NextGen multimode fibre biedt stevige groeikansen

De recente ontwikkelingen op het gebied van fibre cabling zijn van cruciaal belang voor de almaar groeiende behoefte aan capaciteit van datacenters. Financiële instellingen, cloud- en service providers en dienstverleners op het gebied van Internet of Things (IoT) staan permanent onder druk om nieuwe capaciteit beschikbaar te maken - juist ook als het gaat om connectiviteit. Daarom is het van groot belang dat zowel ontwerpers en bouwers van datacenters als datacenter managers een goed begrip hebben van die laatste ontwikkelingen. Rick Pimpinella, Research Fellow bij Panduit, legt uit. 

Multimode fibre optical links ofwel MMF worden tot nu toe vooral gebruikt om light emitting diode (LED) transceivers te benutten voor datacommunicatie tot een snelheid van 640 Mb/s (622 Mb/s-ATM) en afstanden tot 2 kilometer (10 BASE-FX). De eerste MMF-varianten omvatten onder andere OM1 en OM2, waarvan de specificaties te vinden zijn in de IEC/ISO 11801 generieke bekabelingsstandaarden.

VCSEL-lasers

Met de ontwikkeling van de zogeheten ‘vertical cavity surface emitting lasers’ ofwel VCSEL’s vanaf het midden van de jaren negentig zijn hier twee - zeg maar - voor lasers geoptimaliseerde versies bijgekomen: OM3 en OM4. De ontwikkeling van ‘laser optimised' MMF maakte het mogelijk om data te versturen met 1 Gb/s en meer. Vandaag de dag kunnen VCSEL’s optische signalen moduleren tot 25 Gbaud (sinds 2016 zelfs 50 Gbaud). Let hierbij overigens op dat baud rate hier is gedefinieerd als het aantal symbolen per seconde in plaats van het aantal bits per seconde. Door modificaties aan te brengen aan de VCSEL’s kunnen bovendien langere golflengtes worden benut.

Het doel van dit artikel is om de verschillen toe te lichten tussen enerzijds OM3 en OM4 en anderzijds twee andere MMF-types, te weten: een proprietary high density fibre van Panduit zelf en Wide Band MMF ofwel WBMMF of OM5. We zullen daarbij kijken naar de verschillen tussen deze nieuwe fibre technologie en OM5, waarbij we met name ook een vergelijking zullen maken tussen hun prestaties bij Ethernet- en Fibre Channel-applicaties. Bovendien zullen we een blik werpen op toekomstige Ethernet-standaarden en hun hogere ‘data rates’.

Laser optimised MMF

De maximale afstand ofwel ‘reach’ van multimode fibre wordt beperkt door drie factoren:

• ‘modal dispersion’ waarbij het signaal verspreid wordt in de tijd door snelheidsverschillen in de diverse modussen
• chromatische verstoringen (‘chromatic dispersion’)
• optische transmissieverliezen (‘optical attentuation’)

Wanneer licht van de VCLSE in de kern ofwel ‘core’ van de MMF wordt ingebracht ‘reist’ het signaal als gevolg van de eigenschappen van de golf via verschillende discrete optische paden door de fibre core. Deze optische paden worden ‘modes’ genoemd. Een ideale MMF kent een refractie-index die het mogelijk maakt dat het licht dat dicht langs de as van de core reist hogere refractie-index kent, waardoor de totale snelheid van het licht dat door de vezel reist omlaag gaat (een zogeheten ‘low order mode’). Licht dat dichter door de buitenste regio’s van de core gaat, zal gereflecteerd worden rond de centrale as van de core en neemt dus logischerwijs een langer optisch pad. Dit heeft een variatie tot gevolg in het tijdstip waarop deze signalen aan de output-kant van de fibre arriveren. Het verschil is uiteraard een gevolg van de lengte van deze optische paden. Hierdoor zal het output-signaal aan het einde van de fibre verbreed zijn. Dit noemen we ook wel ‘modal dispersion’. Voor traditionele MMF-channels is modal dispersion de belangrijkste beperkende factor als het gaat om ‘reach’ ofwel te overbruggen afstand.

Chromatic dispersion wordt veroorzaakt doordat de refractie-index een afhankelijkheid kent ten opzichte van de golflengte. Aangezien een VCSEL een nauw spectrum aan licht uitzendt (in de orde van 0,5 nm) reizen de verschillende golflengtes (kleuren) die samen de puls vormen met verschillende snelheden, waardoor het output-signaal wordt verbreed. Dit snelheidsverschil is dus het gevolg van chromatische dispersie.

Imperfecties

Er is naast beide vormen van dispersion echter sprake van nog een aspect dat de reach bepaalt: imperfecties in de corvee van de fibre. Deze worden ook wel ‘impurities’ genoemd en bevinden zich in de glaskern van de fibre. Zij zorgen er voor dat een klein percentage van het signaal wordt verspreid en buiten de core terecht komt. Deze ‘optical attentuation’ veroorzaakt dus een verlies van - zeg maar - ‘optical power’ over de lengte van de vezel. Deze kan circa 2,5 dB per kilometer bedragen bij een 850 nm transmissie. Hierdoor vermindert de signaal/ruis-verhouding, waardoor de prestaties van het kanaal teruglopen.

Dankzij verbeteringen in het productieproces van MMF konden voor lasers geoptimaliseerde OM3 en OM4 worden geïntroduceerd die een betere refractie-index kenden. Hierdoor was een aanzienlijk geringere modal dispersion mogelijk in vergelijking tot OM1 en OM2. Om deze betere prestaties ten aanzien van modal dispersion goed zichtbaar te maken werd tevens een nieuwe meeteenheid gelanceerd: Effective Model Bandwidth (EMB), waarmee de mate van model dispersie kon worden vastgesteld. EMB wordt uitgedrukt in de eenheid MHz-km. Laser-geoptimaliseerde fibres met een EMB tussen 2000 en 4700 MHz-km worden beschouwd als OM3 en fibres met een EMB die beter is dan 4700 MHz-km als OM4.

Nieuwe generaties

Bij het ontwikkelen en specificeren van OM3 en OM4 fibre zijn we er vanuit gegaan dat VCSEL’s altijd hetzelfde optische spectrum in iedere MMF-mode emitteren. In 2008 stelden onderzoekers van Panduit Labs echter vast dat het spectrale emissiepatroon van VCSEL’s ervoor zorgt dat verschillende golflengtes in de diverse fibre modes worden ingebracht. Dat heeft tot gevolg dat modes niet alleen zelf modal dispersion ondergaan, maar dat de tijdelijke separatie die ontstaat door de spectrale verschillen tussen de modussen eveneens chromatische dispersie ondergaat. Dit wil dus zeggen dat de modal dispersion en de chromatic dispersion van MMF niet los van elkaar gezien kunnen worden. Anders gezegd: de bandbreedte van een channel moet bepaald worden op basis van de interactie van modal dispersion en chromatic dispersion.

Deze ontdekking maakte de weg vrij voor een nieuwe generatie MMF met een significant grotere totale bandbreedte. Dit is mogelijk door een subset van fibres te kiezen die voldoen aan de OM4-specificaties, maar die tevens een specifiek vastgesteld refractie-indexprofiel kennen. Hierdoor kunnen de modal dispersion en de chromatic dispersion gecompenseerd worden, waardoor de totale dispersie in een VCSEL-channel wordt teruggebracht. Op basis van deze aanpak heeft Panduit in 2008 een eigen (‘proprietary’) MMF geïntroduceerd die dispersion-compensatie biedt. Dat heeft geleid tot een langere reach en een grotere ‘channel insertion loss’.

Wide Band Multimode Fibre

Een ander belangrijk kenmerk van deze eigen MMF-variant is de ondersteuning van golflengtes langer dan de momenteel in de standaarden gespecificeerde 850 nm. Deze aanpak is samen met Cisco’s transceiver group ontwikkeld in aanloop naar de lancering van de 40 GbE Bi-Direction (BiDi) transceiver. Hierdoor ontstond de eerste multi-wavelength (dual-wavelength) MMF die 850 nm én 910 nm transmissie ondersteunt op basis van ‘short wavelength division multiplexing’ (SWDM).

Uiteindelijk is deze aanpak ook in de TIA 42.12 opgenomen. Het verschil tussen deze technologie en WBMMF is de gespecificeerde EMB bij de kortste en de langste golflengte zoals gespecificeerd voor SWDM (zie figuur 1). Voor 850 nm-applicaties levert de eigen aanpak van Panduit een 17% hogere EMB en een equivalente chromatic dispersion op in vergelijking tot WBMMF/OM5. Aangezien SWDM channel reach beperkt wordt door de bandbreedte van de fibre van 850 nm biedt deze manier van werken de komende jaren de hoogste channel-prestaties voor single en dual wavelength SWDM-oplossingen.

Future proof maken

Uit het werk van IEEE 802.3cd blijkt dat next generation Ethernet ondersteuning zal bieden voor 50G, 100G en 200 Gb/s transmissie. Deze specificaties gaan uit van 850 nm met parallelle opties waarbij gebruik wordt gemaakt van respectievelijk 2, 4 of 8 fibres. Deze standaard wordt naar verwachting in september 2018 geratificeerd. Tot nu toe kennen Ethernet- en Fibre Channel-standaarden echter geen SWDM-oplossingen voor multimode fibre.

Voor single-mode toepassingen worden al meer dan 20 jaar CWDM ofwel ‘course WDM’ en DWDM (‘dense WDM’) technologieën ingezet. Door de hogere data rates die mogelijk zijn met MMF wordt steeds vaker gekozen voor parallelle optics met 8, 16 of 32 fibres om data rates te kunnen schalen. Wie 200 Gb/s wil bereiken met maximaal 8 fibres kan niet om SWDM-technologie heen.

In figuur 2 is een roadmap weergegeven voor Ethernet data rates. Het is belangrijk hierbij vast te stellen dat parallelle optics vereist zijn om high-density switch poorten te laten doorgroeien naar vier server I/O-poorten. De oplossingen in figuur 2 maken allemaal gebruik van dezelfde netwerkarchitectuur en dezelfde cabling- en support-standaarden.

Conclusie

Er is momenteel geen applicatiestandaard die SWDM specificeert. Er is bovendien ook nog geen dergelijke standaard in voorbereiding. Dit wil echter niet zeggen dat er geen oplossingen beschikbaar zijn, ook al zijn deze dan wellicht niet op formele standaarden gebaseerd. Op de langere termijn ontkomen we niet aan het toepassen van SWDM om de nieuwe generaties 400G en 800G Ethernet mogelijk te maken. Tot die tijd is de vraag naar SWDM echter ongewis, aangezien het de snelst haalbare datacenter interconnects ondersteunt en daarmee wat kosten betreft concurreert met single-mode oplossingen (transceiver en media). 

Rick Pimpinella, Fellow en researcher multimode en single-mode optical fibre-technologie bij Panduit