Tuttavia, nei forum normativi e nei simposi tecnici sono in corso dibattiti sui vantaggi e gli svantaggi di queste fibre. Apportano valore aggiunto ai data center o alle applicazioni aziendali? Sono necessarie? Queste fibre sono state oggetto di ricerche approfondite? Le fibre BI-FMM sono in grado di supportare applicazioni ad alta velocità di 10, 40 e 100 Gb/s sulle stesse distanze di collegamento delle fibre standard OM3 e OM4? Questo articolo cerca di rispondere a queste domande.
Cosa distingue le fibre insensibili alla curvatura?
Cosa rende una fibra multimodale insensibile alla curvatura? La BI-MMF non è semplicemente uno standard di fibra multimodale con una minore perdita di curvatura. Si tratta di un nuovo design di fibra che modifica la regione di guida della luce, o "guida d'onda", per migliorare le prestazioni di perdita di curvatura (macro-rodaggio). Ciò si ottiene scavando delle trincee attorno al nucleo della fibra, modificando le proprietà della luce guidata (vedere Figura 1).
La modifica della guida d'onda della fibra ottica è un processo complesso che influenza molte altre proprietà della fibra, le quali a loro volta devono essere ottimizzate. In realtà, le modifiche apportate per migliorare la perdita di curvatura spesso degradano altre proprietà, tra cui la larghezza di banda e la perdita di connessione, con conseguenti ripercussioni sulle prestazioni del sistema. La domanda chiave è: l'impiego di fibre multimodali insensibili alla curvatura migliora le prestazioni di un collegamento in fibra multimodale già installato?
FS e altri produttori hanno esaminato le modifiche apportate per migliorare le prestazioni in curva, e i risultati presentano sia vantaggi che svantaggi. Gli studi hanno dimostrato che l'insensibilità alla curvatura può comportare costi elevati, sia in termini di larghezza di banda che di perdita di connessione. A peggiorare la situazione, gli attuali requisiti degli standard, in particolare quelli relativi alla larghezza di banda ottimizzata per il laser, non tengono conto delle modifiche apportate alla guida d'onda della fibra BI-MMF. Ciò può portare a sistemi con prestazioni inferiori a quelle previste utilizzando i metodi attuali per la stima della larghezza di banda laser della fibra.
Curve e piegature strette in un cavo jumper da 1,6 mm o 2,0 mm possono influire negativamente sull'affidabilità meccanica del collegamento. Studi hanno dimostrato che curve accentuate in un cavo jumper (come quelle che possono verificarsi quando un cavo si trova vicino a uno sportello di un armadio rack) possono causare la rottura della fibra. Incoraggiare pratiche di installazione che comportano curve e piegature strette utilizzando fibre BI-MMF in un data center è meccanicamente pericoloso e inutile. I moderni sistemi di gestione dei cavi e le pratiche di installazione comuni e di facile utilizzo consentono un'elevata densità con affidabilità.
Oggi, le fibre BI-MMF possono ridurre le prestazioni del sistema nei data center e nelle applicazioni aziendali. Pertanto, le fibre OM3 e OM4 ad alte prestazioni e standardizzate sono scelte migliori per reti aziendali ad alta velocità e data center.
Analisi dettagliata:
Poiché le fibre BI-MMF non sono ancora state standardizzate dal settore, può risultare difficile definirle con precisione. Tuttavia, una definizione generale di fibra BI-MMF sarebbe utile prima di discutere i vantaggi e gli svantaggi richiesti per la produzione di questa fibra. È stato suggerito che questo nuovo tipo di fibra dovrebbe possedere le seguenti caratteristiche di macrocurvatura:
< 0,1 dB a 850 nm con 2 spire attorno a un tubo flessibile con raggio di
15 mm.
< 0,2 dB a 850 nm con 2 spire attorno a un tubo flessibile con raggio di 7,5 mm.
La fibra BI-MMF è stata sviluppata per semplificare la gestione dei cavi. L'obiettivo del nuovo design era ridurre le perdite per curvatura mantenendo tutte le specifiche attualmente elencate per le fibre multimodali OM2, OM3 e OM4. Tuttavia, gli standard e i principi di progettazione dei sistemi esistenti sono stati sviluppati per fibre multimodali con una guida d'onda tradizionale. La fibra BI-MMF, con la sua scanalatura aggiuntiva, ha una guida d'onda diversa. Di conseguenza, molte misurazioni e standard attuali non descrivono o prevedono accuratamente le prestazioni della fibra BI-MMF. È importante notare che, a differenza della fibra monomodale, un miglioramento delle prestazioni di macrocurvatura nella fibra multimodale non porta necessariamente a un miglioramento delle prestazioni di microcurvatura. Il passaggio alla fibra BI-MMF non migliorerà le prestazioni di microcurvatura richieste in alcuni progetti di cablaggio.
L'evoluzione dello standard Ethernet (e di altri standard di rete dati) ha portato a velocità di trasmissione dati più elevate e a una riduzione della perdita di inserzione del canale per i collegamenti a breve distanza. La perdita di inserzione del canale comprende molte proprietà, tra cui l'attenuazione del cavo, la perdita di connessione e la perdita da macrocurvatura. Il BI-FMM presenta una maggiore perdita di connessione quando connesso a una fibra multimodale standard (vedere Tabella 1). La semplice riduzione della perdita da macrocurvatura offre pochi vantaggi se aumentano altri fattori che contribuiscono alla perdita di collegamento. Se l'obiettivo è minimizzare la perdita di collegamento, non è logico "compromettere" una maggiore perdita di connessione (e perdita di collegamento) predefinita per proteggersi da potenziali flessioni brusche che possono essere evitate con una corretta gestione dei cavi. Inoltre, un simile compromesso potrebbe introdurre un punto di guasto meccanico con un punto di torsione sottoposto a tensione.
Modifica del percorso della luce:
grazie alla trincea, la luce viene guidata in modo diverso nelle fibre multimodali bimodali (BI-MMF) rispetto alle fibre standard. Ciò è necessario per ridurre la quantità di luce persa in una macrocurvatura. Per comprendere questa differenza, è importante sapere che i modi che si propagano nelle fibre ottiche multimodali possono essere classificati come:
• Modi guidati: modi con un indice di efficienza maggiore dell'indice di rivestimento.
• Modi difettosi: modi con un indice di efficienza inferiore all'indice di rivestimento (spesso indicati come "modi di rivestimento").
Quando la luce viaggia più vicino all'interfaccia nucleo/rivestimento, i modi sono meno strettamente vincolati al centro e vengono più facilmente deviati da una macrocurvatura in una fibra standard. Questi modi guidati di ordine superiore possono essere classificati come modi debolmente guidati. Aggiungendo una trincea attorno al nucleo delle guide in fibra ottica, questi modi di ordine superiore vengono canalizzati in modo più efficace, creando una fibra multimodale con prestazioni di macrocurvatura migliorate. La trincea può anche portare a un effetto collaterale indesiderato: i modi difettosi, che non si propagano in una fibra standard, possono propagarsi per diverse centinaia di metri in una fibra BI-MMF e devono essere presi in considerazione nei calcoli di perdita di connessione e larghezza di banda (vedere Figura 2). La difficoltà nel misurare la perdita di connessione della fibra BI-MMF è dovuta in gran parte alla difficoltà di tenere conto con precisione dei due modi difettosi e della luce che ora è fortemente legata ai modi di ordine superiore.
L'aggiunta di un maggior numero di modi di ordine superiore strettamente legati e di modi di fuga può avere gravi conseguenze sulle prestazioni del sistema. Trascurare questi modi in una fibra BI-MMF può portare a aspettative di prestazioni del sistema eccessivamente ottimistiche. Questi modi potrebbero non essere stati considerati nello sviluppo degli standard per fibre ottimizzate per laser perché la luce veniva guidata in modo inadeguato. Con l'aggiunta della trincea, questi modi devono essere inclusi nei calcoli della larghezza di banda e gli standard devono tenere conto della differenza nel modo in cui la fibra BI-MMF guida la luce. La pratica di omettere questi modi in una fibra BI-MMF, come suggerito da alcuni produttori, può portare a una determinazione errata della larghezza di banda modale per i sistemi basati su laser.
Misurazione della larghezza di banda nelle fibre insensibili alle curve:
i requisiti di larghezza di banda per le reti ad alta velocità e a breve distanza si sono evoluti dai primi diodi a emissione di luce (LED) ai laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL).
Con ogni successivo aumento della velocità di trasmissione, i requisiti di larghezza di banda per le fibre multimodali sono aumentati e le previsioni di perdita sono diventate più stringenti. La fibra BI-MMF può migliorare la previsione delle perdite in situazioni che coinvolgono curve strette (a seconda della perdita di connessione aggiuntiva), ma in che modo ciò influisce sulla larghezza di banda?
La capacità di trasporto dati di una fibra multimodale è funzione della sua larghezza di banda modale. Le specifiche di larghezza di banda modale negli standard Ethernet IEEE 10G, 40G e 100G sono state sviluppate sulla base di un modello sofisticato che prevede il comportamento di lancio di un VCSEL con una guida d'onda in fibra multimodale standard. Questi requisiti sono stati poi tradotti nelle specifiche TIA, utilizzate per garantire che la fibra OM3 abbia una larghezza di banda modale di 2000 MHz/km e la fibra OM4 di 4700 MHz/km nei sistemi implementati. Tuttavia, i modelli utilizzati per sviluppare le specifiche di larghezza di banda nella TIA non sono validi per le fibre BI-MMF, dove la luce viene guidata in modo diverso all'interno della fibra. Pertanto, le prestazioni di larghezza di banda di queste fibre BI-MMF non sono definite nelle attuali reti ad alta velocità. Questa è una delle principali problematiche relative alle fibre BI-MMF.
Quando sono state sviluppate la misurazione della dispersione degli impulsi (DMD) e la modellazione della larghezza di banda del sistema per determinare la larghezza di banda delle fibre multimodali, si è ipotizzato che solo i primi 18 gruppi di modi si propagassero nella fibra e che il 18° gruppo di modi fosse fortemente attenuato. Pertanto, i modelli di simulazione per le larghezze delle maschere EMB e DMD utilizzavano solo 17 gruppi di modi. Le fibre BI-FMM propagano sia gruppi di modi guidati che di fuga, che non sono presi in considerazione negli attuali calcoli di larghezza di banda ottimizzati per il laser, e questi modi possono degradare significativamente la larghezza di banda se ignorati. Il risultato potenziale: una larghezza di banda modale significativamente inferiore a quella prevista, che porta a margini di collegamento ridotti o addirittura a guasti del sistema.
Per illustrare questo problema, sono stati esaminati i DMD delle quattro fibre disponibili in commercio che soddisfano chiaramente la larghezza di banda modale effettiva calcolata (EMBC) di 4700 MHz/km richiesta per OM4 (vedere Figura 3).
Tutte le fibre presentavano larghezze di banda EMBC comparabili, ma la fibra numero 4 non ha superato il metodo della maschera DMD per la determinazione della larghezza di banda della fibra multimodale OM4. Sia la fibra numero 3 che la fibra numero 4 presentavano uno scarso controllo dei modi di ordine superiore, indicando uno scarso controllo della deposizione del nucleo della fibra in prossimità dell'interfaccia nucleo/rivestimento.
Inserite in un collegamento da 550 m a 10 Gb/s, le fibre 3 e 4 hanno mostrato prestazioni scadenti, mentre le fibre 1 e 2 hanno funzionato come previsto per una fibra OM4. La Figura 4 mostra che le penalità di sistema per le fibre con un controllo inadeguato dei modi di ordine superiore sono significativamente maggiori rispetto a quelle per le fibre con un buon controllo di tutti i modi. Questa variazione di prestazioni indica che è necessario un lavoro significativo per classificare correttamente la larghezza di banda nelle fibre BI-FMM. I modi di ordine superiore (17, 18 e gruppi di modi superiori) che si propagano nelle fibre BI-FMM possono peggiorare significativamente le prestazioni del sistema rispetto a quanto previsto dagli standard attuali.
I valori della larghezza di banda OFL illustrano l'utilità di questo parametro nel garantire le prestazioni del sistema, ma l'attuale requisito di 3500 MHz-km potrebbe non essere sufficiente per visualizzare le fibre BI-FMM a causa del loro comportamento in modalità di ordine superiore. La fibra 4 ha un buon EMBc ma non raggiunge la larghezza di banda OFL, con conseguenti scarse prestazioni del sistema. La fibra 3 ha una larghezza di banda OFL marginale e scarse prestazioni del sistema, mentre le due fibre con valori OFL elevati (> 5000 MHz/km) hanno ottime prestazioni del sistema.
Con la crescente diffusione di un numero sempre maggiore di modalità, raggiungere larghezze di banda elevate diventa più difficile. Ciò ha portato alla transizione del mercato della fibra dalla fibra 62,5/125 µm alla fibra 50/125 µm; un minor numero di modalità da controllare ha permesso lo sviluppo di fibre a larghezza di banda superiore. Questo ha consentito di aumentare la larghezza di banda dai 160 MHz/km richiesti per FDDI a oltre 2000 MHz/km a 850 nm (OM3) e ai 4700 MHz/km della fibra OM4 richiesti dagli attuali standard Ethernet. Con gruppi di modalità di ordine superiore, modalità guidate più forti e ulteriori modalità di dispersione, BI-MMF potrebbe rappresentare un passo nella direzione sbagliata nella nostra ricerca di Ethernet a 100 Gb/s con corsia a 25 Gb/s e Fibre Channel a 32 Gb/s.
Affidabilità meccanica:
l'affidabilità meccanica di un cavo in fibra ottica può essere influenzata negativamente dal raggio di curvatura. L'affidabilità del collegamento dipende non solo dalla resistenza ottica, ma anche dalla resistenza meccanica dei componenti. Le fibre BI-FMM hanno le stesse proprietà meccaniche delle fibre standard e curve strette non controllate possono causare guasti meccanici. In altre parole, un punto di torsione sul bordo di una piattaforma o un cavo incastrato nello sportello di un armadio aumenta significativamente la probabilità di un guasto meccanico (tali curve possono avere un raggio di curvatura di 2 mm o inferiore).
Nelle fibre monomodali insensibili alla curvatura, questo problema è stato risolto con un diametro significativamente maggiore di 4,8 mm, limitando il raggio di curvatura della fibra a circa 5,0 mm. Tuttavia, con un rivestimento di 2,0 mm, i raggi di curvatura minimi possono essere considerevolmente inferiori. Gli studi dimostrano che raggi di curvatura pari o inferiori a 2,0 mm presentano un'elevata probabilità di guasto. Qualsiasi tensione sulla fibra crea stress aggiuntivo e accelera il tasso di guasto ben oltre quello mostrato nella Tabella 2. L'aggiunta di appena due libbre di tensione aumenta la probabilità di guasto al 100% entro un anno (Figura 5).
Un'affidabilità ottica superiore non apporta alcun vantaggio all'utente finale se l'affidabilità meccanica è compromessa da un'installazione scadente. Anzi, si potrebbe sostenere che sia vantaggioso per una fibra standard presentare un'elevata perdita di segnale in sistemi con curve molto strette, costringendo l'installatore a correggere tali installazioni errate per garantire la robustezza del sistema per tutta la sua durata prevista. Un guasto imprevisto del collegamento sei mesi dopo l'installazione e un aggiornamento del sistema potrebbero avere conseguenze catastrofiche nei moderni data center ad alte prestazioni.
Conclusione:
Esistono molti interrogativi importanti riguardanti le fibre multimodali insensibili alla curvatura. Le problematiche relative alla retrocompatibilità e alle prestazioni di banda devono essere risolte prima di una diffusione capillare di questa fibra. L'affidabilità del sistema, inclusa l'affidabilità meccanica, è di fondamentale importanza per i clienti aziendali. Gruppi di standardizzazione come TIA rappresentano un forum eccellente per lo studio delle fibre BI-MMF e la definizione delle loro prestazioni. Questi gruppi industriali possono garantire che gli standard attuali e futuri valutino e verifichino accuratamente le prestazioni delle fibre multimodali di prossima generazione. Nel frattempo, il rischio di incertezza nelle prestazioni delle fibre BI-MMF supera il limitato vantaggio che offrono ai sistemi di cablaggio aziendali.
Autore:
John Kamino, Product Manager di OFS, e David Mazzarese, Direttore Marketing Tecnico di OFS.
