La fibra OM4, compatibile con le applicazioni Ethernet, Fibre Channel e OIF, consente di raggiungere distanze fino a 550 metri a 10 Gbps, ideali per dorsali di edifici di grandi dimensioni e dorsali di campus a media distanza. Offre una larghezza di banda modale effettiva (EMB) di 4700 MHz-km, più del doppio dello standard IEEE per il supporto a 10 Gbps su distanze superiori a 300 metri.Per aiutarvi a sfruttare al meglio questa fibra avanzata, questo articolo descrive la tecnologia alla base della fibra OM4, evidenziando le principali differenze rispetto ad altri tipi di fibra e spiegando come la sua elevata larghezza di banda sia garantita dai metodi di misurazione più rigorosi.
Principi fondamentali delle fibre multimodali
: rispetto alle fibre monomodali, le fibre multimodali hanno nuclei più grandi che, come suggerisce il nome, guidano simultaneamente più "modi", o raggi luminosi. I modi che viaggiano verso il bordo esterno del nucleo devono percorrere una distanza maggiore rispetto a quelli che viaggiano vicino al centro.
Il profilo a indice graduale del nucleo è progettato per minimizzare la distanza percorsa dai modi con percorsi più brevi, garantendo che tutti i modi raggiungano l'estremità della fibra il più vicino possibile nel tempo. Ciò riduce la dispersione degli impulsi, nota anche come DMD (Dynamic Mode Dispersion), e massimizza la larghezza di banda, ovvero la quantità di informazioni che possono viaggiare attraverso la fibra per unità di tempo.
Oltre al nucleo di grandi dimensioni, le fibre multimodali hanno un'ampia apertura numerica (NA), ovvero l'angolo massimo al quale una fibra può ricevere la luce trasmessa. Questo consente loro di funzionare con componenti ottici e sorgenti luminose relativamente economici, come i diodi a emissione di luce (LED) e i VCSEL.
Opzioni di fibra multimodale.
I prodotti multimodali sono identificati dalla designazione OM ("multimodale optic") come specificato nello standard internazionale di cablaggio ISO/IEC 11801 (vedere Tabella 1).
La fibra OM4 è l'ultima evoluzione di questa serie. È particolarmente adatta per data center a corto raggio e applicazioni di calcolo ad alte prestazioni, dove le perdite ottiche previste sono di 10 Gb/s (e si prevede che siano più vicine a 40 Gb/s e 100 Gb/s). L'elevata larghezza di banda offerta dalla fibra OM4 quando impiegata su distanze inferiori alla sua lunghezza nominale offre un margine di sicurezza maggiore per la perdita di inserzione del canale.
OM4 è compatibile con applicazioni che richiedono una larghezza di banda OFL di almeno 500 MHz-km a 1300 nm (ad esempio, FDDI, IEEE 100BASE-FX, 1000BASE-LX, 10GBASE-LX4 e 10GBASE-LRM).
Le ultime novità nel campo delle fibre multimodali sono le fibre multimodali insensibili alla curvatura da 50 micron (BIMMF). Queste fibre sono state presentate come in grado di offrire tutti i vantaggi delle fibre multimodali ad alta larghezza di banda ottimizzate per laser, con l'ulteriore vantaggio di una minore sensibilità alla curvatura.
Tuttavia, recenti studi hanno sollevato alcune perplessità su queste fibre. Alcuni studi hanno identificato problemi nella caratterizzazione delle fibre insensibili alla curvatura e hanno messo in dubbio l'adeguatezza dei requisiti attuali per garantire le prestazioni del sistema. Altri studi hanno dimostrato che la perdita di connessione tra le fibre BIMMF e le fibre standard è maggiore rispetto a quella tra fibre standard e altre fibre standard. Questa perdita aggiuntiva si somma alla perdita totale del collegamento.
È stato proposto che gli enti di normazione conducano una revisione approfondita dei BIMMF e li integrino negli standard di settore. Fino a quando ciò non avverrà, si consiglia cautela prima di una loro adozione su larga scala.
Cosa distingue la fibra OM4?
Come la fibra multimodale OM3, la fibra OM4 è considerata "ottimizzata per il laser", ovvero ottimizzata per l'uso con sorgenti luminose VCSEL. Le fibre OM3 e OM4 sono progettate e prodotte per massimizzare le prestazioni dei VCSEL rispetto ai LED. Per questo motivo, le fibre ottimizzate per il laser vengono specificate utilizzando la larghezza di banda laser, o EMB (Equal Mode Mapping). La fibra OM2, pur essendo compatibile con i VCSEL, non è considerata ottimizzata per il laser. La fibra OM2 è progettata per l'uso con sorgenti luminose a LED a velocità di 10 o 100 Mbps, o in reti a corto raggio da 1 Gbps. La fibra OM2 può essere utilizzata con i VCSEL, ma le sue prestazioni sono limitate a 550 metri a 1 Gb/s e a soli 82 metri a 10 Gb/s, rispetto alla portata della fibra OM4 di oltre 1000 metri a 1 Gb/s e 550 metri a 10 Gb/s.
Come accennato, la velocità con cui ciascun modo si propaga attraverso il nucleo di una fibra multimodale dipende dal suo indice di rifrazione, che a sua volta è determinato dalla quantità di germanio presente come drogante chimico in quella specifica posizione del nucleo. Poiché i modi che si propagano verso il centro del nucleo percorrono una distanza minore rispetto a quelli che si propagano verso i bordi, il profilo dell'indice di rifrazione di una fibra multimodale deve essere "graduale" a forma parabolica lungo il nucleo. Questo rallenta i modi che percorrono una distanza minore, uniformando il tempo di arrivo di tutti i modi.
Maggiore è l'uniformità tra i modi, maggiore sarà la larghezza di banda della fibra. L'uniformità tra i modi dipende dalla precisione con cui il profilo dell'indice di rifrazione viene realizzato durante la produzione della fibra. Quanto più preciso è il profilo dell'indice di rifrazione in termini di forma, curvatura e uniformità (privo di avvallamenti, picchi o difetti), tanto migliore sarà l'uniformità tra i modi (vedere Figura 1).
La fibra OM4, grazie alla sua maggiore larghezza di banda, presenta un profilo dell'indice di rifrazione estremamente preciso, praticamente privo di disturbi o difetti.
Per creare una fibra così precisa, è necessario un processo di produzione che garantisca un controllo eccezionale sulla quantità di germanio incorporato in specifiche posizioni submicroniche all'interno del nucleo della fibra. Un esempio di processo che si presta a questo livello di controllo è il processo MCVD proprietario di OFS, in cui ogni strato del nucleo viene depositato e sinterizzato individualmente, garantendo la massima precisione e uniformità dell'indice di rifrazione.
Standard per la fibra OM4
Due standard definiscono l'utilizzo della fibra OM4 nelle reti ad alta velocità: il documento TIA TIA-492AAAD, che contiene le specifiche prestazionali per la fibra OM4, e lo standard internazionale IEC 60793-2-10, che fornisce specifiche equivalenti per la fibra OM4 di tipo A1a.3. Lo standard ISO/IEC 11801 aggiungerà la fibra OM4 come tipo di fibra riconosciuto a livello industriale, e lo standard IEEE 802.3ba per Ethernet a 40G e 100G includerà la fibra OM4 come opzione che offre una portata di 150 metri (il 50% in più rispetto alla OM3).
All'interno dei gruppi di standardizzazione si è discusso a lungo della larghezza di banda OFL richiesta per la lunghezza d'onda di 850 nm. Sebbene le applicazioni attuali utilizzino principalmente laser VCSEL a 850 nm con fibre specificate a un EMB minimo, vi erano validi motivi per stabilire anche una specifica minima di larghezza di banda OFL a 850 nm. È stato dimostrato che le fibre con larghezze di banda OFL maggiori ottengono risultati migliori con i VCSEL rispetto all'aumento della potenza nei modi esterni. Per questo motivo, gli attuali standard per le fibre OM3 richiedono una larghezza di banda OFL minima di 1500 MHz-km a 850 nm.
Per le fibre OM4, OFS e altri membri del gruppo di standardizzazione raccomandano vivamente una larghezza di banda OFL di almeno 3500 MHz-km per garantire massime prestazioni e affidabilità, che è poi la specifica concordata.
Misurazione della larghezza di banda del laser:
le prestazioni di larghezza di banda della fibra OM4 sono garantite utilizzando gli stessi criteri della fibra OM3, ma con specifiche più rigorose. A causa di una difficoltà riscontrata al momento dell'introduzione del VCSEL, oggi ampiamente diffuso, è stato necessario sviluppare nuovi metodi di misurazione per verificare la larghezza di banda del laser nelle fibre OM3 e OM4.
A differenza di un LED, un laser VCSEL produce un'emissione di energia non uniforme; questa può variare drasticamente sull'intera superficie di uscita. Inoltre, ogni laser riempie un diverso insieme di fasci luminosi in ciascuna fibra, e lo fa con quantità di energia variabili in ciascun fascio. Le misurazioni della larghezza di banda sovra-riempita, utilizzate per misurare la larghezza di banda dei LED, non possono emulare il funzionamento di un VCSEL.
Gli standard consentono due metodi per misurare e verificare la larghezza di banda del laser: il metodo della maschera DMD e il metodo EMBc. Entrambi i metodi richiedono test DMD; la differenza risiede nel modo in cui i dati DMD vengono utilizzati e interpretati.
Nei test DMD, piccoli impulsi laser ad alta potenza vengono trasmessi attraverso la fibra a piccoli passi lungo l'intero nucleo della fibra. Solo poche modalità vengono eccitate ad ogni passo e i loro tempi di arrivo vengono registrati. Il DMD della fibra è la differenza tra i tempi di arrivo più precoci e più tardivi di tutte le modalità a ogni passo. La
misurazione del DMD è attualmente l'unico metodo affidabile per verificare la larghezza di banda necessaria per una velocità di trasmissione di 10 Gb/s, poiché è l'unico metodo che controlla in modo indipendente tutte le modalità lungo il nucleo della fibra. Per questo motivo, associazioni di settore come TIA/EIA e ISO/IEC hanno pubblicato standard per la misurazione del DMD e specifiche DMD per fibre multimodali ottimizzate per il laser.
Il metodo della maschera DMD è un processo semplice che confronta direttamente i risultati del test DMD con una serie di specifiche (chiamate modelli o maschere) per verificare se la fibra possiede le prestazioni richieste.
Questo è un approccio grafico semplice per garantire che gli impulsi di dati non si estendano molto oltre il periodo di bit richiesto di 10 Gb/s. Se la fibra soddisfa queste specifiche DMD, allora si può essere certi di avere almeno 2000 MHz-km di EMB indipendentemente dal VCSEL utilizzato (a condizione che il VCSEL sia compatibile).
Il metodo EMBc è un processo più complesso e indiretto. Prende i risultati DMD e li confronta con una serie di "funzioni di ponderazione" teoriche che hanno lo scopo di rappresentare le distribuzioni di lancio di tutti i VCSEL compatibili.
I risultati del DMD vengono combinati matematicamente con ciascuna delle 10 funzioni di ponderazione. Questo produce 10 diversi valori di EMBc, il più basso dei quali è chiamato minEMBc. Il valore di minEMBc viene moltiplicato per un fattore di 1,13 per ottenere il valore di EMB della fibra. Se questo valore di EMB è > 2000 MHz-km, la fibra è considerata conforme ai requisiti OM3 e dovrebbe quindi supportare 300 metri a 10 Gb/s.
A causa dei complessi calcoli richiesti dal metodo EMBc e del fatto che le funzioni di ponderazione rappresentano solo un campione delle caratteristiche di lancio di molti VCSEL che potrebbero effettivamente essere utilizzati in un sistema reale, il metodo EMBc non fornisce lo stesso livello di analisi della qualità e delle prestazioni della fibra della tecnica della maschera DMD. Inoltre, il metodo EMBc ignora praticamente la regione centrale di 0-5 micron (radiale) del nucleo della fibra perché le funzioni di ponderazione attribuiscono poca importanza a questa regione.
In conclusione,
la fibra OM4 offre prestazioni di nuova generazione per le fibre multimodali, ideali per le applicazioni ad alta velocità di oggi e di domani. Grazie alla sua larghezza di banda significativamente superiore, i progettisti e gli operatori di rete possono essere certi che la fibra multimodale continuerà a rappresentare la soluzione più conveniente per le applicazioni a breve raggio nei data center e nelle reti locali.
Autore:
Tony Irujo, ingegnere commerciale presso OFS
