In Regulierungsforen und auf technischen Symposien wird jedoch weiterhin über die Vor- und Nachteile dieser Fasern diskutiert. Bieten sie einen Mehrwert für Rechenzentren oder Unternehmensanwendungen? Sind sie notwendig? Wurden diese Fasern umfassend erforscht? Können BI-FMM-Fasern Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit 10, 40 und 100 Gbit/s über die gleichen Distanzen wie OM3- und OM4-Standardfasern unterstützen? Dieser Artikel versucht, diese Fragen zu beantworten.
Was ist das Besondere an biegeunempfindlichen Fasern?
Was macht eine Multimode-Faser biegeunempfindlich? BI-MMF ist nicht einfach ein Multimode-Faserstandard mit geringerer Biegedämpfung. Es handelt sich um ein neues Faserdesign, bei dem der Lichtleiterbereich, der sogenannte Wellenleiter, verändert wird, um die Biegedämpfung (Makrodehnung) zu verbessern. Dies geschieht durch das Einbringen von Vertiefungen um den Faserkern, wodurch die Eigenschaften des geführten Lichts verändert werden (siehe Abbildung 1).
Die Veränderung des Wellenleiters einer optischen Faser ist ein komplexer Prozess, der viele andere Fasereigenschaften beeinflusst, die wiederum optimiert werden müssen. In der Praxis führen Änderungen zur Verbesserung der Biegedämpfung häufig zu einer Verschlechterung anderer Eigenschaften – einschließlich Bandbreite und Verbindungsdämpfung –, was die Systemleistung beeinträchtigt. Die entscheidende Frage lautet: Verbessert der Einsatz biegeunempfindlicher Multimode-Fasern die Leistung einer bereits installierten Multimode-Faserverbindung?
FS und andere Hersteller haben die zur Verbesserung der Biegefestigkeit vorgenommenen Änderungen untersucht. Die Ergebnisse weisen sowohl Vor- als auch Nachteile auf. Studien haben gezeigt, dass eine geringe Biegeempfindlichkeit mit hohen Einbußen bei Bandbreite und Verbindungsverlusten einhergehen kann. Erschwerend kommt hinzu, dass die aktuellen Normen, insbesondere jene für laseroptimierte Bandbreite, die Änderungen am Wellenleiter der BI-MMF-Faser nicht berücksichtigen. Dies kann zu Systemen mit einer geringeren Leistung führen, als mit den derzeitigen Methoden zur Abschätzung der Laserbandbreite der Faser zu erwarten wäre.
Enge Biegungen und Knicke in 1,6-mm- oder 2,0-mm-Patchkabeln können die mechanische Zuverlässigkeit der Verbindung beeinträchtigen. Studien haben gezeigt, dass scharfe Biegungen in einem Patchkabel (wie sie beispielsweise in der Nähe einer Schranktür auftreten können) zu Faserbrüchen führen können. Installationspraktiken, die enge Biegungen und Knicke durch die Verwendung von BI-MMF-Fasern in Rechenzentren begünstigen, sind mechanisch gefährlich und unnötig. Moderne Kabelmanagementsysteme und gängige, einfache Installationsmethoden ermöglichen hohe Dichte bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit.
Heutzutage können BI-MMF-Fasern die Systemleistung in Rechenzentren und Unternehmensanwendungen reduzieren. Daher sind leistungsstarke, standardisierte OM3- und OM4-Fasern die bessere Wahl für Hochgeschwindigkeits-Unternehmensnetzwerke und Rechenzentren.
Eine detaillierte Analyse:
Da BI-MMF-Fasern noch nicht branchenweit standardisiert sind, ist eine präzise Definition schwierig. Eine allgemeine Definition von BI-MMF-Fasern wäre jedoch hilfreich, bevor die Vor- und Nachteile ihrer Herstellung erörtert werden. Es wurde vorgeschlagen, dass diese neue Faserart die folgenden Makrokrümmungseigenschaften aufweisen sollte:
< 0,1 dB bei 850 nm mit 2 Windungen um einen Schlauch mit einem Radius von
15 mm.
< 0,2 dB bei 850 nm mit 2 Windungen um einen Schlauch mit einem Radius von 7,5 mm.
BI-MMF-Fasern wurden entwickelt, um das Kabelmanagement zu vereinfachen. Ziel des neuen Designs war es, die Biegedämpfung zu reduzieren und gleichzeitig alle Spezifikationen für OM2-, OM3- und OM4-Multimodefasern beizubehalten. Bestehende Faserstandards und Systemdesignprinzipien wurden jedoch für Multimodefasern mit einem herkömmlichen Wellenleiter entwickelt. BI-MMF mit seinem zusätzlichen Graben verfügt über einen anderen Wellenleiter. Daher beschreiben oder prognostizieren viele aktuelle Messungen und Standards die Leistung von BI-MMF nicht präzise. Es ist wichtig zu beachten, dass im Gegensatz zu Singlemodefasern eine verbesserte Makrobiegefestigkeit bei Multimodefasern nicht zwangsläufig zu einer verbesserten Mikrobiegefestigkeit führt. Der Wechsel zu BI-MMF verbessert die in manchen Kabeldesigns erforderliche Mikrobiegefestigkeit nicht.
Die Weiterentwicklung des Ethernet-Standards (und anderer Datennetzwerkstandards) hat zu höheren Datenraten und geringeren Einfügedämpfungen bei Kurzstreckenverbindungen geführt. Die Einfügedämpfung umfasst verschiedene Faktoren, darunter Kabeldämpfung, Verbindungsdämpfung und Biegedämpfung. BI-FMM weist eine höhere Verbindungsdämpfung auf, wenn es an Standard-Multimode-Fasern angeschlossen ist (siehe Tabelle 1). Die alleinige Reduzierung der Biegedämpfung bringt wenig Nutzen, wenn andere Faktoren, die zur Verbindungsdämpfung beitragen, zunehmen. Wenn das Ziel die Minimierung der Verbindungsdämpfung ist, ist es unlogisch, eine höhere standardmäßige Verbindungsdämpfung (und damit auch eine höhere Verbindungsdämpfung) in Kauf zu nehmen, um sich vor potenziellen starken Biegungen zu schützen, die durch ein ordnungsgemäßes Kabelmanagement vermieden werden können. Darüber hinaus könnte ein solcher Kompromiss eine mechanische Schwachstelle mit einem Punkt erhöhter Spannung und Verdrehung verursachen.
Veränderte Lichtführung:
Durch die Grabenstruktur wird Licht in BI-MMF anders geführt als in Standardfasern. Dies ist notwendig, um die Lichtverluste bei einer Makrobiegung zu reduzieren. Zum Verständnis dieses Unterschieds ist es wichtig zu wissen, dass sich die in Multimode-Glasfasern ausbreitenden Moden wie folgt klassifizieren lassen:
• Geführte Moden: Moden mit einem Wirkungsgradindex größer als der des Mantels.
• Fehlmoden: Moden mit einem Wirkungsgradindex kleiner als der des Mantels (diese werden oft als „Mantelmoden“ bezeichnet).
Wenn sich Licht der Kern/Mantel-Grenzfläche nähert, sind die Moden im Zentrum weniger stark gebunden und werden in einer Standardfaser durch eine Makrobiegung leichter abgelenkt. Diese geführten Moden höherer Ordnung werden als schwach geführte Moden bezeichnet. Durch das Hinzufügen eines Grabens um den Kern der Glasfaserführung werden diese Moden höherer Ordnung effektiver kanalisiert, wodurch eine Multimode-Faser mit verbesserter Makrobiegungsleistung entsteht. Der Graben kann auch zu einem unerwünschten Nebeneffekt führen: Defektmoden, die sich in einer Standardfaser nicht ausbreiten, können sich in einer BI-MMF-Faser über mehrere hundert Meter ausbreiten und müssen bei der Berechnung der Verbindungsdämpfung und Bandbreite berücksichtigt werden (siehe Abbildung 2). Die Schwierigkeit bei der Messung der Verbindungsdämpfung von BI-MMF-Fasern liegt hauptsächlich in der Herausforderung, die beiden Defektmoden und das Licht, das nun stark an die Moden höherer Ordnung gebunden ist, genau zu erfassen.
Das Hinzufügen stärker gebundener Moden höherer Ordnung und Leckmoden kann die Systemleistung erheblich beeinträchtigen. Die Vernachlässigung dieser Moden in einer BI-MMF-Faser kann zu überhöhten Erwartungen an die Systemleistung führen. Möglicherweise wurden diese Moden bei der Entwicklung laseroptimierter Faserstandards nicht berücksichtigt, da das Licht schlecht geführt wurde. Durch die Hinzufügung der Grabenstruktur müssen diese Moden in die Bandbreitenberechnungen einbezogen werden, und die Standards müssen die veränderte Lichtführung in BI-MMF-Fasern berücksichtigen. Die von einigen Herstellern empfohlene Praxis, diese Moden in einer BI-MMF-Faser zu vernachlässigen, kann zu einer fehlerhaften Bestimmung der Modenbandbreite für laserbasierte Systeme führen.
Bandbreitenmessung in biegeunempfindlichen Fasern:
Die Bandbreitenanforderungen für Hochgeschwindigkeits-Kurzstreckennetze haben sich seit den Anfängen der Leuchtdioden (LEDs) bis hin zu VCSELs (Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers) stetig weiterentwickelt.
Mit jeder Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit sind auch die Bandbreitenanforderungen an Multimodefasern gestiegen, und die Dämpfungsprognosen sind präziser geworden. Biegeunempfindliche Multimodefasern (BI-MMF) können die Dämpfungsprognose bei engen Biegungen verbessern (abhängig von der zusätzlichen Verbindungsdämpfung), aber wie wirkt sich das auf die Bandbreite aus?
Die Datenübertragungskapazität einer Multimode-Faser hängt von ihrer Modenbandbreite ab. Die Spezifikationen für die Modenbandbreite in den IEEE-Ethernet-Standards 10G, 40G und 100G basieren auf einem komplexen Modell, das das Einkopplungsverhalten eines VCSEL in einem Standard-Multimode-Faserwellenleiter vorhersagt. Diese Anforderungen wurden anschließend in die TIA-Spezifikationen übertragen, die sicherstellen, dass OM3-Fasern in implementierten Systemen eine Modenbandbreite von 2000 MHz/km und OM4-Fasern von 4700 MHz/km aufweisen. Die zur Entwicklung der Bandbreitenspezifikationen in den TIA-Spezifikationen verwendeten Modelle sind jedoch für BI-MMF-Fasern nicht gültig, da sich das Licht in diesen Fasern anders ausbreitet. Daher ist die Bandbreitenleistung dieser BI-MMF-Fasern in aktuellen Hochgeschwindigkeitsnetzen nicht definiert. Dies ist eines der Hauptprobleme im Zusammenhang mit BI-MMF-Fasern.
Bei der Entwicklung der Pulsdispersionsmessung (DMD) und der Systembandbreitenmodellierung zur Bestimmung der Bandbreite von Multimodefasern wurde angenommen, dass sich nur die ersten 18 Modengruppen in der Faser ausbreiten und die 18. Modengruppe stark gedämpft ist. Daher verwendeten Simulationsmodelle für EMB-Maskenbreiten und DMD lediglich 17 Modengruppen. BI-FMM-Fasern propagieren sowohl geführte als auch Leckmodengruppen, die in den aktuellen laseroptimierten Bandbreitenberechnungen nicht berücksichtigt werden. Diese Moden können die Bandbreite erheblich beeinträchtigen, wenn sie ignoriert werden. Die mögliche Folge: eine deutlich geringere Modenbandbreite als erwartet, was zu geringen Verbindungsreserven oder sogar Systemausfällen führen kann.
Zur Veranschaulichung dieses Problems wurden die DMDs der vier kommerziell erhältlichen Fasern untersucht, die die für OM4 erforderliche berechnete effektive Modenbandbreite (EMBC) von 4700 MHz/km eindeutig erfüllen (siehe Abbildung 3).
Alle Fasern wiesen vergleichbare EMBC-Bandbreiten auf, jedoch fiel Faser Nr. 4 bei der DMD-Maskenmethode zur Bestimmung der Bandbreite der OM4-Multimode-Faser durch. Sowohl Faser Nr. 3 als auch Faser Nr. 4 zeigten eine unzureichende Kontrolle der höheren Moden, was auf eine mangelhafte Kontrolle der Faserkernabscheidung nahe der Kern/Mantel-Grenzfläche hindeutet.
Beim Einsatz in einer 550 m langen 10-Gbit/s-Verbindung zeigten die Fasern 3 und 4 eine schlechte Leistung, während die Fasern 1 und 2 die für OM4-Fasern erwartete Leistung erbrachten. Abbildung 4 verdeutlicht, dass die Systemverluste bei Fasern mit unzureichender Modenkontrolle höherer Ordnung deutlich höher sind als bei Fasern mit guter Allmodenkontrolle. Diese Leistungsabweichung deutet darauf hin, dass erhebliche Forschungsarbeit erforderlich ist, um die Bandbreite in BI-FMM-Fasern präzise zu klassifizieren. Die Ausbreitung höherer Moden (Modengruppen 17, 18 und höher) in BI-FMM-Fasern kann die Systemleistung deutlich stärker beeinträchtigen als in den aktuellen Standards vorgesehen.
Die OFL-Bandbreitenwerte verdeutlichen die Bedeutung dieses Parameters für die Systemleistung. Die derzeitige Anforderung von 3500 MHz/km ist jedoch aufgrund des Verhaltens höherer Moden möglicherweise nicht ausreichend, um BI-FMM-Fasern optimal darzustellen. Faser 4 weist zwar eine gute EMBc auf, jedoch eine unzureichende OFL-Bandbreite, was zu einer schlechten Systemleistung führt. Faser 3 besitzt eine grenzwertige OFL-Bandbreite und ebenfalls eine schlechte Systemleistung, während die beiden Fasern mit hohen OFL-Werten (> 5000 MHz/km) eine sehr gute Systemleistung aufweisen.
Mit zunehmender Verbreitung verschiedener Moden wird die Realisierung hoher Bandbreiten schwieriger. Dies führte zum Übergang des Glasfasermarktes von 62,5/125 µm-Fasern zu 50/125 µm-Fasern. Die geringere Anzahl zu kontrollierender Moden ermöglichte die Entwicklung von Fasern mit höherer Bandbreite. Dadurch konnte die Bandbreite von den für FDDI benötigten 160 MHz/km auf über 2000 MHz/km bei 850 nm (OM3) und auf die von den aktuellen Ethernet-Standards geforderten 4700 MHz/km für OM4-Fasern erhöht werden. Angesichts höherer Modengruppen, stärker geführter Moden und zusätzlicher Leckmoden könnte BI-MMF jedoch ein Schritt in die falsche Richtung auf dem Weg zu 100-Gbit/s-Ethernet mit 25-Gbit/s-Lane und 32-Gbit/s-Fibre-Channel sein.
Mechanische Zuverlässigkeit:
Die mechanische Zuverlässigkeit einer Glasfaser-Patchkabel kann durch den Biegeradius negativ beeinflusst werden. Die Verbindungszuverlässigkeit hängt nicht nur von der optischen Stärke, sondern auch von der mechanischen Festigkeit der Komponenten ab. BI-FMM-Fasern weisen dieselben mechanischen Eigenschaften wie Standardfasern auf, und unkontrollierte, enge Biegungen können zu mechanischen Ausfällen führen. Anders ausgedrückt: Eine Drehstelle an einer Plattformkante oder ein in einer Schranktür eingeklemmtes Patchkabel erhöht die Wahrscheinlichkeit eines mechanischen Ausfalls erheblich (solche Biegungen können einen Biegeradius von 2 mm oder weniger aufweisen).
Bei biegeunempfindlichen Einmodenfasern wurde dies durch einen deutlich größeren Durchmesser von 4,8 mm erreicht, wodurch der Biegeradius der Faser auf etwa 5,0 mm begrenzt wurde. Mit einem 2,0 mm dicken Mantel können die minimalen Biegeradien jedoch deutlich kleiner ausfallen. Studien zeigen, dass Biegeradien von 2,0 mm oder weniger mit einer hohen Ausfallwahrscheinlichkeit verbunden sind. Jede Zugkraft auf die Faser erzeugt zusätzliche Spannungen und beschleunigt die Ausfallrate weit über die in Tabelle 2 dargestellten Werte hinaus. Bereits eine zusätzliche Zugkraft von zwei Pfund erhöht die Ausfallwahrscheinlichkeit innerhalb eines Jahres auf 100 % (Abbildung 5).
Eine höhere optische Zuverlässigkeit nützt dem Endnutzer nichts, wenn die mechanische Zuverlässigkeit durch mangelhafte Installation beeinträchtigt wird. Tatsächlich kann man argumentieren, dass es sogar von Vorteil ist, wenn Standardfasern in Systemen mit sehr engen Biegungen hohe Dämpfungsverluste aufweisen. Dies zwingt den Installateur, diese Mängel zu beheben und so die Systemrobustheit über die gesamte erwartete Lebensdauer zu gewährleisten. Ein unerwarteter Verbindungsausfall sechs Monate nach Installation und Systemaktualisierung könnte in modernen Hochleistungsrechenzentren katastrophale Folgen haben.
Fazit:
Es gibt viele wichtige Fragen rund um biegeunempfindliche Multimodefasern. Probleme hinsichtlich Abwärtskompatibilität und Bandbreitenleistung müssen vor einer breiten Anwendung dieser Fasern gelöst werden. Die Systemzuverlässigkeit, einschließlich der mechanischen Zuverlässigkeit, ist für Unternehmenskunden von entscheidender Bedeutung. Normungsgremien wie die TIA bieten ein hervorragendes Forum zur Untersuchung biegeunempfindlicher Multimodefasern und zur Definition ihrer Leistungsfähigkeit. Diese Branchenverbände können sicherstellen, dass aktuelle und neue Normen die Leistungsfähigkeit von Multimodefasern der nächsten Generation präzise bewerten und verifizieren. Gleichzeitig überwiegt das Risiko von Unsicherheiten hinsichtlich der Leistungsfähigkeit biegeunempfindlicher Multimodefasern den begrenzten Nutzen, den sie für Unternehmensverkabelungssysteme bieten.
Autor:
John Kamino, OFS-Produktmanager, und David Mazzarese, OFS-Direktor für technisches Marketing.
