Многомодовое волокно чаще всего используется для передачи данных на короткие расстояния и особенно распространено в корпоративных сетях и центрах обработки данных. В этой статье мы развеем некоторые мифы, касающиеся многомодового волокна (MMF) и присущей ему ограниченной пропускной способности. Также мы подробно рассмотрим новый технологический подход, позволяющий использовать весь потенциал многомодового волокна и увеличивать его пропускную способность с целью продлить жизнь существующей кабельной инфраструктуре кампуса. Кроме того, мы расскажем о перспективах и возможностях, которые эта технология предоставляет рынку локальных сетей (LAN).
Многомодовое оптоволокно — это далеко не новая технология. Оно используется в секторе телекоммуникаций с начала развертывания в 1980-х годах и работает просто: передаёт свет по нескольким разным путям (модам) в волокне. Многомодовое оптоволокно хорошо зарекомендовало себя в центрах обработки данных как экономически эффективный способ обеспечения высокоскоростных соединений на короткие расстояния: например, между серверами, коммутаторами и хранилищем данных.
Хотя стоимость многомодового оптоволокна обычно выше одномодового, вся инфраструктура с точки зрения конечного пользователя считается экономически выгодной. Это обусловлено тем, что используемые приемопередатчики для многомодового оптоволокна гораздо дешевле, чем для одномодового за счет использования поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором (VCSEL). Это очень важный фактор, особенно с учётом эксплуатационных расходов центра обработки данных (ЦОД). На большом объекте с тысячами соединений, кабельная система с многомодовым оптоволокном позволяет существенно сэкономить на приемопередатчиках, а также на энергопотреблении и охлаждении.
Локальные сети, в которых обычно используется оптоволокно типа OM1 или OM2, поддерживают широкий спектр приложений, требующих большей пропускной способности, чем могут обеспечить OM1 или OM2.
Инженеры и эксперты постоянно разрабатывают новые стандарты для создания приемопередатчиков, поддерживающих скорость 100 Гбит/с, 200 Гбит/с и даже 400 Гбит/с, чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности в пропускной способности ЦОД.
Многомодовые волокна OM3 и OM4 оптимизированные для лазерных приемопередатчиков составляют значительную часть инфраструктуры центров обработки данных. Эти многомодовые оптоволокна сыграли важную роль в разработке и стандартизации новейшего типа многомодового оптоволокна — OM5, который позволяет использовать технологию спектрального уплотнения в оптическом коротковолновом диапазоне (SWDM).
Альянс SWDM Multisource Agreement считает, что использование SWDM позволит центрам обработки данных увеличить свою пропускную способность без необходимости проводить дорогостоящее обновление инфраструктуры. С помощью оптоволокна OM5 пользователи могут передавать данные на скорости 40 Гбит/сек на расстояние до 440 метров или 100 Гбит/сек на более короткие дистанции в 150 метров.
Многомодовое волокно в локальных сетях
Сегодня, когда мы говорим о многомодовых оптоволоконных кабелях (MMF), мы часто упоминаем OM3, OM4 и OM5, а также эксплуатируемые в центрах обработки данных приложения. Однако что делать с устаревшими волокнами MMF, такими как OM1 и OM2, которые в основном применяются в инфраструктуре кампусных сетей? Почему стоит уделять внимание старшим поколениям MMF? Дело в том, что и у старых оптоволоконных кабелей есть будущее.
Последние разработки в индустрии показывают, что существует потенциал улучшить устаревшую инфраструктуру многомодовых оптоволоконных кабелей (MMF), устранив ограничения в пропускной способности этих старых кабелей. Это позволит им поддерживать более высокие скорости передачи данных в современных сетевых приложениях. Несколько производителей уже разрабатывают новые продукты, основанные на таких технологических решениях.
В этой статье подробно описаны устаревшие поколения MMF и возможные сценарии их использования в будущем.
В локальных сетях (LAN) все больше приложений требуют значительной пропускной способности, чтобы обеспечить успешную передачу больших объемов данных, аудио и видеофайлов. Кроме того, увеличение числа мобильных устройств, гаджетов умного дома и других подключенных устройств в локальных сетях привело к необходимости более высокой пропускной способности. Приложения, требующие большой пропускной способности и чувствительные к задержкам виды трафика, становятся все более распространенными в LAN. Поэтому важно иметь возможность надежно передавать эти потоки данных с высоким качеством. Здесь речь идет не обязательно о сотнях гигабит в секунду, как в случае с центрами обработки данных, а скорее о стандартных скоростях LAN, которые обычно достигают 10 Гбит/с, или до 40 Гбит/с для соединения этажей или зданий.
Большая часть оптоволоконных линий, используемых в локальных сетях, являются многомодовыми. Однако большинство из них не поддерживают скорость передачи данных в 10 Гбит/с по всему кампусу, в основном из-за конструктивных характеристик оптоволокна. В отличие от активных компонентов сети, которые можно относительно легко модернизировать, инфраструктура оптоволоконных кабелей имеет определенные пределы производительности, которые обычно нельзя увеличить без физической замены кабеля, например, развертывания нового поколения кабеля, такого как OM5 или одномодового оптоволокна. Многомодовое оптоволокно обладает внутренними ограничениями производительности, которые связаны с его физическими характеристиками.
Конкретно для многомодового оптоволокна, которые широко используются в LAN, таких как OM1 (62,5/125 мкм) и OM2 (50/125 мкм), ограничение высокоскоростной передачи данных связано с явлением, называемым модовой дисперсией. Модовая дисперсия — это механизм искажения сигнала, который возникает исключительно в многомодовых оптоволокнах из-за разных скоростей распространения различных мод сигнала. Это приводит к тому, что оптические импульсы растягиваются и форма сигнала искажается при прохождении по оптоволокну. Это создает межсимвольные помехи и препятствует правильному восстановлению переданных данных. Чем выше скорость передачи данных, тем сильнее искажения.
Как побороть дисперсию
Следует отметить, что все многомодовые оптоволокна подвержены модовой дисперсии, включая волокна типов OM3, OM4 и OM5. Некоторые оптические характеристики оптоволокна, особенно профиль показателя преломления, сильно влияют на скорость распространения различных мод, что вызывает модовую дисперсию. Производители оптоволокна настолько усовершенствовали процесс его изготовления, что появились разные поколения многомодовых оптоволоконных кабелей (OMx), которые уменьшают разницу во времени между распространением различных мод, и, следовательно, воздействие модовой дисперсии на пропускную способность.
В общем, модовая дисперсия снижает ширину пропускной способности многомодового оптоволокна (MMF). Для заданной пропускной способности она сокращает расстояние, на котором можно надежно передавать сигнал между передатчиком и приемником. В результате стандартная передача данных по многомодовому оптоволокну с рабочей длиной волны 850 нм с использованием 10GBase-SR ограничена расстоянием до 33 метров для обычных 62,5-микронных оптоволоконных кабелей типа OM1 и 82 метрами для обычных 50-микронных оптоволоконных кабелей типа OM2. Для скоростей передачи данных выше 10 Гбит/с использование старых типов оптоволокна не указано.
Один из способов избежать ограничений в скорости и дальности передачи данных, связанных с модовой дисперсией в установленных многомодовых оптоволоконных кабелях (MMF), заключается в их замене многомодовым оптоволокном (MMF) нового поколения или одномодовым оптоволокном (SMF), которое не страдает от модовой дисперсии. Однако модернизация оптоволоконной кабельной системы может быть сложной задачей, зависящей от разных факторов, включая расстояния.
Для выполнения модернизации необходимо провести проверку инфраструктуры кабельной сети, чтобы убедиться в доступности, наличии достаточной емкости кабельных каналов и оценить их состояние. В некоторых случаях для прокладки нового кабеля могут потребоваться строительные и земляные работы. Этот процесс может быть сложным и дорогостоящим.
За последние несколько лет были предприняты усилия по нескольким направлениям, чтобы увеличить пропускную способность передачи данных по многомодовым оптоволоконным кабелям (MMF). Например, одним из способов преодоления ограничений в пропускной способности оптоволоконных кабелей OM1 и OM2 является разработка нового типа интерфейса на скорости 10 Гбит/с в рамках стандарта IEEE 802.3aq, который получил название LRM (Long Reach Multimode). Эти интерфейсы были специально разработаны с учётом обратной совместимости с оптоволоконными кабелями OM1 и OM2, а дальность передачи данных по ним может достигать 220 метров.
Ключ к увеличению дальности передачи данных на стандартных многомодовых оптоволоконных кабелях до 220 метров при скорости 10 Гбит/с, как это предусмотрено стандартом 10GBase-LRM, заключается в использовании сложной технологии обработки сигнала в приёмной части этих устройств. Она называется электронная компенсация дисперсии (EDC). Для достижения максимальной дальности 220 метров при скорости 10 Гбит/с, передачу данных по стандарту 10GBase-LRM необходимо выполнять с использованием специальных патч-кордов для формирования мод на обоих концах оптоволоконного соединения. Стандарт действительно зависит от определенных условий инжектирования света в волокно. Патч-корды с формированием мод — это специализированная сборка, которая точно смещает центральную линию одномодового оптоволокна относительно центральной линии многомодового оптоволокна. Такой метод называется «смещённым инжектированием» (offset launch). Таким образом, патч-корд с формированием мод частично контролирует местоположение инжектирования света из одномодового источника LRM в многомодовое оптоволокно.
За счет уменьшения числа мод с использованием метода смещенного инжектирования (offset launching), снижается и влияние модовой дисперсии в отношении дифференциальной задержки между модами и межсимвольных помех, тем самым позволяя увеличить максимальное расстояние на оптоволоконных кабелях OM1/OM2 до 220 метров при скорости 10 Гбит/с. Однако следует быть осторожным при использовании этого метода, поскольку пока не существует общепринятой спецификации оптоволокна или коннектора, который гарантировал бы минимальный уровень пропускной способности для этой конфигурации. Таким образом, в зависимости от качества оптического кабеля и эксцентриситета полевых коннекторов, результат может быть непредсказуемым, и пользователю придется экспериментировать с оптоволокном, чтобы определить возможность такого подключения.
Кроме того, максимальное расстояние 220 метров, поддерживаемое оборудованием 10GBase-LRM, часто оказывается недостаточным для локальных сетей, в частности для магистральных кабельных сетей LAN, для которых часто требуются более длинные соединения.
 |
 |
Распространение сигнала через оптоволокно зависит от типа оптоволокна, а также от условий инжектирования света в него. Изображение демонстрирует распространение сигнала через одномодовое оптоволокно (сверху) и многомодовое оптоволокно в различных сценариях. Модовый адаптер с центральным инжектированием может вызвать в многомодовом оптоволокне распространение, аналогичное тому, что имеет место в одномодовом оптоволокне.
Исходя из принципа, использованного в исследовании IEEE, наилучшим вариантом было бы использовать модовый формирователь, который создаёт условия возбуждения только основной центральной моды в сердцевине многомодового волокна. Это означает, что световой сигнал, передаваемый внутри MMF, перестал бы вызывать модовую дисперсию, так как внутри оптоволокна распространялась только одна мода. Это создаёт условия для своего рода квази-одномодовой передачи данных через MMF, что позволяет увеличить дальность передачи и пропускную способность сигнала.
Важно отметить, что современные технологии позволяют реализовать этот подход, что делает его реальным и доступным для использования.
Один из способов преодолеть модовую дисперсию заключается в передаче информации только одной модой в многомодовых оптических волокнах (MMF). При правильном возбуждении одной пространственной моды в оптоволокне, искажения сигнала разными групповыми модами и, следовательно, разными скоростями распространения, становится незначительной. Пространственная мода может быть использована как независимый канал для передачи данных с высокой скоростью и иметь те же характеристики передачи, что и одномодовое оптоволокно (SMF). Современные технологии позволяют гибко формировать и модифицировать световой сигнал с помощью последовательности фазовых профилей, аналогично сложным оптическим линзам. Эти технологии формируют лазерный луч от передатчика таким образом, что на каждую моду внутри MMF можно повлиять независимо и с высокой точностью. Этот вид технологии используется для увеличения пропускной способности существующих MMF с помощью центрального инжектирования в устаревшие MMF. Преодолевая ограничения в скорости и дальности, можно передавать данные на высоких скоростях, например, до 100 Гбит/с, по существующей многомодовой инфраструктуре на расстояния до нескольких километров.
Новые технологии, новые решения
Специалисты уже адаптировали современные решения к разным топологиям, что допускает постепенное и гибкое развитие устаревших оптических сетей связи, совместимых с любыми типами многомодового оптоволокна (MMF) 62,5/125 мкм или 50/125 мкм (например, оптоволокнами OM1 до OM5). Пользователю остаётся просто разместить адаптер между активным устройством и оптоволокном. Эта технология состоит только из оптических элементов, поэтому все решения являются пассивными, не потребляют энергию и не требуют надзора. Они работают на физическом уровне, что делает их прозрачными для протокола связи и используемого типа модуляции. Кроме того, для них не требуется электронной компенсации дисперсии (EDC) или сложной цифровой обработки при приёме сигнала; достаточно простых систем обнаружения, таких как прямое детектирование, реализованное в стандартных приемниках.
Эта техника прозрачна по отношению к длине волны и может работать в O-диапазоне (окно 1300 нм) или в С-диапазоне (окно 1500 нм) с обычными одномодовыми приемо-передатчиками на скорости от 1 до 100 Гбит/с и даже выше. Внутренние потери такого модового адаптера составляют менее 2 дБ, а дальность передачи достигает 10 км. Такое решение идеально подходит для обновления старых сетей без необходимости замены всей инфраструктуры. Если необходимо, многомодовое волокно может быть использовано для одномодового спектрального уплотнения каналов (WDM), что позволяет последовательно и гибко увеличивать пропускную способность сети до очень больших скоростей, обеспечивая длительную эксплуатацию кабельной инфраструктуры.
Такие решения требуют использования одномодовых передатчиков. Однако это не является существенной экономической проблемой. Хотя одномодовые приемо-передатчики значительно дороже многомодовых приемо-передатчиков для скоростей 10 Гбит/с или 40 Гбит/с, для скоростей более 100 Гбит/сек разница становится существенно менее заметной. Также стоимость одномодовых передатчиков постоянно снижается благодаря технологическим усовершенствованиям и массовой доступности на рынке.
И, наконец, этот подход позволяет сэкономить средства, стоимость замены кабельной инфраструктуры значительно выше разницы в стоимости одномодовых и многомодовых приемо-передатчиков в вашей ЛВС.
В заключение отметим, что сегодня ограниченная пропускная способность кабельной инфраструктуры ЛВС является распространенной проблемой, и случаи сложных проблем в кабельной инфраструктуре не являются редкостью. Описанный в этой статье технологический подход с использованием модальных формирователей пассивного типа уже доказал свою эффективность в многочисленных промышленных, военных, учебных и медицинских кампусах по всему миру. В качестве дополнения к стандартной кабельной инфраструктуре новый подход к преобразованию многомодовых оптоволоконных кабелей (MMF) в одномодовые (SMF) позволяет повторно использовать существующую кабельную инфраструктуру, что является еще одним шагом в развитии «зелёных» (экологичных) информационных технологий с доказанными преимуществами для конечных клиентов и специалистов в области информационно-коммуникационных технологий.