Ethernet 10GbE w światłowodzie

Rynek okablowania światłowodowego zdominowały w początkowym okresie dwa rodzaje włókien optycznych o średnicach rdzenia: 62,5 µm (głównie w USA) i 50 µm (w Europie Zachodniej). Podstawowym czynnikiem decydującym o wyborze rodzaju kabla była cena, bardziej korzystna dla rozwiązań zbudowanych z wykorzystaniem włókna z rdzeniem 62,5 µm, a nie własności tłumieniowe i nieliniowe światłowodu. Od kiedy pojawił się Gigabitowy Ethernet (1999 r.) operujący dziesięć razy szybciej niż jego poprzednik Fast Ethernet, wymagany standardem dystans 300 m stał się praktycznie nieosiągalny dla włókien z rdzeniem o średnicy 62,5 µm. Podstawową przyczyną było zjawisko dyspersji (a nie tłumienia osłabiającego sygnał), której ulega transmitowany promień światła. Zbyt wysoki poziom dyspersji włókna stał się bezpośrednią przyczyną wzrostu zainteresowania włóknami o średnicy 50 µm, bardziej odpowiednich zarówno dla okablowania strukturalnego, jak i długodystansowych transmisji.

Szerokopasmowe technologie optyczne 1GbE i 10GbE potrzebują szybszych częstotliwościowo śródeł światła, ze wskaśnikiem modulacji lepszym niż mają go tradycyjne diody luminescencyjne LED stosowane dotąd w aplikacjach o przepływnościach do 622 Mb/s. Aby obniżyć koszt szkieletowej instalacji światłowodowej dla gigabitowych aplikacji optycznych, wprowadzono w 1997 r. bardziej ekonomiczne laserowe śródła VCSL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) działające przy długości fali 850 nm w światłowodach z włóknem 50/125 µm. Dla tych aplikacji opracowano specyfikacje wielomodowych włókien światłowodowych OM (Optical Multimode) oraz włókien jednomodowych OS (Optical Single Mode) współpracujących z laserami VCSL.

Nowe standardy światłowodowe klasyfikują włókna w kilku kategoriach OM z uwzględnieniem podstawowych parametrów włókien nowej generacji. Wprowadzony w drugim wydaniu norm EN 50173 oraz ISO/IEC 11801 podział włókien światłowodowych na kategorie OM1, OM2, OM3 oraz OS1 uwzględnia możliwości transmisyjne okna (pasmo przenoszenia przy określonej długości transmitowanej fali). Obliguje też producentów do stosowania rozwiązań mających sprostać tym wymaganiom także w dziedzinie złączy i elementów połączeniowych. Pierwsze włókna klasy OM (AMP) zaimplementowano w okablowaniu światłowodowym Solarum, w którym wykorzystuje się włókno OM3 (50/125) w dwóch oknach transmisyjnych: 850 nm (1500 MHz*km) i 1300 nm (500 MHz*km). Za jego pomocą uzyskuje się transmisję 10 Gb/s (Gigabit Ethernet) na odległość do 300 m. Firma Molex uzupełniła dostawy rynkowe wszystkimi rodzajami włókien kategorii OM (OM1, OM2, OM3) zgodnymi z wymaganiami standardu.

Zastosowanie śródeł światła laserowego VCSL oraz osprzętu 1Gb/s dla fali 850 nm sprawia, że zwykle nie ma potrzeby inwestowania w kosztowny sprzęt aktywny i wymianę sieci kablowej przy przejściu na aplikacje 10-gigabitowe. Jeden rodzaj włókna zoptymalizowanego może zastąpić pozostałe rozwiązania kablowe, zapewniając współpracę systemów komunikacji z protokołami: Ethernet, Token Ring, Fibre Channel, FDDI, Ethernet, Fast Ethernet, 1GbE czy 10GbE. Optymalizacja włókna w procesie produkcyjnym pod lasery VCSL polega na niewielkiej korekcie (w procesie produkcyjnym) charakterystyki współczynnika załamania światła w profilu rdzenia, ponieważ standardowa procedura wytwarzania włókien 50/125 µm nie zapewnia wymaganego pasma przenoszenia. Dla nowszych aplikacji pojemność ta wynosi obecnie ok… 2000 MHz x km dla fali 850 nm (10 Gb/s, 300 m).

Użytkownik może obecnie wybierać między tanimi śródłami światła laserowego VCSEL o szerokopasmowej emisji sygnału, lecz z droższym okablowaniem, a tańszym osprzętem CWDM (zamiast kosztownego DWDM), ale o niższej przepustowości. Dla niewielkich odległości słuszna jest zasada, że tańsze okablowanie wymaga droższego sprzętu aktywnego, takiego jak DWDM, i odwrotnie. O ile standardowe włókna optyczne 50/125 µm i 62,5/125 µm w połączeniu z laserami VCSL są wystarczające do aplikacji 1GbE, o tyle przy 10-krotnie wyższej częstotliwości pracy w technologii 10GbE można stosować (poza nielicznym wyjątkami) jedynie cieńsze włókna optyczne 50/125 µm, optymalizowane pod kątem laserów VCSL.

Zatwierdzenie specyfikacji 10 Gigabitowego Ethernetu optycznego (10Base-X) przez komitet normalizacyjny 802.3ae stało się punktem zwrotnym implementacji światłowodowych rozwiązań 10 Gb/s w szkieletowych sieciach budynkowych. Instalacje Ethernetu 10 Gb/s wg 802.3ak oparte na miedzi mogą obecnie obsługiwać jedynie krótkie połączenia lokalne (przełącznik-przełącznik, stacja robocza-przełącznik, serwer-serwer), natomiast długodystansowy Ethernet wg standardu 802.3ae będzie oparty wyłącznie na światłowodach z osprzętem DWDM. Jednorodna postać sieciowych rozwiązań 10GbE w poszczególnych segmentach okablowania istotnie upraszcza konfigurowanie i zarządzanie szkieletem sieci. Stanowi też naturalną ścieżkę rozszerzania możliwości transmisyjnych istniejących protokołów bez konieczności dodatkowego szkolenia personelu.

Przepływności transmisyjne dzisiejszych jednomodowych włókien światłowodowych sięgają 40 Gb/s (TDM). Włókna te zwykle nie są w pełni wykorzystane ze względu na pozostające w tyle rozwiązania drogich, terabitowych platform optycznych oraz innych szkodliwych własności urządzeń optycznej infrastruktury (niedoskonałość elementów pasywnych, termiczne pływanie złączy, ograniczenia w szybkości przełączania i multipleksacji). Ogólny wzrost przepływności łączy uzyskuje się przez stosowanie włókien o małej (niezerowej) dyspersji i jej odpowiedniej kompensacji wzdłuż toru oraz przez stosowanie śródeł światła o wąskim spektrum promieniowania w technologiach DWDM. Rozwój systemów zwielokrotnienia falowego DWDM ewoluuje od przepływności początkowej 10 Gb/s (4 x 2,5 Gb/s) do 40 Gb/s (TDM) uzyskiwanych w pojedynczym włóknie do terabitowych platform optycznych o przepływności sięgającej kilkuset Tb/s (160 x 160 x 10 Gb/s).