Совсем недавно Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) опубликовал новые спецификации в рамках стандарта IEEE 802.3 для передачи по Ethernet 200G (200 Гбит) и 400G (400 Гбит). В этих спецификациях есть параметры, которые определяют требования к ВОЛС для поддержки различных скоростей передачи данных, включая вносимые (IL) и возвратные потери (ORL) для канала, и для отдельных оптических компонентов, таких как пара коннекторов. Ранее IEEE уже определял эти параметры, но сейчас они определяются несколько более сложным образом, что приводит к некоторой путанице.
Цель этой статьи – проанализировать основные определения этих параметров и прокомментировать требования IEEE 802.3 для поддержки высоких скоростей передачи данных. Дополнительно мы покажем, как эти параметры должны быть использованы на этапах проектирования и строительства высокоскоростных оптических сетей.
Что такое возвратные потери в ВОЛС
Как правило, в оптоволоконной сети расположены несколько компонентов, через которые должен пройти сигнал. Потери в оптоволокне вызваны в большей мере рассеянием Рэлея, а потери в коннекторах, механических соединениях и в других элементах сети вызваны обратным отражением Френеля. Обратное отражение (возвратные потери) определяется как отношение отраженной оптической мощности излучения к мощности на входе устройства или участка ВОЛС. Оно измеряется в децибелах (дБ) и указывается как отрицательное значение. Отражение возникает, когда оптический сигнал проходит между материалами с разными показателями преломления. Кроме того, существуют воздушные зазоры, которые образовываются из-за частиц грязи, мусора, неровной формы поверхности или по иным причинам. Они также влияют на силу этого отражения. Все эти нюансы очень важны, поскольку отражения от дефектов с высоким коэффициентом отражения могут вернуться к источнику с достаточной мощностью, чтобы вызвать повреждение чувствительной электроники.
Оптические возвратные потери (ORL) определяются, как количество света, отраженное обратно к оптическому источнику и выражаются, как отношение выходной мощности источника к мощности отраженного сигнала. Измеряются в дБ и указываются, как положительная величина и включают в себя отражения от компонентов и собственное обратное отражение в волокне во всей системе, сетевом канале или линии.
Вносимые потери (IL) – это сигнал который поглощается в оболочке. Основная причина отражений – изменение индекса преломления. Изменение индекса преломления происходит при прохождении сигнала из волокна в воздух и обратно в волокно.
На рисунке ниже показана модель сети и представление того, как каждый компонент влияет на возвратные потери (ORL). Чем дальше компоненты расположены от источника, тем меньше они будут влиять на возвратные потери. Это происходит от того, что отражения от них должны пройти обратно через волокно, коннекторы и другие компоненты линии прежде чем вернуться к источнику. Таким образом эти отражения ослабляются за счет затухания в линии. В результате влияние на конечное значение зависит от расстояния от передатчика и отражения на каждом компоненте.
PR — мощность, полученная обратно источником, PAPC — мощность, отражённая обратно от пары коннекторов с угловой полировкой (APC), PPC — это мощность, отражённая обратно от пары коннекторов с прямой полировкой (UPC), PELEMENT — элементы, отличные от стандартных коннек торных пар (такие, как разветвители), а PBS — обратное рассеяние от примесей в самом волокне.
Это не аддитивные составляющие возвратных потерь (дБ), т.е. складывая или усредняя значения отражений от каждого компонента мы не получим значение ORL. Основное внимание на этом графике уделяется интенсивности сигналов, отражаемых на каждом дефекте. Обратите внимание, что PAPC нарисован более тонкой линией, чем PPC или PELEMENT. Это связано с тем, что коннекторы APC, имеющие угловую полировку, отражают свет иначе, чем стандартный полированный коннектор. Когда импульс оптического сигнала попадает на наклонный торец, сигнал отражается в оболочку волокна, а не обратно в сердечник.
Таким образом, коннекторы APC обеспечивают наименьшую отражательную способность и, следовательно, наименьшее влияние на возвратные потери. В основном угол таких коннекторов составляет 8 градусов, однако в Европе используются коннекторы с наклоном в 9 градусов.
На что влияют обратные потери?
IEEE 802.3 — это набор стандартов Ethernet, которые определяют способы перехода к более высоким скоростям передачи данных, а поскольку требования к сети в центрах обработки данных возросли, внимание к возвратным потерям также выросло. Новые стандарты установили более строгие требования к возвратным потерям для сетей со скоростью передачи данных больше 100 Гбит/с.
В таблице, составленной из нескольких спецификаций IEEE 802.3, представлены максимальные значения для вносимых потерь (IL) для канала в дБ, для возвратных потерь (ORL) и коэффициент отражения для отдельных компонентов сети, допустимый для различных дуплексных и параллельных оптических линий. По мере увеличения скорости передачи данных в ВОЛС требования к возвратным потерям (ORL) становятся более строгими и одиночные значения для отдельных компонентов сменяются группами зависимых величин.
В отличие от потерь в сетевом канале, определение возвратных потерь представляет собой сложную формулу. В стандарте IEEE 802.3 предусмотрен диапазон значений коэффициента отражения в зависимости от количества компонентов в канале. И наоборот – количество компонентов в канале диктует минимальные значения отражений необходимых для достижения требуемого ORL линии. Инженеры могут использовать эти таблицы для планирования своих сетей.
Для параллельной линии 400G-DR4 (400 Гбит/с) применяются данные из таблицы 124-13, в которой представлены значения коэффициента отражения, допустимого для каждой сопряжённой пары коннекторов. Всё зависит от количества пар коннекторов в линии. Например, если пара сопряжённых коннекторов указана с коэффициентом отражения – 47 дБ, то в линии допустимо использование 6 сопряжённых пар с коэффициентом отражения -47 дБ каждая. Если для каждого из них указано значение – 49 дБ, то в канале может быть задействовано 10 сопряжённых пар исключительно из-за ограничений на коэффициент отражения. При проектировании каналов также необходимо учитывать общие потери в канале. Подробные таблицы представлены в стандартах WDM для сетей 200G и 400G. Их можно использовать в определении допустимого количества сопряжённых пар коннекторов в кабельных каналах СКС.
Дополнительные стандарты и другие спецификации
Все оптоволоконные компоненты должны соответствовать определённым спецификациям.
TIA-568 — стандарт структурированных кабельных систем, частью которого являются компоненты. Он определяет различные характеристики для сопряжённых пар коннекторов в канале, включая ограничения на отражения и вносимые потери.
GR-326 — стандарт на компоненты, который определяет характеристики одномодовых коннекторов и перемычек.
В таблице приведены характеристики отражения или обратных потерь из GR-326, TIA-568.3-D, а также собственные стандарты Corning для типичных видов коннекторов, используемых в центрах обработки данных. Как видно из таблицы, продукты Corning (разъемы MTP и LC) превосходят отраслевые нормативы для всех типов торцевых поверхностей коннекторов.
Одномодовые MTP/MPO коннекторы имеют угловую полировку (APC), поэтому магистрали, реализующие MTP/MPO соединения, выигрывают от улучшенных характеристик отражения и ORL. Линии, в которых используются LC соединения с прямой полировкой (UPC) требуют более внимательного рассмотрения. UPC соединения имеют большее влияние на значение ORL, чем APC соединения в силу большего отражения от коннекторов UPC.
Также обратите внимание, что в таблице 124-13 из IEEE 802.3 канал допускает использование до 10 сопряжённых пар коннекторов при условии, что значение каждой сопряженной пары составляет не более -49 дБ. При использовании одномодовых коннекторов MTP/MPO, которые всегда имеют полировку APC, величина отражений значительно лучше предельных значений отражений при максимальном количестве соединений в линии. Следовательно, вносимые потери станут определяющей характеристикой при определении допустимого количества сопряжённых пар коннекторов в линии. Если используется подключение LC UPC, и коннекторы соответствуют стандарту GR-326 (-40 дБ), то их характеристики позволяют встроить только 1 пару коннекторов в систему при ограничении -37 дБ. Поэтому при построении линий со многими соединениями необходимо использовать коннекторы LC UPC с улучшенными характеристиками (например -55 дБ), что значительно превосходит уровень -49 дБ для случая 10 соединений в канале. В таком случае нет необходимости в использовании коннекторов LC APC для высокоскоростных Ethernet-приложений, если руководствоваться требованиями к ORL.
Нужно ли тестировать полученный результат
Как мы отметили выше, при проектировании сети трудно предсказать возвратные потери (ORL) для всей системы на основе коэффициента отражения отдельных компонентов. Таблицы предельных значений отражений для отдельных компонентов используются для обеспечения соответствия требованиям возвратных потерь. Само тестирование не требуется, поскольку в стандартах указаны те величины отражений для компонентов, которые уже обеспечивают необходимую величину ORL для линии. Однако, если вы все-таки решите измерять значение ORL для линии, критерий прохождения тестирования должен быть получен из технических данных на активные компоненты, которые будут использоваться в линии. Обычно это величина “допустимые отражения” в характеристиках трансивера. Если эта информация недоступна на этапе тестирования, обратитесь к стандартам IEEE.
Источник: Cabling Installation & Maintenance, vol.29, issue 6, p.56
-
Потери в оптоволокне — IL — вносимые потери, это отношение мощности входного сигнала в волокне к мощности сигнала на дальнем конце волокна, выраженное в дБ. Источником вносимых потерь в линии являются потери в волокне — рэлеевское рассеяние в оболочке и волокне и френелевское отражение на границе сред воздух-стекло в разъёмах (коннекторах).
-
Обратное отражение — величина обратная к возвратным потерям, поэтому отражения в дБ имеют отрицательную величину, а потери в дБ имеют положительную величину. Но в абсолютных значениях они равны и имеют одинаковые физические причины.