sfp bidi что это

Особенности использования технологии BiDi CWDM

На рынке систем спектрального уплотнения появилась долгожданная новинка: BiDi CWDM. Данная технология стала возможной благодаря разработке специальных BiDi CWDM SFP модулей:

Рисунок 1. BiDi CWDM SFP модуль

Основное отличие таких оптических модулей от классических CWDM SFP заключается в том, что для приема и передачи используется всего одна несущая длина волны.

Добиться этого удалось за счет применения специальных фильтров, установленных внутри SFP-модулей, с помощью которых сигналы Tx/Rx на одной лямбде разносятся по поляризации (работа аналогична работе оптического циркулятора).

На сегодняшний день BiDi CWDM SFP имеют максимальный оптический бюджет 16dB и максимальную гарантированную дальность 40km, имеют стандартный SFP форм-фактор и поддерживают горячую замену.

Благодаря BIDI CWDM SFP стало возможным повысить количество передаваемых 1.25G каналов (GbE / FC) по одному оптическому волокну в 2 раза (с 9 до 18, используя все 18 длин волн CWDM в диапазоне 1270..1610нм). Но повышаются требования и к используемой оптической линии: все кроссировки и соединения должны быть выполнены с использованием APC-полировки для минимизации отраженного сигнала. Применение UPC-полировки приводит к резкому снижению полезного оптического бюджета, так как начинают возникать перекрестные искажения между сигналами Tx и Rx, поэтому исключения не составляет и разъем самого SFP-модуля. Из-за того, что очень тяжело сделать APC-полировку внутри самого SFP-модуля, используется пигтейл LC/APC, приваренный другим концом внутрь самого SFP-модуля.

Использование классических CWDM мультиплексоров также невозможно, из-за применяемой в разъемах UPC- полировки. Специально для работы с BIDI CWDM SFP разработан специальный CWDM мультиплексор с APC полировкой на всех разъемных соединениях. Схема применения показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема работы BiDi CWDM

Следующим этапом в развитии технологии станет разработка 10G BiDi SFP+ / XFP CWDM модулей, а также увеличение оптического бюджета у 1.25G BiDi CWDM SFP.

Источник

Виды SFP модулей

Съемный приемо-передающий модуль форм-фактора SFP (Small Form factor Pluggable) представляет собой компактное устройство в металлическом корпусе. С одной стороны, SFP модуль оснащен контактной группой для подключения к SFP-порту активного сетевого устройства, а с другой стороны оптическим интерфейсом для подключения к линии передачи. Оптические модули стандарта SFP предназначены для передачи и приёма оптических сигналов между сетевыми устройствами, соединенными между собой волоконно-оптическими линиями связи. Приемо-передатчики форм-фактора SFP поддерживают передачу данных на скоростях от 100 Мбит/с до 4.25 Гбит/с, наибольшей популярностью обладает модификация SFP модулей со скоростью передачи 1.25 Гб/с.

Спецификация INF-8074i впервые, опубликованная MSA в 2001 году, подробно описывает конструкцию и размеры корпуса, устройство электрического интерфейса SFP трансиверов, а так же конструкцию и размеры SFP-порта. Существует ряд спецификаций, которые описывают отдельные модификации и скорости передачи, основные документы можно найти на этой странице.

В спецификации INF-8074i, есть не большой пункт указывающий на необходимость цветовой маркировки на язычках толкателей модулей. В самой спецификации есть указания лишь на два варианта этой маркировки: черный цвет – многомодовой трансивер, синий цвет – одномодовый; в дальнейшем модификаций SFP трансиверов стало значительно больше и новые модели получали свою цветовую маркировку. Цветовая маркировка SFP модулей необходима для облегчения идентификации типа установленного в сетевое оборудование трансивера. Маркировка SFP модулей реализуется одним из двух способов в зависимости от особенностей корпуса трансивера:

Каждой длине волны присвоен свой цвет см. таблицу ниже. Сама идея подобной маркировки очень хороша и удобна для пользователей, но в реализации этой идеи есть определенные сложности, а именно производители SFP модулей используют не стандартизированные цвета, как следствие в некоторых случаях цвета маркировки от производителя к производителю сильно отличаются.

Наиболее ярким примером являются CWDM трансиверы, у которых каждая «пара» волн маркируется своим цветом, но цвета в зависимости от производителей не всегда совпадают.

Примеры цветовой маркировки

Самым простым выходом из подобного положения было бы закрепление за определенными моделями SFP трансиверов определенных цветовых маркеров на уровне спецификации или рекомендации, но к сожалению, подобного документа нет.

Таблица цветовых маркировок трансиверов

Принцип работы SFP модулей

Оптические модули SFP состоят из нескольких основных компонентов:

Устройство SFP модуля

Получая информацию от коммутатора в виде электрических сигналов, трансивер преобразует её в оптический сигнал, который излучает лазер. И наоборот, принимаемый фотодиодом оптический сигнал преобразуется в электрический. Таким образом, информация проходит через съемный оптический приемо-передетчик в современных ВОЛС.

Одной из основных характеристик оптических модулей является оптический бюджет трансивера, именно от неё зависит максимальная дальность передачи. Оптический бюджет зависит от чувствительности приёмника и мощности излучения лазера, его легко вычислить по формуле:

где AR – оптический бюджет, Pmin — минимальная выходная мощность передатчика, Smax — максимальное значение чувствительности фотоприемника. Чем выше значения Pmin и Smax, тем больше оптический бюджет, а значит больше дальность работы данного трансивера. Этот параметр крайне важен при выборе трансиверов для систем уплотнения или на протяжённых участках.

Мониторинг рабочих параметров SFP (DDM)

Для контроля рабочих параметров в SFP модулях, как и в трансиверах других форм-факторов используют систему цифрового мониторинга – DDM. Digital Diagnostics Monitoring сокращенно DDM — функция цифрового контроля параметров производительности трансиверов форм-фактора SFP, SFP+ и XFP. Позволяет отслеживать в реальном времени рабочие параметры трансивера, такие как: подаваемое напряжение, температура трансивера, ток смещения лазера, и сходящая оптическая мощность TX, принимаемая оптическая мощность RX.

Устройство и работа этой системы описаны в спецификации SFF-8472. Более подробное описание DDM можно найти по ссылке.

Отличия от других форм-факторов

Трансиверы форм-фактора SFP пришли на смену промышленному стандарту съемных приемо-передатчиков GBIC. Вначале трансиверы форм-фактора SFP в профессиональной среде называли miniGBIC. Основным преимуществом по сравнению с аналогичными модулями GBIC являются его малые размеры и как следствие малая занимаемая площадь на лицевой панели сетевого устройства. Вследствие этого со временем SFP вытеснили GBIC, так как именно на их основе можно было делать активные сетевые устройства с высокой плотностью портов. На данный момент это наиболее компактный форм-фактор, обеспечивающий наибольшую плотность размещения портов на лицевой панели устройства. Благодаря этому качеству форм-фактор SFP получил развитие в виде SFP+ (10G), SFP28 (25G) SFP DD (100G).

Виды модулей SFP модулей

С момента публикации первой версии спецификации INF-8074i в 2001 году появилось множество видов и модификаций трансиверов на базе форм-фактора SFP. Ниже мы рассмотрим основные типы и разновидности:

SFP MSA – наиболее распространённый вид трансиверов. Они изготавливаются в соответствии с соглашениями MSA. Это означает, что они соответствуют всем требованиям спецификации и удовлетворяют требованиям стандарта.

Оптические модули SFP можно разделить по технологии передачи на следующие типы:

Подавляющее большинство используемых сейчас модулей использует двухволоконную схему работы – выделенные порты передатчика и приемника. При этом наибольшую востребованность в Metro-сетях получили CWDM SFP трансиверы, в связи с тем, что при значительно малых первоначальных вложениях при помощи CWDM можно создать достаточно большую и в тоже время отказоустойчивую сеть в рамках города. В то время как, одноволоконные модули прочно заняли позицию в городских сетях на уровне доступа в условиях дефицита волокон и сетях FTTx, одними из самых популярных моделей WDM SFP трансиверов можно назвать одноволоконные модули с дальностью работы 3 км (арт. MT-SFP-G-WDM-03) и дальностью 20 км (арт. MT-SFP-G-WDM-20).

SFP CWDM-BIDI – это одноволоконный трансивер предназначенный для использования в CWDM системах. Приём и передача, в котором осуществляется по одному волокну на одной волне. Такое решение позволяет вдвое увеличить пропускную способность системы CWDM. Эти модули всегда просто отличить, т.к. вместо разъёма Duplex LC-мама из корпуса выходит пигтэйл с коннектором LC/APC. Дело в том, что внутри модуля установлен оптический циркулятор, для его нормальной работы необходима косая полировка – APC, линейного порта.

Большого распространения данный вид модулей не получил, ввиду сложности изготовления и ограниченности сферы применения – максимальный оптический бюджет таких модулей не превышал 24 дБ.

VideoSFP (SDI-SFP) – решение для передачи видео сигналов. Используется в студийном и вещательном оборудовании.

SDI (последовательный цифровой интерфейс) – это стандарт цифрового видеоинтерфейса, разработанный организацией SMPTE. Два основных вида 3G-SDI, 6G-SDI, 12G-SDI отличаются скоростью передачи, соответственно это 3 Гбит/с, 6 Гбит/с и 12 Гбит/с. Модули 3G-SDI разработаны для паттернов SMPTE 259M, SMPTE 344M, SMPTE 292M и SMPTE 424M, они используются в телевещании и реже в видеонаблюдении. Тогда как 6G-SDI поддерживает паттерн SMPTE 2081 и используется для сервисов 4K/HDTV.

Передача видеоизображения для широкого вещания — это однонаправленная связь. Ввиду этой особенности передаваемого трафика, отличают VideoSFP transmitter (передатчик) и VideoSFP receiver (приёмник). Для организации соединения необходима пара разных модулей. Кроме того, модули VideoSFP могут оснащаться двумя приёмниками или двумя передатчиками, в зависимости от задачи.

Зная эти особенности необходимо подбирать VideoSFP очень внимательно. Ввиду специфичной области применения данный вид SFP мало распространён.

SmartSFP – данный вид модулей отличается не стандартной функциональностью. Обычные трансиверы предназначены для приёма и передачи информации, на этом их функционал заканчивается. Название SmartSFP означает, что модуль несёт дополнительный функционал, либо вообще не предназначен для передачи информации, а выполняет специфические функции. Например это может быть, измерение оптических характеристик линии или измерение качественных характеристик канала передачи. Необходимо отметить, что подобные решения достаточно нишевые и узкоспециализированные, но могут стать идеальным решением задачи.

На нашем сайте представлены модули SmartSFP семейства «Network Migration», они позволяют передавать SDH трафик по IP/MPLS сетям. К примеру, можно перенести каналы STM-1/4/16 в сеть пакетной коммутации или агрегировать потоки Е1 в единый STM-1 канал. Преимуществами использования данного семейства модулей, является возможность освободить оптические волокна, активное оборудование и сократить затраты на электроэнергию.

Copper SFP – широко распространённый вид SFP модулей. Отличительной особенностью является оснащение электрическим интерфейсом RJ45, вместо оптического. Благодаря этому к порту коммутатора можно подключить обычную витую пару. «Медные» SFP изготавливаются с использованием двух интерфейсов SGMII (10/100/1000M) и SerDes (1000M). Соответственно при выборе модуля нужно учитывать особенности сетевого оборудования.

CSFP (compactSFP) – необычный вид трансиверов. По сути, это два одноволоконных WDM трансивера в стандартном корпусе SFP. Такой трансивер позволяет организовать два канала по 1G по двум волокнам, используя при этом только один порт в коммутаторе. Разумеется, сам коммутатор должен поддерживать трансиверы такого типа.

Принцип работы SFP модулей

SGMII – данные оптические модули называются в честь интерфейса на котором построены. Они разработаны для согласования портов по скорости. SGMII-SFP позволяют конвертировать порт GigabitEthernet (GE) в порт FastEthernet (FE). Таким образом, к коммутатору порты которого поддерживают только гигабитное подключение можно подключить устройства работающие на меньшей скорости – 100Мбит/с.

xPON – специализированные трансиверы предназначенные для работы в пассивных оптических сетях, с топологией «дерево». Их можно разделить на два вида: OLT (Optical Line Terminal) и ONU (Optical Network Unit). Модули OLT используются в головном оборудовании, до абонентских устройств сигнал передаётся на волне 1490нм (2.5G) и принимается на волне 1310нм (1.25G). Существует несколько классов: B+, C+, C++, которые отличаются оптическим бюджетом.

ONU – трансивер для абонентских устройств, предназначен для установки в пакетные Ethernet коммутаторы и бытовые роутеры оснащенные SFP портом. Для согласованной работы класс ONU должен соответствовать классу OLT. Трансиверы SFP ONU не отличаются большой популярностью, т.к. технология PON рассчитана на массовое применение, в то время как бытовые устройства редко оснащаются SFP портами. В основном ONU это отдельно стоящее устройство, работающее от сети 220В.

Источник

BiDi CWDM системы

Спектральное уплотнение и оборудование CWDM применяется с сетях передачи данных операторов связи различного уровня. С помощью уплотнения CWDM решаются разные задачи, будь то наращивание пропускной способности линии или увеличение количества передаваемых каналов связи. Увеличение пропускной способности достигается за счет передачи нескольких каналов данных со скоростью от 155Мбит/с до 10Гбит/c по одному волокну. Широкий набор скоростей передачи данных обеспечивается за счет наличия оптических трансиверов всех распространенных форм-факторов: CWDM SFP, GBIC, SFP+, XFP, X2 и XENPAK.

В стандартном случае для организации дуплексного канала связи в одном волокне используется две различных длины волны CWDM, при этом мультиплексор обеспечивает передачу до 9 дуплексных каналов CWDM по одному волокну. Протокол передачи данных для каждого канала CWDM выбирается произвольно, ограничение на такой выбор может накладываться только наличием приемо-передающих устройств или оптических трансиверов.

До недавнего времени ограничение в 9 дуплексных каналов в одном волокне не позволяло пассивным CWDM системам конкурировать с подобными системами на базе технологии спектрального уплотнения DWDM, которые позволяли организовать до 20 каналов в одном волокне.

Ситуация временно изменилась с появлением одноволоконных трансиверов CWDM. Например, при использовании одноволоконных модулей BiDi CWDM SFP вместо обычных CWDM SFP в одном волокне можно организовать 18 дуплексных каналов CWDM. Изменение временное, потому что с началом выпуска BiDi DWDM SFP для пассивных систем DWDM, они вернут свое двукратное преимущество в количестве каналов передачи данных. Хотя, с учетом всех факторов, целесообразность выпуска BiDi DWDM SFPвесьма низкая.

Специфика BiDi CWDM SFP заключается в том, что оптический трансивер принимает и передает данные на одной длине волны излучения. Такую возможность обеспечила интеграция в трансивер блока поляризационного уплотнения. По сути, это решение аналогично схеме с применением двухволоконных трансиверов и оптических циркуляторов для передачи данных по одному волокну. Фильтры CWDM мультиплексора нечувствительны к поляризации сигнала, что на практике подтверждено в решениях CWDM+TV, в которых циркуляторы ипользовались для задействования обратных симплексных каналов 1310 и 1550 нм.

Использование поляризационного уплотнения в модуле BiDi CWDM SFP накладывает ограничения на уровень обратного отражения в линии. Влияние обратного отражения на работу оптического циркулятора было ранее описано в статье «Оптический циркулятор». Для снижения уровня RL в линии BiDi CWDM необходимо использовать угловую полировку коннекторов APC. В стандартных отптических трансиверах полировка APC для феррул не применяется, поэтому в BiDi CWDM SFP используется BOSA с пигтейлом, соответственно и сам модуль BiDi CWDM SFP имеет вынесенный коннектор в виде пигтейла с оконцовкой LC/APC.

Решения на основе BiDi CWDM имеют вдвое больший потенциал, однако на начальном этапе стоимость таких решений выше, чем у систем CWDM, организованных по стандартной схеме.

Источник

Обзор модулей WDM BIDI

Sheldon

Двунаправленная технология относится к режиму связи, который может обрабатывать данные в двух направлениях (отправка и получение) через оптические волокна. В отличие от традиционных модулей, которые используют два волокна для передачи данных (одно для отправки, и одно для приема), технология WDM BIDI позволяет модулям передавать и получать данные в/из взаимосвязанных сетевых устройств (таких как сетевые коммутаторы или маршрутизаторы) через одно волокно (как показано на рисунке 1), которая позволяет пользователям упростить свою кабельную систему, увеличить пропускную способность сети и сократить расходы. Благодаря этим преимуществам оптоволоконные модули WDM BIDI представляют интерес для применений 5G..

Типы и применения модулей WDM BIDI

На рынке модуль WDM BIDI имеют два различных дизайна интерфейса: одноволоконные и двухволоконные типы.

Одноволоконный модуль WDM BIDI

Как правило, большинство модулей WDM BIDI имеют один порт и используют LC simplex одномодовое волокно для передачи данных, например модули 1G SFP WDM BIDI, 10G SFP+ WDM BIDI, 25G SFP28 WDM BIDI и 50G QSFP28 (смотрите таблицу данных WDM BIDI, чтобы узнать больше).

В настоящее время эти одноволоконные модули WDM BIDI обычно используются в таких приложениях, как сети ISP, FTTX или линии связи ЦОД, которые требуют модуль 1/10/25/50 Гбит/с. Они могут быть установлены на коммутаторах, медиаконвертерах, конвертерах OEO для обеспечения высокой скорости и стабильности систем оптической передачи. В качестве примера возьмём FS SFP+ WDM BIDI модули, чтобы продемонстрировать применение трансиверов BiDi.

Сценарий 1: Пара модулей 10G WDM BIDI соединена через одиночый LC simplex оптический патч-корд для создания прямого соединения 10G двух коммутаторов 10G.

Модули SFP+ WDM BIDI работают на сетевых коммутаторах.

Сценарий 2: пара модулей SFP+ WDM BIDI подключается к двум оптоволоконным медиаконвертерам через SMF, а затем кабель Ethernet используется для подключения медиаконвертера и коммутатора. Таким образом, передача Ethernet в оптоволокно осуществляется.

SFP+ модуль WDM BIDI был развернут в медиаконвертере.

Сценарий 3: SFP+ WDM BIDI может использоваться для преобразования двух волокон в одно волокно с OEO конвертером. Соединения показаны на рисунке 4.

SFP+ модули WDM BIDI используются с конвертерами OEO.

Кроме того, сети 5G приветствуют модуль WDM BIDI 25/50G, поскольку они могут экономить оптоволоконные ресурсы и поддерживать высокую пропускную способность, сверхнизкую латентность и высокую надежность при передаче данных.

Двухволоконый модуль WDM BIDI

Модуль 40G QSFP+ WDM BIDI использует дуплексный интерфейс LC. Как показано на рисунке 5, они поддерживают два канала 20 Гбит/с, и каждый канал одновременно передает и принимает на двух длинах волн (850 нм и 900 нм) по дуплексному многомодовому волокну LC. Эта передача 40G достигнет расстояния 100 м на OM3 и 150 м на оптоволокне OM4.

Принцип работы QSFP WDM BIDI

Внимание, что модули WDM BIDI должны работать в парах. Это означает, что длины волн TX и RX взаимосвязанных модулей WDM BIDI должны совпадать. Например, модуль SFP+ WDM BIDI с 1310 нм TX и 1490 нм RX может использовать только с модулей SFP+ WDM BIDI с 1490 нм TX и 1310 нм RX.

Модуль WDM BIDI будет процветать в применении 5G

В области 5G передача front/mid/back-haul требует передачи данных с высокой скоростью, низкой латентностью и высокой надежностью для поддержки таких услуг, как телемедицина, автономное вождение и так далее. С учетом экономии ресурсов волокна и затрат, модули 25/50G WDM BIDI являются подходящим выбором для доставки данных на физическом уровне связи 5G.

При передаче 5G front-haul каждый AAU (Active Antenna Unit) и DU (Distribute Unit) достигается посредством оптического соединения точки-точки, которое требует большого количества волокон. Кроме того, 5G требует как минимум 10x улучшения скорости загрузки по сравнению с 4G, это означает, что необходима более высокая скорость передачи. Согласно двум аспектам, модули 25G WDM BIDI являются привлекательными решениями.

В 5G midhaul and backhaul передачах, высокоскоростные модули WDM BIDI 50G с модулей PAM4 хорошо подготовятся к скорости 100/200G, применяемой на уровнях конвергенции и ядра, чтобы удовлетворить требования нагрузки 5G bearer для большой емкости и нарезки сети.

Заключение

Модуль WDM BIDI является идеальным и выполнимым решением, которое может помочь конечным пользователям упростить подключение к сети и увеличить пропускную способность сети. Кроме того, 25/50G модуль WDM BIDI полностью подготовлен для обеспечения более высокой скорости и более надежной передачи данных в сети 5G.

Источник

Основные параметры и сертификация оптических SFP модулей

Знание некоторых принципов легко возмещает незнание некоторых фактов.
Гельвеций

Оптические трансиверы

В настоящее время применение оптических технологий при построении телекоммуникационных сетей стало практически повсеместным. Каждый, кто имел дело с оптическим коммутационным или передающим оборудованием, сталкивался с работой оптических приемо-передающих устройств – трансиверов (англ. transceiver = transmitter + receiver).

Трансиверы предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические для последующей передачи по волоконно-оптической линии и последующего оптоэлектронного преобразования на приеме. На начальном этапе развития волоконной оптики приемо-передатчики монтировались на печатных платах активного оборудования. Впоследствии с ростом номенклатуры таких устройств (коммутаторов, маршрутизаторов, мультиплексоров, медиаконверторов) появилась необходимость разделения частей, отвечающих за обработку информации и за ее передачу (по сути — сопряжение с оптической линией).

В последние 10-15 лет оптические трансиверы представляют собой компактные сменные модули, рассчитанные на различные параметры линий передачи и устанавливаемые в стандартизированные электрические порты активного оборудования. Это позволяет оптимизировать затраты при проектировании, и особенно — реконструкции оптических сетей. Например, возможно увеличение скорости, дальности передачи, увеличение объема передаваемой информации за счет применения систем спектрального мультиплексирования (WDM, CWDM, DWDM). Или, допустим, использовать в одном коммутаторе различные типы трансиверов для разноудаленных абонентов.

Сейчас наиболее популярным стандартом сменных оптических трансиверов стали SFP модули (англ. Small Form-factor Pluggable). Они представляют собой малогабаритные конструкции в металлическом корпусе (для механической защиты и электромагнитного экранирования) с выводами для подключения к слотам активного оборудования. Также в модуле имеется два оптических порта: излучателя (Tx) и фотоприемника (Rx) для работы в двухволоконном режиме. В одноволоконных SFP есть только один оптический порт, а направление передачи и приема разделяется внутри модуля с помощью встроенного WDM-мультиплексора (BOSA, Bidirectional Optical Sub-Assemblies). В таком случае трансиверы работают в паре на двух длинах волн.

На плате модуля кроме, собственно, излучателя и фотодетектора находятся схемы обеспечения тока накачки излучателя, преобразования в линейный код, смещения на фотодетекторе, термостабилизации и т. д.

Рис.1. Структурная схема сменного оптического трансивера

Геометрические размеры, механические параметры, электропитание, параметры электрических интерфейсов и другие данные модулей прописаны в спецификации MSA SFF-8704i.

Что касается параметров оптического интерфейса, то они в достаточно обобщенном виде описаны в стандартах по сетям Ethernet: 802.3u (100BASE-X), 802.3ae (1000BASE-X), 802.3ae (10GBASE-X) и другие.

Таб.1. Стандарты оптических интерфейсов Ethernet

* Интерфейс не стандартизирован, но активно применяется на рынке.
** По некоторым источникам — до 100 км

Стандарт SFP предусматривает передачу информации со скоростью 1Гбит/с с возможностью передачи 100 Мбит/с либо только 100 Мбит/с. Для передачи более высокоскоростных потоков в дальнейшем были разработаны SFP+ (10 Гбит/с), XFP (10 Гбит/с), QSFP+ (40 Гбит/с), CFP (100 Гбит/с). Однако при более высоких скоростях производится обработка сигналов на более высоких частотах. Это требует большего теплоотвода и, соответственно, больших габаритов. Поэтому, собственно, форм-фактор SFP сохранился еще только в модулях SFP+.

В данной статье мы будем говорить только о параметрах наиболее популярных сейчас модулей SFP, SFP+ и XFP, так как модели трансиверов на скорости более 10 Гбит/с — это отдельный и достаточно интересный вопрос.

Здесь же мы, не претендуя на полноту материала и не приводя математических выкладок, рассмотрим, в первую очередь, систему параметров оптических интерфейсов приемо-передающих модулей. Понимание сути параметров позволит правильно спроектировать сегменты оптических сетей: выбрать оптимальные параметры излучателя и фотоприемника при минимальных затратах.

Параметры оптического излучателя

Тип излучателя (Transmitter type).
Как правило, в качестве излучателей используются лазерные диоды, тип которых зависит от типа волокна, а также требуемой мощности и узкополосности. Лазеры Фабри-Перо (FP) отличаются средней мощностью, широким спектром излучения и относительно невысокой стоимостью (Рис. 2). Они используются с одномодовыми (на длине волны 1310 нм, реже – 1550 нм) и многомодовыми волокнами (на длинах волн 850 нм и 1300 нм) при длинах линий от нескольких сотен метров до нескольких километров и скоростях передачи 100 Мбит/с и 1 Гбит/с. Вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) были разработаны для локальных оптических сетей. Они отличаются невысокой стоимостью, узким спектром и работают, как правило, с многомодовыми волокнами на длине волны 850 нм при передаче потоков 1 Гбит/с и 10 Гбит/с на расстояния в несколько сот метров. Динамические одномодовые лазеры с распределенной обратной связью (DFB) отличаются узким спектром при средней и большой мощности. Технология производства с подавлением боковых мод излучения определяет стоимость большую, чем у двух предыдущих типов лазеров. Предназначены они для работы с одномодовыми волокнами на длинах волн 1310 нм и 1550 нм, при передаче информации со скоростью 1 Гбит/с, 10 Гбит/с и более на расстояния в десятки километров (с усилителями – несколько сот километров). Такие излучатели используются и в CWDM системах. Самые сложные и дорогостоящие лазеры с внешним резонатором (EML) отличаются исключительно узким спектром. Это принципиально важно при передаче высокоскоростных потоков (10 Гбит/с, 40 Гбит/с, 100 Гбит/с) на большие расстояния, особенно на длине волны 1550 нм, где в волокнах достаточно большая хроматическая дисперсия. Узкополосные лазеры EML используются также в системах спектрального мультиплексирования CWDM и DWDM. Следует отметить, что далеко не всегда производители указывают в спецификациях тип излучателя.

Тип волокна (Fiber type).
Для передачи оптических сигналов, как правило, используют два основных типа волокон: многомодовое (ММ) и одномодовое (SМ). Соответственно излучатель и фотодетектор оптического трансивера должны быть предназначены для работы с одним из этих двух типов волокон. Обычно это отражается в их маркировке и технической спецификации. Особенности типов волокон (например, ОМ3, ОМ4 – для многомодовых или DS, NZFSF, BIF – для одномодовых) учитываться не должны. Другое дело что коэффициент затухания, коэффициент хроматической дисперсии, коэффициент широкополосности (только для ММ) и прочие параметры применяемых типов волокон должны обязательно учитываться при расчете бюджета мощности, суммарной дисперсии, длины линии и т.д.

Количество оптических портов.
В двухолоконных оптических трансиверах используется два порта: оптический излучатель (Tx, Transmitter) и фотоприемник (Rx, Receiver). Такие модули используют для передачи в двух разных направлениях два волокна и одну рабочую длину волны. В последнее время значительно чаще применяются одноволоконные трансиверы с одним оптическим портом. Они работают, что называется «в паре»: передача в двух разных направлениях по одному волокну идет на двух рабочих длинах волн. Сигналы передачи и приема разделяются внутри модуля с помощью встроенного WDM-мультиплексора.

Тип оптического разъема (Connector type).
Для подключения к оптической линии могут использоваться самые разнообразные типы разъемов. Сейчас в сетях Ethernet наиболее популярны малогабаритные разъемы типа LC (в двухолоконных и одноволоконных модулях), а также SC (только в одноволоконных модулях).

Коэффициент подавления боковых мод (Side Mode Suppression Ratio, SMSR).
Этот параметр относится только к лазерам DFB и EML. Он показывает, на сколько дБ амплитуда первой боковой моды (лепестка) меньше амплитуды центральной продольной моды (см.рисунок [Спектры излучателей]). Таким образом, дается численная характеристика качества избирательности резонатора излучателя. Обычно минимальное значение SMSR нормируется на уровне 30 дБ.

Рис.2 Типичные спектры лазерных излучателей различных типов

Центральная длина волны (Transmitter Central Wavelength).
Это — длина волны, на которой передается наибольшая мощность излучения. Для лазеров типа DFB и EML она практически совпадает с пиковой длиной волны. Обычно для передачи сигналов используются длины волн локальных минимумов затухания («окон прозрачности») в оптических волокнах: 850 нм или 1310 нм – для многомодовых волокон; 1310 нм или 1550 нм – для одномодовых. Для оптических трансиверов CWDM, DWDM длина волны соответствует сетке частот, указанных в Рекомендациях ITU-T G.694.2 и G.694.1 соответственно (см. таблицу 2).

Таб. 2. Длины волн оптических трансиверов CWDM

Максимальная и минимальная мощность излучателя (Max./Min Average output power, Mean launched power).
Средний уровень мощности на выходе излучателя, т.е. мощности, вводимой в волокно. Средний — имеется в виду не уровень пиковый. Как правило, в спецификациях дается два значения: максимальный и минимальный. Технология производства оптических излучателей (TOSA, Transmitter Optical Sub-Assemblies) подразумевает некоторый разброс параметров. Реальная выходная мощность будет находиться в пределах между максимальным и минимальным значением. Но при расчете бюджета мощности в линии следует учитывать именно минимальное значение средней мощности.

Рис.3. Уровни мощности оптических сигналов при передаче их по линии

Глаз-диаграмма (Eye pattern).
Является графическим представлением цифрового сигнала, позволяющим оценить качество передачи. Она представляет собой результат наложения всех импульсов реальной последовательности на тактовом интервале. Перекрытие импульсов «1» и «0» и образует, собственно, «глаз» (Рис. 4). Его вертикальный раскрыв определяется уровнями единичным и нулевым, а горизонтальная растянутость – временем нарастания (Rise Time) и спада (Fall Time) импульсов. Поскольку форма выходных сигналов носит вероятностный характер, результирующий глаз всегда несколько «размыт». Для нормирования глаз-диаграммы предусматривается специальный шаблон (Eye pattern mask), в который должны вписываться все вариации.

Международными стандартами (ITU-T G.957, IEEE 802.3) прописаны формализованные параметры типа X и Y, определяющие границы элементов шаблона. Принципиально важно сохранение правильной формы сигнала на приемной стороне. Однако, наличие помех при передаче сигналов по линии приводит к сокращению области раскрыва глаза. Искажения по амплитуде определяется результирующими искажениями вследствие межсимвольных переходов, наложения мощности переотраженных импульсов, неидеальности характеристик усилителей и т.п. Уменьшения раскрыва возникают из-за дисперсионных искажений, дрожания фазы (джиттера) и других факторов, влияющих на искажение фронтов импульсов. Амплитудные и временные искажения могут также привести к тому, что на приемном устройстве будет неоптимально выбран момент и уровень принятия решения о соответствии «1» или «0». Численно глаз-диаграмма характеризуется параметрами OMA и ER, которые рассматриваются далее.

Рис.4. Глаз-диаграмма выходного оптического сигнала

Амплитуда оптического модулированного сигнала (Optical Modulation Amplitude, OMA) и Коэффициент гашения импульса (Extinction Ratio, ER).
Оба этих параметра характеризуют величину раскрытия «глаза» в глаз-диаграмме. Разница в том, что OMA характеризует разность уровней оптической мощности «1» и «0» в привязке к их абсолютным значениям (в дБ или мВт), а ER характеризует отношение этих уровней друг к другу (как безразмерная величина или в дБ). После прохождения сигналом оптической линии передачи амплитуда сигнала уменьшается, уменьшается и OMA. А поскольку уменьшаются уровни соотношения и «1» и «0», то их соотношение ER практически не меняется. Эти параметры важны для оценки коэффициента ошибок на приеме. С их помощью рассчитывается такая характеристика, как ухудшение качества сигнала на приеме вследствие уменьшения мощности импульса (Power Penalty). Реальные минимальные значения ER обычно составляют 8,2…10 дБ для трансиверов 100 Мбит/с и 1 Гбит/с.

Для больших скоростей и небольших расстояний специфицируются меньшие значения – 3,5…5,5 дБ. Несмотря на то, что большее значение ER предполагает лучшие условия распознавания сигналов на приеме, обеспечить на выходе передатчика большую разность уровней «1» и «0» бывает довольно сложно технически. Более высокий верхний уровень ограничен температурным режимом источника излучения. А понижение уровня «0» усложнит его распознавание на приеме.

Рис.5. Уровни мощности и амплитуда выходного оптического сигнала

Общее выходное дрожание фазы (Total Jitter).
Дрожание фазы (джиттер) оптического передатчика проявляется в смещении импульса на тактовом интервале или смещении фронтов импульса. Как правило, причина джиттера в неидеальности задающего генератора и систем фазовой автоподстройки частоты. Впоследствии, на приеме, это может привести к смещению момента времени, в который происходит принятие решения об уровне сигнала. Такая рассинхронизация особенно неприятна для сетей и систем, работающих в синхронном режиме. Сети Ethernet менее чувствительны к дрожанию фазы на передаче. Общий джиттер нормируется либо в единицах времени (пс), либо как часть тактового интервала (UI), на котором произошло смещение пика относительно другого пика (p-p). Типичным требованием является 0,24 UI или 0,35UI для Gigabit Ethernet и 0,21 UI для 10G Ethernet. Некоторые производители еще отдельно специфицируют дрожание фазы, вызванное содержанием данных (Data Dependent Jitter, DDJ) и собственный джиттер, не связанный с передачей сигналов (Uncorrelated Jitter, UJ), но эти уточнения не столь существенны.

Рис.6. Джиттер передаваемого сигнала

Минимальная относительная плотность мощности шума (Relative Intensity Noise, RIN).
Параметр, характеризующий собственные шумы излучателя в заданной полосе частот. Они возникают в результате спонтанного излучения источника и зависят от температурного режима, соотношения тока смещения и порогового тока. Мощность шумов уменьшается пропорционально квадрату средней мощности излучения. Приемлемым значением является – 120…130 дБ/Гц. Чем больше дальность и скорость передачи, тем меньшую плотность шума (т.е. большее абсолютное значение со знаком минус) желательно иметь. Для справки можно добавить, что излучатели для передачи аналоговых сигналов (например, в сетях кабельного телевидения) имеют на 20 — 30 дБ ниже.

Динамический диапазон (Attenuation range, AR, Optical link loss).
Показывет в дБ, какие потери мощности сигнала можно допустить без потери качества передаваемой информации, т.е. без увеличения коэффициента ошибок выше заданного. Динамический диапазон не всегда указывается в спецификациях производителей, но легко высчитывается как разность между минимально допустимой мощностью оптического излучателя и чувствительностью фотодетектора. Для небольших скоростей передачи и/или небольшой дисперсии в линии именно динамический диапазон трансиверов является ключевым параметром, определяющим максимальную дальность передачи или длину регенерационного/усилительного участка. Например, для трансиверов, работающих на длине волны 1550 нм, AR составляет

14 дБ для линии 40 км,

23…24 дБ – для 80 км,

28…29 дБ – для 100 км,

32…34 дБ – для 120 км. Вообще выбрать примерный динамический диапазон трансивера можно самостоятельно, умножив средние потери в линии с учетом сварок (

0,25 дБ/км для λ = 1550 нм и

0,38 дБ/км для λ = 1310 нм) на длину линии и добавив в качестве эксплуатационного запаса 2-3 дБ.

Допустимая дисперсия (Dispersion Tolerance, DT).
Показывает максимальное значение дисперсии, которое допускается на линии передачи (или регенерационном участке), без существенного ухудшения качества информации. Ухудшение происходит вследствие межсимвольной интерференции (частичном наложении импульсов соседних тактовых интервалов) при передачи цифровой последовательности сигналов. Это может привести как к переходным влияниям между каналами, так и к шумам синхронизации на приеме. Допустимая дисперсия специфицируется для передачи по одномодовым волокнам. В принципе, в качестве допустимой должна учитываться среднеквадратическая сумма хроматической и поляризационной дисперсии. Но на практике при скоростях до 10 Гбит/с и длинах линий до 100 км существенна только первая составляющая. Во-первых, она значительно больше, особенно в диапазоне длин волны 1550 нм. А во-вторых, суммарная хроматическая дисперсия растет пропорционально длине линии, а поляризационная – пропорционально квадратному корню из длины. Допустимая дисперсия указывается в пс/нм. Если специфицированное значение разделить на коэффициент хроматической дисперсии волокна в пс/(нм•км), то можно примерно определить допустимую длину линии передачи, ограниченную дисперсионными искажениями. Этот параметр не всегда указывается в спецификациях производителя, чаще — для одноволновых трансиверов, работающих в диапазоне 1550 нм или трансиверов CWDM в диапазоне 1470 – 1610 нм. Обычные значения DT составляют 800 пс/нм (для линий до 80 км), 1600 пс/нм – до 80 км, 2400 пс/нм – до 120 км. Для меньших расстояний дисперсия обычно не нормируется.

Ухудшение качества передачи за счет дисперсии (Dispersion Penalty, DP).
Этот параметр характеризует ухудшение соотношения сигнал/шум на приеме вследствие влияния дисперсии на проходящий сигнал. Влияние заключается в уменьшении амплитуды сигнала и растягивании фронтов на соседние тактовые интервалы. Соответственно, ухудшение будет больше, чем больше общая дисперсия в линии и меньше интервал. Численно DP определяется логарифмом величины обратно пропорциональной произведению коэффициента хроматической дисперсии, ширины спектральной линии источника, длины линии и линейной скорости передачи информации в квадрате.

Обычно значение DP специфицируется для высокоскоростных интерфейсов, рассчитанных на длинные линии передачи. Приемлемое значение параметра находится в пределах до 4 дБ. В противном случае нужно делать более точный расчет проекта по результирующим шумам и предпринимать какие-то технические меры. Например, использование оптической или электронной компенсации хроматической дисперсии.

Рис. 7. Зависимость ухудшения качества передачи за счет дисперсии от длины линии при различной скорости передачи и ширине спектральной линии излучателя.

Сертификация оптических трансиверов

Сначала несколько слов о принципах проведения сертификации. Весьма распространено мнение, что сертификация – это контроль качества продукции. На самом деле, сертификация это процедура подтверждения определенных параметров изделия, требованиям определенных стандартов. Не больше и не меньше.
Сам сертификат содержит перечень стандартов, соответствие которым было подтверждено испытаниями, документами, расчетами. С другой стороны, если, например, в некоторой цепочке А-В-С у вас есть сертификат как доказательство соответствия элемента «В» соответствующим ему стандартам, то можно быть уверенным, что если используются стандартизированные стыки «А-В» и «В-А», то вся цепочка будет работать. А это уже немаловажно, например, для сферы телекоммуникаций, где обычно используются многокомпонентные сети и системы.

Еще одно важное полезное качество сертификации – это проведение лабораторных испытаний в аккредитованной независимой лаборатории. Даже при очень высоком уровне производства и вашем полном доверии к производителю всегда полезно провести испытания «на стороне». Особенно если это действительно испытания, а не отписка. Во-первых, даже «самые брендовые бренды» были не раз замечены в несоответствии стандартам, хотя и не так часто, как «кустари» различных мастей. А во-вторых, поведение испытаний часто позволяет не только реально измерить значения параметров, но и проанализировать их запас (margin) по отношению к пределам (limit), предусмотренных стандартами. По этому запасу, отчасти, можно судить о надежности устройства или системы.

В этом и заключалась наша цель. Провести реальные испытания хорошими поверенными приборами, получить результаты по основным параметрам передачи оптических трансиверов FoxGate и получить сертификат соответствия для предоставления его нашим заказчикам.

Конечно, SFP-модули не относятся к перечню обязательной сертификации, так как не являются бытовыми устройствами или устройствами с повышенной опасностью функционирования. Поэтому проводилась добровольная сертификация. Однако, для получения сертификата УкрСЕПРО с подтверждением возможности использования оборудования на сетях общего пользования Украины нам необходимо было выполнить два условия. Во-первых, используемые стандарты должны были соответствовать «Перечню стандартов и норм, которым должны соответствовать технические средства проводной электросвязи, которые предназначены для использования в телекоммуникационной сети общего пользования Украины». И, во-вторых, Орган по сертификации и испытательная лаборатория должны быть аккредитованы при Администрации связи Украины. Мы выбрали испытательную лаборатории «Энергосвязь» (нач. – Колченко А.В.), зная ее хорошую оснащенность средствами измерения для сетей SDH и Ethernet, а также высокий профессионализм сотрудников, большинство из которых занимаются волоконной оптикой более 10-15 лет.

Выбор измеряемых параметров

Вполне естественно, что в процессе сертификационных испытаний проверяются не все параметры, указанные в технических спецификациях производителей или в стандартах. Часть параметров измерять достаточно сложно. И для этого требуется специализированное и дорогостоящее оборудование. Причем, чем выше полоса частоты (или скорость передачи) — тем более дорогое оборудование требуется. А затраты на проведение аттестации и поверки, да еще и немалые средства на постоянное подтверждение аккредитации, не способствуют хорошей оснащенности наших лабораторий современными средствами измерений.

Иногда же оптическое измерительное оборудование приемлемой точности достаточно габаритное и громоздкое. Скорее оно пригодно для заводских условий, где есть место для его установки и целесообразность его использования для контроля на потоке.

Рис. 8. Оптические трансиверы FoxGate

Результаты измерений энергетических параметров оптического интерфейса

* Средняя выходная мощность излучения определялась на рабочих длинах волн с помощью оптического измерителя мощности ОТ-2-5.

Рис. 9. Измерение выходной оптической мощности трансиверов

Результат находился в пределах диапазона между специфицированным максимальным и минимальным значением. В среднем измеренная мощность превышала минимальную на 3…5 дБ. Минимальный запас – 2,3 дБ.

* Очень интересно было проконтролировать стабильность уровня излучения оптического передатчика во времени. В результате можно отметить, что при включении излучатель входит в режим за несколько минут. После этого средняя выходная мощность может изменяться не более чем на 0,01 дБ в течение 10 минут (дольше не ждали). Интересно, что наиболее быстро входили в режим излучатели XFP и все три линейки источников CWDM (особенно SFP), которым хватало и полминуты.

* Чувствительность фотоприемника измерялась с помощью оптического измерителя мощности ОТ-2-5 и переменного аттенюатора PHOTOM-7081ZA.

Рис. 10. Измерение чувствительности оптического приемника

* Потери на отражение на фотодетекторе определялись с помощью прибора ИВПо (см. рис. 11). В процессе испытания от внутреннего калиброванного источника немодулированный сигнал подавался на фотодетектор. Отраженный сигнал возвращается на тот же порт, и через внутренний ответвитель попадает на регистрирующий фотодетектор. Результаты оказались в пределах специфицированных значений: около 14 дБ для модулей с открытыми фотодетекторами и 34…37 дБ для детекторов с ферулой.

Рис. 11. Измерение затухания отражения оптического приемника

* Анализ глаз-диаграммы проводился с помощью анализатора телекоммуникационных сигналов Tektronix CSA803C. Это достаточно сложное само по себе измерение, поскольку нужен специализированный анализатор (осциллограф) с огромной широкополосностью – до нескольких ГГц и нескольких десятков ГГц в зависимости от скорости передаваемого потока данных. Кроме того, важно этот сигнал засинхронизировать и максимально снизить влияние высокочастотных помех и наводок. С учетом аппаратных возможностей лаборатории анализ проводился только для модулей на 1 Гбит/с. Как и ожидалось, глаз-диаграммы на выходе излучателей вполне укладывались в маску.

Рис.12. Измерение глаз-диаграммы на выходе оптического передатчика

* Уровень перегрузки фотоприемника большинства образцов не измеряли, дабы не сжечь модуль. В тех случаях, когда уровень перегрузки был выше максимального выходного уровня излучателя, мы убедились в работоспособности трансивера при соединении напрямую «с выхода на вход».

Результаты измерений спектральных параметров

Сертификационные лаборатории крайне редко оснащены средствами измерения, позволяющими просмотреть спектральные характеристики компонентов в оптическом диапазоне. Даже не новые приборы, достаточно дорогостоящие. А если прибавить к этому проблемы с их метрологической аттестацией, затраты на аттестацию и периодические поверки, то становится понятным почему никто особо не стремится такие приборы иметь на балансе.
Картинки спектров всех типов оптических модулей, а также их спектральные параметры в испытательной лаборатории «Энергосвязь» получали с помощью сетевого анализатора Acterna ONT-50 в диапазонах 1310 нм и 1550 нм, а также Yokogawa AQ6370 в диапазоне 850 нм.

* Общий вид полученных спектров соответствует теоретическим (описанным выше) для излучателей типов FP, VCSEL, DFB, EML.

Рис. 13. Результаты измерений спектров оптических излучателей

* Порадовали результаты измерения ширины спектральной линии источников излучения. Для FP лазеров среднеквадратичная ширина спектра (RMS) составила 1,5…1,7 нм при специфицированных 3,5…4 нм. Кроме того, спектроанализатор автоматически высчитывает полную по половине максимума ширину спектра (FWHM), которая для Гауссова распределения определяется как 2,35 ширины спектра RMS. Лазеры DFB показали значения 0,12…0,45 нм при норме 1 нм. А самый узкий спектр ожидаемо оказался у лазеров с внешним модулятором (EML) – 0,02…0,08 нм. Это позволяет обеспечивать большую дальность передачи даже на скорости 10 Гбит/с не опасаясь влияния хроматической дисперсии.

Рис.14. Измерение спектров на выходе оптических передатчиков

* Стабильность центральной длины волны (во времени) – не нормируемый параметр. Однако он, как и стабильность выходной мощности, в какой-то степени характеризует качество передающей части модуля. Дрейф центральной длины волны прекращался примерно в течение 20…30 секунд. Для CWDM трансиверов стабилизация происходила за 3…5 секунд.

Источник