OM4-Glasfaser unterstützt Ethernet-, Fibre-Channel- und OIF-Anwendungen und ermöglicht Reichweiten von bis zu 550 Metern bei 10 Gbit/s für besonders lange Gebäude-Backbones und Campus-Backbones mittlerer Entfernung. Sie bietet eine effektive modale Bandbreite (EMB) von 4700 MHz·km, mehr als das Doppelte des IEEE-Standards für 10-Gbit/s-Übertragung über 300 Meter.
Um Ihnen zu helfen, die Vorteile dieser fortschrittlichen Faser voll auszuschöpfen, beschreibt dieser Artikel die Technologie hinter der OM4-Faser, hebt die wichtigsten Unterschiede zu anderen Fasertypen hervor und erklärt, wie ihre hohe Bandbreite durch strengste Messmethoden gewährleistet wird.

 

Grundlagen von Multimodefasern
: Im Vergleich zu Singlemodefasern besitzen Multimodefasern größere Kerne, die – wie der Name schon sagt – mehrere „Moden“ (Lichtstrahlen) gleichzeitig führen. Moden, die sich zum äußeren Rand des Kerns bewegen, müssen eine größere Strecke zurücklegen als Moden in der Nähe des Zentrums.
Das Gradientenindexprofil des Kerns ist so ausgelegt, dass die von Moden mit kürzeren Wegen zurückgelegte Strecke minimiert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Moden das Faserende möglichst zeitnah erreichen. Dies reduziert die Pulsdispersion (DMD) und maximiert die Bandbreite, also die Informationsmenge, die pro Zeiteinheit durch die Faser übertragen werden kann.
Neben ihrem großen Kern weisen Multimodefasern eine große numerische Apertur (NA) auf, den maximalen Winkel, unter dem eine Faser Licht durchlässt. Dies ermöglicht den Betrieb mit relativ kostengünstigen optischen Komponenten und Lichtquellen wie Leuchtdioden (LEDs) und VCSELs.

Optionen für Multimode-Fasern.
Multimode-Produkte werden gemäß der internationalen Verkabelungsnorm ISO/IEC 11801 (siehe Tabelle 1) mit der Bezeichnung OM („Multimode Optic“) gekennzeichnet.
OM4-Fasern stellen die neueste Entwicklung dieser Serie dar. Sie eignen sich besonders für Kurzstrecken-Rechenzentren und Hochleistungsrechneranwendungen, bei denen die erwarteten optischen Verluste 10 Gbit/s betragen (und eher bei 40 Gbit/s bzw. 100 Gbit/s liegen). Die hohe Bandbreite von OM4-Fasern bei kürzeren Übertragungsstrecken als ihrer Nennlänge bietet zusätzlichen Spielraum für die Kanaldämpfung.

OM4 ist kompatibel mit Anwendungen, die eine OFL-Bandbreite von mindestens 500 MHz-km bei 1300 nm erfordern (z. B. FDDI, IEEE 100BASE-FX, 1000BASE-LX, 10GBASE-LX4 und 10GBASE-LRM).
Die neuesten Multimodefasern sind 50-µm-Biegeunempfindliche Multimodefasern (BIMMFs). Diese Fasern wurden als vorteilhaft beworben, da sie alle Vorteile von laseroptimierten Multimodefasern mit hoher Bandbreite bieten und zusätzlich eine geringere Biegeempfindlichkeit aufweisen.
Jüngste Forschungsergebnisse haben jedoch Bedenken hinsichtlich dieser Fasern aufgeworfen. Studien haben Probleme bei der Charakterisierung von Biegeunempfindlichkeitsfasern identifiziert und hinterfragt, ob die aktuellen Anforderungen ausreichen, um die Systemleistung zu gewährleisten. Andere Studien haben gezeigt, dass die Verbindungsdämpfung zwischen BIMMFs und Standardfasern höher ist als zwischen Standardfasern untereinander. Diese zusätzliche Dämpfung erhöht die Gesamtdämpfung der Verbindung.
Es wurde vorgeschlagen, dass Normungsorganisationen eine umfassende Überprüfung von BIMMFs durchführen und diese in Industriestandards integrieren. Bis dahin ist Vorsicht geboten, bevor eine breite Anwendung erfolgt.

Was unterscheidet OM4-Fasern von anderen Fasern?
Wie OM3-Multimode-Fasern gelten auch OM4-Fasern als laseroptimiert, d. h. für die Verwendung mit VCSEL-Lichtquellen optimiert. OM3- und OM4-Fasern sind so konzipiert und gefertigt, dass sie die Leistung von VCSELs im Vergleich zu LEDs maximieren. Daher werden laseroptimierte Fasern anhand der Laserbandbreite (EMB) spezifiziert. OM2-Fasern sind zwar mit VCSELs kompatibel, gelten aber nicht als laseroptimiert. Sie sind für die Verwendung mit LED-Lichtquellen bei Geschwindigkeiten von 10 oder 100 Mbit/s oder in Kurzstreckennetzen mit 1 Gbit/s ausgelegt. OM2-Fasern können zwar auch mit VCSELs verwendet werden, ihre Reichweite ist jedoch auf 550 Meter bei 1 Gbit/s und nur 82 Meter bei 10 Gbit/s begrenzt. Im Vergleich dazu erreichen OM4-Fasern Reichweiten von über 1000 Metern bei 1 Gbit/s und 550 Metern bei 10 Gbit/s.

Wie bereits erwähnt, hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der einzelnen Moden im Kern einer Multimode-Faser von ihrem Brechungsindex ab, der wiederum durch die Menge der Germanium-Dotierstoffe an der jeweiligen Stelle im Kern bestimmt wird. Da Moden, die sich zum Kernzentrum bewegen, einen kürzeren Weg zurücklegen müssen als solche, die sich zum Rand bewegen, muss das Brechungsindexprofil einer Multimode-Faser parabolisch über den Kern verlaufen. Dies verlangsamt die Moden mit dem kürzeren Weg und gleicht so die Ankunftszeiten aller Moden an.
Je besser die Moden angeglichen sind, desto größer ist die Bandbreite der Faser. Die Modenangleichung hängt davon ab, wie präzise das abgestufte Brechungsindexprofil während der Faserherstellung realisiert wird. Je genauer das Brechungsindexprofil hinsichtlich Form, Krümmung und Glätte (frei von Einbrüchen, Spitzen oder Defekten) ist, desto besser ist die Modenangleichung (siehe Abbildung 1).

Die OM4-Faser verfügt aufgrund ihrer größeren Bandbreite über ein extrem präzises Brechungsindexprofil, das praktisch frei von Störungen oder Defekten ist.

Um eine so präzise Faser herzustellen, ist ein Fertigungsprozess erforderlich, der eine außergewöhnlich präzise Kontrolle über die Menge des in spezifische Submikrometerpositionen im Faserkern eingebrachten Germaniums ermöglicht. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist das firmeneigene MCVD-Verfahren von OFS, bei dem jede Kernschicht einzeln abgeschieden und gesintert wird, was höchste Präzision und gleichmäßige Brechungsindexverteilung gewährleistet.

OM4-Faserstandards:
Zwei Standards definieren die Verwendung von OM4-Fasern in Hochgeschwindigkeitsnetzen: das TIA-Dokument TIA-492AAAD, das die Leistungsspezifikationen für OM4-Fasern enthält, und der internationale Standard IEC 60793-2-10, der äquivalente Spezifikationen für OM4 im Fasertyp A1a.3 bereitstellt. Der Standard ISO/IEC 11801 wird OM4-Fasern als branchenweit anerkannten Fasertyp aufnehmen, und IEEE 802.3ba für 40G- und 100G-Ethernet wird OM4-Fasern als Option mit einer Reichweite von 150 Metern (50 Prozent mehr als OM3) beinhalten.

In den Normungsgremien gab es Diskussionen und Debatten über die erforderliche OFL-Bandbreite für 850 nm. Obwohl in aktuellen Anwendungen hauptsächlich 850-nm-VCSEL-Laser mit Fasern verwendet werden, die eine minimale EMB aufweisen, gab es gute Gründe, auch eine minimale OFL-Bandbreite für 850 nm festzulegen. Es hat sich gezeigt, dass Fasern mit höheren OFL-Bandbreiten bei VCSELs bessere Ergebnisse erzielen als eine Leistungssteigerung in den externen Moden. Daher fordern die aktuellen OM3-Fasernormen eine minimale OFL-Bandbreite von 1500 MHz-km bei 850 nm.
Für OM4-Fasern empfehlen OFS und andere Mitglieder der Normungsgremien dringend mindestens 3500 MHz-km OFL-Bandbreite, um maximale Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Dies ist letztendlich die vereinbarte Spezifikation.

Laserbandbreitenmessung:
Die Bandbreitenleistung von OM4-Fasern wird nach denselben Kriterien wie bei OM3-Fasern, jedoch nach strengeren Spezifikationen, sichergestellt. Aufgrund einer Herausforderung bei der Einführung des heute bekannten VCSEL mussten neue Messmethoden zur Überprüfung der Laserbandbreite von OM3- und OM4-Fasern entwickelt werden.
Im Gegensatz zu einer LED erzeugt ein VCSEL-Laser eine ungleichmäßige Energieabgabe; diese kann über die gesamte Austrittsfläche stark variieren. Darüber hinaus füllt jeder Laser in jeder Faser unterschiedliche Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlicher Energie. Überfüllte Bandbreitenmessungen, die zur Messung der LED-Bandbreite verwendet werden, können die Funktionsweise eines VCSEL nicht simulieren.
Normen erlauben zwei Verfahren zur Messung und Überprüfung der Laserbandbreite: die DMD-Maskenmethode und die EMBc-Methode. Beide Methoden erfordern DMD-Tests; der Unterschied liegt in der Verwendung und Interpretation der DMD-Daten.

Bei der DMD-Prüfung werden kleine, leistungsstarke Laserpulse in kurzen Schritten durch die Faser über den gesamten Faserkern gesendet. In jedem Schritt werden nur wenige Moden angeregt und deren Ankunftszeiten erfasst. Die DMD der Faser entspricht der Differenz zwischen der frühesten und der spätesten Ankunftszeit aller Moden in allen Schritten.
Die DMD-Messung ist derzeit die einzige zuverlässige Methode zur Überprüfung der für einen Durchsatz von 10 Gbit/s erforderlichen Bandbreite, da sie als einzige Methode alle Moden im Faserkern unabhängig voneinander prüft. Aus diesem Grund haben Branchenverbände wie TIA/EIA und ISO/IEC Standards für die DMD-Messung und DMD-Spezifikationen für laseroptimierte Multimodefasern veröffentlicht.

Die DMD-Maskenmethode ist ein einfaches Verfahren, bei dem die DMD-Testergebnisse direkt mit einer Reihe von Spezifikationen (sogenannten Vorlagen oder Masken) verglichen werden, um festzustellen, ob die Faser die erforderliche Leistung erbringt.

Dies ist ein einfacher grafischer Ansatz, um sicherzustellen, dass die Datenimpulse die erforderliche Bitperiode von 10 Gbit/s nicht wesentlich überschreiten. Erfüllt die Faser diese DMD-Spezifikationen, ist unabhängig vom verwendeten VCSEL (sofern dieser kompatibel ist) eine EMB von mindestens 2000 MHz·km gewährleistet.
Die EMBc-Methode ist ein komplexeres, indirektes Verfahren. Sie vergleicht die DMD-Ergebnisse mit theoretischen Gewichtungsfunktionen, die die Impulsverteilungen aller kompatiblen VCSELs repräsentieren sollen.

Die DMD-Ergebnisse werden mathematisch mit jeder der zehn Gewichtungsfunktionen kombiniert. Dies ergibt zehn verschiedene EMBc-Werte, von denen der niedrigste als minEMBc bezeichnet wird. Der minEMBc-Wert wird mit dem Faktor 1,13 multipliziert, um den EMB-Wert der Faser zu erhalten. Ist dieser EMB-Wert größer als 2000 MHz·km, erfüllt die Faser die OM3-Anforderungen und sollte daher 300 Meter mit 10 Gbit/s unterstützen.

Aufgrund der komplexen Berechnungen, die das EMBc-Verfahren erfordert, und der Tatsache, dass die Gewichtungsfunktionen nur einen Ausschnitt der Einkopplungseigenschaften vieler VCSELs repräsentieren, die in einem realen System eingesetzt werden könnten, bietet das EMBc-Verfahren nicht dieselbe Genauigkeit bei der Beurteilung der Faserqualität und -leistung wie die DMD-Maskentechnik. Darüber hinaus vernachlässigt das EMBc-Verfahren praktisch den zentralen Bereich von 0–5 µm (radial) des Faserkerns, da die Gewichtungsfunktionen diesem Bereich nur geringe Bedeutung beimessen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass
OM4-Faser die Leistung von Multimode-Fasern der nächsten Generation für die Hochgeschwindigkeitsanwendungen von heute und morgen bietet. Dank ihrer deutlich höheren Bandbreite können Netzwerkplaner und -betreiber darauf vertrauen, dass Multimode-Faser auch weiterhin die kostengünstigste Lösung für Kurzstreckenanwendungen in Rechenzentren und lokalen Netzwerken darstellt.

Autor:

Tony Irujo, Vertriebsingenieur bei OFS

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