Вместе с увеличением числа подключаемых к сетям устройств и объемам генерируемых ими данных растут и требования к пропускной способности сетевых инфраструктур. Основную нагрузку по передаче трафика практически во всех сетях сегодня несут волоконно-оптические системы. Причем наиболее экономически привлекательными, особенно для связи на небольшие расстояния, остаются решения на основе многоводового волокна (ММВ). Недавно, вместе с разработкой широкополосного ММВ и технологии SWDM, появились принципиально новые возможности по повышению пропускной способности систем на базе ММВ.
Напомним, что светонесущий сердечник в многомодовом волокне имеет диаметр примерно в шесть раз больше, чем в одномодовом (ОМВ). Это облегчает выравнивание и центровку волокон – важная задача, возникающая перед разработчиками соединителей, а также источников и приемников световых сигналов. Во многом именно поэтому ММВ стало первым типом волокна, которое начало использоваться в сетях связи – еще в начале 80-х годов прошлого века. И только в конце 80-х, когда стало возможным обеспечить центровку с точностью порядка микрона и появились лазерные диоды, в сетях связи стало широко применяться одномодовое волокно.
Структура типового оптического волокна
Но, несмотря на преимущества одномодовой техники по дальности и полосе пропускания, ММВ осталось основным типом волокна для большинства сетей, включая ЛВС, сети ЦОД и т.д. Связано это с ценовыми преимуществами многомодовой техники, обусловленными уже упомянутой более простой центровкой волокон, широкой доступностью недорогих источников излучения и другими причинами.
Многомод прошел большой путь усовершенствований, повышающих пропускную способность. Начиналось все со светодиодных излучателей (LED) и мегабитных скоростей. В 90-е годы, когда потребовались более высокие скорости, светодиоды начали уступать место новым недорогим источникам света — лазерам VCSEL с длиной волны 850 нм, которые способны гораздо быстрее модулировать сигнал. Это, в свою очередь, привело к переходу от ММВ с диаметром сердечника 62,5 мкм (кабельные системы класса ОМ1) к волокнам с сердечником 50 мкм (класс ОМ2).
В конце 90-х наступила эпоха гигабитных скоростей. Потребовалось дальнейшее увеличение полосы пропускания. Его обеспечили новые многомодовые волокна, которые изначально разрабатывались оптимизированными для лазерной передачи (LOMMF). Первые стандартные волокна LOMMF обеспечили полосу пропускания примерно в четыре раза больше, чем волокна OM2. Так появился новый класс волокон – OM3, в начале 2000-х годов открывший дверь 10-гигабитным системам.
Следующий этап – разработка к концу десятилетия волокна ОМ4 с еще большим коэффициентом широкополосности. Это волокно обеспечило линейную скорость 25 Гбит/с. Помимо увеличения линейной скорости для достижения все более высоких скоростей потребовалось и увеличение числа волокон, формирующих канал связи. Так, при использовании линейной скорости 10 Гбит/c для формирования канала 40G необходимо четыре волокна (восемь – для дуплекса), для канала 100G – 10 волокон (20 – для дуплекса). При переходе на линейную скорость 25 Гбит/c число волокон для канала 100G пропорционально сокращается (до восьми – для дуплекса), однако для реализации перспективных систем 400G необходимо уже 32 волокна.
Для упрощения организации и обслуживания многоволоконных систем стали все чаще применяться групповые соединители MPO. Компактная конструкция MPO позволяет терминировать 8, 12, 16 и больше волокон в пространстве, соответствующем дуплексному разъему LC. Высокая плотность MPO дает возможность развернуть претерминированную кабельную систему с большим числом волокон, исключив длительный процесс установки разъемов в полевых условиях.
Однако увеличение пропускной способности многомодовых систем путем увеличения числа волокон – путь, имеющий немало недостатков. Увеличение числа волокнон повышает сложность системы, налагает повышенные требования к кабель-каналам, средствам укладки волокон в пространстве коммутационного поля и пр. При этом до недавнего времени многомодовые технологии не задействовали изящный способ повышения пропускной способности, давно известный в мире одномодовой технике. Речь идет о спектральном уплотнении (WDM), когда в одном волокне формируется множество спектральных каналов на разных длинах волн. Соответственно, пропускная способность волокна умножается на число таких каналов. В одномодовых системах могут использоваться десятки спектральных каналов.
Принципы спектрального уплотнения (WDM)
Почему подобное уплотнение не использовалось в многомодовой технике? Все очень просто. Волокна OM3 и OM4 оптимизированы под лазерную передачу на одной длине волны – 850 нм. «Шаг – влево, шаг – вправо» (по спектральной шкале) — пропускная способность такого волокна резко падает, и оно уже не подходит для передачи скоростных потоков. Поэтому для реализации спектрального уплотнения в ММВ потребовалась разработка нового волокна, способного обеспечить эффективную пропускную способность в относительно широком «окне» длин волн.
Первые образцы нового волокна появились несколько лет назад. Весной 2015 года на конференции Optical Fiber Communications (OFC) компании Finisar и CommScope продемонстрировали работу технологии WDM на новом ММВ, получившем название широкополосного (ШП-ММВ). Была показана передача четырех спектральных каналов (на длинах 850, 880, 910 и 940 нм), каждый из которых обеспечивал пропускную способность 25 Гбит/с, а в совокупности — 100 Гбит/с. Соответствующая технология спектрального уплотнения получила название SWDM – Short Wavelength Division Multiplexing.
Еще раньше, осенью 2014 года, CommScope вместе с той же Finisar и рядом других компаний инициировала в Ассоциации TIA проект по разработке стандарта на новое волокно. В июне 2016 года подкомитет TR-42.12, отвечающий в Ассоциации TIA за оптические волокна и кабели, одобрил стандарт ANSI/ TIA-492AAAE, в котором специфицировано ШП-ММВ (WB-MMF). В документе описано оптимизированное для лазерных источников волокно, предназначенное для передачи сигналов на одной длине волны или на нескольких длинах волн в диапазоне от 850 до 953 нм. А чуть позже, в октябре 2016 года, на совместном заседании профильных комитетов организаций ISO и IEC было принято решение отнести ШП-ММВ к классу OM5.
Усилия кабельщиков подхватили производители активного сетевого оборудования. Совместно был сформирован индустриальный консорциум SWDM Alliance для разработки спецификаций и продвижения технологии Shortwave Wavelength Division Multiplexing. (Учредителями SWDM Alliance выступили компании Commscope, Corning, Dell, Finisar, H3C, Huawei, Juniper, Lumentum и OFS.) Альянс SWDM уже опубликовал две спецификации на передачу 40- и 100-гигабитного Ethernet (40 GE SWDM4 и 100 GE SWDM4 соответственно). Технология SWDM позволяет реализовать высокоскоростные каналы 40G и 100G, используя всего пару волокон OM5. Также она открывает возможность эффективной реализации каналов 200G, 400G и 800G Ethernet на базе многомодового волокна.
Различные варианты передачи высокоскоростных потоков, в том числе с применением ШП-ММВ и спектрального уплотнения (WDM)
Итак, появление ШП-ММВ, или волокна класса ОМ5, знаменует существенный прорыв в развитии многомодовой техники. Теперь уже высокие скорости передачи (например, 100G) можно реализовать с помощью значительно меньшего числа волокон. Кроме того, появилась возможность перехода на более высокие скорости без необходимости задействовать дополнительные волокна. В целом, впечатляет технический прогресс, благодаря которому пропускная способность многомодового волокна увеличилась в 160 000 раз, с 10 Мбит/с до потенциально 1600 Гбит/с, при этом сохранено главное преимущества многомода — невысокая стоимость.
Напомним, что светонесущий сердечник в многомодовом волокне имеет диаметр примерно в шесть раз больше, чем в одномодовом (ОМВ). Это облегчает выравнивание и центровку волокон – важная задача, возникающая перед разработчиками соединителей, а также источников и приемников световых сигналов. Во многом именно поэтому ММВ стало первым типом волокна, которое начало использоваться в сетях связи – еще в начале 80-х годов прошлого века. И только в конце 80-х, когда стало возможным обеспечить центровку с точностью порядка микрона и появились лазерные диоды, в сетях связи стало широко применяться одномодовое волокно.
Структура типового оптического волокна
Но, несмотря на преимущества одномодовой техники по дальности и полосе пропускания, ММВ осталось основным типом волокна для большинства сетей, включая ЛВС, сети ЦОД и т.д. Связано это с ценовыми преимуществами многомодовой техники, обусловленными уже упомянутой более простой центровкой волокон, широкой доступностью недорогих источников излучения и другими причинами.
Многомод прошел большой путь усовершенствований, повышающих пропускную способность. Начиналось все со светодиодных излучателей (LED) и мегабитных скоростей. В 90-е годы, когда потребовались более высокие скорости, светодиоды начали уступать место новым недорогим источникам света — лазерам VCSEL с длиной волны 850 нм, которые способны гораздо быстрее модулировать сигнал. Это, в свою очередь, привело к переходу от ММВ с диаметром сердечника 62,5 мкм (кабельные системы класса ОМ1) к волокнам с сердечником 50 мкм (класс ОМ2).
В конце 90-х наступила эпоха гигабитных скоростей. Потребовалось дальнейшее увеличение полосы пропускания. Его обеспечили новые многомодовые волокна, которые изначально разрабатывались оптимизированными для лазерной передачи (LOMMF). Первые стандартные волокна LOMMF обеспечили полосу пропускания примерно в четыре раза больше, чем волокна OM2. Так появился новый класс волокон – OM3, в начале 2000-х годов открывший дверь 10-гигабитным системам.
Следующий этап – разработка к концу десятилетия волокна ОМ4 с еще большим коэффициентом широкополосности. Это волокно обеспечило линейную скорость 25 Гбит/с. Помимо увеличения линейной скорости для достижения все более высоких скоростей потребовалось и увеличение числа волокон, формирующих канал связи. Так, при использовании линейной скорости 10 Гбит/c для формирования канала 40G необходимо четыре волокна (восемь – для дуплекса), для канала 100G – 10 волокон (20 – для дуплекса). При переходе на линейную скорость 25 Гбит/c число волокон для канала 100G пропорционально сокращается (до восьми – для дуплекса), однако для реализации перспективных систем 400G необходимо уже 32 волокна.
Для упрощения организации и обслуживания многоволоконных систем стали все чаще применяться групповые соединители MPO. Компактная конструкция MPO позволяет терминировать 8, 12, 16 и больше волокон в пространстве, соответствующем дуплексному разъему LC. Высокая плотность MPO дает возможность развернуть претерминированную кабельную систему с большим числом волокон, исключив длительный процесс установки разъемов в полевых условиях.
Однако увеличение пропускной способности многомодовых систем путем увеличения числа волокон – путь, имеющий немало недостатков. Увеличение числа волокнон повышает сложность системы, налагает повышенные требования к кабель-каналам, средствам укладки волокон в пространстве коммутационного поля и пр. При этом до недавнего времени многомодовые технологии не задействовали изящный способ повышения пропускной способности, давно известный в мире одномодовой технике. Речь идет о спектральном уплотнении (WDM), когда в одном волокне формируется множество спектральных каналов на разных длинах волн. Соответственно, пропускная способность волокна умножается на число таких каналов. В одномодовых системах могут использоваться десятки спектральных каналов.
Принципы спектрального уплотнения (WDM)
Почему подобное уплотнение не использовалось в многомодовой технике? Все очень просто. Волокна OM3 и OM4 оптимизированы под лазерную передачу на одной длине волны – 850 нм. «Шаг – влево, шаг – вправо» (по спектральной шкале) — пропускная способность такого волокна резко падает, и оно уже не подходит для передачи скоростных потоков. Поэтому для реализации спектрального уплотнения в ММВ потребовалась разработка нового волокна, способного обеспечить эффективную пропускную способность в относительно широком «окне» длин волн.
Первые образцы нового волокна появились несколько лет назад. Весной 2015 года на конференции Optical Fiber Communications (OFC) компании Finisar и CommScope продемонстрировали работу технологии WDM на новом ММВ, получившем название широкополосного (ШП-ММВ). Была показана передача четырех спектральных каналов (на длинах 850, 880, 910 и 940 нм), каждый из которых обеспечивал пропускную способность 25 Гбит/с, а в совокупности — 100 Гбит/с. Соответствующая технология спектрального уплотнения получила название SWDM – Short Wavelength Division Multiplexing.
Еще раньше, осенью 2014 года, CommScope вместе с той же Finisar и рядом других компаний инициировала в Ассоциации TIA проект по разработке стандарта на новое волокно. В июне 2016 года подкомитет TR-42.12, отвечающий в Ассоциации TIA за оптические волокна и кабели, одобрил стандарт ANSI/ TIA-492AAAE, в котором специфицировано ШП-ММВ (WB-MMF). В документе описано оптимизированное для лазерных источников волокно, предназначенное для передачи сигналов на одной длине волны или на нескольких длинах волн в диапазоне от 850 до 953 нм. А чуть позже, в октябре 2016 года, на совместном заседании профильных комитетов организаций ISO и IEC было принято решение отнести ШП-ММВ к классу OM5.
Усилия кабельщиков подхватили производители активного сетевого оборудования. Совместно был сформирован индустриальный консорциум SWDM Alliance для разработки спецификаций и продвижения технологии Shortwave Wavelength Division Multiplexing. (Учредителями SWDM Alliance выступили компании Commscope, Corning, Dell, Finisar, H3C, Huawei, Juniper, Lumentum и OFS.) Альянс SWDM уже опубликовал две спецификации на передачу 40- и 100-гигабитного Ethernet (40 GE SWDM4 и 100 GE SWDM4 соответственно). Технология SWDM позволяет реализовать высокоскоростные каналы 40G и 100G, используя всего пару волокон OM5. Также она открывает возможность эффективной реализации каналов 200G, 400G и 800G Ethernet на базе многомодового волокна.
Различные варианты передачи высокоскоростных потоков, в том числе с применением ШП-ММВ и спектрального уплотнения (WDM)
Итак, появление ШП-ММВ, или волокна класса ОМ5, знаменует существенный прорыв в развитии многомодовой техники. Теперь уже высокие скорости передачи (например, 100G) можно реализовать с помощью значительно меньшего числа волокон. Кроме того, появилась возможность перехода на более высокие скорости без необходимости задействовать дополнительные волокна. В целом, впечатляет технический прогресс, благодаря которому пропускная способность многомодового волокна увеличилась в 160 000 раз, с 10 Мбит/с до потенциально 1600 Гбит/с, при этом сохранено главное преимущества многомода — невысокая стоимость.
