مقدمه ای کوتاه بر تکامل فیبر چند حالته

پیشگفتار: فیبر ارتباطی با توجه به تعداد حالت‌های انتقال تحت طول موج کاربرد خود به فیبر تک حالته و فیبر چند حالته تقسیم می‌شود. به دلیل قطر هسته بزرگ فیبر چند حالته، می‌توان آن را با منابع نوری کم‌هزینه استفاده کرد. بنابراین، در سناریوهای انتقال از راه دور دارای کاربردهای گسترده ای است، مانند مراکز داده و شبکه های محلی. با توسعه سریع ساخت مرکز داده در سال های اخیر، فیبر چند حالته که جریان اصلی مرکز داده و منطقه محلی است. برنامه های کاربردی شبکه، همچنین در بهار آغاز شده است، باعث نگرانی گسترده است.امروز، اجازه دهید در مورد توسعه فیبر چند حالته صحبت کنیم.

طبق مشخصات استاندارد ISO/IEC 11801، فیبر چند حالته به پنج دسته عمده تقسیم می شود: OM1، OM2، OM3، OM4 و OM5. مطابقت آن با IEC 60792-2-10 در جدول 1 نشان داده شده است. از جمله آنها OM1، OM2 هستند. به فیبر سنتی 62.5/125 میلی متری و 50/125 میلی متری چند حالته اشاره دارد. OM3، OM4 و OM5 به فیبر جدید چند حالته 50/125 میلی‌متری 10 گیگابیتی اشاره دارد.

اول:فیبر چند حالته سنتی

توسعه فیبر چند حالته در دهه 1970 و 1980 آغاز شد. الیاف چند حالته اولیه شامل اندازه‌های زیادی بود و چهار نوع اندازه موجود در استانداردهای کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی (IEC) شامل چهار عدد بود. 140 میکرومتر. به دلیل اندازه بزرگ روکش هسته، هزینه ساخت بالا است، مقاومت خمشی ضعیف است، تعداد حالت های انتقال افزایش می یابد و پهنای باند کاهش می یابد. بنابراین، نوع اندازه روکش هسته بزرگ به تدریج حذف می شود و به تدریج دو اندازه روکش هسته اصلی تشکیل می شود. آنها به ترتیب 50/125 میکرومتر و 62.5/125 میکرومتر هستند.

در شبکه محلی اولیه، به منظور کاهش هزینه سیستم شبکه محلی تا حد ممکن، یک LED کم هزینه به طور کلی به عنوان منبع نور استفاده می شد. به دلیل قدرت خروجی LED کم، زاویه واگرایی نسبتاً بزرگ است. . با این حال، قطر هسته و دیافراگم عددی فیبر چند حالته 50/125 میلی‌متری نسبتاً کوچک است، که برای اتصال کارآمد با LED مناسب نیست. در مورد فیبر چند حالته 62.5/125 میلی متری با قطر هسته بزرگ و دیافراگم عددی، توان نوری بیشتری را می توان به پیوند نوری جفت کرد. بنابراین، فیبر چند حالته 50/125 میلی متری به اندازه فیبر چند حالته 62.5/125 میلی متری قبل از اواسط دهه 1990

با افزایش مداوم نرخ انتقال LAN، از پایان قرن بیستم، LAN بالاتر از نرخ lGb/s توسعه یافته است. پهنای باند فیبر چند حالته 62.5/125 میکرومتر با LED به عنوان منبع نور تنها به تدریج قادر به برآورده کردن الزامات نیست. در مقابل، فیبر چند حالته 50/125 میلی‌متر دارای دیافراگم عددی و قطر هسته و حالت‌های هدایت کمتر است. بنابراین، حالت پراکندگی فیبر چند حالته به طور موثر کاهش می یابد و پهنای باند به طور قابل توجهی افزایش می یابد. با توجه به قطر هسته کوچک، هزینه تولید فیبر چند حالته 50/125 میلی متر نیز کمتر است، بنابراین دوباره به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.

استاندارد IEEE 802.3z Gigabit Ethernet مشخص می کند که فیبرهای چند حالته 50/125mm و چند حالته 62.5/125mm می توانند به عنوان رسانه انتقال برای اترنت گیگابیتی استفاده شوند. با این حال، برای شبکه های جدید، فیبر چند حالته 50/125 میلی متری به طور کلی ترجیح داده می شود.

دوم:فیبر چند حالته بهینه شده با لیزر

با توسعه فناوری، VCSEL 850 نانومتری (لیزر ساطع کننده سطح حفره عمودی) ظاهر شد. لیزرهای VCSEL به دلیل ارزان تر بودن نسبت به لیزرهای با طول موج بلند و افزایش سرعت شبکه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. لیزرهای طول موج و می توانند سرعت شبکه را افزایش دهند. با توجه به تفاوت بین دو نوع دستگاه ساطع کننده نور، فیبر خود باید برای تطبیق با تغییرات منبع نور اصلاح شود.

برای نیازهای لیزرهای VCSEL، سازمان بین‌المللی استاندارد/کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی (ISO/IEC) و اتحاد صنعت مخابرات (TIA) به طور مشترک استاندارد جدیدی برای فیبر چند حالته با هسته 50 میلی‌متری تهیه کرده‌اند. ISO/IEC نسل جدید را طبقه‌بندی می‌کند. فیبر چند حالته در دسته OM3 (استاندارد IEC A1a.2) در درجه فیبر چند حالته جدید خود، که یک فیبر چند حالته لیزری بهینه شده است.

فیبر بعدی OM4 در واقع یک نسخه ارتقا یافته از فیبر چند حالته OM3 است. در مقایسه با فیبر OM3، استاندارد OM4 فقط شاخص پهنای باند فیبر را بهبود می بخشد. یعنی استاندارد فیبر OM4 پهنای باند حالت مؤثر (EMB) و پهنای باند تزریق کامل را بهبود بخشیده است. (OFL) در 850 نانومتر در مقایسه با فیبر OM3. همانطور که در جدول 2 در زیر نشان داده شده است.

در فیبر چند حالته حالت های انتقال زیادی وجود دارد و مشکل مقاومت خمشی فیبر نیز به وجود می آید. هنگامی که فیبر خم می شود، حالت مرتبه بالا به راحتی نشت می کند و در نتیجه سیگنال از دست می رود، یعنی از دست دادن خمشی فیبر. با افزایش تعداد سناریوهای کاربردی داخلی، سیم کشی فیبر چند حالته در یک محیط باریک قرار داده است. نیازهای بالاتر برای مقاومت خمشی آن

برخلاف نمایه ضریب شکست ساده یک فیبر تک حالته، نمایه ضریب شکست یک فیبر چند حالته بسیار پیچیده است و به طراحی و فرآیند ساخت پروفیل ضریب شکست بسیار ظریف نیاز دارد. دقیق ترین آماده سازی فیبر چند حالته، فرآیند رسوب شیمیایی آب و هوای پلاسما (PCVD) است که توسط شرکت چانگفی ارائه می شود. این فرآیند با سایر فرآیندها تفاوت دارد زیرا دارای یک لایه رسوب دهی چند هزار لایه و ضخامت در هر لایه تنها در حدود 1 میکرون است. رسوب گذاری، کنترل منحنی ضریب شکست بسیار ظریف را برای دستیابی به پهنای باند بالا امکان پذیر می کند.

با بهینه سازی نمایه ضریب شکست فیبر چند حالته، فیبر چند حالته حساس به خمشی بهبود قابل توجهی در مقاومت خمشی دارد، همانطور که در شکل 1 زیر نشان داده شده است.

شکل 1 مقایسه عملکرد خم بزرگ بین فیبر چند حالته مقاوم در برابر خمش و فیبر چند حالته معمولی

سوم:فیبر چند حالته جدید (OM5)

فیبر OM3 و فیبر OM4 فیبرهای چند حالته هستند که عمدتاً در باند 850 نانومتری استفاده می‌شوند. با افزایش نرخ انتقال، تنها طراحی باند تک کاناله منجر به هزینه‌های بیشتر و فشرده‌تر سیم‌کشی می‌شود و هزینه‌های مدیریت و نگهداری مرتبط به همین نسبت افزایش می‌یابد. بنابراین، تکنسین ها سعی می کنند مفهوم چندگانه تقسیم طول موج را در سیستم انتقال چند حالته معرفی کنند. اگر بتوان چندین طول موج را روی یک فیبر منتقل کرد، تعداد متناظر فیبر موازی و هزینه تخمگذار و نگهداری را می توان تا حد زیادی کاهش داد. در این زمینه، فیبر OM5 به وجود آمد.

فیبر چند حالته OM5 مبتنی بر فیبر OM4 است که کانال پهنای باند بالا را گسترش می‌دهد و از برنامه‌های انتقال از 850 نانومتر به 950 نانومتر پشتیبانی می‌کند. برنامه‌های اصلی فعلی طرح‌های SWDM4 و SR4.2 هستند. SWDM4 یک تقسیم طول موجی از چهار موج کوتاه است که به ترتیب 850 نانومتر، 880 نانومتر، 910 نانومتر و 940 نانومتر هستند. به این ترتیب، یک فیبر نوری می‌تواند خدمات چهار فیبر نوری موازی قبلی را پشتیبانی کند. SR4.2 یک مالتی پلکس تقسیم دو طول موج است که عمدتاً برای فناوری دو طرفه تک فیبر استفاده می شود. OM5 را می توان با لیزرهای VCSEL با کارایی کم و هزینه کم برای برقراری ارتباط بهتر در فواصل کوتاه مانند مراکز داده مطابقت داد. جدول 3 زیر نشان داده شده است. مقایسه مشخصات پهنای باند اصلی برای فیبرهای OM4 و OM5.

در حال حاضر، فیبر OM5 به عنوان نوع جدیدی از فیبر چند حالته پیشرفته استفاده شده است. یکی از بزرگترین موارد تجاری، کیس تجاری OM5 مرکز داده اصلی Changfei و شرکت راه آهن چین است. هدف مرکز داده، مزایای کاربردی است. فیبر OM5 در سیستم تقسیم طول موج SR4.2. حداکثر ظرفیت ارتباط را با کمترین هزینه به دست می آورد و برای نرخ ارتقاء بیشتر در آینده آماده می شود. نرخ آینده به 100 گیگابیت بر ثانیه یا حتی 400 گیگابیت افزایش خواهد یافت. /s یا برنامه های باند پهن دیگر نمی توانند جایگزین فیبر شوند و هزینه های ارتقاء آتی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهند.

خلاصه: با ادامه افزایش تقاضا برای کاربردها، فیبر چند حالته به سمت افت خمشی کم، پهنای باند بالا و مالتی پلکس شدن چند طول موجی در حال حرکت است. و یک راه حل فیبر قدرتمند برای سیستم های چند طول موج 100 گیگابیت بر ثانیه و 400 گیگابیت بر ثانیه در آینده ارائه می دهد. فیبرهایی مانند فیبرهای چند حالته تک منظوره نیز در حال توسعه هستند. در آینده، Changfei راه حل های فیبر چند حالته جدید بیشتری را با همتایان خود در صنعت راه اندازی خواهد کرد که پیشرفت های جدید و هزینه های کمتری را برای مراکز داده و اتصالات فیبر نوری به ارمغان خواهد آورد.