Breedband multimode glasvezel

Draka1

Het is al lang geleden dat dataverkeer het gewone telefoonverkeer in volume overtrof. Dit kwam door moderne communicatiemiddelen en vooral door video-applicaties. Een essentieel onderdeel in deze communicatie is de sterke groei in datacenters en bijbehorende cloud computing. Deze ontwikkeling heeft het dataverkeer naar en binnen datacenters sterk doen groeien.

Een groot deel van de kabels binnen datacenters wordt toegepast over relatief korte afstanden. Dit geldt voor zowel koperkabels als in toenemende mate voor optische glasvezelkabels. Bij deze laatste toepassing leveren multimode vezels (MMFs) het grote voordeel van ondersteuning aan kostenefficiënte systemen met zeer hoge snelheid bij een laag energieverbruik. Gebaseerd op de groeiende vraag naar dataverkeer binnen datacenters zijn nieuwe MMFs ontwikkeld, waaronder OM3-vezels (ontwikkeld in 2002 bij de totstandkoming van IEEE 10 GbE) en OM4-vezels (gestandaardiseerd rond 2010). Beide werken op één golflengte van 850 nm.

Bij de huidige datasystemen die in ontwikkeling zijn (denk aan IEEE 400 GbE), vraagt zelfs de huidige OM4-vezel om verdere aanpassing. Dit is gelukt in de vorm van de laatste uitvoering: de Breedband MMF (Wideband MMF of WB-MMF). Deze vezel is in staat om vier golflengtes te transporteren in plaats van maar één golflengte. Hierdoor ontstaat een viervoudige vergroting van de transmissiecapaciteit. Dit maakt omvangrijke en kostbare MMF-kabels overbodig.

Groei in dataverkeer

Afbeelding-1A-300x176 Figuur 1. Gezamenlijk datacenter verkeer versus wereldwijd IP-verkeer

De imposante groei in datacenter verkeer is weergeven in figuur 1. Hier is te zien dat het volume in het totale verkeer van datacenters viermaal groter is dan het wereldwijde IP-verkeer. Daarnaast overtreft het dataverkeer binnen datacenters dat van het dataverkeer tussen datacenters en van datacenters naar gebruikers.

Figuur-1B-300x177 Bron: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2014­2019 en Cisco Global Cloud Index: Forecast and Methodology, 2014-2019

De toename in het dataverkeer binnen datacenters wordt succesvol ondersteund met behulp van moderne MMF-glasvezelkabels. Dit zijn de opvolgers van de nu verouderde OM1 MMF (met 62.5 um kerndiameter) en de OM2 MMF (met 50 um kerndiameter). Momenteel zijn de MaxCap-BB-OM3 MMF en MaxCap-BB-OM4 MMF (beiden ook 50 um kerndiameter) de standaard. Deze laatste vezels ondersteunen datacommunicatie op hoge snelheid over een korte afstand bij de laagste systeemkosten en het laagste energieverbruik. Hierbij is het belangrijk op te merken dat de oudere typen OM1- en OM2 MMF niet meer ondersteund worden in de volgende uitgave van de ISO/IEC 11801 standaard (generic cabling for customer premises).

Figuur-2-300x171 Figuur 2. Ontwikkeling van IEEE Ethernet system standaarden

De toename van de systeemsnelheid in het dataverkeer is weergeven in figuur 2, met seriële systemen tot en met 10 GbE (2002). Meer recentelijk zijn hogere capaciteitsystemen ontwikkeld door middel van een verhoogde lijnsnelheid (naar 25 Gbps) en de toepassing van meerdere vezels parallel aan elkaar. Zo is in 2010 IEEE 40 Gbps ontwikkeld met 4 parallelle OM4 MMFs met elk een lijnsnelheid van 10 Gbps (duplex: 2 * 4 OM4 MMFs). Vervolgens is 100 GbE ontwikkeld met 10 parallel OM4 MMFs en 10 Gbps lijnsnelheid (duplex: 2 * 10 OM4 MMFs). Dit werd later gevolgd door 4 parallel OM4 MMFs bij een verhoogde lijnsnelheid van 25 Gbps (duplex: 2 * 4 OM4 MMFs).

Momenteel is binnen IEEE het 400 GbE project in ontwikkeling. In de eerste fase van dit project wordt een toepassing voor 100m afstand ontworpen met 16 parallel OM4 MMFs met elk een lijnsnelheid van 25 Gbps (duplex: 2 * 16 OM4 MMFs). Deze toename in het aantal parallel vezels per verbinding maakt de MMF-oplossing echter iets minder attractief, omdat de kosten van de kabel stijgen en de kabels omvangrijker worden.

Figuur-3-300x88 Figuur 3. Wavelength Division Multiplexing bij Breedband MMFs in het golflengtebereik 850-950 nm

Om dit laatste aspect te voorkomen is een nieuw type MMF ontwikkeld, de Breedband MMF Draka WideCap. Waar MMFs voorheen slechts in een beperkte spectrale band konden worden toegepast (slechts één golflengte in gebruik), is deze nieuwe Breedband MMF in spectrale breedte vergroot, waardoor er vier parallel golflengten mogelijk zijn tussen 850 nm en 950 nm (Wavelength Division Multiplexing). Hierbij heeft ieder optisch kanaal een breedte van 30 nm. Dit is voldoende voor goedkope optische multiplexers en demultiplexers. Zie figuur 3.

Deze Breedband MMFs (Draka WideCap) leveren een belangrijke vergroting in de transmissiecapaciteit, waarbij één enkele Breedband MMF een capaciteit heeft van 100 Gbps (4 * 25 Gbps). In een doorontwikkeling van IEEE 400 GbE kan de huidige omvangrijke vezelkabeloplossing vervangen worden door de compacte oplossing met slechts 4 parallel Breedband MMFs. Deze zijn elk voorzien van 4 optische kanalen op verschillende golflengtes en elk actief op een snelheid van 25 Gbps (duplex: 2 * 4 WB-MMFs).

Hierdoor is de MMF glasvezeloplossing zeer aantrekkelijk voor lage systeemkosten bij korte afstanden. Deze Breedband MMF is ontwikkeld met een neerwaartse compatibiliteit. Installatie van deze Breedband MMFs garandeert dus dat huidige systemen op langzamere snelheid nog steeds kunnen worden toegepast door later een flexibele systeemupgrade uit te voeren.

Ook de bekende en prijswinnende Draka BendBright technologie voor buigingsongevoeligheid is in deze vezel ingebouwd wat ervoor zorgt dat er zeer weinig extra verlies optreedt bij extreme buiging.

Eigenschappen nieuwe WideCap

In MMFs zijn twee typen pulsverbreding (dispersie) aanwezig wanneer lichtpulsen door de vezel getransporteerd worden:

  • Modale dispersie:
  • Figuur-4-300x134 Figuur 4. EMB, CB en totale EB als functie van golflengte

Modale dispersie geeft het looptijdverschil aan het einde van de glasvezel weer tussen verschillende modi die zich door de vezelkern kunnen voortplanten. Om deze dispersie te minimaliseren dient de vezelkern te worden gebouwd met een nagenoeg parabolisch brekingsindex profiel. Door deze vorm te optimaliseren kunnen glasvezelfabrikanten de minimale modale dispersie (en de bijbehorende maximale Effectieve Modale Bandbreedte – EMB) instellen op een bepaalde golflengte, zie figuur 4. Onder en boven deze optimalisatie golflengte valt de EMB snel terug in een soort klokvorm. Voor normale OM3- en OM4 MMFs is deze optimalisatie golflengte nabij de 850 nm.

- Chromatische dispersie:

Chromatische dispersie ontstaat wanneer licht met een bepaalde spectrale breedte via de glasvezel getransporteerd wordt. Hierbij hebben de verschillende golflengte componenten iets verschillende snelheden. Dit gedrag kan nauwelijks door glasvezelfabrikanten beïnvloed worden, omdat dit effect sterk afhankelijk is van het kwartsglas waaruit de glasvezel gemaakt is. Deze chromatische dispersie is niet constant met de golflengte en vermindert bijvoorbeeld bij verschuiving van 850 nm naar 950 nm. Omgekeerd zal de chromatische bandbreedte (CB) in dit gebied dus toenemen, zie figuur 5.

Het OM4-gedrag in optische systemen wordt bepaald door de overkoepelende Effectieve Bandbreedte (EB) die gebaseerd is op beide dispersiecontributies:

DCW-4-31-300x164

Eenvoudig gezegd, kan gesteld worden dat bij de nieuwe Breedband MMF de reductie in modale bandbreedte bij hogere golflengten van boven de 850 nm gecompenseerd wordt door een toename van de chromatische bandbreedte in dit golflengtegebied. De totale bandbreedte wordt verbreed door deze effecten en levert een breder werkzaam golflengtebereik op.

De minimaal vereiste EMB voor Breedband MMFs is getoond in figuur 5 (links). De totale EB (combinatie van modale en chromatische bandbreedte) zichtbaar is in figuur 5 (rechts).

Figuur-5-615x215 Figuur 5. Vereiste min. EMB (links) en min. EB (rechts) voor Breedband OM4 MMF als functie van golflengte

Systeem testen met Breedband MMF (WB-MMF)

Figuur-6-300x145 Figuur 6. BER systeem test met vergelijking tussen traditionele OM4 MMF en nieuwe Breedband OM4 MMF (WB-MMF)

Zowel normale OM4 MMFs als nieuwe Breedband MMFs zijn getest in optische systemen (Extended Distance Transmission over Wideband MMF using multi-wavelength VCSEL based Transceivers, Photonics in Switching 2015 – Optical Systems). Figuur 6 toont twee commercieel verkrijgbare 40 GbE transceivers. De golflengte van deze bronnen werd bepaald op 850 nm en 910 nm. Deze transceivers kunnen tegelijkertijd zowel zenden als ontvangen. Een poort zendt 20 Gb/s data op 850 nm en ontvangt 20 Gb/s data op 910 nm en vice versa. De totale capaciteit voor deze transceiver is 40 Gb/s per richting. Het aantal frames en bits dat verloren gaat werd berekend en de Frame Error Rate (FER) en Bit Error Ratio (BER) werden berekend.

Figuur-7-300x179 Figuur 7. Aantal verloren geraakte frames via een 40 GbE verbinding als functie van afstand voor traditionele OM4 MMF en Breedband OM4 MMF (WB-MMF)

Tot 200 meter vertoont de gecombineerde verbinding op 850 nm en 910 nm geen verschil tussen de traditionele OM4 MMF en nieuwe Breedband MMF (WB-MMF). Het verschil wordt duidelijk bij langere afstanden tot 300 meter waarbij de traditionele OM4 MMF een sterke toename in het aantal fouten vertoont, terwijl de nieuwe Breedband OM4 MMF (WB-MMF) geen fouten vertoont (zie figuur 7).

Standaardisatie

Een dergelijke nieuwe MMF vereist nauwkeurige standaardisatie. Momenteel is een dergelijke activiteit gaande binnen TIA (USA), waarna dit nieuwe product aangeboden kan worden voor systeemstandaardisatie zoals binnen IEEE (bijvoorbeeld voor aanpassing van 400 GbE). Ook IEC SC86A zal worden geïnformeerd en uitgenodigd voor wereldwijde standaardisatie van dit hightech MMF-product.

Draka WideCap biedt:

  • De grootste capaciteit in een enkele MMF door gebruik te maken van 4 kanalen van 25 Gbps
  • Ruimtebesparende bekabeling van datacenters
  • Bekende Draka buigingsongevoeligheid

Gerard Kuyt en Adrian Amezcua, Draka (Prysmian Group)

Dossiers
Meer over
Lees ook
Base 16-technologie in datacenters: Wat zijn de voordelen?

Base 16-technologie in datacenters: Wat zijn de voordelen?

Hyperscale- en edge-datacenters installeren of upgraden verbindingen naar 400G en 800G (2x400G), voor de overstap naar een server- en spine-leaf-architectuur. Daarbij zijn er verschillende MMF- en SMF-transceiveropties om uit te kiezen en kijkt men tevens naar multimode parallelle optica voor netwerkconnectiviteit op korte afstand.

ODF ondersteunt hoge dichtheid glasvezelinstallaties

ODF ondersteunt hoge dichtheid glasvezelinstallaties

De groei en toenemende complexiteit van IT-systemen en cloudservices, ongeacht het bedrijf en de markt waarin u werkt, blijft de behoefte aan netwerkinfrastructuur stuwen. Oplossingen voor die infrastructuur, zoals optische distributieframes (ODF's), moeten meegroeien en evolueren met de organisatie, en tegemoetkomen aan steeds compactere en daard1

Herziene NEN 8012: meer duidelijkheid over brandveiligheid van kabels

Herziene NEN 8012: meer duidelijkheid over brandveiligheid van kabels

Op 7 juli 2023 is de vernieuwde NEN 8012 over de keuze van leidingtypes gepubliceerd. Deze revisie zorgt voor een afstemming met het aangepaste Bouwbesluit uit 2020, en presenteert een vereenvoudigde norm die de toepassing ervan gemakkelijker maakt.