Compatible avec les applications Ethernet, Fibre Channel et OIF, la fibre OM4 permet une portée étendue jusqu'à 550 mètres à 10 Gbit/s pour les réseaux dorsaux de bâtiments de grande longueur et les réseaux dorsaux de campus de moyenne distance. Elle offre une bande passante modale effective (EMB) de 4 700 MHz·km, soit plus du double de la norme IEEE pour une prise en charge de 10 Gbit/s sur 300 mètres.Pour vous aider à tirer pleinement parti de cette fibre optique de pointe, cet article décrit la technologie de la fibre OM4, en soulignant les principales différences avec les autres types de fibres et en expliquant comment sa large bande passante est garantie grâce aux méthodes de mesure les plus rigoureuses.
Principes fondamentaux des fibres multimodes
: Comparées aux fibres monomodes, les fibres multimodes possèdent un cœur plus large qui, comme leur nom l’indique, guide simultanément plusieurs modes (ou rayons lumineux). Les modes se propageant vers la périphérie du cœur ont une distance à parcourir plus importante que ceux se propageant près du centre.
Le profil d’indice gradué du cœur est conçu pour minimiser la distance parcourue par les modes à trajet plus court, garantissant ainsi que tous les modes atteignent l’extrémité de la fibre le plus rapidement possible. Ceci réduit la dispersion des impulsions (ou DMD) et maximise la bande passante, c’est-à-dire la quantité d’informations pouvant transiter dans la fibre par unité de temps.
Outre leur large cœur, les fibres multimodes présentent une grande ouverture numérique (ON), soit l’angle maximal sous lequel la fibre peut capter la lumière transmise. Ceci leur permet de fonctionner avec des composants optiques et des sources lumineuses relativement peu coûteux, tels que les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers à électrons à valence négative (VCSEL).
Options de fibre multimode.
Les produits multimodes sont identifiés par la désignation OM (« optique multimode »), conformément à la norme internationale de câblage ISO/IEC 11801 (voir tableau 1).
La fibre OM4 est la dernière évolution de cette gamme. Elle est particulièrement adaptée aux centres de données à courte portée et aux applications de calcul haute performance où les pertes optiques attendues sont de 10 Gbit/s (et devraient se situer entre 40 Gbit/s et 100 Gbit/s). La large bande passante offerte par la fibre OM4, lorsqu'elle est déployée sur des distances inférieures à sa longueur nominale, permet de compenser les pertes d'insertion.
La fibre OM4 est compatible avec les applications nécessitant une bande passante OFL d'au moins 500 MHz·km à 1300 nm (par exemple, FDDI, IEEE 100BASE-FX, 1000BASE-LX, 10GBASE-LX4 et 10GBASE-LRM). Les
fibres multimodes insensibles à la courbure (BIMMF) de 50 µm constituent la dernière innovation en matière de fibres multimodes. Ces fibres ont été présentées comme offrant tous les avantages des fibres multimodes optimisées pour laser à large bande passante, avec en plus une sensibilité à la courbure réduite.
Cependant, des travaux récents ont soulevé des inquiétudes quant à ces fibres. Des études ont mis en évidence des problèmes de caractérisation des fibres insensibles à la courbure et ont remis en question la pertinence des exigences actuelles pour garantir les performances du système. D'autres études ont montré que les pertes de connexion entre les BIMMF et les fibres standard sont supérieures à celles observées entre fibres standard. Ces pertes supplémentaires s'ajoutent aux pertes totales de la liaison.
Il a été proposé que les organismes de normalisation procèdent à un examen approfondi des BIMMF et les intègrent aux normes industrielles. En attendant, la prudence est de mise avant toute adoption généralisée.
Qu'est-ce qui différencie la fibre OM4 ?
À l'instar de la fibre multimode OM3, la fibre OM4 est considérée comme « optimisée pour les lasers », c'est-à-dire optimisée pour une utilisation avec des sources lumineuses VCSEL. Les fibres OM3 et OM4 sont conçues et fabriquées pour maximiser les performances des VCSEL par rapport aux LED. C'est pourquoi les fibres optimisées pour les lasers sont spécifiées à l'aide de la bande passante laser (EMB). La fibre OM2, bien que compatible avec les VCSEL, n'est pas considérée comme optimisée pour les lasers. Elle est conçue pour une utilisation avec des sources lumineuses LED à des débits de 10 ou 100 Mbit/s, ou sur des réseaux courte distance à 1 Gbit/s. La fibre OM2 peut être utilisée avec des VCSEL, mais ses performances sont limitées à 550 mètres à 1 Gbit/s et à seulement 82 mètres à 10 Gbit/s, contre plus de 1 000 mètres à 1 Gbit/s et 550 mètres à 10 Gbit/s pour la fibre OM4.
Comme mentionné précédemment, la vitesse de propagation de chaque mode dans le cœur d'une fibre multimode dépend de son indice de réfraction, lui-même déterminé par la concentration de dopants chimiques au germanium à cet endroit précis du cœur. Les modes se propageant vers le centre du cœur parcourant une distance plus courte que ceux se propageant vers la périphérie, le profil d'indice de réfraction d'une fibre multimode doit présenter une variation parabolique à travers le cœur. Cette variation ralentit les modes ayant une distance de propagation plus courte, égalisant ainsi le temps d'arrivée de tous les modes.
Plus l'égalisation des modes est importante, plus la bande passante de la fibre est grande. L'égalisation des modes dépend de la précision de la construction du profil d'indice lors de la fabrication de la fibre. Plus le profil d'indice de réfraction est précis en termes de forme, de courbure et de régularité (absence de creux, de pics ou de défauts), meilleure sera l'égalisation des modes (voir figure 1).
La fibre OM4, avec sa plus grande bande passante, possède un profil d'indice de réfraction extrêmement précis, pratiquement exempt de perturbations ou de défauts.
Pour créer une fibre d'une telle précision, un procédé de fabrication est nécessaire, permettant un contrôle exceptionnel de la quantité de germanium incorporée à des positions submicroniques spécifiques au sein du cœur de la fibre. Le procédé MCVD exclusif d'OFS, dans lequel chaque couche du cœur est déposée et frittée individuellement, est un exemple de procédé permettant ce niveau de contrôle, garantissant une précision maximale et une uniformité d'indice de réfraction optimale.
OM4
dans les réseaux à haut débit : le document TIA-492AAAD, qui contient les spécifications de performance de la fibre OM4, et la norme internationale CEI 60793-2-10, qui fournit des spécifications équivalentes pour la fibre OM4 de type A1a.3. La norme ISO/CEI 11801 intégrera la fibre OM4 comme type de fibre reconnu par l'industrie, et la norme IEEE 802.3ba pour l'Ethernet 40G et 100G proposera la fibre OM4 en option, offrant une portée de 150 mètres (50 % supérieure à celle de la fibre OM3).
Au sein des groupes de normalisation, la question de la bande passante OFL requise pour la longueur d'onde de 850 nm a fait l'objet de discussions et de débats. Bien que les applications actuelles utilisent principalement des lasers VCSEL à 850 nm avec des fibres spécifiées pour un EMB minimal, il existait des raisons valables d'établir également une spécification minimale de bande passante OFL à 850 nm. Il a été démontré que les fibres à bande passante OFL plus élevée offrent de meilleurs résultats avec les VCSEL que l'augmentation de la puissance dans les modes externes. C'est pourquoi les normes actuelles pour les fibres OM3 exigent une bande passante OFL minimale de 1 500 MHz·km à 850 nm.
Pour les fibres OM4, l'OFS et d'autres membres du groupe de normalisation recommandent fortement une bande passante OFL d'au moins 3 500 MHz·km afin de garantir des performances et une fiabilité maximales ; cette spécification a finalement été retenue.
Mesure de la bande passante laser :
Les performances en bande passante de la fibre OM4 sont garanties selon les mêmes critères que pour la fibre OM3, mais avec des spécifications plus strictes. Lors de l’introduction du VCSEL, désormais bien connu, de nouvelles méthodes de mesure ont dû être développées pour vérifier la bande passante laser des fibres OM3 et OM4.
Contrairement à une LED, un laser VCSEL produit une énergie non uniforme, qui peut varier considérablement sur toute la surface de sortie. De plus, chaque laser remplit un ensemble différent de faisceaux lumineux dans chaque fibre, avec des énergies variables pour chaque faisceau. Les mesures de bande passante par surremplissage, utilisées pour mesurer la bande passante des LED, ne permettent pas de reproduire le fonctionnement d’un VCSEL.
Les normes autorisent deux méthodes de mesure et de vérification de la bande passante laser : la méthode du masque DMD et la méthode EMBc. Ces deux méthodes nécessitent des tests DMD ; la différence réside dans l’utilisation et l’interprétation des données DMD.
Lors des tests de DMD (modulation différentielle de mode), de petites impulsions laser de forte puissance sont transmises par petits incréments à travers la fibre, sur toute sa longueur. Seuls quelques modes sont excités à chaque incrément, et leurs temps d'arrivée sont enregistrés. La DMD de la fibre correspond à la différence entre les temps d'arrivée les plus précoces et les plus tardifs de tous les modes à chaque incrément.
La mesure de la DMD est actuellement la seule méthode fiable pour vérifier la bande passante requise pour un débit de 10 Gbit/s, car c'est la seule qui contrôle indépendamment tous les modes sur l'ensemble du cœur de la fibre. C'est pourquoi des associations professionnelles telles que la TIA/EIA et l'ISO/IEC ont publié des normes pour la mesure de la DMD et des spécifications de DMD pour les fibres multimodes optimisées pour le laser.
La méthode du masque DMD est un processus simple qui compare directement les résultats des tests DMD à un ensemble de spécifications (appelées modèles ou masques) pour vérifier si la fibre possède les performances requises.
Il s'agit d'une méthode graphique simple permettant de garantir que les impulsions de données ne dépassent pas la période binaire requise de 10 Gb/s. Si la fibre respecte ces spécifications DMD, vous avez l'assurance d'un EMB d'au moins 2 000 MHz·km, quel que soit le VCSEL utilisé (à condition qu'il soit compatible).
La méthode EMBc est un processus indirect plus complexe. Elle compare les résultats DMD à un ensemble de « fonctions de pondération » théoriques censées représenter les distributions d'émission de tous les VCSEL compatibles.
Les résultats DMD sont combinés mathématiquement avec chacune des 10 fonctions de pondération. On obtient ainsi 10 valeurs EMBc différentes, dont la plus basse est appelée minEMBc. Cette valeur minEMBc est multipliée par 1,13 pour obtenir la valeur EMB de la fibre. Si cette valeur EMB est supérieure à 2 000 MHz·km, la fibre est considérée comme conforme aux exigences OM3 et peut donc supporter une longueur de 300 mètres à 10 Gbit/s.
En raison de la complexité des calculs qu'elle requiert et du fait que les fonctions de pondération ne représentent qu'un échantillon des caractéristiques de lancement de nombreux VCSEL utilisables dans un système réel, la méthode EMBc n'offre pas le même niveau d'analyse de la qualité et des performances de la fibre que la technique du masque DMD. De plus, elle néglige pratiquement la région centrale de 0 à 5 microns (radiale) du cœur de la fibre, car les fonctions de pondération y accordent peu d'importance.
En conclusion,
la fibre OM4 offre des performances multimodes de nouvelle génération pour les applications haut débit d'aujourd'hui et de demain. Grâce à sa bande passante nettement supérieure, les concepteurs et les opérateurs de réseaux peuvent être assurés que la fibre multimode continuera de proposer les solutions les plus économiques pour les liaisons courtes dans les centres de données et les réseaux locaux.
Auteur:
Tony Irujo, ingénieur commercial chez OFS
