sfp трансиверы что это
Обзор оптических трансиверов. Какие и для чего.
Часто у системных администраторов, не сталкивавшихся раньше с оптическим волокном, возникают вопросы, как и какое оборудование необходимо для организации соединения. Почитав информацию об оптоволоконных сетях, становится понятно, что для преобразования электрического сигнала сетевого устройства в оптический сигнал, нужен оптический трансивер. В этой статье мы приведём основные характеристики оптических модулей для приема/передачи информации, основные моменты, связанные с их использованием. Картинка представленная ниже, демонстрирует внешний вид различных оптических модулей.
Различные трансиверы
Что и зачем
Коммутатор с оптическими портами и инсталлированными в них оптическими модулями
Виды оптических модулей
У тех кто еще не встречался с оптическими модулями возникают вопросы, какой же оптический приемопередатчик нужен в конкретной ситуации. Рынок предлагает огромное количество модулей с разными характеристиками. Попробуем прояснить какие модули необходимы для той или иной ситуации, при построении оптоволоконной сети. Оптические модули различаются:
Различные формфакторы
GigaBit Interface Converter, активно использовался в 2000-х. Самый первый промышленно стандартизованный формат модулей. Применялся при передачи через многомодовые волокна. В настоящее время практически не применяется по причине своих габаритов.
GBIC трансиверы
Small Form-factor Pluggable, наследник GBIC. Практически самый распространенный в настоящее время формат модулей благодаря своим размерам. Эти модули, благодаря своим небольшим габаритам, позволили значительно увеличить плотность портов на сетевом оборудовании. Например, стало возможно размещать 52 порта на одном коммутаторе. Возможная скорость передачи данных 100 и 1000 Mbits
SFP трансиверы
Enhanced Small Form-factor Pluggable. Размер сопоставим с модулями SFP. Одинаковый размер позволил создавать оборудование поддерживающее оптические модули SFP и SFP+. Такие порты могут работать в режимах 1000Base/10Gbase. Лишь дальнобойные CWDM-модули имеют большую длину из-за радиатора. Однако такие модули могут работать только на расстоянии не более 80 км, иначе наблюдается сильный перегрев. На картинке снизу модуль SFP+
SFP+ трансиверы
10 Gigabit Small Form Factor Pluggable. Также, как модули SFP+, используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits, но размер немного шире. Увеличенный размер позволил этим модулям работать на большее расстояние по сравнению со стандартным SFP.
XFP трансиверы
XENPAK
Модули, используемые преимущественно в оборудовании Cisco. Они способны работать на скорости 10 Gbits, но в нынешнее время практически не применяются и встречаются только в старых линейках маршрутизаторов. Также такие модули бывают для подключения медного провода 10GBase-CX4.
XENPAK трансиверы
Дальнейшее развитие модулей формата XENPAK. Часто в разъемы X2 можно установить модуль Twingig, в который уже можно установить два модуля SFP. Такой способ применяется в случае если оборудование не обладает портами 1GE. В продаже существуют адаптеры X2-SFP+ (XENPACK-TO-SFP+). Интересно, что такой комплект (адаптер+SFP+ модуль) выходит дешевле одного X2 модуля.
X2 трансиверы
Такие форм-факторы как QSFP, QSFP+, CFP не были затронуты в этой статье по причине их невысокой распространенности на данный момент.
Различные стандарты
Как известно, комитетом 802.3 принято множество разных стандартов Ethernet.
В основном сейчас распространены следующие типы:
Существуют модули и под другие стандарты, в том числе и 40GE и 100GE. Обычно, производитель указывает на модели модуля информацию по какому стандарту он будет работать. Но важно еще посмотреть, поддерживает ли оборудование тот порт который указан в характеристиках оптического модуля. Например, 100BASE-LX не заведется в порту коммутатора, поддерживающего только 1000BASE-LX.
С использованием спектрального уплотнения
Модули про которые было рассказано выше, передают сигнал в основном на длине волны 1310 нм или 1550 нм на двух волокнах (одно для передачи, другое для приема). Они имеют широкополосный фотоприемник (принимают все) и лазер, излучающий на определенной длине волны. Но имеется возможность использовать уплотнение по длине волны. Это дает возможность использовать меньшее количество волокон для организации нескольких каналов тем самым увеличивая пропускную способность одного волокна.
Такие модули работают в паре, с одной стороны сигнал передается на длине волны 1310 нм, с другой 1550 нм. Это позволяет вместо двух волокон для организации одного канала использовать одно. Приемник на таких модулях так и остается широкополосным. Бывают как для 1GE, так и для 10GE. Снизу фотографии пары WDM-модулей с различными разъемами для подключения патчкордов LC и SC.
WDM модули
Зачастую предпочтительнее использовать WDM-модули для малых расстояний. Их цена не очень большая. Причина — вы экономите целое волокно, на нем можно будет потом еще один такой же канал прогнать. Хотя конечно есть и другие способы экономии волокон.
Дальнейшее продолжение технологии WDM. Возможно добиться 8 дуплексных каналов по одному волокну. Для этих целей используются CWDM-мультиплексоры (пассивные устройства с призмой внутри, дающая возможность делить сигнал по цветам с шагом 20нм в диапазоне от 1270нм до 1610нм). Для таких целей используют специальные CWDM-модули, обычно различающиеся по цветам дужек и передающие сигнал на определенной длине волны. В то же время приемник на них широкополосный. Одним из преимуществ таких модулей является большое расстояние для передачи данных (до 160 км). На рисунке ниже представлен малый комплект CWDM-SFP, на котором с использованием мультиплексоров можно поднять 2GE на одном волокне.
Как можно заметить, дужки у всех разные. В зависимости от длины волны модуль имеет свою раскраску. К сожалению разные производители по разному окрашивают модули.
CWDM модули
Разъемы
Это место на модуле для подключения вашего патчкорда. На оптических модулях сейчас используются преимущественно два типа разъемов — SC и LC. Выглядят как квадраты и бывают большими и поменьше. Из этого следует, что на практике вы не сможете вставить патчкорд с разъемом SC в модуль с разъемом LC. В этом случае нужно будет менять патчкорд либо ставить переходник-адаптер. В большинстве случаев SFP-модули имеют разъем LC, в то время как X2/XENPAK — SC. Выше на изображениях уже были модули с различными разъемами.
Патчкорды для разъёмов трансиверов
Некоторые особенности
Все оптические модули потребляют электроэнергию и выделяют тепло. Это нужно учитывать в случае если все порты коммутатора будут забиты модулями. В этом случае нужно будет подумать о дополнительном охлаждении.
Так же не стоит недооценивать технику безопасности при работе с оптическими лазерами, в особенности стоит обращать внимание на дальнобойные мощные модули 10GE, которые могут выжечь сетчатку глаза. Такие случае редки, но имеют место быть.
Ряд вендоров создают свои трансиверы таким образом, что они не будут работать на оборудовании стороннего производителя. Вставив модуль одного производителя, например Cisco, в коммутатор другой компании, модуль просто не стал бы работать. Однако в последнее время производители стали меньше уделять времени на несовместимость оборудования. К тому же, появилась возможность разблокировать модули специальными командами, для их совместимости.
Про мощность сигнала. Мощность может быть не только слабой. Если сигнал приходит слишком сильный, можно сжечь фотоприемник. Обычно это относится к дальнобойными мощным модулям с дистанцией > 80 км. Для уменьшения мощности используют специальные аттенюаторы.
Как SFP, SFP+ и XFP делают нашу жизнь проще
Для чего нужны эти порты, трансиверы, пачткорды? Как во всем этом разобраться? И вообще, надо ли это или проще обойтись «подручными средствами» вроде «хорошо обжатого RJ45»?
Вместо предисловия
Как они надоели с этим SFP и прочими дорогими игрушками! — скажет экономный сисадмин: «И коннекторы недешёвые, и лишний «огород городить». Неужели так трудно всё порты 1GBE и 10GBE делать под старую добрую витую пару? 10 Gigabit витая пара поддерживает и вперёд!»
И правда, зачем всё это? Берём 6 категорию для соединений уровня доступа Gigabit Ethernet (мы же не жадные, заботимся о скорости и стабильности) и категорию 6А для 10 Gigabit Ethernet и радуемся жизни. Дёшево и сердито!
Но это всё хорошо, если соединение между отдельными точками не превышает 100 метров (иногда даже и меньше). На практике даже в одном здании можно запросто выйти за предел 100 метров, просто обходя все углы.
Представим себе более сложную ситуацию
У нас имеются три различных офиса, в каждом из которых работает по 20 человек. Необходимо выбрать коммутаторы, которые подходят для подключения пользователей по гигабитной сети с 10 гигабитным Uplink.
Вроде бы задача проста: нужно 3 гигабитных коммутатора уровня доступа на 24 гигабитных порта с Uplink 10 Gigabit Ethernet, и ещё один 10 гигабитный коммутатор уровня агрегации для объединения Uplink всех трёх коммутаторов в одну сеть.
Можно даже замахнуться на отказоустойчивую схему из двух коммутаторов 10GBE. В любом случае всё выглядит не так сложно.
Усложним немного задачу. Представим, что первый офис находится рядом с серверной, второй — в соседнем здании на расстоянии более 100м, и, чтобы достать туда, требуется много раз обогнуть препятствия под разным углом, а третий — вроде бы по прямой, но на расстоянии более 550 м. И что тут делать?
Вроде бы задача по-прежнему выглядит не такой сложной. Покупаем три коммутатора уровня доступа:
Один, который поставим рядом с серверной, будет с Uplink 10 Gigabit Ethernet для витой пары.
Второй коммутатор — так как общее расстояние выше — с Uplink для многомодового оптоволокна дальностью до 550 м, который за счёт своих физических свойств позволяет «обойти все углы».
И третий коммутатор с Uplink для одномодового кабеля при расстоянии свыше 550 м.
Вроде бы весело и замечательно. А теперь представьте, что для объединения их в одну сеть на следующем уровне понадобится коммутатор 10 Gigabit Ethernet с тремя различными типами портов под разные типы кабелей.
И это ещё «цветочки». Для связи этого коммутатора с «верхним уровнем» (уровнем ядра сети, например) может потребоваться Uplink для сетей 40GBE или даже 100GBE. Особенно интересная ситуация возникает, когда число таких Uplink и Downlink (Downlink — порт для соединения с нижеследующим уровнем) не удаётся предугадать раз и навсегда, и всё меняется в процессе эксплуатации…
И вот тут возникает интересный момент: а сколько таких коммутаторов нам понадобится? А если не хватит одного-двух портов одного типа, зато порты другого типа окажутся в избытке? Покупать новый? А как это отразиться на архитектуре сети? Например, если по проекту заложено, что все три офисных коммутатора уровня доступа общаются напрямую через один коммутатор уровня агрегации, не выходя на ядро сети?
Значит нужно придумать единый стандарт для разъёма, в который при помощи соответствующих переходников (трансиверов) можно подключать различные кабели.
В принципе, универсальность и взаимозаменяемость явилась главной причиной создания SFP. Данная технология, естественно, не стояла на месте и появились более поздние стандарты, такие как SFP+ и XFP. Но обо всем по порядку.
Рисунок 1. 28-портовый управляемый коммутатор 10GbE L2+ — Zyxel XS3800-28, сочетающий порты под витую пару и SFP+.
Примечание. На практике не всё обстоит так гладко. Некоторые вендоры, искусственно ограничивают применение переходников от разных производителей. Например, есть такая сисадминская примета: если нужно использовать сетевое оборудование Cisco, то лучше использовать и трансиверы этого же вендора. Возможно, это не всегда так, но рисковать никто не хочет.
Однако мир не идеален, и порой приходится поддерживать мультивендорное решение. В таких случаях лучше подбирать оборудование от более демократичных вендоров, которые не создают дополнительных ограничений.
Существует мнение, что при разработке стандарта SFP (Small Form-factor Pluggable) учитывалось требование сохранить ту же плотность портов на 1U в 19 дюймовой стойке, что и в случае с разъёмами под витую пару. То есть 48 портов для подключения устройств и минимум 2 Uplink. Небольшие размеры SFP позволили решить данную задачу.
Рисунок 2. Коммутатор L3 Zyxel XGS4600-52F на 48 портов Gigabit Ethernet SFP, с четырьмя портами Uplink 10 Gigabit Ethernet SFP+
SFP стандарт используется для поддержки следующих протоколов:
Рисунок 3. Трансивер Zyxel SFP10G-SR SFP Plus для 10 Gigabit Ethernet
Рисунок 4. Трансивер 10GbE Fiber FTLX1412D3BCL
Существует сетевое оборудование, способное принимать несколько видов трафика по одному порту, например, Ethernet и Fibre Channel с последующим разделением. Разумеется, для такого соединения нужны соответствующие сетевые карты и трансиверы, поддерживающие подобный «универсальный подход».
Особенности SFP поддержки различных типов оптики
Многие читатели знакомы с SFP трансиверами для двухволоконных патчкордов. Такие трансиверы имеют интерфейс с двумя разъёмами типа LC для подключения оптического кабеля к модулю.
Однако есть и другие модели трансиверов, например, SFP WDM, и разумеется, трансиверы с разъёмом RJ45, о которых шла речь выше.
Существует классификация SFP модулей по доступному расстоянию для передачи данных:
Выпускаются SFP модули нескольких стандартов с различными комбинациями приёмника (RX) и передатчика (TX).
Такой подход даёт возможность выбрать необходимую комбинацию для заданного соединения, исходя из используемого типа оптоволоконного кабеля: многомодовое (MM) или одномодовое (SM).
Помимо деления по типу оптоволокна, есть разделение по количеству используемых волокон. Есть SFP модули для парных оптических проводников: многомодовые и одномодовые.
Существуют и одноволоконные модули: WDM, а также CWDM и DWDM.
SFP модули для многомодовых патчкордов используют раздельные приёмник и передатчик фиксированной длины волны 850нм (собственно, для этого и нужно два оптических проводника в одном патчкорде).
В таких патчкордах используется крестообразное соединение от передатчика к приёмнику. (TX1\ RX2, RX1\ TX2).
Преимуществом многомодового оптоволокна является невосприимчивость к изгибам (до определённого разумного предела), что позволяет использовать, например, при монтаже стоечного оборудования, когда излишки длины патчкорда можно убрать в органайзер.
Как было уже указано выше, ограничением для многомодового оптоволокна является сравнительно небольшая длина (до 550м).
SFP модули для парных одномодовых соединений имеют раздельные приёмник и передатчик фиксированной длины волны либо 1310нм, либо 1550нм. Подключение делается по той же крестообразной схеме. Применение одномодовых SFP модулей делает возможным передачу данных на расстояния до 120км.
Однако не во всех случаях можно использовать парные оптоволоконные кабели. В некоторых случаях гораздо удобнее передавать сигнал в обе стороны по одному оптическому световоду.
SFP WDM — сокращение от Wavelength Division Multiplexing (спектральное уплотнение каналов). В данном случае модули (они же WDM Bi‑Directional, или Bi‑Di) используют совмещённый приёмопередатчик и работают в парах. Пара состоит из двух модулей с разной длиной волны: 1310нм и 1550нм.
В первом случае используется передатчик с длиной волны 1550нм и приёмник с длиной волны 1310нм.
Во втором случае: наоборот, передатчик с длиной волны 1310нм и приёмник с длиной волны 1550нм.
Расстояние между двумя этими каналами составляет 240нм, что достаточно для того, чтобы различать эти два сигнала без специальных средств детектирования, и позволяет объединить эти два сигнала в одном световоде.
Благодаря совмещению каналов для соединения таких модулей нужна только одна оптоволоконная жила. Стандартные SFP WDM модули имеют разъём типа SC для одножильного соединения.
SFP CWDM — Coarse WDM — что дословно значит «грубый» WDM — это более поздняя реализация WDM с раздельными приёмником и передатчиком. SFPCWDM отличаются, в первую очередь, диапазоном каналов передачи, который варьируется от 1270нм до 1610нм:
2 дополнительных канала 1270нм и 1290нм;
16 основных (1310нм — 1610нм с шагом 20нм).
Данные модули имеют широкополосный приёмник, что позволяет 2 модулям с любыми длинами волн передачи работать в паре. Но для работы в паре такие модули использовать нерационально, более оптимально использовать 16 каналов с разными длинами волн, подключёнными к мультиплексору. Мультиплексор «собирает» свет разных длин волн, который излучают передатчики модулей, «объединяет» собранное в единый световой пучок и направляет по единственному одномодовому волокну далее. При приёме данных производится обратная процедура.
Рассказывая о кабелях и стандартах, стоит также упомянуть 10 гигабитный Direct Attached Cable (DAC) SFP+, работающий по стандарту 10GBASE и совместимый со стандартами 10G Ethernet, 8/10G Fibre Channel. Такие кабели стоят относительно недорого и чаще всего применяются на небольших расстояниях, например, для подключения СХД, серверов и других устройств к скоростной сети.
Рисунок 5. DAC10G-3M кабель Direct Attach
Отличия SFP от SFP+
SFP модуль всем хорош, одна неприятность — не поддерживает высоких скоростей. А технический прогресс требовал перехода на сети 10 Gigabit. И появились новые стандарты, одним из которых стал SFP+
Как часто бывает с родственными технологиями и стандартами — SFP+ совместим с SFP сверху вниз. То есть в порт SFP+, можно подключить более старые трансиверы SFP, а вот наоборот — включить может и получится, но работать они не будут.
Однако возможны неприятные исключения. В оборудовании некоторых производителей (к счастью, Zyxel в их число не входит) совместимость сверху вниз не поддерживается. Всегда лучше на всякий случай уточнить у продавца, будет ли работать данный трансивер с данным портом на данном оборудовании.
Особенности стандарта XFP
Стандарт XFP был разработан группой XFP MSA (Multi Source Agreement). Скорость работы начинается от 10G и может использоваться с оптоволоконным кабелем для высокоскоростной сети.
Рабочая длина волны: 850нм, 1310нм или 1550нм, при этом трансиверы XFP не зависят от протокола и полностью поддерживают конвергентность для стандартов:
Примечание. При плотном трафике модули SFP+ были замечены за непристойным занятием — они нагревались до достаточно высокой температуры. Виной тому малые размеры и высокая плотность портов — в принципе, то, зачем SFP и создавался. Разумеется, повышение температуры оборудования создаёт риск при длительной работе. Это факт вынуждает в некоторых случаях использовать другой стандарт для подключения трансиверов (также небольших, хоть и не таких миниатюрных как SFP+) — XFP.
Можно ли соединять устройство с портом XFP и другое устройство с SFP+
Теоретически такое соединение возможно, необходимо использовать оптические кабели, подходящие для обоих трансиверов.
Например, XFP‑10G-SR и SFP‑10G-SR — это многомодовые модули на основе LC разъёмов, поэтому применение многорежимного оптического кабеля LC по идее позволит получить работающее соединение.
На практике лучше заглянуть в соответствующие спецификации и при любом сомнении — уточнить у представителей вендора (дилера, системного интегратора и т. д.) соответствующие детали.
Заключение
Унифицированный подход и стандартизация упрощают нашу жизнь.
Разумеется, не существует единого идеального решения. В любом стандарте, в любой технологии есть плюсы и минусы. И не всегда они касаются технических аспектов.
Немаловажную роль при выборе той или иной технологии играет цена вопроса, внешние ограничения (например, расстояние), а также особенности эксплуатации.
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.