувати хроматичну і межмодовую дисперсію, а також обчислити загальне значення бітового зсуву із залученням даних по інших волокон. На рисунку 4 зображено затримка сигналу для одного з мод на чотирьох різних довжинах хвиль. Після підстановки числових значень в формулу, яка наводиться в стандарті TIA-455-168-A, для кожного волокна можна знайти кут нахилу дисперсійної характеристики S0 і так звану довжину λ0 хвилі з нульовою дисперсією. Крім того, отримані дані дозволяють розрахувати нахил дисперсионной характеристики і саму хроматичну дисперсію для обраного волокна. Залежність хроматичної дисперсії D (λ), яка вимірюється в пс / нм × км, від довжини хвилі оптичної несучої представлена ​​в графічній формі на рисунку 5.

За допомогою отриманого коефіцієнта хроматичної дисперсії можна розрахувати величину хроматичної дисперсії для лазерів VCSEL. Співробітники лабораторії компанії Panduit виходили з того, що лазери мали середню довжину хвилі 850 нм при максимальній спектральної ширині 0,65 нм - саме такі параметри запропоновані для 100GbE (100GBaseSR10). Розрахункове значення величини дисперсійного коефіцієнта становить 0,061 пс / м.

Криві хроматичної і межмодовой дисперсії для двох різних зразків світловодів зображені на рисунку 6. Криві хроматичної дисперсії показують розсіювання, яке відчуває сигнал у разі робіт двох різних лазерів VCSEL.

Нижня (лілова) крива відноситься до випадку максимальної спектральної ширини в 0,45 нм, передбаченої специфікацією стандарту 10GBaseSR. Верхня (жовта) крива побудована для спектральної ширини випромінювання 0,65 нм, прийнятої для 10GbE. З графіків видно, що хроматична дисперсія у вікні прозорості 850 нм не перевищує 0,07 пс / м і викликається нею бітовий зсув досить мало.

Для межмодовой дисперсії результат виявляється прямо протилежним. Межмодовая дисперсія в великій мірі залежить від довжини хвилі, а кожна з двох дисперсійних кривих має виражений мінімум. Мінімум відповідає оптимальній довжині хвилі оптичної несучої для конкретного світловода. Він визначається застосовуваної виробником технологією виготовлення волокна. Оптимальна довжина хвилі становить приблизно 870 нм для волокна А і 830 нм для світловода В, тобто відрізняється на 20 нм від центральної довжини хвилі 850 нм. Недостатньо строгий контроль процесу виготовлення волокна призводить до відхилень профілю показника заломлення серцевини. Таким чином, оптимальна довжина хвилі може істотно відрізнятися від робочої, що супроводжується значною межмодовой дисперсією.

на малюнку 7 представлені результати вимірювання диференціальної модовой затримки для одного волокна на двох різних довжинах хвиль (870 і 830 нм). Графіки показують залежність швидкості поширення мод від осьового зсуву (одиниця виміру - пс / м). В даному випадку мінімальна величина диференціальної модовой затримки досягається на довжині хвилі 870 нм. Графіки диференціальної модовой затримки свідчать про те, що все імпульси, незалежно від їх радіального зміщення при введенні випромінювання в волокно, приходять на приймач в один і той же час.

Величина параметра EMBc на довжіні Хвилі 870 нм ставити 8762 МГц × км. Це дуже велике значення для коефіцієнта широкополосности. На довжині хвилі 830 нм поблизу оболонки (на відстані більше 15 мкм від осі) відбувається зміщення імпульсу і прискорення його поширення, що збільшує диференціальну модовая затримку і знижує параметр EMBc. Це може бути викликано відхиленням профілю показника заломлення від оптимального. Для розглянутого зразка многомодового світловода відхилення робочої довжини хвилі від оптимальної призводить до зменшення коефіцієнта широкополосности EMBc на 50%.

Відхилення профілю показника заломлення від оптимального супроводжується також збільшенням межмодовой дисперсії (див. Графіки на рисунку 8). Для променя світла, який вводиться в волокно на відстані приблизно 11 мкм від його осі, швидкість поширення становить близько 0,65 пс / м. У разі введення випромінювання в волокно поблизу його осі швидкість поширення дорівнює 0,50 пс / м, в результаті межмодовая дисперсія збільшується.

В ході експериментів додатково до хроматичної і межмодовой дисперсії вимірювалося час проходження сигналу по окремим световодам 12-волоконного стрічкового кабелю (інші його характеристики представлені на малюнку 3 ). На підставі отриманих результатів розраховувалися затримки сигналів. Всі значення для 12 волокон зведені в таблиці 4 . З різниці максимального і мінімального часу проходження отримуємо Δτ = 740 пс. В даному зразку стрічкового кабелю не всі волокна за своїми частотними властивостями відповідають вимогам Категорії ОМ3. Проте, максимальну величину різниці дають саме волокна Категорії ОМ3. Для цілей порівняння абсолютне значення Dt поділялося на довжину кабелю в 312 м; з урахуванням різниці в показниках заломлення це дає імпульсну затримку в 2,37 пс / м.

Результати вимірювань можуть бути використані для визначення величини зміщення імпульсу, коли відсутня вплив механічних навантажень на волокно (див. таблицю 5 ). При проведенні розрахунків доцільно використовувати одиниці вимірювання у вигляді тактового інтервалу (Unit Interval, UI), тобто 1 UI чисельно дорівнює одному тактовому інтервалу. Для 10-гігабітного Ethernet швидкість лінійного сигналу становить 10,3125 Гбіт / с, що відповідає тактовому інтервалу в 96,97 пс.

Загальна виміряний зсув у часі одно

0,21 UI + 1,06 UI + 7,63 UI = 8,90 UI.

Хоча максимально допустима величина зсуву імпульсу в часі для 100GBaseSR10 ще не визначена, в процесі вимірювань було продемонстровано, що даний параметр дозволяє встановити, чи придатний стрічковий світловод для використання в якості тракту передачі високошвидкісного сигналу в режимі паралельної передачі. Крім того, ця методика вимірювання дозволяє оцінити стійкість тракту передачі до дисперсійним спотворень і затримок сигналу, що передається, а також зробити висновок про ступінь досконалості виробничого процесу. Час проходження сигналу, яке залежить від ширини смуги пропускання, значно впливає на зміщення імпульсу. Кабель з багатомодовими волокнами Категорії ОМ3 не гарантує досягнення низької величини зсуву імпульсу. Для підтвердження надійної передачі сигналів 100 Gigabit Ethernet на задану відстань по стрічковому кабелю необхідна сертифікація.

Ми розглянули способи вимірювання параметрів (дисперсія і бітова затримка сигналу) багатомодових волоконних світловодів, що мають вирішальне значення для продуктивності многомодового волокна при передачі високошвидкісних даних. Як було показано, ці вимірювання можуть застосовуватися для визначення різниці в якості волокон. Основним способом збереження цілісності сигналу при паралельній передачі в разі 40- і 100-гігабітних варіантів Ethernet є ретельний контроль процесу виготовлення волоконних світловодів. Чим краще відпрацьовані технологічні процедури формування окремих елементів (волокно, стрічка, оптичний кабель) і чим більш жорсткі допуски на технологічні параметри застосовує виробник, тим якіснішим виходить готовий виріб.

ВИСНОВОК

Робоча група компанії Panduit планує продовжити дослідження виробничих процесів виготовлення волокон і кабелів з метою поліпшення технологічних процесів їх формування. Мета - більш точне визначення ширини смуги пропускання, сертифікація системних параметрів окремих світловодів і зібраних з них кабелів за критерієм імовірності помилки, а також розробка специфікацій волоконних світловодів для партнерів (щодо дотримання бітового зсуву для різних шляхів).
На підставі цих даних будуть розроблятися пропозиції щодо сертифікації багатомодових світловодів для передачі 100-гігабітних сигналів.

Доктор Рік Пімпінелла і доктор Гастон Тьюдарі - співробітники лабораторії компанії Panduit в Тінлі Парк.

© AWi Verlag

Малюнок 1. Схема оптичної системи передачі з використанням спектрального ущільнення на базі одномодових волокон для передачі на великі відстані.

Малюнок 2. Схема паралельної оптичної системи в разі застосування багатомодових волокон для передачі інформації на невеликі відстані.

Малюнок 3. Криві ймовірності помилки для паралельної оптичної системи при використанні багатомодових волокон для передачі інформації на невеликі відстані.

Малюнок 7. Диференціальна модовая затримка многомодового волокна на робочих довжинах хвиль 830 і 870 нм.

Таблиця 1. Мінімальна дальність передачі для 40 і 100 GbE.

Таблиця 2. Максимальні значення параметра DMD для сертифікації багатомодових волоконних світловодів категорії ОМ3.

Таблиця 3. Виміряні значення параметра ЕМВс для волокон, які класифікуються виробником як ОМ3.

Таблиця 4. Імпульсна затримка для 12-волоконного стрічкового кабелю.

Таблиця 5. Окремі складові зсуву імпульсу.