Волоконно оптический кабель максимальная скорость

Характеристики и протоколы передачи по оптическому волокну

Большинство технических специалистов, работающих с оптоволокном, знают об отличии многомодовых волокон от одномодовых. Но не все информированы о характеристиках оптических волокон и о протоколах передачи информации по ним. В статье приведены описания конкретных характеристик оптоволокон и протоколов передачи Ethernet, вызывающих, иногда, противоречивые толкования.

Характеристики оптических волокон

Пожалуй, не найдется специалиста-кабельщика, работающего с оптическим волокном, который не знал бы отличие многомодовых волокон от одномодовых. Мы не собираемся повторять прописные истины в данной статье. Остановимся на конкретных характеристиках оптоволокон, вызывающих, подчас, противоречивое толкование.

Оптические волокна допускают распространение сигналов передачи данных вдоль них при условии, что световой сигнал вводится в волокно под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе раздела двух сред из двух типов стекла, имеющего различные показатели преломления. В центре сердцевины находится особо чистое стекло с показателем преломления 1.5. Диаметр сердцевины находится в пределах от 8 до 62,5 мкм. Окружающее ядро стекло, называемое оптической оболочкой, немного менее свободное от примесей, имеет показатель преломления 1.45. Общий диаметр сердцевины и оболочки находится в пределах от 125 до 440 мкм. Поверх оптической оболочки наносят полимерные покрытия, укрепляющие волокно, защитные нити и внешнюю оболочку.

При вводе оптического излучения в волокно, луч света, падающий на его торец под углом больше критического, будет распространяться вдоль границы раздела двух сред в волокне. Каждый раз, когда излучение попадает на границу между ядром и оболочкой, оно отражается обратно в волокно. Угол ввода оптического излучения в волокно определяется максимально допустимым углом ввода, называемым числовой апертурой или апертурой волокна. Если вращать этот угол вдоль оси сердцевины, формируется конус. Любой луч оптического излучения, падающий на торец волокна в пределах этого конуса, будет передан дальше по волокну.

Находясь внутри сердцевины, оптическое излучение многократно отражаетсяот границы раздела двух прозрачных сред, имеющих различные показатели преломления. Если физические размеры сердцевины оптического волокна существенные, отдельные лучи света будут введены в волокно и, в последующем, претерпевают отражение под разными углами. Поскольку ввод лучей оптической энергии в волокно был осуществлен под разными углами, то и расстояния, которые они проходят, будут также различными. В результате, они достигают приемного участка волокна в разное время. Импульсный оптический сигнал, прошедший по волокну будет расширен, по сравнению с тем, который был отправлен, следовательно, ухудшается и качество переданного по оптоволокну сигнала. Это явление получило название модовой дисперсии (DMD).

Другой эффект, который тоже вызывает ухудшение передаваемого сигнала, получил название хроматической дисперсии. Хроматическая дисперсия обусловлена тем, что световые лучи разных длин волн распространяютсявдоль оптического волокна с различной скоростью. При передаче серии световых импульсов через оптоволокно, модовая и хроматическая дисперсии, в конечном итоге, могут вызвать слияние серии в один длинный импульс, возникновению интерференции бит сигнала и потере передаваемых данных.

Еще одной типичной характеристикой оптического волокна является затухание. Стекло, используемой для изготовления сердцевины оптического волокна (ОВ), является очень чистым, но, все же, не идеально. В результате, свет может поглощаться материалом стекла в оптоволокне. Другими потерями оптического сигнала в волокне могут быть рассеяние и потери, а также затухание от плохих оптических соединений. Потери при соединении оптоволокон могут быть вызваны смещением сердцевин волокна или его торцевых поверхностей, которые не были отполированы и очищеныдолжным образом.

Сетевые протоколы для оптической передачи Ethernet

Перечислим основные протоколы передачи Ethernet по многомодовым и одномодовым оптическим волокнам.

10BASE-FL — 10 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому оптоволокну.

100BASE-SX — 100 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому ОВ на длине волны850-nm. Максимальное расстояние передачи до 300 м. Большие расстояния передачи возможны при использовании одномодового ОВ. Обратно совместимый с 10BASE-FL.

100BASE-FX — 100 Мбит/с передача Ethernet (Fast Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Максимальное расстояние передачи составляет до 400 м для полудуплексных соединений (с обнаружением коллизий) или до 2 км для полнодуплексной связи. Большие расстояния возможны с применением одномодового ОВ. Не обратно совместим с протоколом 10BASE-FL.

100BASE-BX — 100 Мбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ. В отличие от протокола 100BASE-FX, в котором используются два оптоволокна, 100BASE-BX работает по одному волокну с технологией WDM (Wavelength-Division Multiplexing), которая позволяет разделить длины волн сигнала на приеме и передаче. Для передачи и приема используются две длины волны из возможных: 1310 и 1550 nm или 1310 и 1490 nm. Расстояние передачи до 10, 20, или 40 км.

1000BASE-SX — 1 Гбит/с передача Ethernet (Gigabit Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 850-nm и на максимальное расстояние до 550 м, в зависимости от используемого класса ОВ.

1000BASE-LX — 1 Гбит/с передача Ethernet (GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm на максимальное расстояние до 550 м. Протокол оптимизирован для передачи на большие расстояния (до 10 км) по одномодовому ОВ.

1000BASE-LH— — 1 Гбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ на максимальное расстояние до 100 км.

10GBASE-SR — 10 Гбит/с передача Ethernet (10 GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны over 850-nm. Расстояние передачи может быть 26 м или 82 м, в зависимости от типа применяемого ОВ с сердцевиной 50- или 62.5 мкм. Поддержка передачи на расстояние 300 м по многомодовому ОВ класса ОМ3 и выше, с коэффициентом широкополосности не менее 2000 MГц/км.

10GBASE-LX4 — 10 Гбит/с передача Ethernetпо многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Использует технологию WDM для передачи на расстояния до 300 м по многомодовым волокнам. Поддержка передачи по одномодовому ОВ на расстояния до 10 км.

В заключение статьи, приведем некоторые данные по используемым типам многомодовых оптических волокон и стандартам передачи. Данные сведены в табл.1 (выдержки из Стандартов).

Международный Стандарт: ISO/IEC 11801 “GenericCablingforCustomerPremises”

МеждународныйСтандарт: IEC 60793-2-10 “Product Specifications — Sectional Specification for Category A1 Multimode Fibers”

Стандарт ANSI/TIA/EIA-492-AAAx “Detail Specification for Class 1a Graded-Index Multimode Optical Fibers”

(1) класс OM1 многомодовое ОВ с сердцевиной 62.5-мкм или 50-мкм.

(2) класс OM2 многомодовое ОВ с сердцевиной 50-мкм или 62.5-мкм.

(3) класс OM4 ратифицирован IEEE в июне 2010 и является Стандартом 802.ba для 40G/100G Ethernet. Работает на расстояниях до 1000 м по 1 Гбит/с Ethernet, 550 м по 10 Гбит/с Ethernet и 150 м по 40 ГБит/с и 100 ГБит/с сетевым протоколам Ethernet.

(4) Международный Стандарт ISO/IEC 11801 определяет максимальное значение затухания ОВ. Стандарты IEC и TIA описывают(минимальное) или среднее затухание «голого» ОВ.

Источник: Евгений Запорощенко, к.т.н., доцент, главный технический специалист ООО «Сонет Инвест»

Источник

44.2 Тб/с по оптоволокну — как это работает?

22 мая 2020 в Nature Communications была опубликована статья учёных, представляющих исследовательские и научные заведения Австралии, Китая и Канады, под названием «Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source».

Естественно, такой заголовок не подошел для широкой аудитории, потому в новостях все писали о 44.2 Тб/с — результате, которого удалось достичь (некоторые не дочитали и в заголовках появились ТБ/с, но правильное значение — терабиты/с). Давайте вместе разберёмся, как же это сделали и о чём на самом деле написали исследователи.

Оглавление

Я постараюсь объяснить ключевые пункты исследования, в том числе термины, устройства и так далее. Кроме того, в конце моей публикации будет список ссылок, пройдя по которым вы можете прочитать больше.

Не стоит на 100% доверять моему объяснению. Как и все, кроме журналистов, я могу ошибаться. Читайте настоящую научную литературу (Раздел 05).

01. Тезисы

Оригинальные тезисы публикации [l-1] (свободный доступ):

Micro-combs – optical frequency combs generated by integrated micro-cavity resonators – offer the full potential of their bulk counterparts, but in an integrated footprint. They have enabled breakthroughs in many fields including spectroscopy, microwave photonics, frequency synthesis, optical ranging, quantum sources, metrology and ultrahigh capacity data transmission. Here, by using a powerful class of micro-comb called soliton crystals, we achieve ultra-high data transmission over 75 km of standard optical fibre using a single integrated chip source. We demonstrate a line rate of 44.2 Terabits s−1 using the telecommunications C-band at 1550 nm with a spectral efficiency of 10.4 bits s−1 Hz−1. Soliton crystals exhibit robust and stable generation and operation as well as a high intrinsic efficiency that, together with an extremely low soliton micro-comb spacing of 48.9 GHz enable the use of a very high coherent data modulation format (64 QAM — quadrature amplitude modulated). This work demonstrates the capability of optical micro-combs to perform in demanding and practical optical communications networks.

Используя интегрированный оптический источник удалось по стандартному оптоволокну передавать информацию на расстояние более 75 км. При этом была достигнута «скорость» в 44.2 терабита/с (Тб/с) для C-полосы (1 550 нм) со спектральной эффективностью 10.4 (б/с)/Гц. Расстояние между соседними солитонами удалось сократить до 48.9 ГГц.

Проверка на 75 км проводилась с помощью оптического волокна в лаборатории. Кроме того, были проведены аналогичные «полевые» испытания на настоящей оптической линии (76.6 км) в Мельбурне, Австралия.

Что нужно знать:

Микро-гребень (micro-comb)
Простыми словами — оптический (читай «лазерный») источник. Его спектр состоит из серии дискретных линий, которые находятся на одинаковом расстоянии друг от друга (потому и называется гребень). Кроме того, также называется и сам импульс такого источника. Если вам интересно, вы можете прочитать обзор [l-2], который затрагивает основные достижения этой области (81 страница, да, основные достижения, свободный доступ). Кратко можно почитать в Википедии [n-1].

Оптический солитон
Это одиночный оптический импульс, который может распространятся в нелинейной среде на большие расстояния без изменения своей формы. Общие сведения можно узнать из статьи в Википедии [n-2].

Солитонный кристалл (soliton crystal)
Это упорядоченный во времени ансамбль солитонов, которые «расположены» периодически благодаря модуляции генерирующего их поля. Кристалл он только во времени.

Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
С помощью изменения фазы и амплитуды сигнала, можно увеличить количество передаваемой информации. Фазу смещают на — четверть круга, потому «квадратурная». Число 64 означаем количество разных комбинаций при такой модуляции. Немного подробнее можно прочитать в Википедии [n-3].

Пожалуй, пока этого будет достаточно, а остальные термины или не самые очевидные вещи я буду объяснять по ходу.

02. Эксперимент

Рис. 1. Концепт эксперимента передачи данных с помощью солитонных кристаллов [l-1].

a. Иллюстрация состояния «солитонного кристалла», используемого в эксперименте.
b. Фото используемого чипа (5 х 9 мм, лишь около площади занято устройством и волноводами) + монета 2 AUD (20.5 мм) для масштаба. Вставка показывает кольцевой резонатор. Дисторсия, заметная на изображении, связана с клеем, фиксирующем оптоволокно.
c. Схема эксперимента. Непрерывно излучающий (CW [n-4]) лазер (1.8 Вт после усилителя) накачивает кольцевой резонатор (48.9 ГГц FSR [n-5]), генерируя микро-гребень при взаимодействии с солитонным кристаллом. Гребень выравнивается (имеется ввиду выравнивание амплитуды на разных частотах) и демультиплексируется [n-6], что позволяет дальнейшую его модуляцию. Далее сигнал снова уплотняется, передаётся по оптоволокну с использованием EDFA (см. ниже) усилителей и каждый канал вновь демультиплексируется (это антоним к уплотнению сигнала).

• ECL — edge-coupled laser — это лазер, соединённый с оптоволокном;
• WSS — wavelength-selective switch — устройство, позволяющее селективное переключение длины волны [n-7];
• Rx — receiver;
• EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier — оптоволоконный усилитель, легированный ионами эрбия [n-8].

При излучении лазера (1 550 нм, непрерывный), микро-резонатор генерирует солитонный кристалл спектральной шириной более 80 нм (с периодом около 0.4 нм). Микро-гребень генерируется при автоматической подстройке лазера на нужное значение.

Рис. 2. Генерация солитонного кристалла. Для генерации, лазер плавно подстраивается с длинноволнового края резонанса на предопределённое значение [l-1].

a. Основной гребень. Генерируется, когда излучение лазера находится в резонансе с кольцом.
b. Спектр солитонного кристалла, который использовался в эксперименте. Такой «усечённый» спектр микро-гребня соответствует единичному временному дефекту, внесённому в кольцо (имеется ввиду вакансия вместо одной из линий гребня). На предопределённой частоте, генерируется солитонный кристалл со спектральными особенностями вокруг линий основного гребня. Таким образом добились линий по всей C-полосе оптической передачи данных.
c. Разница в интенсивности линий гребня для 10 разных параметров генерации (символы каждого вида на Рис. представляют один из 10 случаев). Поскольку интенсивность лежит в пределах ± 0.9 дБ от начального спектра, можно считать, что генерация требуемого солитонного кристалла надёжна.

Солитонные кристаллы генерировались для 10 разных длин волны от 1 550.300 до 1 550.527 нм и показано, что требуемый результат достигается для всех 10 вариаций.

Из всего микро-гребня были выбраны 80 линий в пределах C-полосы (спектральное окно шириной 32 нм от 1 536 до 1 567 нм, 3.95 ТГц). Эти полосы спектрально выровняли и после эффективно удвоили до 160 (что эквивалентно гребню 24.5 ГГц). Удваивание необходимо для оптимизации спектральной эффективности (спектральной полезной информации).

К исследуемому сигналу была добавлена тестовая полоса (6 каналов). Весь гребень модулировался в формате 64 QAM, что даёт символьную скорость [n-9] в 23 гигабод [n-10], что позволило использовать 94% доступного спектра.

Всего было проведено 2 эксперимента по передаче информации на 75 км. В обоих случаях использовалось одномодовое оптоволокно [n-11].

1. Эксперимент в лаборатории.
2. Полевые испытания с использованием муниципальной сети, которая соединяет мельбурнский кампус Мельбурнского королевского технологического университета и кампус Университета Монаша в Клейтоне.

Рис. 3. Многоканальные спектры и сигналы солитонного кристалла [l-1].

a. Спектр частотного гребня после выравнивания, измерянный с разрешением 12.5 ГГц, чтобы показать отдельные линии.
b. Лабораторные результаты для 75 км оптоволокна. Разрешение 50 ГГц. Вставка иллюстрирует тестовый канал (разрешение 150 МГц), показывая чётные и нечётные суб-полосы, присутствующие для каждой линии (результат удваивания, которое описывалось раньше).
c. Полевые результаты для 76.6 км оптоволокна. Разрешение 50 ГГц.
d. Сигнальное созвездие [n-12] для линии 193.4 ТГц (1550.1 нм) для двух поляризаций (X и Y). «Back-to-back» (B2B) соответствует напрямую подключённым передатчику и приёмнику, «75 km in-lab fibre» — лабораторному испытанию (b) и «76.6 km field fibre» — полевому испытанию (с).

• BER — bit error rate — коэффициент битовых ошибок [n-13];
• (от величины вектора ошибки [n-14]) — характеризует качество сигнала.

03. Результаты

Рис. 4. Коэффициент битовых ошибок (BER), спектральная эффективность и обобщённая взаимная информация (GMI) [n-15] в эксперименте [l-1].

a. BER для каждой линии гребня. Синим обозначена B2B конфигурация, красным — лабораторный эксперимент, зелёным — полевой эксперимент. Штриховая линия обозначает 20% SD FEC, базирующиеся на кодах LDPC. Порог FEC выбран в . После передачи, считается, что ошибки во всех каналах отсутствуют.
b. GMI и спектральная интенсивность для каждой линии гребня. GMI рассчитывается отдельно для каждой линии после их нормализации, которая позволяет учесть соотношение сигнал-шум полученного сообщения. Линии показывают 10% и 20% избыточных данных (OH). Спектральная эффективность (SE) рассчитывается из GMI и соотношения символьной скорости к расстоянию между гребнями. Поскольку GMI предполагает идеальный сигнал, она показывает большую общую ёмкость информации по сравнению с BER. В последовательности GMI (SE) для B2B значения варьируются от 11.3 б/символ (10.6 б/символ/Гц) до 10.9 б/символ (10.3 б/символ/Гц). Для передачи по оптоволокну в лабораторных условиях значения (для канала) составляли от 11.0 б/символ (10.4 б/символ/Гц) до 10.7 б/символ (10.1 б/символ/Гц). Такие же результаты были получены в полевых испытаниях.

• FEC — forward error correction — прямая коррекция ошибок [n-16];
• SD FEC — soft decision FEC;
• LDPC — low-density parity-check code — код с малой плотностью проверок на чётность [n-17].

Чистый битрейт, полученный в экспериментах оценен в 44.2 Тб/с. При пересчёте в кодированный битрейт (с добавлением избыточной информации для передачи данных) это значение падает до 40.1 Тб/с (B2B конфигурация), 39.2 Тб/с (в лаборатории) и 39.0 Тб/с («в поле»). Это означает спектральную эффективность в 10.4, 10.2 и 10.1 б/с/Гц соответственно.

Такой результат почти на 50% превосходит результаты, полученные при использовании одиночного интегрального устройства [l-3]. При этом, спектральная эффективность выше в 3.7 раз.

04. Сравнение с другими результатами

Чистый битрейт	Кодированный битрейт	Модуляция	Спектральная эффективность	Передача	Источник
30.1 Тб/с	28.0 Тб/с	16 QAM	2.8 б/с/Гц	75 км SMF в лаборатории	[l-3]
4.8 Тб/с	4.4 Тб/с	64 QAM	1.1 б/с/Гц	80 км SMF в лаборатории	[l-4]
25.6 Тб/с	22.0 Тб/с	16 QAM	3.2 б/с/Гц	9.6 км, 30-жильное оптоволокно	[l-5]
44.2 Тб/с	40.1 Тб/с	64 QAM	10.4 б/с/Гц	B2B (0 км)	Данная публикация
44.2 Тб/с	39.2 Тб/с	64 QAM	10.2 б/с/Гц	75 км SMF в лаборатории	Данная публикация
44.2 Тб/с	39.0 Тб/с	64 QAM	10.1 б/с/Гц	76.6 км SMF на действующей муниципальной линии	Данная публикация

Табл. 1. Сравнение результатов с другими публикациями.

05. Полезные ссылки

Рекомендую также просмотреть ссылки на другие роботы в данной области, использованые в публикации [l-1].

06. Послесловие

Достижение скорости передачи данных в 44.2 Тб/с (даже если на практике это 39.0 Тб/с) — это впечатляющее достижение современной науки.

И даже не смотря на то, что использовать его в жизни мы вряд ли сможем скоро, возможность передачи данных с высокой скоростью — одна из немногих сфер науки, которая не вызывает у обычных людей вопросов «а зачем вы это делаете?» или «а как это применить в нашей жизни?».

Надеюсь, вам было интересно. Спасибо за внимание!

Источник