Жизнь многомодовым волокнам!

13 Июл
2012

image
ЦОД, локальные информационно-вычислительные сети, внутрикорпоративные сети передачи данных, сети хранения данных обрабатывают большую часть информации, для передачи которой медные кабели долгое время считались наиболее экономичным решением. Но по мере повышения скоростей, системы передачи на основе медных проводников становились сложнее и дороже, и они имеют ограниченные характеристики, к примеру, при переходе на скорости передачи данных – 40G и 100G, медные кабели смогут работать с такими скоростями только на очень коротких расстояниях[2].

Сегодня системы высокоскоростной оптической передачи создаются преимущественно на оптических волокнах. Одномодовые волокна имеют широкую полосу пропускания, что легко позволило 10Гбит/с передачу на протяжении нескольких десятков километров. Но стоимость оптоэлектронного оборудования по сравнению с оборудованием для многомодовых систем передачи работающих в маломодовом режиме, даже для расстояний в несколько сотен метров и при тенденции снижения цен, превышает 25-30% [3]. Разница в стоимости объясняется следующими факторами:
•Лазерные источники для длин волн 1310 и 1550 нм более дорогостоящие, чем лазеры с длинной волны 850нм.
•В системах передачи с одномодовыми волокнами должны быть соблюдены более жесткие допуски на совмещение лазера и коннекторов с сердцевиной диаметром 9мкм (диаметры сердцевин двух основных видов используемых многомодовых волокон – 62,5 и 50 мкм) и соответственно более точные методы монтажа и концевой заделки кабелей по сравнению с многомодовыми системами передачи[5-8].
Согласно оценкам аналитиков [4], в бюджете на строительство соединительных линий до 300м доля кабельной инфраструктуры составляет 1%, а затраты на приемопередающее оборудование 24%, поэтому разница стоимости 25-30% приемопередающего оборудования многомодовых систем работающих в маломодовом режиме и одномодовых систем особо ощутимо при построение ЦОД на 1000 и больше портов.
Использование многомодовых ОВ с многомодовыми источниками характерно для сетей поддерживающих скорость до 622 Мбит/с [1, 10]. Мультигигабитных скоростей передачи можно достичь используя многомодовые ОВ в маломодовом режиме, под маломодовым режимом передачи понимают такой режим, при котором сигнал переносится по ОВ ограниченным набором модовых составляющих, число которых не превышает сорока. Реализуется такой режим при помощи когерентного источника излучения (одномодового ЛД или лазера VCSEL)[9].
При переходе на мультигигабитные скорости передачи появляются новые факторы искажения сигналов главным из которых является проявление эффекта дифференциальной модовой задержки DMD (Differential Mode Delay). Из-за перераспределение мощности между модовыми компонентами оптический сигнал переносится с неодинаковой амплитудой и разной скоростью распространения, в результате на выходе ВОЛП модовые составляющие поступают с задержкой относительно друг друга. Не смотря на увеличенную, с точки зрения маломодового режима, полосу пропускания, требуется проведение дополнительных мер для компенсации DMD, которые можно условно отнести к оптическим, электронным и гибридным.
Оптические методы компенсации:
•MDCF (Multimode Dispersion Compensating Fibers) использование специализированных многомодовых волокон профиль которых обеспечивает компенсацию DMD. В работе [12] рассматриваются ОВ с дефектами в виде отклонений профиля показателя преломления, который можно описать путем наложения синусоидальной функции. Для компенсации DMD используются волокна с формой показателя преломления аналогичной основному ОВ, но с синусоидальной компонентой находящейся в противофазе. В работе [11] для компенсации DMD используются волокна со специально сформированным провалом показателя преломления в сердцевине, который обеспечивает подавление мод низших порядков распространяющихся с большими скоростями близко к сердцевине. Применение специализированных волокон для увеличения полосы пропускания многомодовых ОВ можно отнести к перспективным методам для уже развернутых кабельных линиях.
•Одним из методов подавления эффекта DMD маломодового сигнала распространяющегося по многомодовым ОВ является переход в режим передачи солитонов. Этот метод был предложен еще в начале 1980-х г. А. Хасегавой [22]. В [23] представлены экспериментальные результаты эффекта генерации ВКР-солитонов 70-100 фс в многомодовых ОВ длинной 10-500м. Недостатком в первую очередь является сложность технической реализации данного подхода.
•Согласование на вводе. Рассогласование на вводе приводит к неконтролируемому перераспределению мощности сигнала между ограниченным числом мод. Можно выделить несколько направлений посвященных разработке способов согласования источника излучения и ОВ:
a)Увеличение пятна излучения с выхода лазера до размера сердцевины многомодового ОВ, для обеспечения полной засветки сердцевины ОВ и возбуждения всех модовых составляющих. Это такие методы, как OFL (Overfilled Launch) и ROFL (Radially Overfilled Launch) [31-34].
b)Технология смещенного ввода OSL (Offset Launching). Разработана в первую очередь для волокон обладающих дефектом профиля показателя преломления в центральной области. Благодаря смещению ввода, излучение вводится за пределами дефекта профиля, устраняется разброс амплитуд возбуждаемых мод и как следствие снижается DMD. [35-37]
c)Способы и устройства согласования, обеспечивающие подавление/возбуждение заданной группы мод. CL (Centra Launching) технология центрального ввода, при которой практически вся мощность компонентов сигнала с выхода лазера, передается модам аналогичных порядков[38]. Соответственно, если лазер одномодовый, то большая часть мощности излучения будет соответствовать основной моде LP01 [38]. И наоборот в [39] представлена технология увеличения полосы пропускания за счет подавления низших мод и передачи всей мощности модам высших порядков.
d)MFMCL (Mode –Fiber Match central Launching) технология центрального ввода с выравниванием диаметра основной моды, поступающей с выхода согласующего одномодового волоконного световода, до диаметра пятна основной моды многомодового волокна. В работе [40] для реализации этого способа используется специализированное одномодовый волоконный световод с увеличенным диаметром пятна моды. А в работе [33] центральный ввод с выравниванием диаметра пятна моды реализован с помощью сварочного соединения.
Электронная компенсация дисперсии:
•EDC (Electronic Dispersion Compensation) электронная компенсация дисперсии заключается в следующем: оптический сигнал преобразуется на фотодиоде в электрический, усиливается и перед устройством принятия решения подвергается некоторой обработке, которая улучшает работу системы. Такая обработка может осуществляться цифровым устройством, адаптивным фильтром. В качестве такого фильтра чаще всего используются опережающие эквалайзеры FFE (Feed Forward Equalizer) эффективность которого показана уже в публикации [26] 1982г. или эквалайзеры с решающей обратной связью DFE (Decision Feedback Equalizer). В [24] представлена схема на базе DFE, а в [25] приведены результаты ее испытаний для передачи маломодовых сигналов по многомодовым ОВ протяженностью 1,5 км со скоростью 10 Гбит/с. Для правильной компенсации дисперсии коэффициенты прямой и обратной связи контролируются с помощью специальных адаптивных алгоритмов, которые обычно являются производными алгоритма минимальной среднеквадратичной ошибки (MSE – Mean Square Error). Оптимальным приемником, способным адаптивно компенсировать дисперсию и нелинейные эффекты, может служить приемник с процессором, работающим по принципу Витерби вычисления максимально приближенной последовательности (MLSE – Maximum Likelihood System Estimation)[23]. В работе [27] представлены результаты испытаний MLSE в виде образца чипа сигнального процессора с интегрированным AFE, показавшие большой потенциал данной разработки, однако отличается более сложным техническим решением, с точки зрения его внедрения в коммерческое производство.
•TBE (Transmitter Based Equalization) электронная коррекция сигнала в передающем модуле. Существует два основных электронных способа борьбы с дисперсией на стороне передатчика [29]:
a)использование форматов модуляции, устойчивых к влиянию дисперсии. Это позволяет увеличить протяженность линии связи без дополнительных компенсаторов дисперсии. Самым распространенным форматом модуляции в волоконных системах остается простой в реализации NRZ, но он плохо «сопротивляется» искажениям в линии связи. Лучшую устойчивость к различного рода нелинейным искажениям показали другие амплитудные форматы: CRZ, CSRZ, APRZ [28]. Увеличить дальность передачи информации в ВОЛС без использования дополнительных компенсаторов дисперсии позволяют фазовые форматы модуляции. Правда, при этом они требуют дорогих терминалов.
b)Ввод искусственного предыскажения формы передаваемого сигнала таким образом, чтобы на стороне приемника внесенные предыскажения и дисперсия волокна взаимно компенсировались. В работе [30] вносимое предыскажение формы исходного импульса представляет собой провал переднего фронта, который по мере прохождения сигнала по многомодовому ОВ будет заполнятся, тем самым, восстанавливая форму исходного.
•Упреждающая коррекция ошибок FEC (Forward Error Correction). Используется, как один из способов компенсации PMD. В работе [21] с помощью FEC удалось увеличить ЭКУ многомодовых ОВ работающих в маломодовом режиме до 105м вместо ограниченных IEEE 30-40м.
Гибридные методы компенсации дисперсии:
•Одним из альтернативных методов увеличения полосы пропускания является использование фотодетекторов с пространственным разрешением SRR (Spatially Resolved Receiving). Предполагается использование фотоприемников с мультисегментной фоточувствительной поверхности для разнесенного детектирования групп мод низших и высших порядков. Реализовать такой фотоприемник можно путем формирования светонепроницаемого пятна в центре фоточувствительной поверхности [14] или с помощью формирования маски протонной или ионной имплантации в p-слой фотодетектора [15]. Работа [13] показывает эффективность данной технологии, особенно при совместном использование с EDC.
•Компенсация DMD с помощью адаптивной оптики AO (Adaptive Optics) базируется на применении пространственного модулятора оптического излучения SLM (Spatial Light Modulator) для управления амплитудой, фазой радиального распределения поля вводимой в ОВ соответствующей модовой компоненты сигнала в области пространственных частот [3, 16]. Первые реализации этого метода на базе нематематического жидкокристаллического SLM для передачи сигнала 10 Гбит/с по многомодовому ОВ протяженностью 11км. приведены в работе [17]. В публикации [18] смоделирована маламодовая ВОСП с компенсацией DMD на основе разработанной модифицированной схемы адаптивной оптики, которая отличается наличием схемы управления состояния поляризации модовых компонентов вводимого в линейный тракт излучения, а в [19] к указанной модели добавляется возможность учитывать случайный характер состояния поляризации и групповой задержки модовых компонентов. В ходе эксперимента [19] была достигнута скорость 10 Гбит/с при использование ОВ ОМ3 протяженностью 2км. на длине волны 1550нм, при возможном осевом рассогласование на стыках ОВ 4мкм. В отличие от EDC технология АО обеспечивает возможность компенсации DMD одновременно на нескольких длинах волн, в работе [20] на базе SLM с дополнительными контролерами состояния поляризации демонстрируется 10-канальная система WDM со скоростью 10 Гбит/с на одной несущей, волокно 50/125 длинной 2,2 км. Недостатком AO является сложность технической реализации схем компенсации на основе SLM.
Для оценки эффективности и целесообразности применения технологий на многомодовых ВОЛП с волокнами разных поколений предлагается использовать метод BDP (Bandwidth Distance Product), который характеризует пропускную способность канала в целом. Выделяется область длин волн 1550 нм, при использование сразу нескольких технологий, 16xWDM + MFMCL(OM3), показатель BDP достигает 2 (Тбит/с)км. Для длин волн 850 нм, даже с использованием ОВ первого поколения минимальная пропускная способность составляет 1 (Гбит/с)км, а максимальное значение BDP при совместном использование SRR и EDC, достигает 110 (Гбит/с)км. В области длин волн 1310 нм применение технологии ввода MFMCL в сочетании с одномодовым лазером и многомодовым ОВ LOMF, параметр BDP равен 122 Гбит/с, а на длине волны 1550 нм уже 488 Гбит/с. Также высокий результат на длине волны 1550 нм достигается с технологиями SRR и EDC, BDP равен 1100 Гбит/с.
Таким образом, для систем с небольшими расстояниями передачи данных, таких как центры обработки данных, многомодовое волокно вполне может обеспечить необходимую ширину полосы пропускания (с поддержкой скорости до 10 Гбит/с при последовательном формате и 40-100 Гбит/с при параллельном формате на достаточно долгую перспективу и при меньших затратах, чем при использовании одномодового волокна).
Литература.
1.Stefano Bottacchi. Multi-gigabit Transmission Over Multimode Optical Fibre. Theory and Design Methods for 10GbE Systems. 2002г.
2.Давид Маззарес. Выбор оптического волокна для ЦОД. Журнал “Технологии и средства связи” №4, 2009г
3.Бурдин А.В. Маломодовый режим передачи оптических сигналов по многомодовым волокнам: приложения в современных инфокоммуникациях. 2009г.
4.Bois Sh. Next generation fibers and standards. 2009г. Электронный ресурс: www.fols.org/documents/ Next GenerationFibersandStandardsSept2009Final.pdf
5.ITU-T Recommendation G.671.Transmission characteristics of passive optical components. 1996г.
6.ISO/IEC 11801:2002(E). Information technologies – Generic cabling for customer premises. International Standard. Second Edition. — 2002 г.
7.ANSI/TIA/EIA 568-B Commercial Building Telecommunications Cabling Standard 2001г.
8.IEC 60728-6 Cable networks for television signals, sound signals and interactive services — Part 6: Optical equipment. 2004г.
9.Дианов Е.М., Прохоров А.М. Лазеры и волоконная оптика. Журнал «Успехи физических наук» 1986г.
10.Семенов А.В. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях. 1998г.
11.Morishita K., Ikeda H., Kumagi N.Compensation of intermodal dispersion by splicing two graded-index multi-mode fiber. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology 1982г.
12.Mercuse D. Multimode delay compensation in fiber with profile distortions. Applied Optics 1979г.
13.Patel K.M., Polley A., Balemarthy K., Ralph S.E. Spatially resolved detection and equalization of modal dispersion limited multimode fiber links. IEEE Journal of Lightwave Technology. 2006г.
14.Hutchison J., Schofield B., Simcore R., Kirk R. Patent US 6556329 united States Patent, IPC Classification H04B10/04. Method and system for preventing low order optical transmission modes in multimode optical fiber computer network using annulus laser. priority date 21.05.1998; puvlication date 29.04.2003
15.Tatum J.A., Patent US 2006/0183264 A1Uunited States Patent, IPC Classification H01L21/00. Photodiode with fiber mode dispersion compensation. priority date 20.06.2005; puvlication date 17.11.2006.
16.Kahn J. M. Compensating multimode fiber dispersion using adaptive optics. Optical Fiber Communication Conference. Anaheim, California, USA. 2007
17.Shen X., Kahn J.M., Horowitz M.A. Compensation for multimode fiber dispersion by adaptive optics. Optics Letters. 2005
18.Shemirai M.B., Kahn J.M. Compensation of multimode fiber dispersion by optimization of launched amplitude, phase, and polarization. IEEE Journal of Lightwave Technology. 2010
19.Shemirai M.B., Wilde J.P., Kahn J.M. Adaptive compensation of multimode fiber dispersion by control of launched amplitude, phase, and polarization. IEEE Journal of Lightwave Technology. 2010
20.Panicker R.H., Wilde J.P., Kahn J.M., Welch D.F., Lyubomirsky I. 10х10 Gb/s DWDM transmission through 2.2-km muktimode fiber using adaptive optics. IEEE Photonics Technology Letters. 2007
21.Rossetti D., Loripeno G. Patent US 2007/0081825 A1 United States Patent, IPC Classification H04B10/12. Multimode distance extension. USA -№11/163144, priority date 06.10.2005; publication date 12.04.2007.
22.Hasegawa A. Self-confinement of multimode optical pulse in a glass fiber. Optics Letters. 1980.
23.Величко М.А. Электронные методы компенсации дисперсии в оптических линиях связи. Lightwave Russian Edition №1 2007
24.Choa F.S. Patent US 2001/0036334 A1 United States Patent, IPC Classification G02B/26. System and method for reducing differential mode dispersion effect in multimode optical fiber transmissions. (USA) № 09/813102, priority date 22.03.2001; publication date 01.11.2001.
25.Zhao X., Choa F., Demonstration of 10-Gb/s transmission over a 1.5-km long multimode fiber using equalization techniques. IEEE Photonics Technology Letters. 2002.
26.Kasper B.L. Equalization of multimode optical fiber systems. The bell Labs Technical Journal. 1982.
27.Agazzi O., Hueda M.R., Crivelli D.E., Carrer H.S., Nazemi A., Luna G., Ramos F., Lopez R., Grace C., Kobeissy B., Abidin C., Kazemi M., Kargar M., Marquez C., Ramprassad S., Bollo F., Poosse V., Wang St., Asmanis G., Easton Swenson N., Linsday T., Voois P., A 90 nm CMOS DSP MLSD transceiver with integrated AFE for electronic dispersion compensation of multimode optical fibers at 10 Gb/s. IEEE Journal of Solid-States Circuits. 2008
28.Величко М.А., Наний О.Е., Сусьян А.А. Новые форматы модуляции в оптических системах связи. Lightwave Russian Edition. № 4, c.21-30. 2005г.
29.Prati G. Electronic dispersion compensation. ECOC 2005, Mo4.6
30.Patent US 2007/0009266 United States Patent, IPC Classification H04B10/00. Multimode optical fiber communication system. Bothwell A., Meadowcroft S., Avago Technologies Ltd., USA № 0513898, priority date 07.07.2005, publication date 11.06.2007.
31.Cunningham D., Nowell M. EMB, WCMB and ROLF Testing. IEEE 802.3z Task Force. Presentation materials, july 1997 meeting.
32.Aronson L. Field setup for ROFL MMF bandwidth measurements. IEEE 802.3z Task Force. MBI group field test data. 1997
33.Aronson L., Buckman L. Guide to HP Labs ROFL/OFL fiber measurements from 12.15.1997-12.19.1997 IEEE 802.3z Task Force. Presentation materials, February 1998 meeting.
34.Patent Us 2002/0076157 A1 United States Patent, IPC Classification G02B6/26. Optical fiber for optically coupling a light radiation source to a multimode optical waveguide, and method for manufacturing it/ J.-R. Kropp (Germany) № 09/891149, priority date 25.06.2001; publication date 20.06.2002.
35.Raddatz L., White I.H., Cunningham D.G., Nowell M.C. An experimental and theoretical study of the offset launch technique for the enhancement of the bandwidth of multimode fiber links. IEEE Journal of Lightwave Technology. 1998.
36.Sim D.H., Takushima Y., Chung Y.C. High-speed multimode fiber transmission by using mode field matched center-launching technique. IEEE Journal of Lightwave Technology. 2009.
37.Abbot J.S. Light propagation in Gbit LANs. IMA. Presentation materials, November 1999 plenary meeting. 1999.
38.Duser M., Bayvel P. 2.5Gbit/s transmission over 4.5 km of 62.5 µm multimode fiber using centre launch technique. Electronics Letters. 2000.
39.Patent US 6501884 B1 United States Patent, IPC Classification G02B6/28. Lightwave transmission system using selected optical modes. Z. Haas, M. Santoro, AT&T Corp., USA, № 44318, priority date 07.04.1995; publication date 16.05.1995.
40.Patent US 2002/01266954 United States Patent, IPC Classification G02B6/26. Profile matching fiber patchcord for fundamental mode excitation in graded-index multimode fiber. Ch.K. Asawa, J.K. Asawa, M.A. Asawa (USA). № 09/801555, priority date 07.05.2001; publication date 12.09.2002.
По материалам Хабрахабр.



загрузка...

Комментарии:

Наверх