Для обеспечения нормального функционирования коммутируемой инфраструктуры 10GBaseS американский институт IEEE разрабатывает следующее поколение стандартов Ethernet. Скорость передачи информации на физическом уровне PHY составит 40 и 100 Гбит/с, для чего потребуется подготовка соответствующих технических решений и на подуровне PMD. Ратификация стандарта намечена на середину-конец 2010 г., при этом планируется поддерживать две скорости передачи данных:

  • 40 GbE предназначается для поддержки функционирования серверов, высокопроизводительных компьютерных кластеров HPC, а также сетевых систем хранения SAN и NAS;
  • 100 GbE — для применения на магистральных узлах коммутации, поддержки маршрутизации, агрегатирования в вычислительных центрах, использования на узлах обмена трафиком между провайдерами Internet, когда возникает потребность в большой пропускной способности. Примером соответствующего сервиса может служить «видео по запросу».

Далее мы рассмотрим параметры, от которых зависят характеристики многомодовых световодов при высоких скоростях передачи, а также обсудим связь этих параметров с фактической пропускной способностью оптических трактов.

РАЗНИЦА МЕЖДУ ОДНОМОДОВЫМИ И МНОГОМОДОВЫМИ СВЕТОВОДАМИ ПРИ ВЫСОКИХ СКОРОСТЯХ ПЕРЕДАЧИ

Новый стандарт сетей Ethernet (IEEE 802.3ba) предусматривает применение как одномодовых, так и многомодовых волоконных световодов. Дальность передачи по оптическим кабелям для разных видов волокон приведена в Таблице 1. В отношении высокопроизводительных компьютерных кластеров HPC эксперты исходят из того, что 100% линий доступа к клиенту, почти 90% распределительных линий и примерно 85% магистральных линий не превышают по протяженности 100 м и могут быть реализованы на основе многомодовой техники. Кроме того, все они сходятся на том, что физический уровень PHY может быть распространен за предельные для многомодовой техники 100 м, причем в случае перехода на одномодовые решения протяженность трактов передачи будет варьироваться от 10 до 40 км.

Для охвата всей территории центра обработки данных предельную протяженность многомодового тракта, вероятнее всего, придется увеличить до 150 м. Необходимым условием для поддержки таких расстояний является применение волокон Категории ОМ3 с минимальным эффективным коэффициентом широкополосности 2000 МГц×км. В случае использования улучшенных волокон с коэффициентом широкополосности 4700 МГц×км предельная протяженность тракта возрастает до 250 м. Волокна последнего типа называются также световодами Категории ОМ4 и специфицированы TIA 42.

Построение одномодовых и многомодовых оптических трактов осуществляется с применением различных технических средств. В случае передачи данных на расстояние 10 и 40 км используется технология спектрального уплотнения (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Архитектура WDM для одномодового соединения 100GbE изображена на Рисунке 1. Для оптимизации электрических схем интерфейс оптического приемопередатчика реализуется по 10-канальной схеме приема и передачи, причем все каналы работают на скорости 10 Гбит/с. На передающем конце из десяти 10-гигабитных потоков формируются четыре потока со скоростью 25 Гбит/с, каждый из которых поступает на отдельный лазер с внешней модуляцией (Externally Modulated Laser, EML). Лазеры функционируют на различных длинах волн в окне прозрачности 1310 нм (от 1294 до 1310 нм), причем расстояние между оптическими несущими составляет примерно 4,5 нм. Излучение лазеров с помощью сумматора вводится в одномодовое оптическое волокно.

Оптические сигналы распространяются по волокну параллельно без взаимного влияния, и поэтому результирующая скорость передачи данных в канале достигает 100 Гбит/с. На противоположном конце линии оптические несущие «демультиплексируются», распределяются по детекторам и усиливаются с помощью так называемого трансимпедансного усилителя (Transimpedance Amplifier, TIA). Затем четыре 25-гигабитных потока преобразуются в исходные десять 10-гигабитных потоков.

Для достижения наилучших показателей оптического тракта дисперсия и затухание волоконного световода должны иметь минимальные значения во всей рабочей спектральной области лазерных передатчиков. Так называемые стандартные одномодовые волокна (световоды G.652A и G.652В по классификации Международного союза электросвязи ITU) в окрестности длины волны 1310 нм имеют почти нулевую дисперсию и благодаря этому вносят в передаваемый сигнал минимальные искажения. Для минимизации форм-фактора оптического передатчика предполагается использование оптического соединителя LC. Технология спектрального уплотнения хорошо отработана, и телекоммуникационные операторы применяют ее на протяжении уже многих лет.

При реализации трактов передачи на базе многомодовой техники использование спектрального уплотнения невыгодно, поэтому применяется альтернативный метод передачи информации под названием «параллельная оптика» (см. Рисунок 2). Для организации 100-гигабитного канала связи задействуется матрица из десяти относительно дешевых лазеров VCSEL, каждый из которых передает 10-гигабитный информационный поток через индивидуальное многомодовое волокно. В качестве оптического интерфейса служит 12- или 24-волоконный соединитель MPO. Подобный прием позволяет применить в оптическом трансивере технологию 10GBaseT с дальностью передачи 300 м. Для повышения экономической привлекательности решения все лазеры работают на одинаковой длине волны, на которой спектральные свойства волокна могут быть ослаблены по сравнению с 10GBaseS. В приемнике в качестве фотодетектора устанавливаются PIN-диоды, усиление сигнала осуществляется трансимпедансным усилителем. Заключительный этап передачи — восстановление синхронизации отдельных потоков и формирование первоначальных пакетов данных.

ВИДЫ МНОГОМОДОВЫХ ВОЛОКОН, ПРИГОДНЫХ ДЛЯ 100GBE

Для понимания самой возможности использования многомодовых волоконных световодов в целях передачи информационных потоков со скоростью 40 и 100 Гбит/с рассмотрим их наиболее важные параметры. Данные передаются по четырем или десяти (в зависимости от скорости) параллельным волокнам. В силу этого разница во времени прохождения сигнала по отдельным волокнам должна быть минимальной — только при таком условии возможно восстановление исходного пакета на принимающей стороне.

В идеальном случае все биты, передаваемые по ленточному световоду параллельно, поступают на приемник в одно и то же время. Разница между моментами поступления наиболее быстрого и медленного сигналов называется перекосом задержки (Skew). Большое значение этого параметра ведет к резкому усложнению схем электронной компенсации разницы в задержке, что, в свою очередь, выражается в увеличении теряемой мощности и времени задержки сигнала. Величина перекоса задержки определяется хроматической и межмодовой дисперсией, разницей в длине отдельных волоконных световодов, а также разбросом показателя преломления их сердцевин, который, в свою очередь, зависит от производственных допусков или механических нагрузок на отдельные волокна.

Хроматическая дисперсия. Распространение оптического излучения с разными длинами волн в какой-либо среде происходит с различными скоростями. Лазер с вертикальным объемным резонатором (VCSEL) работает в ограниченном спектре, что приводит к рассеянию оптического импульса и увеличению его длительности. Хроматическая дисперсия описывает интенсивность этого нежелательного эффекта, ведущего к ухудшению качества передаваемого сигнала и снижению пропускной способности оптического тракта.

Межмодовая дисперсия. Различные моды излучения распространяются в сердцевине многомодового световода вдоль различных оптических путей, что приводит к разнице во времени распространения и сопровождается расширением импульса. Параметр, который характеризует задержку различных мод вследствие межмодовой дисперсии, называется дифференциальной модовой задержкой (Differential Mode Delay, DMD). По результатам измерения DMD рассчитывается величина эффективной модовой ширины полосы пропускания EMBc, единица измерения которой составляет 1 МГц×км.

Импульсная задержка. Скорость света в волокне определяется показателем преломления материала его сердцевины.

Различные физические нагрузки, возникающие в процессе изготовления оптического кабеля и во время инсталляции, могут привести к локальным флуктуациям этого параметра. Внешним проявлением их наличия является разновременное поступление импульсов на приемник. Дополнительным фактором, усиливающим данный процесс, оказывается различная длина отдельных световодов.

Некоторые из перечисленных параметров изначально присущи волоконному световоду и определяются особенностями его изготовления. При совершенствовании технологического процесса и ужесточении контроля производства улучшаются все параметры волокна, в том числе его однородность.

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРА ЕМВ И МЕЖМОДОВОЙ ДИСПЕРСИИ

Для того чтобы многомодовый световод можно было отнести к категории ОМ3, необходимо измерить дифференциальную модовую задержку с помощью шести шаблонов DMD, описанных в стандартах TIA-455-220-A и IEC 60793-1-49. Выдержка из этих нормативных документов приведена в Таблице 2. Если в радиальной области сердцевины в интервале изменения радиальной координаты от 5 до 18 мкм (внутренняя маска) значение параметра DMD, измеренное по шаблону 1, не превышает 0,23 пс/м, то аналогичный параметр по всей сердцевине (внешняя маска, радиальная координата изменяется в пределах от 0 до 23 мкм) не должен превышать 0,70 пс/м. В тех случаях, когда величина дифференциальной модовой задержки по внутренней маске больше рекомендуемой, требования по внешней маске ужесточаются. Если волокно соответствует требованиям одного из шести шаблонов, оно классифицируется как ОМ3. Однако другие требования (коэффициент широкополосности в режиме возбуждения с переполнением и механические параметры) подлежат обязательному выполнению.

На основании измерений параметра DMD можно рассчитать коэффициент широкополосности многомодового волокна. Данное значение называется расчетным эффективным коэффициентом широкополосности (Calculated Effective Modal Bandwidth, EMBc). У оптимизированных для лазерной передачи волокон значение этого параметра должно быть не хуже 2000 МГц×км. Точно так же определяются улучшенные волокна, в частности, световоды будущей Категории ОМ4. Для них коэффициент широкополосности составляет не менее 4700 МГц×км. Обычный и вычисляемый коэффициенты широкополосности связаны между собой соотношением EMB = 1,13×EMBc.

Параметры межмодовой дисперсии многомодовых световодов нескольких производителей исследовались в лабораториях компании Panduit с использованием прецизионной измерительной системы для определения дифференциальной модовой задержки DMD. После усовершенствования этой установки появилась возможность измерить хроматическую дисперсию и импульсную задержку в волокнах ленточного типа. Результаты измерений позволяют рассчитать значение битового смещения отдельных сигналов. В итоге удалось сформулировать оптимальные требования к характеристикам перспективных трактов передачи сигналов 40- и 100-гигабитного Ethernet.

Проведенные исследования показали, что характеристики распространенных измерительных систем DMD недостаточны для определения широкополосности многомодовых световодов с требуемой точностью. На Рисунке 3 приведена зависимость частоты битовых ошибок (Bit Error Rate) для ленточного кабеля c 12 волокнами Категории ОМ3, который обычно применяют в кабельных системах центров обработки данных. Частота появления ошибочных битов определяется как отношение искаженных сигналов к общему количеству сигналов, переданных за определенный промежуток времени. Зеленая область представляет нормальные величины этого параметра для световодов Категории ОМ3, желтая — приемлемые. По оси абсцисс отложены значения оптической мощности на приеме, на оси ординат — частота появления ошибочных битов.

При уменьшении оптической мощности (перемещение по оси х справа налево) вероятность ошибки пропорционально увеличивается. Для 10GbE значение вероятности ошибки 10-12 достигается при оптической мощности на приемнике не выше -9,9 дБм. На практике системы воспроизводят худший случай, и для них необходимо стремиться к получению вероятности ошибки 10-10 при оптической мощности не менее -9,9 дБм.

Более подробные исследования этого образца ленточного кабеля показывают, что два из 12 его волокон по своим параметрам не отвечают требованиям спецификации систем 10GbE в отношении вероятности битовой ошибки. К тому же, как следует из дальнейшего анализа дифференциальной модовой задержки, оба световода не удовлетворяют требованиям к волокнам Категории ОМ3. Таким образом, два не связанных между собой измерения дают одинаковый результат. Как можно заключить на основании данных по коэффициентам широкополосности отдельных световодов указанного ленточного кабеля, приведенным в Таблице 3, тестирующее оборудование, которое производитель применяет во время испытаний кабеля, обладает неудовлетворительной точностью по параметру DMD.

ВЛИЯНИЕ БИТОВОГО СМЕЩЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКНА

Рабочая длина волны тестовой установки компании Panduit меняется в широких пределах. Измерив зависимость смещения импульса от длины волны оптической несущей, можно рассчитать хроматическую и межмодовую дисперсию, а также вычислить общее значение битового смещения с привлечением данных по другим волокнам. На Рисунке 4 изображена задержка сигнала для одной из мод на четырех различных длинах волн. После подстановки числовых значений в формулу, которая приводится в стандарте TIA-455-168-A, для каждого волокна можно найти угол наклона дисперсионной характеристики S0 и так называемую длину λ0 волны с нулевой дисперсией. Кроме того, полученные данные позволяют рассчитать наклон дисперсионной характеристики и саму хроматическую дисперсию для выбранного волокна. Зависимость хроматической дисперсии D(λ), измеряемой в пс/нм×км, от длины волны оптической несущей представлена в графической форме на Рисунке 5.

Рисунок 4. Зависимость задержки распространения сигнала от длины волны оптической несущей.

Рисунок 5. Коэффициент хроматической дисперсии волоконных световодов.

С помощью полученного коэффициента хроматической дисперсии можно рассчитать величину хроматической дисперсии для лазеров VCSEL. Сотрудники лаборатории компании Panduit исходили из того, что лазеры имели среднюю длину волны 850 нм при максимальной спектральной ширине 0,65 нм — именно такие параметры предложены для 100GbE (100GBaseSR10). Расчетное значение величины дисперсионного коэффициента составляет 0,061 пс/м.

Кривые хроматической и межмодовой дисперсии для двух различных образцов световодов изображены на Рисунке 6. Кривые хроматической дисперсии показывают рассеяние, которое испытывает сигнал в случае работ двух различных лазеров VCSEL.

Рисунок 6. Дисперсия двух различных многомодовых волоконных световодов параллельной оптической системы для передачи информации на небольшое расстояние.

Нижняя (лиловая) кривая относится к случаю максимальной спектральной ширины в 0,45 нм, предусмотренной спецификацией стандарта 10GBaseSR. Верхняя (желтая) кривая построена для спектральной ширины излучения 0,65 нм, принятой для 10GbE. Из графиков видно, что хроматическая дисперсия в окне прозрачности 850 нм не превышает 0,07 пс/м и вызываемое ею битовое смещение достаточно мало.

Для межмодовой дисперсии результат оказывается прямо противоположным. Межмодовая дисперсия в большой степени зависит от длины волны, а каждая из двух дисперсионных кривых имеет выраженный минимум. Минимум соответствует оптимальной длине волны оптической несущей для конкретного световода. Он определяется применяемой производителем технологией изготовления волокна. Оптимальная длина волны составляет примерно 870 нм для волокна А и 830 нм для световода В, т.е. отличается на 20 нм от центральной длины волны 850 нм. Недостаточно строгий контроль процесса изготовления волокна приводит к отклонениям профиля показателя преломления сердцевины. Таким образом, оптимальная длина волны может существенно отличаться от рабочей, что сопровождается значительной межмодовой дисперсией.

На Рисунке 7 представлены результаты измерения дифференциальной модовой задержки для одного волокна на двух различных длинах волн (870 и 830 нм). Графики показывают зависимость скорости распространения мод от осевого смещения (единица измерения — пс/м). В данном случае минимальная величина дифференциальной модовой задержки достигается на длине волны 870 нм. Графики дифференциальной модовой задержки свидетельствуют о том, что все импульсы, независимо от их радиального смещения при вводе излучения в волокно, приходят на приемник в одно и то же время.

Величина параметра EMBc на длине волны 870 нм составляет 8762 МГц×км. Это очень большое значение для коэффициента широкополосности. На длине волны 830 нм вблизи оболочки (на расстоянии более 15 мкм от оси) происходит смещение импульса и ускорение его распространения, что увеличивает дифференциальную модовую задержку и снижает параметр EMBc. Это может быть вызвано отклонением профиля показателя преломления от оптимального. Для рассматриваемого образца многомодового световода отклонение рабочей длины волны от оптимальной приводит к уменьшению коэффициента широкополосности EMBc на 50%.

Отклонение профиля показателя преломления от оптимального сопровождается также увеличением межмодовой дисперсии (см. графики на Рисунке 8). Для луча света, который вводится в волокно на расстоянии примерно 11 мкм от его оси, скорость распространения составляет около 0,65 пс/м. В случае ввода излучения в волокно вблизи его оси скорость распространения равняется 0,50 пс/м, в результате межмодовая дисперсия увеличивается.

Рисунок 8. Дифференциальная модовая задержка многомодового волокна с большой межмодовой дисперсией.

В ходе экспериментов дополнительно к хроматической и межмодовой дисперсии измерялось время прохождения сигнала по отдельным световодам 12-волоконного ленточного кабеля (другие его характеристики представлены на Рисунке 3). На основании полученных результатов рассчитывались задержки сигналов. Все значения для 12 волокон сведены в Таблице 4. Из разности максимального и минимального времени прохождения получаем Δτ = 740 пс. В данном образце ленточного кабеля не все волокна по своим частотным свойствам соответствуют требованиям Категории ОМ3. Тем не менее, максимальную величину разности дают именно волокна Категории ОМ3. Для целей сравнения абсолютное значение Dt делилось на длину кабеля в 312 м; с учетом разницы в показателях преломления это дает импульсную задержку в 2,37 пс/м.

Результаты измерений могут быть использованы для определения величины смещения импульса, когда отсутствует влияние механических нагрузок на волокно (см. Таблицу 5). При проведении расчетов целесообразно использовать единицы измерения в виде тактового интервала (Unit Interval, UI), то есть 1 UI численно равен одному тактовому интервалу. Для 10-гигабитного Ethernet скорость линейного сигнала составляет 10,3125 Гбит/с, что соответствует тактовому интервалу в 96,97 пс.

Общее измеренное смещение во времени равно

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

Хотя максимально допустимая величина смещения импульса во времени для 100GBaseSR10 еще не определена, в процессе измерений было продемонстрировано, что данный параметр позволяет установить, пригоден ли ленточный световод для использования в качестве тракта передачи высокоскоростного сигнала в режиме параллельной передачи. Кроме того, эта методика измерения позволяет оценить устойчивость тракта передачи к дисперсионным искажениям и задержкам передаваемого сигнала, а также сделать вывод о степени совершенства производственного процесса. Время прохождения сигнала, не зависящее от ширины полосы пропускания, оказывает значительное влияние на смещение импульса. Кабель с многомодовыми волокнами Категории ОМ3 не гарантирует достижения низкой величины смещения импульса. Для подтверждения надежной передачи сигналов 100 Gigabit Ethernet на заданное расстояние по ленточному кабелю необходима сертификация.

Мы рассмотрели способы измерения параметров (дисперсия и битовая задержка сигнала) многомодовых волоконных световодов, имеющих решающее значение для производительности многомодового волокна при передаче высокоскоростных данных. Как было показано, эти измерения могут применяться для определения разницы в качестве волокон. Основным способом сохранения целостности сигнала при параллельной передаче в случае 40- и 100-гигабитных вариантов Ethernet является тщательный контроль процесса изготовления волоконных световодов. Чем лучше отработаны технологические процедуры формирования отдельных элементов (волокно, лента, оптический кабель) и чем более жесткие допуски на технологические параметры применяет производитель, тем более качественным получается готовое изделие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рабочая группа компании Panduit планирует продолжить исследования производственных процессов изготовления волокон и кабелей с целью улучшения технологических процессов их формирования. Цель — более точное определение ширины полосы пропускания, сертификация системных параметров отдельных световодов и собранных из них кабелей по критерию вероятности ошибки, а также разработка спецификаций волоконных световодов для партнеров (в отношении соблюдения битового смещения для разных путей).
На основании этих данных будут разрабатываться предложения по сертификации многомодовых световодов для передачи 100-гигабитных сигналов.

Доктор Рик Пимпинелла и доктор Гастон Тьюдари — сотрудники лаборатории компании Panduit в Тинли Парк.


© AWi Verlag


Рисунок 1. Схема оптической системы передачи с использованием спектрального уплотнения на базе одномодовых волокон для передачи на большие расстояния.

Рисунок 2. Схема параллельной оптической системы в случае применения многомодовых волокон для передачи информации на небольшие расстояния.

Рисунок 3. Кривые вероятности ошибки для параллельной оптической системы при использовании многомодовых волокон для передачи информации на небольшие расстояния.

Рисунок 7. Дифференциальная модовая задержка многомодового волокна на рабочих длинах волн 830 и 870 нм.

Таблица 1. Минимальная дальность передачи для 40 и 100 GbE.

Таблица 2. Максимальные значения параметра DMD для сертификации многомодовых волоконных световодов категории ОМ3.

Таблица 3. Измеренные значения параметра ЕМВс для волокон, которые классифицируются производителем как ОМ3.

Таблица 4. Импульсная задержка для 12-волоконного ленточного кабеля.

Таблица 5. Отдельные составляющие смещения импульса.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF