Cependant, les débats se poursuivent au sein des instances réglementaires et des symposiums techniques concernant les avantages et les inconvénients de ces fibres. Apportent-elles une valeur ajoutée aux centres de données ou aux applications d'entreprise ? Sont-elles nécessaires ? Ont-elles fait l'objet d'études approfondies ? Les fibres BI-FMM sont-elles capables de supporter des débits de 10, 40 et 100 Gb/s sur les mêmes distances de liaison que les fibres standard OM3 et OM4 ? Cet article tente de répondre à ces questions.
Qu'est-ce qui différencie les fibres insensibles à la courbure ?
Qu'est-ce qui rend une fibre multimode insensible à la courbure ? La fibre BI-MMF n'est pas simplement une fibre multimode standard à atténuation de courbure réduite. Il s'agit d'une nouvelle conception de fibre qui modifie la région de guidage de la lumière, ou « guide d'ondes », afin d'améliorer la résistance à la courbure (macrobending). Ceci est réalisé en creusant des tranchées autour du cœur de la fibre, modifiant ainsi les propriétés de la lumière guidée (voir figure 1).
La modification du guide d'ondes d'une fibre optique est un processus complexe qui affecte de nombreuses autres propriétés de la fibre, lesquelles doivent être optimisées. En réalité, les modifications apportées pour améliorer la résistance à la courbure dégradent souvent d'autres propriétés, notamment la bande passante et l'atténuation de connexion, ce qui impacte les performances du système. La question essentielle est la suivante : le déploiement d'une fibre multimode insensible à la courbure améliore-t-il les performances d'une liaison fibre multimode existante ?
FS et d'autres fabricants ont examiné les modifications apportées pour améliorer la tenue en courbure, et les résultats présentent des avantages et des inconvénients. Des études ont montré que l'insensibilité à la courbure peut engendrer des coûts importants, tant en termes de bande passante que de pertes de connexion. De plus, les normes actuelles, notamment celles relatives à la bande passante optimisée pour le laser, ne tiennent pas compte des modifications apportées au guide d'ondes de la fibre BI-MMF. Il peut en résulter des systèmes dont les performances sont inférieures à celles attendues avec les méthodes actuelles d'estimation de la bande passante laser de la fibre.
Les coudes et torsions prononcés dans un cordon de brassage de 1,6 mm ou 2,0 mm peuvent nuire à la fiabilité mécanique de la liaison. Des études ont démontré que les coudes serrés dans un cordon (comme ceux qui peuvent se produire lorsqu'un cordon est situé près d'une porte d'armoire) peuvent entraîner des ruptures de fibre. Encourager des pratiques d'installation générant des coudes et torsions prononcés avec des fibres BI-MMF dans un centre de données est non seulement dangereux, mais aussi inutile. Les systèmes modernes de gestion des câbles et les méthodes d'installation courantes et simples permettent une haute densité tout en garantissant la fiabilité.
Aujourd'hui, les fibres BI-MMF peuvent réduire les performances des systèmes dans les centres de données et les applications d'entreprise. Par conséquent, les fibres OM3 et OM4 standardisées et performantes constituent un meilleur choix pour les réseaux d'entreprise et les centres de données à haut débit.
Analyse détaillée :
Les fibres BI-MMF n’étant pas encore normalisées par l’industrie, leur définition précise s’avère complexe. Toutefois, une définition générale s’avère utile avant d’aborder les avantages et les inconvénients liés à leur fabrication. Il a été suggéré que ce nouveau type de fibre présente les caractéristiques de macrocourbure suivantes :
< 0,1 dB à 850 nm avec 2 tours autour d'un tuyau de rayon
15 mm.
< 0,2 dB à 850 nm avec 2 tours autour d'un tuyau de rayon 7,5 mm.
La fibre BI-MMF a été développée pour simplifier la gestion des câbles. L'objectif de cette nouvelle conception était de réduire les pertes par courbure tout en conservant les spécifications des fibres multimodes OM2, OM3 et OM4. Cependant, les normes et principes de conception existants ont été élaborés pour les fibres multimodes à guide d'ondes traditionnel. La fibre BI-MMF, avec sa tranchée supplémentaire, possède un guide d'ondes différent. De ce fait, de nombreuses mesures et normes actuelles ne décrivent ni ne prévoient avec précision les performances de la fibre BI-MMF. Il est important de noter que, contrairement à la fibre monomode, l'amélioration des performances en macrocourbure des fibres multimodes n'entraîne pas nécessairement une amélioration des performances en microcourbure. Le passage à la fibre BI-MMF n'améliorera donc pas les performances en microcourbure requises pour certaines conceptions de câblage.
L'évolution de la norme Ethernet (et d'autres normes de réseaux de données) a permis d'accroître les débits de données et de réduire les pertes d'insertion sur les liaisons courte distance. Ces pertes d'insertion englobent de nombreux facteurs, notamment l'atténuation du câble, les pertes de connexion et les pertes dues aux macrocourbures. La fibre BI-FMM présente des pertes de connexion plus élevées lorsqu'elle est connectée à une fibre multimode standard (voir tableau 1). Réduire uniquement les pertes dues aux macrocourbures n'apporte que peu d'avantages si d'autres facteurs contribuant aux pertes de liaison augmentent. Si l'objectif est de minimiser les pertes de liaison, il est illogique d'accepter des pertes de connexion (et des pertes de liaison) plus élevées par défaut afin de se prémunir contre d'éventuelles courbures importantes, qui peuvent être évitées par une gestion appropriée des câbles. De plus, un tel compromis pourrait engendrer une défaillance mécanique au niveau d'un point de torsion sous tension.
Modification du trajet de la lumière :
La présence d'une tranchée modifie le guidage de la lumière dans les fibres multimodes à double cœur (BI-MMF) par rapport aux fibres optiques standard. Cette modification est nécessaire pour réduire les pertes de lumière lors d'un macrocourbure. Pour comprendre cette différence, il est important de savoir que les modes de propagation dans les fibres optiques multimodes peuvent être classés comme suit :
• Modes guidés : modes dont l'indice d'efficacité est supérieur à celui de la gaine. •
Modes défectueux : modes dont l'indice d'efficacité est inférieur à celui de la gaine (souvent appelés « modes de gaine »).
Lorsque la lumière se rapproche de l'interface cœur/gaine, les modes sont moins confinés au centre et sont plus facilement déviés par un macrocourbure dans une fibre standard. Ces modes guidés d'ordre supérieur sont qualifiés de modes faiblement guidés. L'ajout d'une tranchée autour du cœur des guides d'ondes permet de canaliser plus efficacement ces modes d'ordre supérieur, créant ainsi une fibre multimode aux performances améliorées en matière de macrocourbure. La tranchée peut également entraîner un effet secondaire indésirable : les modes défectueux, qui ne se propagent pas dans une fibre standard, peuvent se propager sur plusieurs centaines de mètres dans une fibre BI-MMF et doivent être pris en compte dans les calculs de perte de connexion et de bande passante (voir figure 2). La difficulté de mesurer la perte de connexion d’une fibre BI-MMF est principalement due à la complexité de la prise en compte précise des deux modes défectueux et de la lumière désormais fortement liée aux modes d’ordre supérieur.
L'ajout de modes d'ordre supérieur fortement liés et de modes de fuite peut avoir des conséquences importantes sur les performances du système. Négliger ces modes dans une fibre BI-MMF peut conduire à des attentes trop optimistes quant aux performances du système. Ces modes n'ont peut-être pas été pris en compte lors du développement des normes de fibres optimisées pour laser en raison d'un guidage de la lumière imparfait. Avec l'ajout de la tranchée, ces modes doivent être inclus dans les calculs de bande passante, et les normes doivent tenir compte de la différence de guidage de la lumière dans la fibre BI-MMF. La pratique consistant à omettre ces modes dans une fibre BI-MMF, comme le suggèrent certains fabricants, peut conduire à une détermination incorrecte de la bande passante modale pour les systèmes laser.
Mesure de la bande passante dans les fibres insensibles à la courbure :
les exigences en bande passante des réseaux haut débit à courte portée ont évolué depuis les premières diodes électroluminescentes (DEL) jusqu’aux lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL).
À chaque augmentation de la vitesse de transmission, les exigences en bande passante pour les fibres multimodes ont crû et les prévisions de pertes sont devenues plus contraignantes. La fibre BI-MMF permet d’améliorer la prévision des pertes en présence de courbures serrées (en fonction des pertes de connexion supplémentaires), mais quel est son impact sur la bande passante ?
La capacité de transmission de données d'une fibre multimode dépend de sa bande passante modale. Les spécifications de bande passante modale des normes Ethernet IEEE 10G, 40G et 100G ont été élaborées à partir d'un modèle sophistiqué prédisant le comportement de lancement d'un VCSEL avec un guide d'ondes en fibre multimode standard. Ces exigences ont ensuite été traduites dans les spécifications TIA, qui garantissent une bande passante modale de 2 000 MHz/km pour la fibre OM3 et de 4 700 MHz/km pour la fibre OM4 dans les systèmes déployés. Cependant, les modèles utilisés pour élaborer les spécifications de bande passante de la TIA ne sont pas valides pour les fibres BI-MMF, où la lumière est guidée différemment. Par conséquent, les performances en bande passante de ces fibres BI-MMF ne sont pas définies dans les réseaux haut débit actuels. Il s'agit là d'une des principales préoccupations concernant les fibres BI-MMF.
Lors du développement de la mesure de la dispersion d'impulsions (DMD) et de la modélisation de la bande passante du système pour déterminer la bande passante des fibres multimodes, on a supposé que seuls les 18 premiers groupes de modes se propageaient dans la fibre et que le 18e groupe de modes serait fortement atténué. Par conséquent, les modèles de simulation pour les largeurs de masque EMB et la DMD n'utilisaient que 17 groupes de modes. Les fibres BI-FMM propagent à la fois des groupes de modes guidés et des modes de fuite, qui ne sont pas pris en compte dans les calculs actuels de bande passante optimisés pour le laser. Ces modes peuvent dégrader considérablement la bande passante s'ils sont négligés. Le résultat potentiel : une bande passante modale nettement inférieure à celle attendue, entraînant de faibles marges de liaison, voire des défaillances du système.
Pour illustrer ce problème, les DMD des quatre fibres disponibles dans le commerce, qui répondent clairement à la bande passante modale effective (EMBC) calculée de 4 700 MHz/km requise pour la fibre OM4, ont été examinées (voir figure 3).
Toutes les fibres présentaient des bandes passantes EMBC comparables, mais la fibre n° 4 n’a pas satisfait aux exigences de la méthode de masquage DMD pour la détermination de la bande passante de la fibre multimode OM4. Les fibres n° 3 et n° 4 présentaient toutes deux un faible contrôle des modes d’ordre supérieur, indiquant un contrôle insuffisant du dépôt au niveau du cœur de la fibre, près de l’interface cœur/gaine.
Insérées dans une liaison de 550 m à 10 Gbit/s, les fibres 3 et 4 ont présenté des performances médiocres, tandis que les fibres 1 et 2 ont fonctionné comme prévu pour une fibre OM4. La figure 4 montre que les pénalités système pour les fibres présentant un faible contrôle des modes d'ordre supérieur sont nettement plus importantes que pour les fibres offrant un bon contrôle de tous les modes. Cette variation de performance indique qu'un travail important est nécessaire pour une classification précise de la bande passante dans les fibres BI-FMM. La propagation des modes d'ordre supérieur (17, 18 et groupes de modes supérieurs) dans les fibres BI-FMM peut dégrader considérablement les performances du système par rapport aux prévisions des normes actuelles.
Les valeurs de bande passante OFL illustrent l'utilité de ce paramètre pour garantir les performances du système, mais l'exigence actuelle de 3 500 MHz/km pourrait s'avérer insuffisante pour la visualisation des fibres BI-FMM en raison de leur comportement en modes d'ordre supérieur. La fibre 4 présente une bonne bande passante EMBc mais une bande passante OFL insuffisante, ce qui entraîne de mauvaises performances du système. La fibre 3 présente une bande passante OFL limite et de mauvaises performances du système, tandis que les deux fibres avec des valeurs OFL élevées (> 5 000 MHz/km) offrent d'excellentes performances.
Avec la multiplication des modes de propagation, l'obtention de bandes passantes élevées devient plus complexe. Ceci a conduit le marché de la fibre optique à passer de la fibre 62,5/125 µm à la fibre 50/125 µm ; la réduction du nombre de modes à contrôler a permis le développement de fibres à bande passante plus élevée. La bande passante est ainsi passée de 160 MHz/km, nécessaire pour le FDDI, à plus de 2 000 MHz/km à 850 nm (OM3), et jusqu'aux 4 700 MHz/km de fibre OM4 requis par les normes Ethernet actuelles. Avec des groupes de modes d'ordre supérieur, des modes guidés plus puissants et des modes de fuite supplémentaires, la fibre BI-MMF pourrait constituer un pas en arrière dans notre quête d'un Ethernet à 100 Gbit/s avec des voies à 25 Gbit/s et un Fibre Channel à 32 Gbit/s.
Fiabilité mécanique :
La fiabilité mécanique d’un cordon de brassage à fibre optique peut être affectée négativement par le rayon de courbure. La fiabilité de la liaison dépend non seulement de la résistance optique, mais aussi de la résistance mécanique des composants. Les fibres BI-FMM possèdent les mêmes propriétés mécaniques que les fibres standard, et des courbures trop serrées et non contrôlées peuvent entraîner une défaillance mécanique. Autrement dit, un point de torsion sur le bord d’une plateforme ou un cordon de brassage coincé dans une porte d’armoire augmente considérablement le risque de défaillance mécanique (ces courbures peuvent avoir un rayon de courbure de 2 mm ou moins).
Dans les fibres monomodes insensibles à la courbure, ce problème a été résolu par un diamètre nettement supérieur de 4,8 mm, limitant ainsi le rayon de courbure de la fibre à environ 5,0 mm. Cependant, avec une gaine de 2,0 mm, les rayons de courbure minimaux peuvent être considérablement plus petits. Des études démontrent que les rayons de courbure inférieurs ou égaux à 2,0 mm présentent une forte probabilité de défaillance. Toute tension appliquée à la fibre engendre des contraintes supplémentaires et accélère considérablement le taux de défaillance, bien au-delà de celui indiqué dans le tableau 2. L'ajout d'une tension de seulement 900 grammes (deux livres) porte la probabilité de défaillance à 100 % en un an (figure 5).
L'amélioration de la fiabilité optique est inutile pour l'utilisateur final si la fiabilité mécanique est compromise par une installation défectueuse. En réalité, on peut même affirmer qu'il est bénéfique pour une fibre optique standard de présenter des pertes élevées dans les systèmes comportant des coudes très serrés, obligeant ainsi l'installateur à corriger ces erreurs d'installation afin de garantir la robustesse du système tout au long de sa durée de vie prévue. Une panne de liaison inattendue six mois après l'installation et la mise à niveau du système pourrait avoir des conséquences catastrophiques dans les centres de données haute performance actuels.
Conclusion :
De nombreuses questions importantes subsistent concernant les fibres multimodes insensibles à la courbure. Les problèmes liés à la rétrocompatibilité et aux performances en bande passante doivent être résolus avant leur déploiement à grande échelle. La fiabilité du système, notamment sa fiabilité mécanique, est cruciale pour les entreprises clientes. Les organismes de normalisation tels que la TIA constituent une excellente plateforme pour étudier les fibres BI-MMF et définir leurs performances. Ces groupes industriels peuvent garantir que les normes actuelles et futures évaluent et vérifient avec précision les performances des fibres multimodes de nouvelle génération. Cependant, le risque d’incertitude quant aux performances des fibres BI-MMF est supérieur aux avantages limités qu’elles offrent aux systèmes de câblage d’entreprise.
Auteur:
John Kamino, chef de produit OFS, et David Mazzarese, directeur du marketing technique OFS.
