Desde la estandarización del 10-Gbit / s Ethernet (10GBase-SR) y la fibra multimodo OM3 optimizada por láser (MMF) en el 2002, el despliegue del MMF ha crecido rápidamente y ahora es común en la mayoría de las redes de comunicación de datos. Sin embargo, con la implacable demanda de aumentos en las velocidades de datos de Ethernet y la necesidad de alcances más largos, han aparecido en la escena nuevos tipos de MMF, que incluye a OM4, OM4 + y OM5, todos ellos ofrecen un rendimiento más alto.
Las preguntas que abordamos en este artículo son: “¿Cuáles son las diferencias reales entre estos tipos de fibra?” Y “¿Qué es realidad y que ficción?” Aquí analizaremos las propiedades fundamentales de la fibra multimodo y explicaremos las diferencias reales entre los Tipos de fibra multimodo OM3, OM4, OM4 + y OM5.
En general, la diferencia entre los tipos de MMF es el ancho de banda mínimo, o más precisamente, su ancho de banda modal efectivo mínimo (EMB) y su dependencia de la longitud de onda de EMB. La métrica EMB se explicará con más detalle, pero en este momento es suficiente decir que el EMB es una medida de la capacidad del MMF para minimizar la distorsión de la señal óptica transmitida a medida que se propaga a través de la fibra. Cuanto mayor sea el EMB, menor será la distorsión de la señal óptica.
Debido a las variaciones en el proceso de fabricación de la fibra, existe una distribución relativamente grande de los anchos de banda MMF. Siguiendo el proceso de fabricación, basado en el EMB medido de la fibra, las fibras se clasifican como OM3 y OM4, donde OM3 tiene un EMB de al menos 2000 MHz-km y OM4 tiene un EMB de al menos 4700 MHz -km en la medida de Longitud de onda de 850 nm. Por lo tanto, la única diferencia entre OM3 y OM4 es el EMB mínimo garantizado. Sin embargo, el EMB solo no es suficiente para predecir el rendimiento de un canal óptico. Como veremos, el patrón espectral de la luz emitida por un transmisor óptico también desempeña un papel crítico en el ancho de banda total del canal MMF, que puede mejorarse con fibra de tipo OM4 +. Para comprender el ancho de banda total de un canal óptico, primero debemos considerar cómo se propaga la luz a través de una fibra óptica multimodo.
Los Modos de la fibra
La luz es un campo electromagnético que exhibe propiedades similares a las ondas. Debido a su naturaleza de onda, cuando una señal óptica ingresa al núcleo de la fibra, la luz se divide y viaja a través del núcleo de la fibra a lo largo de rutas ópticas discretas llamadas “modos”, donde cada una de las ondas viajeras transporta partes de la potencia óptica y No interfieran destructivamente entre sí.
Las rutas ópticas se denominan modos porque las rutas se describen matemáticamente mediante la llamada ecuación de onda, donde las soluciones a la ecuación de onda se definen como modos.
La figura 1 nos ilustra las trayectorias ópticas para tres modos posibles.
Tres modos ópticos representativos: (a) un modo de orden inferior donde la luz viaja en una trayectoria directa cerca del eje óptico del núcleo de la fibra; (b) un modo meridiano en el que la luz viaja a lo largo de una trayectoria sinusoidal a través del eje óptico; y (c) un modo de sesgo en el que la luz viaja en una ruta tipo sacacorchos en una región definida por dos superficies cáusticas.
Para el MMF de núcleo estándar de 50 micrones, la fibra puede admitir hasta 380 modos discretos para luz con longitudes de onda en la región espectral de 850 nm. Aunque los modos representan diferentes vías ópticas, muchos de ellos son indistinguibles en términos de sus propiedades de propagación y, por lo tanto, pueden agruparse en 19 denominados grupos de modos, donde se utilizan sus retardos de propagación relativos para calcular el EMB de la fibra.
El objetivo en la fabricación de MMF es variar, es decir, “graduar”, el índice de refracción del vidrio que comprende el núcleo de la fibra de modo que la luz que atraviesa una trayectoria directa cerca del eje óptico experimente un alto índice de refracción en promedio, que reduce la velocidad del modo, y la luz que atraviesa en un modo de “orden alto” (como el modo de sesgo que se muestra en la figura) encuentra un índice de refracción más bajo en promedio, lo que aumenta la velocidad del modo. De esta manera, independientemente de la ruta que recorran los vehículos de luz, las velocidades promedio se igualan de modo que todos los modos ópticos, cada uno con una parte de la potencia de la señal, lleguen al extremo de salida de la fibra al mismo tiempo.
Cualquier retraso relativo en los modos tiene el efecto de aumentar el ancho de la señal óptica. Esto se denomina dispersión modal, y la fibra multimodo de índice gradual está diseñada para minimizar la dispersión modal, aumentando así el ancho de banda.
El valor de EMB se determina midiendo primero los retrasos relativos de los grupos de modo de fibra, llamados retardo de modo diferencial (DMD). A continuación, los factores de ponderación que representan los patrones de emisión del láser se aplican a los datos de DMD y, finalmente, se realizan cálculos matemáticos para calcular el EMB mínimo. Por lo tanto, EMB es una métrica calculada.
Modos del laser
Los transceptores ópticos multimodo utilizan láseres fabricados en sustratos de obleas llamados láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL). Durante el desarrollo de 10-Gbit / sec Ethernet y la fibra OM3, se asumió que los VCSEL lanzan el mismo espectro óptico en todos los diferentes modos de manera uniforme. Sin embargo, en 2008 los investigadores de la fibra Panduit descubrieron que no es el caso. Las longitudes de onda más cortas se emiten en ángulos grandes normales a la superficie del VCSEL y, en consecuencia, se acoplan en modos de fibra de orden superior cerca de la región exterior del núcleo de la fibra. Por el contrario, las longitudes de onda VCSEL más largas se emiten en en ángulos más pequeños y tienden a unirse en modos de orden bajo cerca del eje de la fibra óptica. Debido a que los diferentes modos de fibra contienen diferentes longitudes de onda, además de la dispersión modal debido a las variaciones en el índice de refracción, los modos experimentan una dispersión cromática debido a sus diferencias en la longitud de onda entre sí.
Dependiendo de la variación del proceso en la fabricación de las fibras OM3 y OM4, cuando se acoplan a un VCSEL, la combinación de dispersiones modales y cromáticas mejorará o degradará el DMD de la fibra y, por lo tanto, el BEM cuando se opera en un sistema de comunicación óptica.
En la Figura 2 mostramos datos de medición que ilustran cómo las diferentes longitudes de onda VCSEL tienden a propagarse en los diferentes modos de fibra. Observamos que la longitud de onda más larga (850.452 nm) está limitada a propagarse en los modos internos, indicados por el color amarillo, mientras que las longitudes de onda más cortas, por ejemplo 849.108 nm, se propagan más lejos del centro del núcleo. Debido al efecto de dispersión cromática en el vidrio, diferentes longitudes de onda se propagan a diferentes velocidades en la fibra, lo que altera los retrasos del los modos de grupo y, en consecuencia, el ancho de banda del canal VCSEL mas la fibra. En otras palabras, como resultado de este acoplamiento espectral-espacial de modos VCSEL y modos de la fibra, el rendimiento de un canal óptico multimodo depende tanto de la DMD de la fibra como de las características de salida espectral del VCSEL, lo que resulta en una interacción de dispersión modal y cromática.
Es posible seleccionar las fibras OM3 y OM4 con una característica DMD específica, de modo que cuando se usa con un VCSEL, se mejora el ancho de banda del canal resultante. Esto se logra seleccionando fibras, donde el perfil de índice de refracción, como resultado de la variación del proceso de fabricación, está sesgado hacia tener un EMB máximo en una longitud de onda más larga que 850 nm. Este subconjunto de fibras está representado por un perfil de índice de refracción que se asemeja al perfil etiquetado como “1” en la Figura 3.
Una fibra multimodo con un perfil de índice de refracción que se asemeja al perfil de esta ilustración mostrará una compensación de dispersión modal-cromática. En tal fibra, los modos de orden superior viajarán más rápido, porque el índice de refracción es más bajo. Los modos de orden inferior viajarán más despacio. Las fibras con estas características tienen un EMB máximo en una longitud de onda superior a 850 nm.
Para un perfil de índice de refracción que se parece a “1”, los modos de orden superior viajarán más rápido (porque el índice de refracción es más bajo). ) y, a la inversa, los modos de orden inferior viajarán más despacio. Cuando se acopla a un VCSEL, debido a la polarización espectral de la señal de salida, las longitudes de onda más cortas se lanzan a los modos de fibra de mayor orden y viajarán más lentamente debido a la dispersión cromática, compensando así el menor índice de refracción. El resultado es una ecualización del grupo de modos de orden superior y orden inferior en la salida de la fibra, lo que produce un aumento en el rendimiento del canal de comunicación de datos. A este efecto lo denominamos compensación de dispersión modal-cromática.
El OM4 + es el primer tipo de fibra que proporciona esta mejora. Se especifica con un requisito de DMD único que garantizará la compensación de la dispersión proporcionando el mejor rendimiento de canal posible en los sistemas VCSEL multimodo. Además, el diseño del índice de refracción de la fibra también produce una ecualización de retardo de grupo de modo mejorado en longitudes de onda más largas, lo que lo convierte en un MMF de banda ancha para aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda corta (SWDM). Las fibras que re-combinan los perfiles alfa etiquetados con “2” exacerban la interacción de dispersión cromático modal y, por lo tanto, degradan el rendimiento del canal en longitudes de onda más largas.
Fibra multimodo de banda ancha OM5
El desarrollo y el éxito de la fibra OM4+ llevaron a un creciente interés por definir un nuevo tipo de fibra con un rendimiento mejorado en longitudes de onda más largas. Se formó un subcomité TIA-42.12 para especificar un nuevo tipo de fibra que tenga un EMB más alto en longitudes de onda más largas. La longitud de onda máxima a 953nm se eligió para adaptarse a futuras aplicaciones SWDM.
El nuevo tipo de fibra se llamó inicialmente MMF de banda ancha y el comité de estándares de TIA fue presidido por un ingeniero de investigación de la fibra Panduit. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) adoptó las especificaciones TIA WBMMF y nombró a la nueva fibra OM5. La Tabla 1 enumera los tipos de MMF optimizados por láser disponibles en la actualidad.
Para entender la diferencia entre OM4 y OM5, nos referimos a la Figura 4. En la Figura 4, trazamos la dependencia de la longitud de onda EMB para dos fibras OM4 mínimamente compatibles. Debido a la variación en el proceso de fabricación, todas las fibras OM4 tendrán un máximo de EMB en longitudes de onda por debajo o por encima de la longitud de onda nominal de 850 nm. Estas dos fibras representan las variaciones extremas en la dependencia máxima de la longitud de onda EMB. OM4 solo se especifica para 850 nm y, por lo tanto, el ancho de banda en longitudes de onda más largas, por ejemplo. 953 nm es desconocido.
La línea negra discontinua indica la especificación para la dependencia de la longitud de onda de OM5 EMB. Las líneas azul y marrón son la dependencia de longitud de onda de EMB medida para dos fibras OM4 mínimamente compatibles. Estas dos fibras representan las variaciones extremas en la longitud de onda del pico EMB para OM4, que se especifica solo a 850 nm.
La especificación para la dependencia de la longitud de onda de OM5 EMB se muestra mediante la línea discontinua en la Figura 4. Para la transmisión típica de 850 nm, OM4 y OM5 tienen especificaciones de EMB idénticas de 4700 MHz – km. A 953 nm, OM5 tiene un EMB mínimo especificado de 2470 MHz – km, mientras que el EMB de OM4 puede variar de 1450 MHz – km a 2700 MHz – km.
Tenga en cuenta que para los transceptores que funcionan a 850 nm como se especifica en los estándares IEEE 802.3 (Ethernet) y T11 Fibre Channel, OM5 es equivalente a OM4 (EMB de 4700 MHz · km) y no proporciona ningún beneficio. Sin embargo, hay un Ethernet de 400 Gbit / s (400GBase-SR4.2) y varios transceptores SWDM no estándar que especifican OM5 para un alcance de canal garantizado.
Si bien las aplicaciones SWDM utilizan cableado de fibra dúplex, el costo beneficio en relación con la óptica paralela solo se realiza cuando el canal alcanza más de 100 metros, la distancia máxima especificada, en cuyo punto el menor costo de cableado estructurado compensa el mayor costo del Transceptor SWDM.
También es importante tener en cuenta que el OM5 tiene un precio máximo, y los transceptores de Ethernet y Fibre Channel que utilizan una óptica paralela habilitan el desglose del puerto del conmutador. SWDM no admite ruptura, ni son compatibles con transceptores Ethernet o Fibre Channel.
Un último punto con respecto a OM5 es su dispersión cromática. Durante el desarrollo de la especificación TIA 42.12 OM5, se notificó al subcomité que la dispersión cromática de las fibras OM3 y OM4 es inferior a la especificada en los estándares de la industria. Se realizó una ronda entre seis compañías (incluido Panduit) para verificar una dispersión cromática más baja para el MMF. Como resultado, se decidió la reducción de la especificación de dispersión cromática para OM5. Sin embargo, esto no significa que OM5 tenga una menor dispersión cromática que OM3 u OM4; solo se ha bajado el valor especificado.
Comparación del rendimiento
El rendimiento del canal se mide en términos de tasa de error de bits (BER), donde las cadenas largas de bits de datos aleatorios se inician en un canal bajo prueba y luego se detectan en la salida del canal mediante un receptor de prueba. Un comparador compara secuencias de miles de millones de bits aleatorios y cuenta aquellos bits detectados por error. Los estándares de la industria no requieren más de 1 bit de error por cada billón de bits transmitidos. En la Figura 5, mostramos los resultados de las pruebas de BER para la transmisión SWDM-4 a 100 Gbit / seg a lo largo de 100 metros de los tres tipos de fibra de ancho de banda alto, OM4, OM4 + (etiquetados SigCore) y OM5.
Este gráfico muestra el margen relativo de los tipos de fibra multimodo OM4 (azul), OM5 (verde) y OM4 + (rojo,), en función de los resultados de las pruebas de tasa de error de bits para la transmisión de SWDM-4 a 100 Gbit / seg en 100 metros de fibra. El margen se refiere a la atenuación óptica que se agregó al canal antes de que la tasa de error de bits excediera los límites estándar de la industria.
Los resultados se representan en términos de margen de potencia relativo, donde un margen más alto equivale a un mayor rendimiento. El margen de potencia es la atenuación óptica que se agregó al canal antes de que la BER supere el límite de los estándares de la industria. Estos canales de alta velocidad están limitados en ancho de banda y no limitados por atenuación.
Se obtuvieron datos de cuatro transceptores SWDM-4 de 100G, etiquetados TX1-TX4. Los datos muestran que OM5 y OM4 + (SigCore) tienen un rendimiento equivalente para la transmisión SWDM-4, y ambos proporcionan los mismos márgenes de alcance y potencia que van de 3 a 7 dB sobre la fibra estándar OM4.
Se ha anunciado que OM5 tiene cuatro veces el ancho de banda de OM4; Este es un juego de palabras. Todos los tipos de MMF optimizados por láser pueden transmitir una transmisión de cuatro longitudes de onda y, por lo tanto, pueden caracterizarse por tener cuatro veces el ancho de banda de solo una longitud de onda. La única diferencia entre estas fibras es el alcance máximo del canal a través del cual se pueden transmitir las cuatro longitudes de onda. OM5 proporciona mayor alcance que OM3 y OM4, y equivalente a SigCore OM4 +.
Entonces, ¿qué es verdad y qué es ficción?
Los alcances más largos especificados para los transceptores SWDM-4 no se deben a una menor dispersión cromática o mayor ancho de banda para OM5, sino que se deben al hecho de que los transceptores están optimizados para cumplir con estos alcances extendidos. Sin embargo, es justo decir que OM5 es mejor que OM4 para aplicaciones SWDM-4 porque el OE en 953 nm es especificado para OM5. Para todos menos para el transceptor Ethernet SWDM (IEEE 802.3cm 400GBase-SR4.2), OM4 y OM5 son equivalentes.
En conclusión, la selección de un tipo de MMF debe basarse en futuros
tasas de datos de alta velocidad proyectadas, alcance máximo del canal requerido y, por supuesto, costo.
Esta información toma como base el artículo publicado por El Dr. Rick Pimpinella que es miembro de Panduit y publicado en CablingInstal.com
