Достоверное определение пригодности волоконных световодов для передачи сигналов с мультигигабитными скоростями требует применения метода minEMBc — нового способа экспериментального определения характеристик широкополосности многомодовых волоконных световодов для работы с лазерными источниками излучения. Он позволяет получить более точное значение коэффициента широкополосности и может быть использован для улучшенного определения максимально допустимой протяженности оптического тракта.

Многомодовые волоконные световоды уже давно и успешно используются для построения экономически выгодных оптических сетей передачи информации. В результате последовательной модернизации скорость передачи данных возросла с 10 Мбит/с до 10 Гбит/с, и потенциал роста еще не исчерпан. Постоянная потребность в расширении полосы пропускания и создании все более производительных каналов связи вызвала к жизни переход от мегабитных к гигабитным каналам, разработку оптимизированных многомодовых волокон для работы с лазерными передатчиками, а также внедрение трансиверов с лазерными излучателями вместо более медленных светодиодных. Стимулирующее воздействие на этот процесс оказывает массовое внедрение гигабитных и мультигигабитных протоколов (например, Ethernet, Fibre Channel и др.), а также все возрастающий интерес к десятигигабитной технике на базе лазеров со структурой VCSEL (плоскостных лазеров с вертикальным резонатором).

Ниже будет показано, почему в случае многомодовых волоконных световодов, оптимизированных для высокоскоростной лазерной передачи, необходимо применение стандартизованного способа измерения ширины полосы пропускания, известного как минимальная расчетная эффективная модовая ширина полосы пропускания (Calculated Minimum Effective Modal Bandwith, minEMBc). Основное внимание уделяется преимуществам minEMBc по сравнению с применявшимся ранее методом нормированных масок (Digital Micromirror Device, DMD), который использовался на ранних этапах внедрения техники 10 Gigabit Ethernet.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНОСТИ МНОГОМОДОВЫХ СВЕТОВОДОВ

Очень важно, чтобы коэффициент широкополосности измерялся в процессе изготовления многомодовых волоконных световодов, поскольку во время инсталляции кабеля на объекте для этого нет возможности. Переход от волокон, оптимизированных для работы со светодиодными источниками, к волокнам для лазерной передачи начался в 1981 г. (см. Рисунок 1). Одновременно вместо метода измерения коэффициента широкополосности многомодового световода при его возбуждении «с переполнением» (Overfilled Modal Launch, OFL), разработанного в 80-е гг. прошлого века, получил распространение метод частичного возбуждения волокна (Restricted Modal Launch, RML), ставший первым способом измерения частотных свойств специализированных волокон для лазерной передачи.

Рисунок 1. Развитие методов измерения коэффициента широкополосности многомодовых волоконных световодов для промышленных приложений.

В процессе подготовки стандарта 10 Gigabit Ethernet в практику тестирования был внедрен более общий метод DMD для измерения лазерной ширины полосы пропускания, а в 2004 г., в ответ на переход к массовому использованию многомодовых световодов для передачи мультигигабитных информационных потоков, появился метод minEMBc, обладающий лучшей точностью и надежностью.

Метод OFL использует способ возбуждения «с пе-реполнением» сердцевины многомодового световода, моделирующий освещение волокна светодиодным источником. Частота входного модулирующего светового сигнала увеличивается до тех пор, пока амплитуда выходного сигнала не уменьшится на 3 дБ, что составляет 50% исходной величины (см. Рисунок 2). Затем значение частоты умножается на длину тестируемого волокна, в результате получается величина нормированной широкополосности (МГц х км) на рабочих длинах волн 850 и 1300 нм. Волокна для лазерной передачи оптимизированы для работы в спектральном диапазоне 850 нм, где они имеют улучшенные частотные характеристики, поскольку предполагают применение лазера со структурой VCSEL в качестве излучателя. Традиционные же световоды для светодиодных источников, как правило, обеспечивают значительно более высокое значение коэффициента широкополосности в диапазоне 1300 нм при возбуждении «с переполнением» (по методу OFL). С учетом перехода к волокнам для лазерной передачи используется метод измерения RML, в соответствии с которым предусматривается лазерный ввод с определенным смещением относительно центра сердцевины, что достигается с помощью специального соединительного шнура (Mode-Conditioning Patchcord). Метод RML моделирует возбуждения многомодового волокна световым пучком, создаваемым лазером, который имеет небольшой, специально подобранный диаметр (см. Рисунок 2). Внедрение данного способа позволяет более точно определить параметры широкополосности многомодовых световодов при возбуждении их лазерным передатчиком на типичных для него скорос-тях — вплоть до 1 Гбит/с.

Рисунок 2. Метод OFL при возбуждении светодиодным источником и метод RML при возбуждении от лазера для тестирования многомодовых световодов.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ШИРОКОПОЛОСНОСТИ ПО МЕТОДУ DMD

Принятие на вооружение метода тестирования DMD ознаменовало переход от анализа в частотной области, который является характерным признаком методов OFL и RML, к более сложному анализу во временной области. Метод DMD основан на использовании нормированных масок и появился как раз к моменту начала работ над стандартом 10 Gigabit Ethernet (окончательно утвержден в 2002 г.). Поэтому он позволяет выполнять сертификацию только волокон Категории ОМ3, для которых дальность передачи сигналов 10GbE составляет максимум 300 м, как это установлено в стандарте IEEE 802.3ae. Световоды, не прошедшие тестирование по этому параметру, попадают в Категорию ОМ2. Метод DMD предполагает ступенчатое сканирование сердцевины многомодового световода лучом одномодового лазера. Применение лазера cо структурой VCSEL было технически невозможным, так как малая мощность его выходного сигнала не позволяла контролировать затухание волокон максимальной технологической длины на катушке во время их изготовления.

На каждом шаге процедуры сертификации измерительная система направляет импульс излучения в волокно и фиксирует время задержки выходного сигнала. По окончании полного цикла измерений получается так называемый выходной профиль DMD, изображенный на Рисунке 3. Он дает итоговую характеристику структуры задержки отдельных мод проверяемого световода. По окончании сбора экспериментальных данных компьютер проводит анализ всей совокупности импульсных откликов и нормирует их на 25% максимальной выходной амплитуды, при этом практически полностью теряются данные с детальной информацией о выходном импульсном отклике по отношению к источнику (на Рисунке 3 соответствующий процесс отображается как сглаживание выходного фронта волны). Затем нормированный отклик анализируется при помощи нескольких (до семи) групп масок, взятых из стандарта 10 Gigabit Ethernet и полученных на основании эмпирических данных о работе на расстоянии 300 м при скорости 10 Гбит/с.

Рисунок 3. Способ тестирования DMD на основе нормированных масок.

Каждая маска описывает одну группу быстрых и медленных граничных условий для времени задержки сигнала возбуждения волокна в соответствии с величиной смещения относительно его центральной оси, рассматриваемой в качестве параметра. Если нормированные отклики по времени задержки находятся внутри хотя бы одной маски, то волокно отвечает критериям DMD для стандарта 10 Gigabit Ethernet при протяженности линейного тракта в 300 м. Таким образом, эффективный модовый коэффициент широкополосности (Effective Modal Bandwidth, EMB) составляет не менее 2000 МГц х км.

Результат измерений с использованием масок DMD позволяет дать только качественную оценку в форме «годен/не годен», но не указывает на величину коэффициента широкополосности тестируемого многомодового световода. Распространение масок DMD на более длинные тракты передачи данных по многомодовому волокну (например, 550 м) может привести к грубым ошибкам, поскольку большая часть информации, полученной в ходе измерений, теряется в процессе усреднения, и фактические частотные свойства световода могут оказаться завышенными.

Метод minEMBc более эффективен по сравнению с методом тестирования DMD на основе нормированных масок и в отличие от своего аналога позволяет определить реальное значение ширины полосы пропускания волокна. Он учитывает тот факт, что ширина полосы пропускания всей системы в целом зависит как от частотных свойств самого световода, так и от особенностей функционирования различных лазерных источников излучения. Излучатели со структурой VCSEL отличает достаточно большой разброс параметров генерируемого излучения, из-за чего и показатели пропускной способности любого образца многомодового волокна могут существенно различаться. Способ тестирования minEMBc основан на выполнении измерений с помощью десяти различных источников VCSEL, параметры которых зафиксированы специалистами ассоциации TIA в процессе работы над стандартом IEEE 802.3ae. Они представляют весь спектр излучателей интерфейсов 10 Gigabit Ethernet, благодаря чему и удается получить инструментальную оценку параметра широкополосности.

Метод minEMBc использует отдельные процедуры метода масок DMD на первой стадии измерений, когда сердцевина многомодового световода сканируется одномодовым лазером и осуществляется запись выходных импульсов излучения. Затем к результатам, полученным по методу DMD и характеризующим профиль времени задержки, применяют профили десяти различных стандартизованных излучателей VCSEL, что позволяет сгенерировать десять откликов VCSEL. Указанный процесс моделирует выполнение серии измерений широкополосности волокна, предусматривающее привлечение всего спектра VCSEL, допустимых по нормативам, с целью получения прямой характеристики волокна. Из десяти откликов VCSEL выводятся десять значений расчетного эффективного модового коэффициента широкополосности световода (EMBc, измеряемого в МГц х км). Спецификация волокна согласно методу minEMBc определяется по наименьшему из десяти значений эффективной ширины полосы пропускания, чем гарантируются показатели производительности для всей области изменения параметров трансиверов, соответствующих стандарту (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Схема измерения ширины полосы пропускания по методу minEMBc.

В отличие от процедуры тестирования по способу DMD метод minEMBc позволяет вычислить все десять значений максимально возможной дальности передачи десятигигабитного потока (в пределах рабочей области стандартных трансиверов 10 Gigabit Ethernet), которые могут быть использованы в реальной практике построения сетей. Метод minEMBc может быть расширен для получения количественной информации с учетом других факторов: скажем, различных скоростей передачи данных и свойств источника излучения, включая длину волны и спектральную ширину. Это значительно увеличивает эффективность процесса дальнейшего совершенствования как активного оборудования, так и пассивной части тракта передачи (см. Таблицу 1).

Таблица 1. Преимущества метода minEMBc для определения ширины пропускания по сравнению с методом DMD.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ ПЕРЕДАЧИ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЙ ЛАЗЕРНОЙ ШИРИНЫ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ

Максимальная протяженность высокоскоростного многомодового тракта передачи зависит от целого ряда факторов, в том числе от особенностей волокон, количества соединений и параметров оптических трансиверов. Минимальная ширина полосы пропускания, измеренная по способу minEMBc, позволяет осуществить расчет максимальной протяженности тракта на основе опубликованных моделей IEEE, имевших критически важное значение для разработки стандартов 1 Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet, для чего, впрочем, необходимы знания некоторых дополнительных параметров трансиверов и самого волокна. Результаты, получаемые посредством метода minEMBc, довольно часто превышают минимальное значение величины широкополосности, которое зафиксировано в стандартах на оптическое волокно. В подобном случае зафиксированное превышение ширины полосы пропускания может быть переведено с помощью модели IEEE в увеличение протяженности тракта или преобразовано дополнительный резерв для обеспечения оптимальной производительности системы. При наличии оптических кабелей с улучшенными частотными свойствами такой запас может быть израсходован на введение в тракт передачи дополнительных одиночных или многоволоконных разъемных соединителей. В итоге появляются условия для сокращения времени выполнения монтажных работ или повышения гибкости предлагаемого решения без уменьшения протяженности тракта передачи (см. Рисунок 5). Измерение коэффициента широкополосности многомодовых волокон для лазерной передачи, не основанное на методе minEMBc, как правило, дает значительно большую ошибку, заметно ограничивая возможности разработчика по обеспечению максимальной производительности системы.

Рисунок 5. Наибольшая дальность передачи при частоте 10 Гбит/с для волоконных световодов - измерения проводились по методу minEMBc.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Построение надежных кабельных систем с мультигигабитными скоростями и благоприятными стоимостными показателями объективно требует использования метода minEMBc в процессе измерения частотных свойств многомодовых световодов для лазерной передачи. Метод minEMBc позволяет составить наиболее достоверную спецификацию полосы пропускания волокна и объективно рассчитать максимально возможную дальность передачи. По мнению автора, в настоящее время метод minEMBc является единственным способом численной оценки влияния различных параметров излучателя со структурой VCSEL на частотные свойства всего формируемого тракта системы.

Д-р Рассел Эллис — сотрудник компании Corning Optical Fiber.

© AWi Verlag