Wideband Multimode Fiber Was ist das, und warum ist es sinnvoll? November 2015

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1 Wideband Multimode Fiber Was ist das, und warum ist es sinnvoll? November 2015

2 Zusammenfassung Multimode-Faserverkabelung (MMF) ist als Übertragungsmedium das Arbeitspferd in Backbones von Local Area Network (LAN) und Rechenzentren. Denn sie stellt die kostengünstigste Übertragungsmethode für hohe Datenraten über Entfernungen dar, die den Anforderungen dieser Umgebungen gerecht werden. MMF hat sich aus Optimierungen für Übertragungen im Geschwindigkeitsbereich von mehreren Megabit pro Sekunde mithilfe von LED-Lichtquellen entwickelt. Mittlerweile unterstützt das Verfahren insbesondere Multi-Gigabit-Übertragungen über VCSEL-Lichtquellen (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mit einer Wellenlänge von 850 nm. Die Kapazität des Kanals konnte durch parallele Übertragungen über mehrere Glasfaserstränge vervielfacht werden. Diese Entwicklungen haben Multimode-unterstützte Datenraten um den beeindruckenden Faktor gesteigert von 10 Mbit/s Ende der 1980er Jahre auf 100 Gbit/s im Jahr waren bereits Datenraten von 400 Gbit/s in Entwicklung. Heute werden diese außergewöhnlichen Raten durch die Kombination mehrerer 25-Gbit/s-Spuren auf jeweils entweder vier oder sechzehn Glasfasersträngen in die jeweilige Richtung erreicht. Trotz der einfachen Durchführung und Effektivität der parallelen Übertragung führt die Fortsetzung dieses Trends zu höheren Kosten beim Verkabelungssystem. Durch die Breitband- Multimode-Glasfaser (Wideband Multimode Fiber, WBMMF) wird der Weg für eine weitere Lösung geebnet, Datenraten über Wellenlängen zu vervielfachen, um die Kapazität der einzelnen Fasern um mindestens das Vierfache zu steigern. Das ermöglicht eine Erhöhung der Datenrate für eine bestimmte Anzahl von Fasern um mindestens das Vierfache (z. B Gbit/s) oder zumindest eine um den Faktor vier verringerte Anzahl der für eine bestimmte Rate benötigten Fasern (z. B. 100 Gbit/s pro Faser). WBMMF ist für Wellenlängen im Bereich von 850 nm bis 950 nm optimiert und stellt nicht nur eine effizientere Unterstützung zukünftiger Anwendungen über die benötigten Entfernungen sicher, sondern garantiert auch volle Kompatibilität mit vorhandenen Anwendungen. Das macht es zu einem hervorragenden universellen Medium, das neben den gegenwärtigen auch zukünftige Anwendungen unterstützt. MMF ein geschichtlicher Überblick MMF war die erste Glasfaser, die in den frühen 1980er Jahren in Telekommunikationsnetzwerken eingesetzt wurde. Mit einem Licht übertragenden Kern, dessen Durchmesser sechs Mal so groß war wie bei Singlemode-Glasfasern, stellte sie eine praktische Lösung für die Herausforderungen bei der Anpassung dar, mit denen die Entwickler von Steckern, Quellen und Detektoren hinsichtlich der effizienten Einkopplung von Licht in die Verkabelung und dessen Ausgabe konfrontiert waren. In den späten 1980er Jahren, als Anpassungen auf einen Mikrometer (einen Millionstelmeter, µm) genau vorgenommen werden konnten und Laserdioden verfügbar wurden, wurden Singlemode- Glasfasern häufig in öffentlichen Netzwerken eingesetzt. Aber aufgrund der Kostenvorteile durch die einfachere Anpassung und die Möglichkeit, kostengünstige LED-Lichtquellen zu verwenden, fand MMF seinen Platz in Unternehmensnetzwerken, die zahlreiche unterschiedliche Anwendungen wie private Telefonanlagen (PBX), Daten-Multiplexer und LANs unterstützen. In den 1990er Jahren wurde MMF parallel zur Verbreitung von Ethernet- und Fibre-Channel- Anwendungen für LANs und SANs (Storage Area Networks) zum vorherrschenden Medium für Backbones und andere Bereitstellungen, die Reichweiten erforderten, die Kupferkabel mit verdrillten Doppelleitungen nicht bieten konnten. Als die Datenraten die Marke von 100 Mbit/s überschritten, machten die LED-Lichtquellen einer neuen kostengünstigen Lichtquelle Platz, die wesentlich schneller moduliert werden konnte: VCSEL 850 nm Wellenlänge. Dies bewirkte seinerseits eine Umstellung auf einen MMF-Kerndurchmesser zwischen 62,5 µm (OM1-Verkabelung) und 50 µm (OM2-Verkabelung), und zwar aus zwei Gründen: Abbildung 1: LED-Einkopplung unter Vollanregung und unterfüllte VCSEL-Einkopplung 1. Der größere Kern mit 62,5 µm war bei der konzentrierteren Signalausgabe der VCSELs kein sinnvoller Vorteil mehr, da diese effizient mit dem kleineren 50-µm-Kern gekoppelt werden konnten (siehe Abbildung 1). 2. Das 50-µm-Design bot von Natur aus eine höhere Bandbreite, durch die Übertragungen mit Hunderten von Megabit pro Sekunde besser unterstützt wurden. 2

3 Als in den späten 1990er Jahren das Gigabit-Zeitalter anbrach, wurden die Beschränkungen der Bandbreiten-Messtechniken dieser Zeit offensichtlich. Die bei Einkopplung unter Vollanregung vorgenommene Messung, die ursprünglich für Bandbreitenbewertungen entwickelt worden war, mit denen die Leistung von Glasfasern in Verbindung mit LEDs prognostiziert werden sollte, war bei der konzentrierten unterfüllten Einkopplung der VCSELs nicht mehr zuverlässig. Dies führte zu wesentlichen Fortschritten bei der Bandbreitencharakterisierung über eine neu standardisierte DMD-Messung (Differential Mode Delay), bei der mehrere verschiedene Laser-Einkopplungen vorgenommen werden, um die minimale Laser-Bandbreite zu ermitteln. Glasfasern, die diese neue Messung bestanden, wurden unter der Bezeichnung laseroptimierte Multimode-Fasern (LOMMF) bekannt. Die erste Standard-LOMMF bot eine zuverlässige Bandbreite von mindestens 2000 MHz*km bei 850 nm, viermal so hoch wie bei der OM2-Bandbreite unter Vollanregung. Unter der Bezeichnung OM3 läutete die in Abbildung 2 dargestellte Glasfaser in den frühen 2000er Jahren das Zeitalter der Übertragung mit 10 Gbit/s ein. In den späten 2000er Jahren kam OM4 auf den Markt. Diese Technologie ermöglichte Bandbreiten von mindestens 4700 MHz*km in Erwartung von Anwendungen mit 25 Gbit/s pro Spur, die derzeit als 25-G-Ethernet (25GBASE- SR), 100-G-Ethernet (100GBASE-SR4) und 400-G-Ethernet (400GBASE-SR16) entwickelt oder auf den Markt gebracht werden. Bei den SANs folgen die Fibre-Channel-Anwendungen diesen Entwicklungen mit 8GFC, 16GFC, 32GFC und 128GFC (4 32GFC). Heute sind OM3 und OM4 die häufigsten Glasfasermedien für Ethernet- und Fibre-Channel-Anwendungen. Die Rolle der Glasfaser-Steckverbinder Abbildung 2: Laseroptimiertes LazrSPEED-MMF Der erste verbreitete Glasfaser-Steckverbinder für Multimode-Anwendungen war das Modell ST mit einer zylindrischen Klemmhülse mit einem Durchmesser von 2,5 mm und einem Bajonett- Befestigungsmechanismus in einem Singlefibre-Formfaktor. In den 1990er Jahren wurde der ST-Stecker durch den SC-Stecker abgelöst, der über einen Push-Pull-Mechanismus verfügt und zusammengeklappt werden kann, sodass ein Duplex -Anschluss mit zwei Fasern entsteht. Es folgte eine Reihe von Duplex-Steckern im Kleinformat, mit denen die Verbindungsdichte verdoppelt werden konnte. Unter ihnen setzte sich in den frühen 2000er Jahren der Duplex-LC- Stecker als vorherrschende Form durch. Der LC-Stecker mit einer Klemmhülse von 1,25 mm Durchmesser und dem vertrauten Tab-Verriegelungsmechanismus ist auch heute noch der am häufigsten gebrauchte Stecker. Alle diese Steckerarten sind in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3: ST-, Duplex-SC- und Duplex-LC-Stecker Gleichzeitig mit den Duplex-Steckern wurden auch Array-Stecker entwickelt. Zunächst wurden sie in öffentlichen Netzwerken eingesetzt, um Bändchenfaserstrukturen mit acht bis zwölf Fasern pro Band zu verbinden. Der in Abbildung 4 dargestellte MPO-Stecker wurde in den letzten zehn Jahren häufig eingesetzt, um schnell Verkabelungen in Rechenzentren bereitzustellen. Die kompakte Form des MPO-Steckers, der mit einer rechteckigen Klemmhülse ausgestattet ist, erlaubt die Terminierung von einem Dutzend oder mehr Fasern in einem Stecker, der nicht mehr Platz benötigt als ein Duplex-LC-Stecker. Die hohe Dichte des MPO ermöglicht die Installation von vorterminierten Kabeln mit hoher Aderzahl, mit denen sich eine zeitaufwendige Installation der Stecker vor Ort umgehen lässt. MPO-Stecker werden gewöhnlich in eine Fanout-Kassette mit LC-Steckern an der Vorderseite eingesteckt. Mittlerweile werden sie aber auch immer häufiger direkt an der Vorderseite der Patch- Panels angebracht, um parallele Anwendungen wie 40GBASE-SR4 zu unterstützen. 3

4 In Vorbereitung auf die Bereitstellung von 400GBASE-SR16 wird derzeit ein neuer Array- Stecker standardisiert, der unter der Bezeichnung MPO-16 bekannt ist. Wie der Name schon andeutet, wird beim MPO-16 die Anzahl der Fasern pro Reihe von zwölf auf sechzehn erhöht. Neben der hervorragenden Eignung für -SR16 wird auch eine effizientere Zuordnung bei Verkabelungen ermöglicht, die Anwendungen mit vier Spuren in jede Richtung unterstützen beispielsweise 40GE, 100GE und 128GFC. Dieser Stecker dürfte in den kommenden zehn Jahren eine wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung vorterminierter Verkabelungen spielen. Einführung von WBMMF Abbildung 4: MPO-Stecker und Adapter OM3 und OM4 bieten eine sehr hohe, laseroptimierte modale Bandbreite von 850 nm, der vorherrschenden Wellenlänge von Multimode-Anwendungen. Zur Sicherstellung einer gleichwertigen Leistung über einen Wellenlängenbereich, der zur Unterstützung von kostengünstigem Wavelength Division Multiplexing (WDM) benötigt wird, ist jedoch eine neue Glasfaserspezifikation erforderlich. Denn die modale Bandbreite von OM3 und OM4 kann rasch absinken, wenn sie bei anderen Wellenlängen eingesetzt werden. Daher sind sie für die Unterstützung von WDM-Spurraten über 10 Gbit/s pro Wellenlänge alles andere als ideal. Die Erkenntnis, dass sich die chromatische Bandbreite von Glasfasern verbessert, wenn die Wellenlänge 850 nm überschreitet, und dass proprietäre Anwendungen wie 40G-SR-BD von Cisco (40 Gbit/s bei bidirektionaler Übertragung pro Faser) VCSELs mit Wellenlängen von 850 nm und 900 nm verwenden, führen zu einer Faserspezifikation, die bei 850 nm beginnt und auch größere Wellenlängen umfasst. Abbildung 5 WDM-Konzept mit vier Wellenlängen Kostengünstiges WDM erfordert eine nominale Unterteilung der Wellenlängen von etwa 30 nm. Damit, wie in Abbildung 5 dargestellt, die geforderte Mindestzahl von vier Wellenlängen sicher unterstützt werden kann, ist ein Wellenlängenbereich (einschließlich Sicherheitsfrequenzbändern) von 100 nm zwischen 850 nm und 950 nm notwendig. 4

5 Im Oktober 2014 tat CommScope sich mit mehreren Anbietern von Glasfasern, Transceivern und Systemen zusammen, um ein Projekt innerhalb der Telecommunications Industry Association (TIA) anzustoßen. Dabei soll ein neuer Standard für Glasfasern mit der effektiven Gesamtbandbreite von OM4 in diesem angestrebten Wellenlängenbereich entwickelt werden. Abbildung 6 enthält eine konzeptuelle Darstellung. Abbildung 6 Konzeptueller Bandbreitenvergleich Die Motivation zur Initiierung des neuen Standardisierungsprozesses besteht in der Verbesserung des Nutzens von Multimode-Glasfaser zur Unterstützung zukünftiger Anwendungen bei gleichzeitiger Erfüllung der Anforderungen derzeitiger Anwendungen mit einem in Abbildung 7 zusammengefassten Satz von Zielen und Vorteilen. Diese Motivation wurde durch die TIA-Unterausschüsse TR und TR geteilt, die dem Start des neuen Projekts ohne Gegenstimmen zugestimmt haben. Ziele und Vorteile: Erhalt der Bestandsanwendungsunterstützung von OM4 Erhöhung der Kapazität auf > 100 Gbit/s pro Faser Reduzierung der Faseranzahl um 4 Ermöglichung von Ethernet: 100G-SR, 400G-SR4, 1600G-SR16 Ermöglichung von Fibre Channel: 128G-SWDM4 Vergrößerung des Nutzens von MMF Vergrößerung des Wertes von MMF für Kunden Abbildung 7: Ziele und Vorteile von WBMMF Da die Spezifikation die Leistung des OM4 bei 850 nm beibehält, erfüllt dieses Breitband-MMF auch weiterhin die Anforderungen vorhandener Anwendungen. Gleichzeitig verbessert und ermöglicht sie aber auch die zukünftige Unterstützung kostengünstiger, VCSEL-basierter WDM-Anwendungen. Indem sie eine hohe Bandbreite bei längeren Wellenlängen bietet, unterstützt diese Glasfaser auch die Übertragung von Signalen schnellerer VCSELs und stellt so Spurraten von 50 Gbit/s und mehr in Aussicht. Diese Glasfaser ist eindeutig nicht nur in der Lage, die Anzahl der für parallele Anwendungen verwendeten Fasern zu reduzieren (wie in Abbildung 8 dargestellt), sondern sie ermöglicht in Verbindung mit den etablierten parallelen Übertragungstechnologien auch höhere Datenraten wie beispielsweise Ethernet mit 800 und 1600 Gbit/s. 5

6 Legend parallel fiber transmission WDM transmission WDM + parallel transmission Abbildung 8: Technologie-Roadmap für parallele und WDM-Übertragung Im März 2015 gaben Finisar und CommScope auf der Optical Fiber Communications Conference (OFC 2015) eine Demonstration dieser WDM-Technologie mit einer Live- Übertragung von vier Wellenlängen innerhalb des Zielfrequenzbands des Vorschlags für den WBMMF-Standards (d. h. 850 nm, 880 nm, 910 nm und 940 nm) mit einzeln jeweils mehr als 25 Gbit/s und damit einem Gesamtdurchsatz von mehr als 100 Gbit/s. Diese Demonstration des Short-Wavelength Division Multiplexing (SWDM) erfolgte fehlerfrei über eine Entfernung von 100 m mit LazrSPEED 550 OM4 MMF und 225 m mit LazrSPEED 550 WideBand MMF ohne Zuhilfenahme von Forward Error Correction (FEC). FEC ist eine in Ethernet- und Fibre- Channel-Standards übliche Technologie, um die Kommunikation toleranter gegen Übertragungsfehler zu machen. Obwohl die Demonstrationen nicht repräsentativ für ihre zukünftig möglichen Entfernungen sind, geben sie bereits Anhaltspunkte für das relative Leistungsvermögen zwischen OM4- und WideBand-Filtern. Fotos der Demonstration sind in Abbildung 9 zu sehen, wo drei Spulen von LazrSPEED 550 WideBand MMF verschiedener Längen (d. h. 50, 75 und 100 m) zu einem Kanal der Länge 225 m zusammengesetzt wurden. Der Transceiver bestand aus vier SFP-Modulen, die jeweils mit ihrer eigenen Wellenlänge betrieben und zusammen in Form eines externen optischen Multiplexers in die Faser eingesetzt wurden. Am Ausgang der Faser wurden die Wellenlängen durch einen optischen Demultiplexer getrennt und an ihre jeweiligen Empfänger übergeben. Abbildung 9 WDM mit 4 x 25 Gbit/s über 225 m LazrSPEED 550 WideBand MMF auf der OFC

7 Im September 2015 demonstrierte CommScope auf der der Konferenz von Industry Consulting Service International (BICSI) in Las Vegas (USA) den fehlerfreien Betrieb des Finisar-Transceivers 40G-SWDM4 über 500 m LazrSPEED 550 WideBand MMF. Die linke Seite von Abbildung 10 zeigt den an einem Testaufbau montierten QSFP-Transceiver neben der Spule der Weitbandfaser LazrSPEED 550. Die rechte Seite zeigt ein Bildschirmfoto mit der Anzeige der Übertragungsleistung jeder Wellenlänge. Die Übertragung auf diesen vier Kanälen verlief während der Vorführung fehlerfrei, was hier an der Zeitmarke von einer Stunde und zweiundzwanzig Minuten zu sehen ist. Abbildung 10 40G-SWDM4 über 500 m LazrSPEED 550 WideBand MMF auf der BICSI- Konferenz Ebenfalls noch im September 2015 demonstrierte CommScope dann auf der European Conference on Optical Communications (ECOC 2015) im spanischen Valencia den vollintegrierten 100G-SWDM4 QSFP-Transceiver von Finisar über 300 m LazrSPEED 550 WideBand Multimode-Glasfaser, 75 m länger als auf der OFC Wie zuvor verlief die Demonstration fehlerfrei ohne Zuhilfenahme von FEC. Das untere Foto in Abbildung 11 zeigt die Übertragung von mehr als 114 Billionen Bit durch jeden der vier SWDM-Kanäle mit null Fehlern. Im Oktober wurde dieselbe Demonstration auf der Gulf Information Technology Exhibition (GITEX 2015) in Dubai (VAE) wiederholt. 7

8 Abbildung G-SWDM4 über 300 m LazrSPEED 550 WideBand MMF auf der ECOC 2015 Im September 2015 wurde von der SWDM Alliance, einer Gruppe von Unternehmen mit Interesse an der Förderung der Einführung von kostengünstigem Wellenlängen-Teilungs- Multiplexing über Multimode-Faser, eine Website zur Förderung der öffentlichen Aufmerksamkeit und des Branchenökosystems gestartet. Zu den derzeit zehn Mitgliedsunternehmen gehören Hersteller von Transceivern, Switches, Servern, Glasfaser und Verkabelung. Nähere Informationen finden Sie unter Die Standardisierung von WBMMF macht innerhalb des Ausschusses der TR-42 der TIA (Telecommunications Industry Association) schnelle Fortschritte. Der Ausschuss TR legte auf seiner Sitzung im Oktober 2015 den Entwurf TIA-492AAAE zur zweiten Abstimmung vor, wobei die Veröffentlichung für 2016 erwartet wird. Zusammen mit der Ausreifung des Standards haben mehrere Faserhersteller WBMMF-Produkte freigegeben, die den Spezifikationen des Entwurfs entsprechen oder diese übertreffen. Darüber hinaus gab CommScope die Verkabelungslösung LazrSPEED 550 WideBand frei. Sie enthält Hauptverbindungskabel, Patchkabel und Fan-out-Module für die InstaPATCH-Plattform. Insgesamt fügen sich alle Einzelteile nach und nach zu einer umfassenden Lösung zusammen, die die Kommunikation über Multimode-Faser einen Schritt voranbringen wird... Die Weiterentwicklung einer Technologie mit einer fache Steigerung der MMF-Leistung von 10 Mbit/s auf 1600 Gbit/s ist umso bemerkenswerter, als sie dabei ihrem jahrzehntelangen Markenzeichen als Low-Cost-Technologie nie untreu wurde. Von den Anwendungsgeschwindigkeiten bis hin zur Glasfaserkapazität spielt CommScope eine Schlüsselrolle bei diesem erstaunlichen technologischen Fortschritt. Wir blicken über aktuelle Einschränkungen hinaus, um die Entwicklung leistungsfähigerer Multimode-Lösungen vorauszudenken und anzutreiben. Zusätzlich zu unseren bisherigen Glasfasern LazrSPEED 300 OM3 und LazrSPEED 550 OM4) bieten wir ab sofort auch die LazrSPEED 550 WideBand- Faser an, um Ihr Netzwerk zukunftsfähig zu machen. 8

9 CommScope (NASDAQ: COMM) unterstützt Unternehmen weltweit beim Design, Aufbau und Management ihrer drahtgebundenen und drahtlosen Netzwerke. Unsere Netzwerk-Infrastrukturlösungen ermöglichen es den Kunden, ihre Bandbreite zu erhöhen, die vorhandene Kapazität zu maximieren, die Netzwerkleistung und Verfügbarkeit zu verbessern, die Energieeffizienz zu steigern und die technologische Migration zu vereinfachen. Sie finden unsere Lösungen in den größten Niederlassungen, Stätten und Freiplätzen, in Rechenzentren und Gebäuden aller Formen, Größen und Bauarten, an Funkstandorten und an kabelgebundenen Stationen, in Flughäfen, Zügen und Tunneln. Wichtige Netzwerke auf der ganzen Welt werden mit CommScope-Lösungen ausgeführt. Wenn Sie weitere Informationen benötigen, besuchen Sie unsere Website oder wenden Sie sich an Ihren lokalen CommScope-Vertreter CommScope, Inc. Alle Rechte vorbehalten. Alle mit oder gekennzeichneten Marken sind eingetragene Marken bzw. Marken von CommScope, Inc. Dieses Dokument dient lediglich zu Planungszwecken und nicht zur Änderung oder Ergänzung von technischen Daten oder Gewährleistungen in Bezug auf Produkte oder Services von CommScope. WP DE (01/17)