El centro de datos se ha convertido en el motor de la vida moderna, y la creciente información de la red se transmite y almacena a alta velocidad a través del centro de datos. La mayoría de las distancias de conexión dentro del centro de datos son cortas, oscilando entre unos pocos metros y unos pocos cientos de metros. En estas comunicaciones de datos de alta velocidad de corta distancia, las fibras ópticas multimodo y los módulos ópticos con láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) como componentes centrales se han utilizado ampliamente. En comparación con el esquema de transmisión monomodo, el esquema multimodo utiliza un láser de bajo costo y baja potencia para lograr un acoplamiento rápido y eficiente entre la fibra y el láser. La fibra multimodo puede lograr una velocidad de transmisión más alta o una distancia de transmisión más larga que el cable de cobre, y un costo más bajo que el sistema de fibra monomodo. En la actualidad, la velocidad de conexión interna del centro de datos ha alcanzado 100 Gbit/s, y 400 Gbit/s está a la vuelta de la esquina. La industria ha estado desarrollando nuevos tipos de fibras ópticas multimodo para mejorar su rendimiento, incluida la tecnología de fibra óptica multimodo de banda ancha que realiza la multiplexación por división de longitud de onda en una sola fibra óptica; Y fibra óptica multimodo de onda larga que admite distancias de transmisión más largas. Además, con el fin de apoyar conexiones de alta densidad, miniaturizadas, y mejorar la utilización del espacio del centro de datos, la eficiencia de disipación de calor y la eficiencia de gestión de cables, las fibras ópticas multimodo con resistencia a la flexión también se han desarrollado y desplegado rápidamente. Este artículo combinará los principios técnicos de la fibra multimodo y la evolución de la tecnología de módulos ópticos para discutir la tendencia de desarrollo de la fibra multimodo que soporta los transceptores ópticos de alta velocidad.
1. Las características y aplicaciones de los Cables de fibra multimodo
El desarrollo de la computación en la nube ha promovido el desarrollo de centros de datos a gran escala, lo que resulta en una tendencia de desarrollo diferente de los centros de datos empresariales tradicionales. Ya sea nacional o internacional, la evolución de las tasas de puertos de servidor para usuarios de centros de datos a gran escala basados en servicios de computación en la nube es significativamente más rápida que la de los centros de datos empresariales tradicionales. Las empresas tradicionales utilizarán de manera estableCables de fibra multimodo OM4, Y más de la 90% de la longitud del enlace del sistema es inferior a 100m.
Figura 1 Distribución de longitud del sistema OM4 en el centro de datos empresarial tradicional
Sin embargo, los usuarios de centros de datos a gran escala eligen más cables de fibra monomodo, y la 70% de la longitud del enlace del sistema supera los 100m.
Distribución de longitud de la figura 2 del sistema monomodo en el centro de datos de hiperescala
El desarrollo de centros de datos a gran escala ha aumentado la tasa de utilización del cable de fibra de modo único, pero el cable de fibra multimodo todavía tiene sus ventajas únicas. Estas ventajas son que el uso de módulos de transceptores ópticos de menor costo, menor consumo de energía y la distancia de transmisión pueden cubrir la mayoría de los enlaces en el centro de datos, por lo que las soluciones basadas enCables de fibra multimodoY los módulos ópticos multimodo siguen siendo muy atractivos para los clientes.
2. El ancho de banda del Cable de fibra multimodo 850nm
A diferencia del sistema de fibra óptica de modo único, la distancia de transmisión y la velocidad del sistema de fibra óptica multimodo están limitadas por el ancho de banda de los cables de fibra multimodo. Para soportar la mayor distancia de transmisión del sistema de alta velocidad, es necesario aumentar el ancho de banda de modo del cable de fibra multimodo. El diseño del cable de fibra multimodo generalmente adopta un perfil de índice calificado para reducir el retraso del grupo de modo y lograr un alto ancho de banda:
Entre ellos, rO es el radio del núcleo, ∆ 0 es el valor máximo del cambio de índice de refracción relativo del núcleo, que se puede expresar de la siguiente manera:
Entre ellos, nO es el índice de refracción central del núcleo y n1 es el índice de refracción del revestimiento.
Eligiendo un valor apropiado de a, el ancho de banda de modo de los cables de fibra óptica multimodo se puede optimizar dentro de un cierto rango de longitud de onda. La figura 3 muestra la distribución de ancho de banda de un cable de fibra multimodo de 50 µm cuando hay 1% cambio en el valor a de la longitud de onda de 850 nm. Cuando el valor a de la fibra está en la posición óptima, el ancho de banda supera los 13 GHz. km. La figura también refleja que el ancho de banda de un cable de fibra multimodo es muy sensible al valor a. Para lograr el ancho de banda máximo, un valor (índice de refracción del núcleo) debe controlarse muy finamente, de lo contrario, varios defectos en el perfil del núcleo durante el proceso de fabricación afectarán el ancho de banda real del cable de fibra óptica multimodo.
Figura 3 Distribución de ancho de banda de cable de fibra multimodo de 50 µm cuando el valor a de 850 nm de longitud de onda cambia 1%
Con el avance del diseño del cable de fibra óptica y la tecnología de fabricación, el ancho de banda del cable de fibra óptica multimodo se ha mejorado enormemente. La Tabla 1 muestra diferentes tipos de cables de fibra multimodo estándar. El 62,5 µmCable de fibra óptica multimodoTiene una apertura numérica más alta y un núcleo más grande, que puede acoplar la fuente de luz del diodo emisor de luz (LED) en la fibra, Y admite 2 km a una velocidad de 10 Mbit/s o incluso 100 Mbit/s. Transmisión de datos. Con el desarrollo de estándares de Ethernet y VCSELs de 850 nm de bajo costo, los cables de fibra multimodo con un diámetro de núcleo de 50 µm son más populares en el mercado. La fibra tiene menor dispersión modal y mayor ancho de banda, y el tamaño del punto y la apertura numérica del VCSEL es menor que la del LED, Y el láser se puede acoplar fácilmente a la fibra de 50 µm. Al optimizar el proceso de fabricación de fibra y adoptar la tecnología avanzada de control de índice de refracción, el cable de fibra multimodo de 50 µm se ha desarrollado a partir de OM2 (500 MHz. km) a OM3 (2 000 MHz km), y ahora se ha desarrollado a OM4 (4 700 MHz. km)
Para el sistema de fibra multimodo que utiliza 850 nm VCSEL, aumentar aún más el ancho de banda del cable de fibra óptica OM4 multimodo no permitirá que el módulo óptico transmita distancias más largas, porque el ancho de banda del sistema depende del ancho de banda de modo efectivo y la dispersión de los cables de fibra óptica (Relacionado con el ancho de línea del láser VCSEL y la longitud de onda de la fibra). Si es necesario aumentar el ancho de banda del sistema, además del ancho de banda de modo efectivo del cable de fibra óptica, es necesario optimizar el valor de dispersión. La dispersión parcial se puede compensar mediante un cable de fibra óptica multimodo de retardo de modo diferencial (DMD), o un VCSEL de 850 nm con un ancho de línea más estrecho o trabajando en la región de onda larga con menor dispersión.
El índice de refracción relativo máximo (∆ 0) del núcleo también afecta el ancho de banda máximo. Debido a que el ancho de banda es proporcional al 1/2, como se muestra en la figura 4, cuando el ∆ 0 del núcleo cae de 1% a 0.75%, el ancho de banda se duplicará. Pero la reducción del core's ∆ 0 aumentará la pérdida de flexión, y es necesario optimizar el diseño de la estructura de fibra para mejorar su rendimiento de flexión.
Figura 4 el ancho de banda de una fibra multimodo varía con el índice de refracción relativo del núcleo
3. Los cables de fibra multimodo insensible a la curva
En aplicaciones de centros de datos, el uso de cables de fibra óptica multimodo insensible a la curva se está volviendo cada vez más ampliamente utilizado. Puede optimizar el diseño de cables ópticos, hardware y equipos para ahorrar más espacio, tener una mejor eficiencia de refrigeración y conexiones y gestión de cables más convenientes. La Figura 5 muestra el diseño del perfil de índice de refracción de un cable de fibra óptica multimodo insensible a la curva. El núcleo se clasifica en el índice y el revestimiento tiene un surco de índice bajo. La ranura reduce la potencia óptica en el revestimiento, puede evitar la fuga de la señal óptica, mejorando así el rendimiento de flexión de los cables de fibra óptica. Optimizando las dimensiones del núcleo y la ranura durante el diseño del cable de fibra óptica para lograr un equilibrio entre el rendimiento de flexión y la compatibilidad con los cables de fibra óptica multimodo estándar. A través de un diseño razonable de núcleo y ranura, el cable de fibra multimodo puede lograr un alto ancho de banda de nivel OM4 y una baja pérdida de flexión. La Figura 6 muestra la comparación de la pérdida de flexión medida a 850 nm. La pérdida de flexión macro del cable de fibra multimodo insensible a la curva es más de 10 veces menor que la del cable de fibra multimodo estándar convencional.
4. El desarrollo de Cables de fibra multimodo de próxima generación
En la actualidad, el ancho de banda de modo más alto del cable de fibra multimodo de 850nm es de fibra OM4, que puede soportar la transmisión de 100 metros del sistema de 100G. Si se aumenta aún más el ancho de banda del modo, se requiere un control más preciso de la distribución del índice de refracción, lo que impone mayores requisitos al proceso de producción y tiene un mayor impacto en el rendimiento del producto. Por otro lado, el ancho de banda total del sistema está limitado por los dos factores de ancho de banda en modo de fibra y dispersión de fibra. Un solo aumento en el ancho de banda de modo tiene una mejora limitada en el rendimiento de la transmisión del sistema. Esto se debe a que se ve afectado por el ancho de línea de los VCSELs utilizados actualmente, la dispersión del cable de fibra multimodo se ha convertido en el factor limitante más importante que afecta la velocidad y la distancia del enlace. Si desea aumentar la velocidad de transmisión del sistema o la distancia de transmisión, generalmente puede usar dos métodos: use un solo modo de cable de fibra y un solo modo de láser; O aún use el cable de fibra multimodo, pero use un láser de ancho de línea más estrecho para limitar el modo incidente de los cables de fibra multimodo. Las desventajas de estos dos métodos son que se requieren láseres más costosos, y el proceso de acoplamiento de fibra requiere una mayor precisión de alineación, lo que conducirá a mayores costos de conexión y costos de conexión del módulo óptico. Por lo tanto, es necesario mejorar la tecnología de cable de fibra multimodo para lograr una mayor capacidad y una transmisión de mayor distancia. La investigación sobre el nuevo cable de fibra multimodo se concentra principalmente en las siguientes direcciones.
4,1 El Cable de fibra multimodo de onda larga
El cable de fibra multimodo de gran ancho de banda optimizado de onda larga (980 nm/1 060 nm o 1 310 nm) combinado con una fuente de luz (como un VCSEL de onda larga) es una solución factible para lograr una transmisión de larga distancia y alta velocidad. El sistema de fibra multimodo de onda larga conserva las ventajas de una baja pérdida de acoplamiento y una fácil alineación del cable de fibra multimodo de 850 nm convencional, y la fibra de vidrio tiene valores de dispersión y atenuación más bajos. Como se muestra en la Figura 7, la dispersión y la pérdida de la fibra de vidrio varían con la longitud de onda. A 1060 nm, la dispersión y la pérdida se reducen a la mitad en comparación con 850 nm. A 1310 nm, la dispersión es casi cero y la pérdida es solo 20% de 850 nm. El sistema de fibra multimodo de baja pérdida y Baja dispersión que trabaja en la región de onda larga puede lograr una mayor velocidad y una mayor distancia de transmisión. Una serie de resultados experimentales en los últimos años también han verificado esta conclusión: el cable de fibra multimodo de 1310 nm combinado con el módulo óptico de silicio de 1310 nm ha alcanzado una distancia de transmisión de más de 820m, Y la combinación de un cable de fibra multimodo de 1060nm y un láser de 1060nm VCSEL ha logrado una transmisión de más de 500m (Los experimentos anteriores están todos a una velocidad de 100G).
Figura 7 dispersión y pérdida de cable de fibra multimodo
4,2 de fibra multimodo de banda ancha
El estándar de 40G/100G que se basa en IEEE802.3ba, la Transmisión del cable de fibra óptica multimodo 40G adopta 4*10Gbp = 40Gbps para cada par de cables de fibra óptica para soportar 10Gbps. Requiere 4 cables de fibra óptica para transmitir y recibir, cable de fibra de 8 núcleos totales. 100G utiliza 4 cables de fibra óptica cada uno para enviar y recibir 4*25Gbps = 100G, utilizando 8 cables de fibra óptica de núcleo en total. La velocidad de transmisión de 400 Gb/s requiere 16 pares de cables de fibra de 32 núcleos, lo que ocupa una gran cantidad de recursos de fibra óptica. La industria está explorando el uso de multiplexación de longitud de onda múltiple para reducir el número de fibras ópticas utilizadas.
Actualmente hay dos productos basados en tecnología de multiplexación de longitud de onda múltiple en el mercado. Uno es la tecnología BiDi (bi-dirección). Como se muestra en la figura siguiente (Tomar 40G como ejemplo), el módulo óptico tiene dos canales bidireccionales de 20 Gbps, Y cada fibra tiene la función de enviar y recibir (cable de fibra multimodo admite 850nm y 900nm de longitud de onda), y finalmente se dio cuenta de 40G de transmisión de dos cables de fibra óptica, Y no es necesario instalar puentes de MTP adicionales. Vale la pena señalar que, dado que cada fibra del convertidor de medios de fibra BiDi transmite y recibe señales, no admite la función de rama del puerto. Otra tecnología es la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda corta (SWDM). Similar a BiDi, SWDM solo necesita una conexión LC dúplex de dos núcleos. La diferencia es que el SWDM necesita trabajar en 4 longitudes de onda diferentes entre 850nm y 940nm. Una fibra se utiliza para transmitir señales y la otra para recibir señales.
Figura 8 40gbidi módulo óptico y Diagrama de ruta óptica
Figura 9 Diagrama de ruta de luz del módulo SWDM
El ancho de banda de fibra convencional de OM3/OM4 generalmente se optimiza solo para 850 nm. Para soportar el modo de trabajo de los módulos ópticos SWDM, es necesario cuantificar el rendimiento de la fibra a 940 nm. Por lo tanto, la Asociación de la industria de las Telecomunicaciones (TIA) creó un grupo de trabajo en 2014 para compilar directrices relacionadas con el "cable de fibra multimodo de banda ancha (WB MMF)" para respaldar la transmisión de SWDM. El estándar TIA-492AAAE de WB MMF se lanzó en junio de 2016. El cable de fibra multimodo de banda ancha es en realidad una fibra OM4 con un rendimiento extendido, porque la fibra multimodo de banda ancha todavía tiene que cumplir con el requisito de ancho de banda de la fibra OM4 con EMB≥ 4700 MHz · km a una longitud de onda de 850 nm, Y también estipula EMB a 953 nm de longitud de onda meet≥ 2470 MHz · km. En 2016 de octubre, la organización de estándares internacionales nombró la fibra OM5 de fibra multimodo de banda ancha.
Tabla 2: distancia de transmisión (m) de diferentes tipos de fibra yTipos de convertidor de medios de fibra
Nota 1: La distancia representa el parámetro publicado por el fabricante del convertidor de medios de fibra; Algunos proveedores de interruptores proporcionan diferentes parámetros.
Note 2: los proyectos marcados con * pueden lograr distancias de transmisión más largas y utilizar algunas soluciones de conexión que existen en el mercado.
La Tabla 2 compara las distancias de transmisión de diferentes fibras ópticas (OM3/4/5) que coinciden con diferentes módulos ópticos. BiDi y SWDM que utilizan fibra OM4 pueden transmitir 150m y 350m respectivamente a 40G, y el módulo OM5 de 100G puede soportar la transmisión de 150m de módulos ópticos BiDi y SWDM. Por el contrario, OM3 y OM4 tienen distancias de transmisión de 70 MY 100m, pero esta distancia es suficiente para la mayoría de los escenarios de aplicación de soluciones multimodo. La figura 10 enumera las soluciones de módulos de trascendencia óptica basadas en fibra OM4 a varias velocidades a 100 metros. OM4 puede admitir una variedad de soluciones de módulos ópticos de 40G a 400G (como 100G SR4, 100GBiDi, 400GSR4.2, 400GSR8, etc.) . En aplicaciones reales, la fibra multimodo apropiada debe seleccionarse en combinación con el escenario de aplicación. Por ejemplo, en escenarios donde se requieren módulos ópticos SR4/eSR4 para la ramificación de puertos, el rendimiento de OM5 y OM4 es básicamente el mismo, por lo que OM4 es una solución más rentable. Para enlaces con una distancia de transmisión de más de 100 m a una velocidad de 100G o más, la combinación OM5/SWDM puede mostrar sus ventajas en la transmisión a larga distancia.
Figura 10 40/100G/400G solución basada en OM4 con la transmisión de 100m
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