`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Оптические сети: основные компоненты

Статья опубликована в №28 (547) от 25 июля

0 
 

За последние два десятилетия оптические технологии радикально изменили инфраструктуру телекоммуникационных систем во всем мире. По мере роста требований к пропускной способности корпоративных сетей они стали распространяться и в этом сегменте. К примеру, сегодня центры данных и SAN базируются на оптоволоконных каналах со скоростью передачи данных от 1 до 10 Gbps. Они становятся все более экономичными, и круг их сторонников постоянно расширяется.

Немного истории

Датой рождения оптических коммуникаций следует считать 1970 г. К этому времени были совершены два технологических прорыва. Первый заключался в изобретении в 1962 г. полупроводникового лазера. Второй произошел в сентябре 1970 г., когда было получено стеклянное оптоволокно с затуханием менее 20 дБ/км.

Ранее, в 60-х годах, волокна со стеклянным покрытием имели затухание около 1 дБ/м, что было достаточным для ряда медицинских целей, но слишком большим для использования в телекоммуникациях. С помощью упомянутой разработки порог доступности оптоволокна для телекоммуникационной индустрии был преодолен. В 1977 г. AT&T установила первый оптоволоконный канал в Чикаго.

В первых оптических коммуникационных системах применялось многомодовое оптоволокно (Multi-Mode Fiber – MMF) и лазер с длиной волны в диапазоне 850 нм. Длина канала в таких системах достигала нескольких километров с затуханием от 2 до 3 дБ/км. Лазеры второго поколения, излучающие в окне 1310 нм, и использование одномодового волокна (Single-Mode Fiber – SMF) позволили снизить потери до 0,5 дБ/км. Несколько позднее стало доступным окно в области 1550 нм, и затухание в SMF стало еще ниже – 0,22 дБ/км.

Развитие базирующихся на оптоволокне телекоммуникационных систем в 90-х годах было направлено на увеличение их пропускной способности. Прежде всего оно достигалось за счет повышения скорости модуляции сигнала – 155 Mbps, 622 Mbps, 2,5 Gbps и, наконец, в настоящее время – 10 Gbps (хотя полная доступная полоса пропускания стандартных оптических волокон невообразимо велика – около 20 THz). Поскольку практически монохромный лазер не может утилизировать такую полосу, для передачи данных используются несколько лазерных источников, сигналы которых мультиплексируются и транслируются по одному волокну. Эта схема, разработанная в 90-х годах, получила название мультиплексирования с разделением по длинам волн (Wavelength Division Multiplexing – WDM). В 2002 г. были продемонстрированы оптические коммуникационные системы с плотным WDM (DWDM), группирующие более 60 длин волн. При этом на каждой из них пропускная способность составляла 40 Gbps, что в сумме превысило 2,5 Tbps.

Сегодня MMF с окном 850 нм используется преимущественно в корпорациях на коротких расстояниях как наименее дорогостоящее решение. Для средних дистанций (от 2 до 40 км) обычно устанавливают SMF с рабочей длиной волны 1310 нм, а на магистральных дальнодействующих каналах – SMF для длин волн 1550 нм и мультиплексирование DWDM. Увеличение длины волны и производительности сопровождалось повышением стоимости оптических каналов передачи данных.

В настоящее время вся инфраструктура операторов связи базируется на оптоволокне, исключение составляет так называемая последняя миля, в которой в основном применяют коаксиальный кабель или медную витую пару. Однако и здесь усиливаются тенденции замены меди на оптоволокно (Fiber-To-The-Home – FTTH). Внутри корпораций оптоволокно получает распространение с начала 80-х – сперва в суперкомпьютерах, позже в локальных сетях и относительно недавно – в SAN.

Основные компоненты оптических сетей

Базовый оптический коммуникационный канал состоит из трех ключевых строительных блоков: оптического волокна, источников и приемников света.

Оптическое волокно

Расширим и упорядочим сведения об оптоволокне, о которых бегло упоминались вначале.

В 1966 г. Чарльз Као (Charles Kao) и Джордж Хокмен (George Hockman) продемонстрировали, что потери в очищенном стекле могут быть ниже 20 дБ/км. Их публикация стала стартом мировой гонки за лидерство в создании промышленных образцов оптоволокна. В сентябре 1970 г. Роберт Маурер (Robert Maurer), Дональд Кек (Donald Keck) и Питер Шульц (Peter Schultz) из Корнинга (штат Нью-Йорк) добились успеха в разработке стеклянного волокна с затуханием менее 20 дБ/км – необходимого порога для использования в технологиях передачи информации. Волоконная структура на кремниевой основе (кремнезем) состояла из оболочки (плакировки) с более низким коэффициентом преломления, чем центральная жила, которую она окружала. Эта разница в коэффициентах преломления вызывает полное внутреннее отражение, обеспечивающее распространение света вдоль волокна. Сегодня имеется много видов оптоволокна с различными размерами оболочки и центральной жилы. Для связи на короткие расстояния используются также световоды на пластиковой основе (Plastic Optical Fiber – POF).

В телекоммуникациях применяются стеклянные волокна двух типов: SMF и MMF. Первое, как правило, имеет диаметр ядра около 9 мкм, а второе – 50 или 62,5 мкм. На дальность передачи сигналов оказывают влияние два основных явления: оптическое затухание и дисперсия (размывание светового импульса). Затухание, наибольший вклад в которое вносится обычно поглощением и рэлеевским рассеиванием, зависит от длины волны света и составляет для SMF (1500 мкм) до 0,2 дБ/км. Дисперсия приводит к межсимвольным помехам при приеме. Существуют три основных типа дисперсии в оптоволокне: модовая (она же модальная), хроматическая и поляризационная модовая.

Модовая дисперсия возникает из-за того, что лучи света поступают к приемнику по путям неодинаковой длины (модам), а, следовательно, и в разные моменты времени. Хроматическая связана с тем, что свет от лазера не является идеально монохромным, и лучи с различными длинами волн распространяются с неодинаковой скоростью. Наконец, поляризационная модовая дисперсия обусловлена разницей во времени прохождения двух взаимно перпендикулярных поляризационных мод при скоростях передачи более 2,5 Gbps, что вызывается имеющейся асимметрией и напряжениями в центральной жиле, связанными с процессом производства и нестабильностью окружающей среды (колебания температуры, напряжения). В реальности и на затухание, и на дисперсию воздействует еще множество факторов, на которых мы не останавливаемся по вполне понятным причинам.

Источники света

Источники света часто являются самым дорогостоящим элементом оптической коммуникационной системы. Они имеют следующие ключевые характеристики, определяющие ее производительность:

  • длину волны, на которой излучается максимальная мощность;
  • ширину спектра;
  • выходную мощность;
  • пороговый ток;
  • степень линейности выхода в зависимости от тока;
  • спектральную плотность.

Наибольшее распространение получили два типа источников света: лазерные диоды и светодиоды (LED). Все излучатели, преобразующие электрический ток в свет, базируются на полупроводниках и используют p-n-переход.

LED являются недорогими и довольно эффективными при связи на короткие расстояния, однако обладают целым рядом недостатков, препятствующих их повсеместному использованию. Излучаемый свет по сравнению с лазерными источниками представлен более широким интервалом длин волн, что ограничивает расстояние уверенного приема. К тому же он оказывается диффузным, что приводит к боóльшему по сравнению с лазерами затуханию.

Для получения обоих типов источников применяют одинаковые основные материалы – комбинированный арсенид галлия и алюминия (GaAlAs) для коротковолнового диапазона и комбинированный арсенид-фосфид индия и галлия (InGaAsP) – для длинноволнового.

Структура полупроводниковых лазерных диодов определяется направлением, по которому свет покидает лазерный резонатор. По этому признаку их подразделяют на так называемые устройства с поперечным (боковым) излучением (edge emitter) – лазеры Фабри–Перо, с распределенной обратной связью (Distributed Feedback Laser), на распределенных отражательных решетках Брэгга (Distributed Bragg Reflector), неодимовые и волоконные и с вертикальным излучением – лазеры поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (Vertical Cavity Surface Emitting Laser – VCSEL).

По сравнению с поперечными излучателями лазеры VCSEL имеют ряд преимуществ – они гораздо проще в изготовлении и потребляют меньше энергии. Кроме этого, они допускают высокоскоростную модуляцию, благодаря чему позволяют генерировать сигналы со скоростью 1 Gbps.

Доступные сегодня VCSEL изготовляются из арсенида галлия (GaAs) и излучают свет в диапазоне от 750 до 1000 нм. Длины волн этого диапазона слишком коротки, чтобы передавать сигналы на большие расстояния, поэтому VCSEL применяются главным образом в локальных сетях.

Кстати, о модуляции. В современных оптических сетях в типичном случае используется амплитудная манипуляция с переключением (on-off keying), при которой сигнал либо присутствует (единица), либо отсутствует (нуль). Схемы модуляции могут быть разделены на две основные категории: непосредственную и внешнюю. В первой оптический сигнал модулируется посредством изменения проходящего через полупроводниковый лазер тока. При высоких скоростях передачи использование этого подхода связано с рядом трудностей, в числе которых низкий уровень выходной мощности, невысокая скорость модуляции, значительные нелинейные эффекты. Поэтому для скоростей свыше 1 Gbps предпочтительнее вторая схема – в ней лазер излучает в непрерывном режиме, а для формирования битов используется внешний электрооптический модулятор.

Модуляторы интенсивности света могут быть разделены на две группы: интерферометры Маха–Цендера (MZI) и электроабсорбционные (EA).

Принцип действия MZI основан на электрооптическом эффекте, суть которого заключается в изменении показателя преломления n под воздействием прикладываемого к материалу электрического поля – уменьшение n повышает скорость распространения света, а увеличение – снижает. Свет в модуляторе расщепляется в двух световодных каналах. Если необходимо послать единицу, то напряжение, прикладываемое к обоим из них, должно быть одинаковым, если нуль, – то оно прикладывается таким образом, чтобы получить смещение фаз на 180° и, соответственно, взаимное вычитание сигналов в выходном канале, объединяющем оба луча. EA-модуляторы базируются на сдвиге запрещенной зоны в полупроводнике, появляющемся в результате прикладываемого напряжения, что приводит к поглощению генерируемого лазером излучения. Преимущество этого вида устройства в том, что оно обеспечивает высокоскоростную модуляцию, подходит для интеграции с лазерными диодами на базе фосфида индия и требует низкого управляющего напряжения.

Следует упомянуть и о так называемых настраиваемых лазерах, длина волны генерируемого света которых может изменяться в некотором диапазоне. Они находят применение в сетях WDWM.

Детекторы света

Функции фотодетекторов заключаются в преобразовании оптического сигнала в электрический. Обычно это фотодиоды на базе p-i-n перехода или лавинного эффекта.

В фотодиодах типа p-i-n между слоями с n- и p-проводимостью вводится слой с собственной проводимостью (intrinsic area). При подаче обратного напряжения смещения он обедняется свободными носителями. Таким образом, в приборе создаются два перехода: типа p-i и типа n-i. В результате поглощения света в этом слое образуются носители, которые затем ускоряются посредством сильного электрического поля. Такие приборы имеют хорошие частотные характеристики (граничная частота – до 1 GHz).

Физические процессы в лавинном фотодиоде отличаются от таковых в обычном p-n фотодиоде дополнительным лавинным размножением носителей, которые генерируются светом в запирающем слое электронно-дырочного перехода. В результате этого ток во внешней цепи фотодиода увеличивается по сравнению с током, вызванным световой генерацией пар зарядов, и темновым током.

Величина тока и спектральный диапазон, в пределах которого может приниматься сигнал, зависят от материала. Так, кремний и арсенид галлия пригодны для длин волн 400–1100 нм. При боóльших значениях используют германий, в то время как InGaAs и InGaAsP лучше подходят для приема сигналов в ближней инфракрасной области, активно использующейся в телекоммуникационных каналах. Ключевыми параметрами фотодиодов являются время отклика, линейность, уровень шумов и чувствительность.

Важным компонентом оптоволоконных сетей являются также оптические усилители. Однако эта тема уже освещалась в нашем еженедельнике.

Тенденции в корпоративном секторе

Корпоративная сеть имеет четыре основные составляющие: горизонтальную и вертикальную проводку, межсоединения в центрах данных и кампусную магистраль.

Внутри центров данных локальная сеть, базирующаяся на Ethernet, строится главным образом на медном кабеле и оперирует на скоростях передачи данных до 1 Gbps на расстояниях менее 100 м. Иногда для скоростей до 10 Gbps используется MMF с окном 850 нм. В SAN на базе Fibre Channel (FC) применяется только MMF 850 нм, при этом обеспечивается пропускная способность от 1 до 10 Gbps. Оптические магистрали, базирующиеся на SMF 1310 нм, используются преимущественно в сетях масштаба кампуса. Длина их не превосходит 10 км, а пропускная способность – 10 Gbps.

Все оптические каналы в корпоративных сетях применяются для связи устройство-устройство, в типичных случаях – между сервером и коммутатором и самими коммутаторами. Однако сегодня в них все же доминирует медный кабель как более дешевая альтернатива оптоволокну. К примеру, по прогнозам Dell'Oro, рынок коммутаторов Ethernet 1 Gbps вырастет к 2008 г. до 158 млн портов. При этом в нижнем ценовом сегменте стоимость порта упадет до $9. В то же время количество оптических портов 1 Gbps на рынке достигнет 17 млн.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT