Окна оптоволоконной передачи и руководство по пропускной способности оптоволокна

Кварцевое стекло не одинаково прозрачно для каждой длины волны. Затухание и хроматическая дисперсия различаются в ближнем-инфракрасном спектре, а диапазоны длин волн, в которых потери достигают практического минимума, называются окнами оптического пропускания.

Физика, стоящая за этим, хорошо понятна. Рэлеевское рассеяние уменьшается как 1/λ⁴, что означает, что более длинные волны рассеиваются меньше. С другой стороны, инфракрасное молекулярное поглощение резко превышает примерно 1600 нм. Минимум затухания находится там, где эти два механизма пересекают - около 1550 нм. Эта точка пересечения является причиной того, что полоса C- занимает то положение в спектре, которое она занимает. Отдельно пик поглощения остаточных ионов OH⁻ вблизи 1383 нм исторически создавал мертвую зону в спектре, поэтому полосы O- и полосы S- не являются смежными.

Семь стандартизированных диапазонов ITU-T

Четыре из них передают основную часть коммерческого трафика: 850 нм, диапазон O-, диапазон C- и диапазон L-. Остальные три выполняют более узкие роли.

C-диапазон (1530–1565 нм)

Диапазон C- является основой современных оптических сетей. Он находится в нижней части кривой затухания кремнезема, около 0,19–0,20 дБ/км, а его окно усиления соответствует эрбиевым -волоконным усилителям, легированным эрбием. Такое выравнивание является физическим совпадением - спектр излучения ионов эрбия в кварцевом стекле перекрывается с минимумом потерь в волокне -, но от этого зависит вся-транспортная отрасль.

Типичные варианты развертывания включают DWDM магистральные-дальние и сверх{1}}дальние{2}}магистральные сети, подводные кабельные системы, когерентную транспортировку 100G/200G/400G/800G, а также межсетевое соединение центров обработки данных на расстоянии 80+ км. Одна пара волокон в DWDM C-диапазона может передавать 40–96 каналов с совокупной пропускной способностью 100G или выше - в десятках терабит в секунду.

Спектральная эффективность на многих маршрутах C-диапазона сейчас приближается к пределу Шеннона, поскольку когерентный DSP приближается к 800G и 1,6T на длину волны. Когда математические расчеты перестают работать в вашу пользу, практическим ответом будет активация пропускной способности L-диапазона на том же волокне, а не попытка выжать больше битов из каждого канала.

O-диапазон (1260–1360 нм)

Диапазон O-был первым коммерчески использованным окном для одномодового оптоволокна и продолжает доминировать в линиях связи на средние-расстояния. Ключевое свойство: хроматическая дисперсия близка к нулю на длине волны 1310 нм в стандартном волокне G.652, в точке, где дисперсия материала и дисперсия волновода взаимно компенсируются. Оптические импульсы сохраняют свою форму на расстоянии без компенсации, что означает, что трансиверы могут полагаться на более простые архитектуры прямого-детектирования, - более дешевые и с меньшим энергопотреблением, чем когерентные модули C-диапазона.

Общие приложения: модули 10G LR, 25G LR, 100G LR4; городской Ethernet; корпоративная глобальная сеть и точка -темного оптоволокна-; восходящий PON (1310 нм, абонент OLT); Трансиверы BiDi и CWDM.

Компромисс-очевиден. Затухание в диапазоне O- на уровне 0,35 дБ/км примерно на 75 % выше, чем в диапазоне C-, и EDFA не работают на этих длинах волн. За пределами 40–80 км вам понадобится диапазон C-. На расстояниях метро O-диапазон выигрывает за счет простоты распределения и стоимости трансивера. Полупроводниковые оптические усилители и когерентные приемопередатчики диапазона O- находятся в стадии разработки и могут расширить область применения, но их массовое внедрение не является неизбежным.

Диапазон 850 нм

Внутри зданий и центров обработки данных полоса 850 нм в сочетании с источниками VCSEL и многомодовым оптоволокном обеспечивает подавляющее большинство соединений с короткой-дальностью связи. Затухание высокое -, около 2,5–3,5 дБ/км -, но если самая длинная длина кабеля составляет 300 метров, это число не имеет значения.

Оптика на основе VCSEL-стоит значительно дешевле, чем лазерные модули DFB-, и в этом весь смысл. Сервер-к-коммутатору, верхняя часть--стойки, магистральная сеть кампуса, SR 10G/25G/40G/100G - на всей территории 850 нм.

Тенденцию стоит отслеживать: гипермасштабные центры обработки данных все чаще используют одномодовое оптоволокно в новых зданиях для поддержки скоростей 200G и 400G на-линию. Это постепенно съедает долю 850 нм в верхнем сегменте. Но из-за огромной базы многомодового оптоволокна и чувствительных к затратам корпоративных сетей полоса 850 нм никуда не денется в ближайшее время.

L-диапазон (1565–1625 нм)

Диапазон L-функционирует как переполнение диапазона C-. Он обеспечивает второе-наименьшее затухание в стандартном одномодовом-волокне - примерно 0,22 дБ/км и может быть усилено с помощью имеющихся в продаже EDFA L-диапазона.

Добавление L-диапазона EDFA и мультиплексора/демультиплексора C+L на существующих узлах усилителей примерно удваивает полезную полезность.пропускная способность оптоволокнана инфраструктуре, уже заложенной в землю, за небольшую часть стоимости нового строительства. Это первый рычаг, который операторы нажимают на рычаг мощности, когда диапазон C-заполняется.

Развертывание C+L теперь является стандартным для основных подводных систем и становится все более распространенным на наземных маршрутах с интенсивным-наземным движением. Комбинированный спектр C+L превратился из приятного-на-необходимого в базовый план планирования пропускной способности для новой-инфраструктуры дальней связи, особенно в связи с-скоростью роста длины волны до 800G.

Вторичные группы

S-диапазон (1460–1530 нм)

Сегодня основным коммерческим применением диапазона S- является PON: GPON и XG-PON используют длину волны 1490 нм для передачи нисходящего трафика от OLT к абонентам. Кроме того, диапазон S- является объектом исследований для широкополосного DWDM-S+C+L следующего-поколения. Волоконные усилители, легированные тулием-, и рамановское усиление являются возможными решениями по усилению, но ни один из них не приближается к стоимости или надежности EDFA C/L-диапазона в масштабе производства. Лабораторные демонстрации существуют; крупномасштабный-коммерческий DWDM S-диапазона не поддерживает.

Диапазон E-(1360–1460 нм)

Пик воды OH⁻ вблизи 1383 нм исторически делал эту полосу непригодной для использования. Волокно с нулевым пиком воды G.652.D устраняет поглощение, а затухание в полосе E- в волокне ZWP фактически падает ниже уровней полосы O-. Проблема в установленной базе: большая часть волокон в земле во всем мире — это устаревшие G.652.A или G.652.B с неповрежденным пиком воды. Коммерческих трансиверов и усилителей диапазона E- по-прежнему мало. На самом деле, диапазон E- имеет значение только при новом строительстве на оптоволокне ZWP, где необходим каждый доступный слот CWDM.

Диапазон U- (1625–1675 нм)

Диапазон U-не передает трафик данных. Его единственная функция – вне-вне-мониторинг оптоволокна. Рефлектометрическое оборудование на длинах волн диапазона U- подает тестовые импульсы в действующее волокно, измеряя отражения, потери на сращивании, качество разъема и обрывы, не прерывая активные услуги на других диапазонах.

Выбор правильного окна передачи

Ключевые ограничения принятия решений

Тип установленного волокна

Многомодовое волокно (OM3/OM4) ограничивает высокоскоростные-каналы длиной до 850 нм. Устаревший одиночный-режим G.652.A/B исключает диапазон E-из-за пика уровня воды. Волокно, уже находящееся в земле, является первым ограничением -, все остальное следует из него.

Требования к усилению

EDFA работают только в диапазонах C и L. Линии, требующие оптического усиления -, как правило, на расстоянии более 80 км - должны использовать один из этих двух диапазонов. Расширение диапазона O-за пределы 40 км означает либо электрическую регенерацию, либо использование когерентных приемопередатчиков высокой-мощности без усиления, и то, и другое увеличивает стоимость.

Количество каналов и стратегия мультиплексирования

CWDM поддерживает до 18 каналов с шагом 20 нм, без усиления и с более низкой-стоимостью каждого канала. DWDM упаковывает 40–96+ каналов только в диапазон C- (больше в диапазоне L-), требует EDFA и обеспечивает гораздо большую совокупную пропускную способность. Большинство городских и корпоративных каналов связи хорошо обслуживаются CWDM. Магистральные, подводные и крупномасштабные-DCI требуют DWDM. Точка пересечения составляет примерно 8–10 каналов или диапазон усиления за пределами 80 км.

Стоимость трансивера и бюджет мощности

Оптика VCSEL 850 нм является самой дешевой. Модули на базе O-DFB-диапазона (LR, LR4) располагаются посередине. Когерентные модули C-диапазона имеют самую высокую цену и энергопотребление. Нет никакой технической выгоды от развертывания когерентной оптики на 10-километровой линии метро, ​​с которой без труда справляется модуль LR O-диапазона.

Как WDM использует окна передачи

Мультиплексирование с разделением по длине волныназначает разные длины волн независимым потокам данных и передает их одновременно по одному волокну. Окна передачи определяют общий объемпропускная способность волокнадоступны для этого мультиплексирования.

КВДМ

Расстояние между каналами 20 нм в диапазонах O, E, S, C и L. До 18 каналов. Никакого усиления не требуется на обычных расстояниях в метро. Неохлаждаемые лазеры позволяют снизить затраты. Используется в городских сетях, межсетевых соединениях центров обработки данных длиной менее 80 км и корпоративных темных оптоволоконных линиях.

ДВДМ

Разнос каналов 100 ГГц или 50 ГГц в диапазоне C-, при необходимости расширяемый до каналов L-диапазона. 40 на частоте 100 ГГц или 96 на частоте 50 ГГц, каждый из которых передает 100G или более. EDFA необходимы для длинных пролетов. Развертывается на дальних-магистральных, подводных кабелях и высокочастотных-полоса пропускания оптоволокнамежсоединения.

Выбор между CWDM и DWDM сводится к соотношению емкости и стоимости. CWDM дешевле на канал, но максимальное количество каналов составляет 18 без канала усиления. DWDM стоит дороже, но масштабируется до десятков терабит по одной оптоволоконной паре.