Trasmissioni ed applicazioni ottiche

Nell’ambito delle reti di cablaggio in fibra ottica è possibile identificare varie tipologie, velocità ed applicazioni. Due fattori in particolare influenzano la velocità di trasmissione: il tipo di fibra e la sorgente ottica utilizzata. Un ulteriore incremento della capacità trasmissiva può derivare dall’utilizzo della multiplazione, che consente il trasporto di segnali multipli all’interno della stessa fibra.

Le applicazioni in fibra possono essere divise in tre gruppi principali: di dorsale, di tipo carrier e di tipo fiber- to-the-desktop. V i è anche un crescente numero di applicazioni fiber-to-the-premise (FTTP), tra cui quelle di tipo video. Soluzioni di storage e interfacce di rete di tipo ottico sono pronte all’uso. Le associazioni di produttori hanno definito i parametri operativi per lo storage fiber-attached nei data center. Indipendentemente dall’utilizzo, le caratteristiche di perdita e di banda delle fibre sono elementi critici di successo per la rete.

TRASMISSIONE IN FIBRA

La combinazione di tre elementi quali il tipo di sorgente, la qualità e il diametro delle fibre determinerà quindi non solo la distanza massima operativa del canale, ma anche la velocità di trasmissione. La fibra multimodale viene tipicamente utilizzata per distanze medio-brevi, con una transizione dalle 62.5/125 alle 50/125, disponibili in diverse tipologie, tra cui le fibre ottimizzate per laser ad alte prestazioni. Le fibre monomodali consentono applicazioni a lunga distanza, con un costo superiore per quanto riguarda l’elettronica.

La velocità del segnale ottico nella fibra dipende dal suo indice di rifrazione, sulla base di un’equazione che confronta la propagazione del segnale nel mezzo trasmissivo rispetto al vuoto. Esso si trasmette in una parte non visibile dello spettro ottico, tipicamente a 850, 1310 e 1550 nm, tramite conversione del segnale elettrico (analogico o digitale) in segnale luminoso da parte del trasmettitore e la corrispondente riconversione otticoelettrico lato ricevitore.

PERDITE E DEGRADO DEL SEGNALE OTTICO

Come per il rame, la perdita di segnale (attenuazione) viene misurata in decibel (dB) e dipende dalla qualità della fibra e degli elementi di interconnessione utilizzati. In particolare, la fibra presenta un’attenuazione specifica (dB/km) funzione della lunghezza, mentre gli elementi di interconnessione (connettori, giunti) presentano un valore specifico; la somma di questi parametri permetterà di valutare la rispondenza del link al budget ottico disponibile, dipendente dalla potenza del trasmettitore e dalla sensibilità del ricevitore.

La misura di attenuazione va effettuata tramite una sorgente ottica ed un power meter, l’utilizzo di un OTDR consente di caratterizzare il segmento ottico sotto misura per quanto riguarda la posizione di ciascun elemento e quindi anche per interventi di manutenzione, ma risulta meno affidabile per una misura specifiche di attenuazione.

La fibra presenta un’attenuazione di tipo intrinseco e una di tipo estrinseco. La prima deriva dal processo di produzione e dipende da impurità e disomogeneità del vetro. Il segnale viene quindi assorbito o disperso, con conseguente influenza sulle distanze raggiungibili.

I miglioramenti nel processo hanno consentito la realizzazione di un nuovo tipo di fibra multimodale detta fibra ottimizzata per laser (secondo TIA) o OM3 (secondo ISO), che presenta due principali migliorie: la riduzione delle impurità nel nucleo e un aumentato controllo del profilo d’indice di rifrazione, con conseguente riduzione della dispersione modale.

I diversi modi ottici attraversano la fibra raggiungendo il ricevitore contemporaneamente. Ciò incrementa la capacità e la banda disponibile, con applicazioni fino a 10Gb/s, così come le massime distanze raggiungibili a parità di applicazione.

L’attenuazione estrinseca è dovuta a fattori esterni, quali lo stress meccanico (con conseguenti microcurvature) o il mancato rispetto del raggio di curvatura del cavo (macrocurvature), con conseguente perdita parziale o totale della potenza, che viene rifratta all’esterno del nucleo. Questa è la ragione del necessario rispetto delle specifiche di raggio minimo di curvatura fornite dal fabbricante.

Qualunque problema di installazione o di progettazione nelle fibre ottiche può impedire al ricevitore una corretta ricostruzione del segnale trasmesso.

INVIO SEGNALE OTTICO

La sorgente ottica può essere un LED (Light Emitting Diode), un Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) o un VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). I Laser ed i VCSEL presentano una sorgente più potente e precisa, consentono quindi trasmissioni a distanze superiori rispetto ai LED, a discapito di un costo superiore.

L’interfacciamento di una sorgente alla fibra viene detto “lancio”, metodo che può essere di tipo “overfilled” piuttosto che “restricted”. Nel primo viene emesso un segnale con diametro fisico superiore a quello del nucleo della fibra, con eccitazione di tutti i modi ottici, nel secondo il segnale ha un diametro inferiore rispetto al core, con eccitazione ristretta solo ad alcuni modi ottici. Nella fibra monomodale solo il modo ottico principale viene eccitato e trasmesso.

Durante la propagazione gli impulsi ottici possono subire un allargamento; tale fenomeno è detto dispersione. Quando si ha sovrapposizione degli impulsi, il ricevitore non è in grado di ricostruire l’informazione utile, con conseguente limitazione della banda disponibile. Il segnale luminoso è inoltre composto da diverse lunghezze d’onda (“colori”), che hanno diverse velocità di propagazione nella fibra. La selezione dei modi di lancio consente di limitare gli effetti della dispersione.

Nelle fibre ottiche multimodali di vecchia generazione (62.5/125) si presenta il fenomeno del ritardo di modo differenziale (DMD), per ovviare al quale vengono utilizzate patch cord di tipo “mode conditioning”. Queste presentano un interfacciamento disassato tra fibra monomodale e fibra multimodale, limitando il numero dei modi ottici trasmessi e consentendo in tal modo l’implementazione di applicazioni di tipo Gigabit. Tali patch cord andranno posizionati ad entrambe le estremità dei link.

La banda ottica coincide con la capacità trasmissiva della fibra, ed è inversamente proporzionale alla dispersione. Ne segue che il controllo della dispersione determina la banda utile della fibra.

ISO/IEC 11801 ed.2.0 definisce tre tipi di fibra multimodale: quelle di tipo OM1 sono principalmente associate alle fibre 62.5/125, quelle di tipo OM2 sono rappresentate dalle fibre “classiche” 50/125 con banda di 500 MHz•km ad entrambe le lunghezze d’onda operative, quelle OM3 presentano una banda di 1500/500 MHz•km per lancio di tipo overfilled e 2000 MHz•km per lancio “restricted”.

Specifiche ISO di banda multimodale

		Min Banda Modale MHz • km
Tipo di fibra	Diametro nucleo (ìm)	Lungh. d’onda (nm)	Overfilled Launch (OFL)	Restricted Mode Launch (RML)
OM1	50 o 62.5	850 1300	200 500	Non specificato Non specificato
OM2	50 o 62.5	850 1300	500 500	Non specificato Non specificato
OM3	50	850 1300	1500 500	2000 Non specificato

Nota: La banda laser efficace di lancio viene garantita dal valore di ritardo di modo differenziale (DMD) secondo quanto specificato nel documento IEC/PAS 6073-1-49.

Specifiche TIA di banda multimodale

		Min Banda Modale MHz • km
Tipo di fibra	Lungh. d’onda (nm)	Overfilled Launch (OFL)	Restricted Mode Launch (RML)
62.5/125ìm Mulitmode	850 1300	160 500	Non richiesto Non richiesto
50/125ìm Multimode	850 1300	500 500	Non richiesto Non richiesto
Laser-Optimized 50/125ìm Multimode	850 1300	1500 500	2000 Non richiesto

GLI APPARATI OTTICI

Ogni apparato elettronico dispone di una gamma di sorgenti per potere trasmettere sui diversi tipi di fibra. Con la sorgente e il tipo di fibra varierà la distanza e la banda disponibile. Nella maggior parte delle reti la fibra viene utilizzata per connessioni di dorsale e il collegamento interedificio. Come detto in precedenza, velocità e distanza massima raggiungibili sono funzione del tipo, del diametro, della banda modale della fibra e del tipo di sorgente scelta. Per trasmissioni di tipo Gigabit, le massime distanze approvate da IEEE sono rappresentate in tabella.

GBIC	Lunghezza d’onda (nm)	Tipo di fibra	Diam Core (micron)	Banda Modale (MHZ/km)	Distanza
1000BASE-SX	850	MMF	62.5	160	220m
			62.5	200	275 m
			50	400	500m
1000BASE-LX	1300	MMF¹	62.5	500	550m
			50	400	550m
			9/10	N/A	10km
1000BASE-EX	1550	SMF	9/10	N/A	70 to 100km

¹ Al posto della lettera R è possibile identificare l’interfaccia con la lettera X.

Come si vede, le distanze possono variare da 220 metri a parecchie decine di chilometri. Le sorgenti GBIC (Gigabit Interface Converters) vengono distinte in SX (breve distanza), LX (lunga distanza), EX (extra). Su distanze brevi può essere necessario utilizzare un attenuatore ottico per evitare la possibile saturazione del ricevitore.

Per notare la differenza tra velocità trasmissive e qualità delle fibre, la seguente tabella confronta le distanze a partire da applicazioni 100 Mb/s per arrivare a 10 Gb/s. Come è possibile notare, anomalie nelle fibre, nelle sorgenti ottiche e caratteristiche di banda possono influenzare la distanza raggiungibile su portante ottico. La distanza cresce con soluzioni in fibra ottimizzata per laser, che rappresentano la migliore scelta dal punto di vista del ritorno sull’investimento. Le ulteriori distanze supportate eliminerebbero la necessità di elettronica costosa e ripetitori lungo linea.

Applicazione	Lungh. d’onda	62.5ìm 160/500	62.5ìm 200/500	50ìm 500/500	50ìm 2000/500	SMF
100BASE-SX	850nm	300m	300m	300m	300m
1000BASE-SX	850nm	220m	275m	550m	550m
1000BASE-LX	1300nm	550m	550m	550m	550m	5km
10GBASE-SR*	850nm	28m	28m	86m	300m
10GBASE-LR*	1310nm					10km
10GBASE-ER*	1550nm					40km
10GBASE-LRM	1300nm	220m	220m	220m	220m
10GBASE-LX4	1310nm	300m	300m	300m	300m	10km

*Queste interfacce vengono anche identificate con una X al posto della R

L’interfaccia a 10Gb/s viene detta Xenpack, rispetto al termine GBIC associato alle trasmissioni a 1 Gbit. Sia 10GBASE-SR che 10GBASE-LR hanno una controparte per area geografica per connessioni a reti SONET a 9.58 Gb/s (OC-192), interfacce note come 10GBASE-SW e 10GBASE-LW rispettivamente.

La diffusione di applicazioni Gigabit alla scrivania va di pari passo con l’utilizzo di dorsali 10G. Le interfacce ottiche sono sempre più comuni in applicazioni per data center e persino al desktop. Per quanto alcune sorgenti consentano di utilizzare fibre di grado inferiore, si rivela sempre più economico un aggiornamento del link ottico, ampiamente compensato dal costo inferiore delle sorgenti.

All’interno della soluzione 10G ip™ Siemon il sistema in fibra ottica XGLO è perfetto per applicazioni di dorsale o di fibre-to-the-desk di prossima generazione. Le soluzioni XGLO utilizzano fibre conformi allo standard 10 Gigabit Ethernet IEEE 802.3 e alle specifiche IEC-60793-2-10 e TIA-492AAAC di ritardo di modo differenziale (DMD). XGLO utilizza fibre ottimizzate per laser per prestazioni superiori e applicazioni a 1 e 10G.

Il sistema Siemon XGLO si rivela ideale per applicazioni di dorsale e FTTD di prossima generazione. Il cavo XGLO presenta fibre conformi agli standard IEEE 802.3 per 10 Gigabit, IEC 60793-2-10 e TIA-492AAAC relativi alle specifiche di DMD in banda laser. La soluzione XGLO utilizza fibra ottimizzata per laser per prestazioni trasmissive ottimali e applicazioni Ethernet a 1G e 10G.